CN104708637A - 一种仿人机械手臂 - Google Patents

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李曾健
陶卫军
陈昊
黄晶晶
邵奇
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Abstract

本发明提出一种仿人机械手臂。包括臂部六个自由度，以及手爪开合一个自由度；手臂六个自由度包括前端臂部三个自由度和末端腕部三个自由度，每个自由度由一个电机分别控制；前端臂部三个自由度为腰部回转运动、大臂摆动和小臂摆动，末端腕部三个自由度为两个手腕回转运动和一个手腕俯仰运动；前端臂部三个自由度均采用直流无刷电机驱动，直流无刷电机输出至谐波减速机，由谐波减速机的法兰盘输出运动，并由编码器反馈信号构成闭环***；末端腕部三个自由度均由舵机通过圆形舵盘输出运动。本发明在满足其抓取功能的情况下，采用较少的自由度，降低了成本；关节传动机构简单可靠；轻量化设计，功率消耗底；自适应型手抓提高了机械手臂的灵活性。

Description

一种仿人机械手臂
技术领域
本发明属于机电技术领域，具体涉及一种用于家庭服务等机器人的仿人机械手臂。
背景技术
随着机器人技术的发展，各种智能化家用服务机器人将会走进日常生活，完成一些辅助性工作。特别是对于一些行走不便的老人家庭，家用服务机器人可提供清洁卫生、家电控制，端茶、倒水、开关灯和安保等服务，市场前景广阔。
服务机器人手臂大多具备抓取搬运功能，要求机械臂具有足够的灵活性，能稳定抓取不同形状姿态的物品。日本本田技研工业株式会社研制的仿人机器人ASIMO，其手臂的自由度多达10个，而第二代ASIMO的手臂自由度达到了12个，尽管更多的手臂自由度会使得手臂具有更出色的灵活性，但也会导致其结构复杂和成本过高，从而使得其难以在家庭推广。为了更好地应用于家庭使用，需要在从如下几个方面进行改进：1)在满足其抓取功能的情况下，设计较少的自由度来降低其成本；2)由于家用服务机器人要抓取多种不同的目标物，一般需要配合目标识别来进行智能抓取，不需要高精度高速度的关节运动。在关节传动机构设计时不必达到工业机器手的精度，其关节传动机构要简单可靠；3)考虑到一般家庭的经济承受能力，尽量采用低成本设计、同时采用轻量化设计，降低其功率消耗。
发明内容
本发明的目的在于提出一种仿人机械手臂，在满足其抓取功能的情况下，设计了较少的自由度，降低了成本；关节传动机构简单可靠；采用轻量化设计，功率消耗降；采用自适应型手抓，提高了机械手臂的灵活性。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种仿人机械手臂，包括臂部六个自由度，以及手爪开合一个自由度；手臂六个自由度包括前端臂部三个自由度和末端腕部三个自由度，每个自由度由一个电机分别控制；前端臂部三个自由度为腰部回转运动、大臂摆动和小臂摆动，末端腕部三个自由度为两个手腕回转运动和一个手腕俯仰运动。
进一步，前端臂部三个自由度均采用直流无刷电机驱动，直流无刷电机输出至谐波减速机，由谐波减速机的法兰盘输出运动，并由编码器反馈信号构成闭环***。
进一步，腰部回转自由度由第一电机驱动，第一电机、第一谐波减速机和第二编码器均固定在机座上，第一谐波减速机的轴线与第一电机对齐；第一电机的D形轴***第一谐波减速机输入端；腰部回转平台固定于第一谐波减速机输出端的柔轮上，腰部回转平台的下部与大齿轮紧配合连接，小齿轮固定于D形轴上并与大齿轮啮合；D形输出轴穿过轴承***第二编码器。
进一步，大臂摆动自由度由第二电机驱动，第二电机、第二谐波减速机和第一编码器均固定于腰部回转平台上；第二谐波减速机的轴线与第二电机对齐，第二电机的D形轴***第二谐波减速机输入端，大臂固定于第二谐波减速机输出端；连轴一端固定在大臂上，另一端穿过腰部回转平台与第一编码器相连。
进一步，小臂摆动的自由度由第三电机驱动，第三电机、第三谐波减速机和第三编码器均固定在大臂，且第三电机靠近大臂摆动的回转中心；小臂固定在第三谐波减速机上；第三电机输出轴穿过大臂并与第一同步带轮，同步皮带将运动传递到第二同步带轮，第二同步带轮将运动传递给自身所在的轴，并由该轴将运动输入第三谐波减速机；小臂的回转中心插有一根D形轴，D形轴另一端接入第三编码器。
进一步，末端腕部三个自由度均由舵机通过圆形舵盘输出运动。末端腕部三个自由度分别由三个舵机控制；工业舵机固定在小臂上，大法兰盘套在工业舵机的输出轴上；旋转腕关节与大法兰盘固连，实现关节旋转；摆动腕关节内部装有两个舵机，其中，第一舵机通过圆舵盘与旋转腕关节相连，实现摆动腕关节的摆动，第二舵机与第一圆舵盘相连，用于与手爪连接，输出一个回转运动。
进一步，手爪的开合由第三舵机控制，第三舵机安装在U形机械手壳体中，其输出轴上安装第二圆舵盘，第一齿轮连接件固定在第二圆舵盘上，第二齿轮连接件中间有一个法兰轴承，通过螺栓连接在机械手壳体上，两个齿轮连接件相互啮合，另一边同样有两个齿轮连接件啮合；第一U形板通过螺栓将第一齿轮连接件和第三齿轮连接件固连，第二U形板将第二齿轮连接件和第四齿轮连接件固连；第一爪通过螺钉与第一U形板相连，第二爪与第二U形板相连。
进一步，四个固定接触点用螺纹连接在第一爪上，两个浮动接触点铰接在第二爪上，浮动接触点上粘有薄片式压力传感器。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明采用六自由度臂部和一个手抓来满足自由抓取任何形状和方位的家用物品，自由度数相对较少，控制方便；关节传动机构简单可靠，精度适中，成本较低；结构简单实用，便于安装与维修，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明仿人机械手臂主视图，其中A部分为腰部视图，B部分为大臂视图，C部分为小臂和腕关节视图，D部分为手爪视图。
图2是本发明仿人机械手臂的三维视图。
图3是本发明腰部的局部放大视图。
图4是本发明中腰部回转平台的三维视图。
图5是大臂部分的侧视图。
图6是大臂的三维视图。
图7是小臂和腕关节的侧视图。
图8是小臂的三维视图。
图9是摆动腕关节的三维视图。
图10是本手爪的主视图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明仿人机械手臂的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1和图2，本发明仿人机械手臂包括臂部6个自由度，以及手爪开合一个自由度。手臂的6个自由度，分前端臂部三个自由度，末端腕部三个自由度，每个自由度由一个电机分别控制。前端三个自由度分别为腰部回转、大臂摆动和小臂摆动，驱动方式为直流无刷电机输出到谐波减速机，再由谐波减速机的法兰盘输出运动，并由编码器反馈信号构成闭环***。末端三个自由度分别为两个手腕回转运动和一个手腕俯仰运动，均由舵机通过圆形舵盘输出运动。手部为回转式机械手，通过布置在手指上的四个固定接触点和两个浮动接触点实现抓取物体时的自动对心，并适应抓取大多数不同形态的物体。
腰部回转部分
结合图1、图2、图3和图4，腰部回转部分包括：第一电机1-1，机座2，第一谐波减速机3-1，键4，腰部回转平台5，第二编码器6-2，大齿轮9，小齿轮10，D形轴11，轴承12。腰部回转平台5的外形如图3。
腰部回转的自由度由第一电机1-1驱动，第一电机1-1通过其前端的方形法兰盘由螺钉固定在机座2上，第一谐波减速机3-1通过螺钉固定在机座2上，其轴线与第一电机1-1对齐。第一电机1-1输出轴为D形接口***第一谐波减速机3-1输入端，由紧定螺钉2固定。腰部回转平台5通过螺钉固定于第一谐波减速机3-1输出端的柔轮上，获得较小的回转速度。腰部回转平台5的下部通过键4与大齿轮9紧配合连接，小齿轮10通过紧定螺钉固定于D形轴11上并与大齿轮9啮合。D形轴穿过轴承12***第二编码器6-2，并由紧定螺钉固定，第二编码器6-2通过螺钉固定于机座2上。
第一电机1-1输出的高转速经过第一谐波减速器输出为低转速作用于腰部回转平台5上，回转平台的运动带动齿轮系的运动，最终将腰部的回转角度反馈到编码器上，编码器的作用是将角位移转化为电信号。齿轮系的作用是将腰部的回转角度增量放大，提高反馈精度。
大臂摆动部分
结合图5和图6，大臂摆动部分包括：第二电机1-2，第二谐波减速机3-2，腰部回转平台5，大臂8，连轴7，第一编码器6-1。大臂8的外形如图4，大臂摆动部分与腰部回转部分共用同一个腰部回转平台5，从而使大臂摆动部分与腰部回转部分配合成为一个整体。
大臂8摆动的自由度由第二电机1-2驱动，第二电机1-2通过其前端的方形法兰由螺钉固定于腰部回转平台5上，第二谐波减速机3-2通过螺钉固定在腰部回转平台5上，其轴线与第二电机1-2对齐，第二电机1-2的D形输出轴11***第二谐波减速机3-2输入端，由紧定螺钉固定，大臂8用螺钉固定于第二谐波减速机3-2输出端。连轴7上有一个法兰盘，通过螺钉固定在大臂8上，连轴7另一端穿过腰部回转平台5与第一编码器6-1相连，并通过紧定螺钉固定，第一编码器6-1通过螺钉固定在腰部回转平台5上。
大臂8通过第二谐波减速机3-2获得较低的转速，并由连轴7将位移转角反馈给第一编码器6-1。
小臂摆动部分
结合图7和图8，小臂摆动部分包括：小臂16，第三电机1-3，大臂8，第一同步带轮14-1，同步皮带15，第二同步带轮14-2，第三谐波减速机3-3，第三编码器6-3，连接片17。小臂16的外形如图7。
小臂16摆动的自由度由第三电机1-3驱动，第三电机1-3通过法兰盘由螺钉固定在大臂8上，位置靠近大臂摆动的回转中心。第三电机1-3输出轴穿过大臂8并在输出轴上由紧定螺钉固定上第一同步带轮14-1。同步皮带15将运动传递到第二同步带轮14-2上，第二同步带轮14-2将运动传递给自身所在的轴，并由轴将运动输入第三谐波减速机3-3，小臂16由螺钉固定在第三谐波减速机3-3上，第三谐波减速机3-3由螺钉固定在大臂8上。小臂16的回转中心***一根D形轴，D形轴另一端由紧定螺钉固定并接入第三编码器6-3，第三编码器6-3通过连接片17用螺钉固定于大臂8。
小臂16由第三谐波减速机3-3获得较低转速，并经由D形轴将位移转角反馈给第三编码器6-3。第三电机1-3布置于大臂8内，且位置靠近前端有助于减小手臂宽度，并减小大臂和腰部电机的负载。
腕部的回转及摆动部分
结合图7和图9，腕部的回转和摆动包括：工业舵机18，小臂16，大法兰盘19，工业舵机18，旋转腕关节20，第一舵机21-1，摆动腕关节22,第二舵机21-2，第一圆舵盘23-1。摆动腕关节22的外形如图8。
腕部共有三个自由度并分别由三个舵机控制。工业舵机18通过其上的法兰盘由螺钉固定在小臂16上，大法兰盘19套在工业舵机18的输出轴上，由紧定螺钉固定。旋转腕关节20通过螺栓与法兰盘固连，实现关节旋转。摆动腕关节22内部装有两个舵机，其中第一舵机21-1通过圆舵盘与旋转腕关节20相连，实现摆动腕关节22的摆动，第二舵机21-2与第一圆舵盘23-1相连，用于和手爪连接，输出一个回转运动。
手爪开合部分
结合图10，本部分包括：第三舵机21-3，机械手壳体26，第二圆舵盘23-2，第一齿轮连接件31-1，第二齿轮连接件31-2，第三齿轮连接件31-3，第四齿轮连接件31-4，第一U形板32-1，第二U形板32-2，固定接触点25，浮动接触点27，法兰轴承30。
手爪的开合由第三舵机21-3控制，第三舵机21-3安装在U形机械手壳体26中，其输出轴上安装第二圆舵盘23-2，第一齿轮连接件31-1通过螺钉固定在第二圆舵盘23-2上，第二齿轮连接件31-2中间是一个法兰轴承30，通过螺栓连接在机械手壳体26上，两个齿轮连接件相互啮合，另一边同样有两个齿轮连接件啮合。第一U形板32-1通过螺栓将第一齿轮连接件31-1和第三齿轮连接件31-3固连，第二U形板32-2将第二齿轮连接件31-2和第四齿轮连接件31-4固连。第一爪24通过螺钉与第一U形板32-1相连，第二爪28与第二U形板35-2相连。四个固定接触点25用螺纹连接到第一爪24上，两个浮动接触点27铰接在第二爪28上，浮动接触点上粘有薄片式压力传感器。当机械爪抓取物品时，第二爪28上的两个浮动接触点27根据物体的表面状况摆动，将粘有压力传感器的面迎向物体，进而判断是否夹到物体，并保证一定的夹紧力。

Claims (9)

1.一种仿人机械手臂，其特征在于，包括臂部六个自由度，以及手爪开合一个自由度；手臂六个自由度包括前端臂部三个自由度和末端腕部三个自由度，每个自由度由一个电机分别控制；前端臂部三个自由度为腰部回转运动、大臂摆动和小臂摆动，末端腕部三个自由度为两个手腕回转运动和一个手腕俯仰运动。
2.如权利要求1所述仿人机械手臂，其特征在于，前端臂部三个自由度均采用直流无刷电机驱动，直流无刷电机输出至谐波减速机，由谐波减速机的法兰盘输出运动，并由编码器反馈信号构成闭环***。
3.如权利要求2所述仿人机械手臂，其特征在于，腰部回转自由度由第一电机(1-1)驱动，第一电机(1-1)、第一谐波减速机(3-1)和第二编码器(6-2)均固定在机座(2)上，第一谐波减速机(3-1)的轴线与第一电机(1-1)对齐；第一电机(1-1)的D形轴(11)***第一谐波减速机(3-1)输入端；腰部回转平台(5)固定于第一谐波减速机(3-1)输出端的柔轮上，腰部回转平台(5)的下部与大齿轮(9)紧配合连接，小齿轮(10)固定于D形轴(11)上并与大齿轮(9)啮合；D形输出轴穿过轴承(12)***第二编码器(6-2)。
4.如权利要求2所述仿人机械手臂，其特征在于，大臂摆动自由度由第二电机(1-2)驱动，第二电机(1-2)、第二谐波减速机(3-2)和第一编码器(6-1)均固定于腰部回转平台(5)上；第二谐波减速机(3-2)的轴线与第二电机(1-2)对齐，第二电机(1-2)的D形轴(11)***第二谐波减速机(3-2)输入端，大臂(8)固定于第二谐波减速机(3-2)输出端；连轴(7)一端固定在大臂(8)上，另一端穿过腰部回转平台(5)与第一编码器(6-1)相连。
5.如权利要求2所述仿人机械手臂，其特征在于，小臂摆动的自由度由第三电机(1-3)驱动，第三电机(1-3)、第三谐波减速机(3-3)和第三编码器(6-3)均固定在大臂(8)，且第三电机(1-3)靠近大臂摆动的回转中心；小臂(16)固定在第三谐波减速机(3-3)上；第三电机(1-3)输出轴穿过大臂(8)并与第一同步带轮(14-1)，同步皮带(15)将运动传递到第二同步带轮(14-2)，第二同步带轮(14-2)将运动传递给自身所在的轴，并由该轴将运动输入第三谐波减速机(3-3)；小臂(16)的回转中心插有一根D形轴(11)，D形轴另一端接入第三编码器(6-3)。
6.如权利要求1所述仿人机械手臂，其特征在于，末端腕部三个自由度均由舵机通过圆形舵盘输出运动。
7.如权利要求6所述仿人机械手臂，其特征在于，末端腕部三个自由度分别由三个舵机控制；工业舵机(18)固定在小臂(16)上，大法兰盘(19)套在工业舵机(18)的输出轴上；旋转腕关节(20)与大法兰盘固连，实现关节旋转；摆动腕关节(22)内部装有两个舵机，其中，第一舵机(21-1)通过圆舵盘与旋转腕关节(20)相连，实现摆动腕关节(22)的摆动，第二舵机(21-2)与第一圆舵盘(23-1)相连，用于与手爪连接，输出一个回转运动。
8.如权利要求6所述仿人机械手臂，其特征在于，手爪的开合由第三舵机(21-3)控制，第三舵机(21-3)安装在U形机械手壳体(26)中，其输出轴上安装第二圆舵盘(23-2)，第一齿轮连接件(31-1)固定在第二圆舵盘(23-2)上，第二齿轮连接件(31-2)中间有一个法兰轴承(30)，通过螺栓连接在机械手壳体(26)上，两个齿轮连接件相互啮合，另一边同样有两个齿轮连接件啮合；第一U形板(32-1)通过螺栓将第一齿轮连接件(31-1)和第三齿轮连接件(31-3)固连，第二U形板(32-2)将第二齿轮连接件(31-2)和第四齿轮连接件(31-4)固连；第一爪(24)通过螺钉与第一U形板(32-1)相连，第二爪(28)与第二U形板(35-2)相连。
9.如权利要求8所述仿人机械手臂，其特征在于，四个固定接触点(25)用螺纹连接在第一爪(24)上，两个浮动接触点(27)铰接在第二爪(28)上，浮动接触点上粘有薄片式压力传感器。
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