專利名稱：多自由度仿人機器人手臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人，尤其涉及一種多自由度仿人機器人手臂。
背景技術(shù)：
隨著科技的進步，機器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴展，其中仿人機器人的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注，并成為智能機器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點之一。仿人機器人運動的多樣性、通用性和必要的柔性是智能實現(xiàn)的首要因素，它是保證仿人機器人可塑性和與人交流的前提，仿人機器人的運動機構(gòu)能否像人一樣靈活自如是智能仿人機器人像不像人的關(guān)鍵，而且決定了它能不能為人們所接受。因此仿人機器人必須擁有類似人上肢的兩條機械臂，同時機械臂的運動靈活性、平穩(wěn)性和多自由度關(guān)節(jié)機構(gòu)的模塊化設(shè)計是一個急需解決的問題。限制機器人運動是否靈活的關(guān)鍵是機器人肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的多自由度運動機構(gòu)的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是為了提供一種多自由度仿人機器人手臂。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種多自由度仿人機器人手臂，包括順序傳動相連的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、大臂結(jié)構(gòu)、肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、小臂結(jié)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和手；所述的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括一個肩體和安裝在肩體上的一個前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與機器人的上身固定相連并與肩體傳動相連，肩體還與機器人的大臂傳動相連；所述的大臂結(jié)構(gòu)包括大臂體和安裝在大臂體上的一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，該側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與肩體傳動相連；所述的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，各包括一個關(guān)節(jié)體和安裝在關(guān)節(jié)體上的一個軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與大臂體傳動相連，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與手傳動相連。
所述的安裝在肩體上的前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括前向旋轉(zhuǎn)直流電機和由該直流電機帶動的傳動連接件，前向旋轉(zhuǎn)直流電機與機器人的上身固定相連，傳動連接件與肩體傳動相連，在肩體上設(shè)有用于與大臂結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相連的連接孔和傳動連接件。
所述的安裝在大臂體上的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在大臂體的一端，包括側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機和由該直流電機帶動的傳動連接件，側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在大臂體上特設(shè)的槽孔內(nèi)，傳動連接件與肩體上的相應(yīng)傳動連接件傳動相連，在大臂體上還設(shè)有一個與肩體上的連接孔連接固定的連接柱，在大臂體的另一端設(shè)有一個用于與肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相連的傳動連接件。
所述的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)各包括軸向旋轉(zhuǎn)直流電機和由該直流電機帶動的傳動連接件，軸向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在關(guān)節(jié)體一端的槽孔內(nèi)，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與大臂結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)傳動連接件傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與小臂結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)傳動連接件傳動相連。
所述的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)各包括側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機、由直流電機帶動的側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪、由側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪帶動的側(cè)向旋轉(zhuǎn)組件，側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在關(guān)節(jié)體中部腔體內(nèi)，側(cè)向旋轉(zhuǎn)組件包括安裝在關(guān)節(jié)體上的轉(zhuǎn)軸、連接在轉(zhuǎn)軸一端的傳動齒輪以及連接在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的傳動連接件，傳動齒輪與側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪嚙合傳動相連，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與手傳動相連。
所述的小臂結(jié)構(gòu)包括小臂體，在小臂體的一端設(shè)有一個用于與肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的傳動連接件連接的凹槽和連接體，另一端設(shè)有一個用于與腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的傳動連接件連接的連接體。
所述的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中設(shè)有平衡機構(gòu)，該平衡機構(gòu)包括一個平衡彈簧，彈簧的一端連接在肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的肩體上，另一端連接在機器人的人體上。
本發(fā)明根據(jù)人體手臂運動的空間范圍設(shè)定機器人手臂各關(guān)節(jié)運動的自由度，為了保證機器人在運動過程中的平穩(wěn)性，對手臂機構(gòu)的運動設(shè)置了平衡機構(gòu)，為了使肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)自由度機構(gòu)簡化，對這兩個自由度機構(gòu)進行了模塊化設(shè)計。與其他機器人手臂運動機構(gòu)相比，該機器人的手臂在運動過程中不僅平穩(wěn)，而且結(jié)構(gòu)簡單。


圖1是本發(fā)明多自由度仿人機器人手臂的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的肩體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中的大臂結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明中的大臂結(jié)構(gòu)的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明中的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7、圖8是本發(fā)明中的小臂結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明的多自由度仿人機器人手臂，包括順序傳動相連的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1、大臂結(jié)構(gòu)2、肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3、小臂結(jié)構(gòu)4、腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)5和手6。
參見圖2、圖3，本發(fā)明中的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1包括一個肩體11和安裝在肩體上的一個前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)12，在肩體11上設(shè)有用于與大臂結(jié)構(gòu)2中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相連的連接孔111和傳動連接件112，另外還設(shè)有一個用于與前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)12連接的連接孔113。前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)12包括前向旋轉(zhuǎn)直流電機121和由該直流電機帶動的傳動連接件122，前向旋轉(zhuǎn)直流電機121與機器人的上身固定相連，傳動連接件122與肩體11傳動相連(通過連接孔113)。在肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中還設(shè)有一個平衡機構(gòu)，該平衡機構(gòu)包括一個平衡彈簧13，彈簧13的一端連接在肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的肩體11上，另一端連接在機器人的人體上。
參見圖4、圖5，本發(fā)明中的大臂結(jié)構(gòu)2包括大臂體21和安裝在大臂體上的一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)22。在大臂體21上設(shè)有一個與肩體上的連接孔111連接固定的連接柱211，在大臂體的一端設(shè)有一個用于與肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3相連的傳動連接件212(本實施例采用內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu))。側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)22包括側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機221和由該直流電機帶動的傳動連接件222，側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機221安裝在大臂體21特設(shè)的槽孔內(nèi)，傳動連接件222與肩體上的相應(yīng)傳動連接件112傳動相連。
參見圖6，本發(fā)明中的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)5的結(jié)構(gòu)相同，以肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3為例，它包括一個關(guān)節(jié)體31、安裝在關(guān)節(jié)體上的一個軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)32和一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)33。其中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)32包括軸向旋轉(zhuǎn)直流電機321和由該直流電機帶動的傳動連接件322(本實施例采用外齒輪連接結(jié)構(gòu))，軸向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在關(guān)節(jié)體一端的槽孔內(nèi)。傳動連接件322與大臂結(jié)構(gòu)2中的相應(yīng)傳動連接件212傳動相連(腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)5中的相應(yīng)傳動連接件與小臂結(jié)構(gòu)4中的相應(yīng)傳動連接件傳動相連)。側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)33包括側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機331、由直流電機帶動的側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪332、由側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪帶動的側(cè)向旋轉(zhuǎn)組件333，側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機331安裝在關(guān)節(jié)體的中部腔體內(nèi)，側(cè)向旋轉(zhuǎn)組件333包括安裝在關(guān)節(jié)體上的轉(zhuǎn)軸3331、連接在轉(zhuǎn)軸一端的傳動齒輪3332以及連接在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的傳動連接件3333(本實施例采用法蘭連接結(jié)構(gòu))，傳動齒輪3332與側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪332嚙合傳動相連，傳動連接件3333與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連(腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)5中的相應(yīng)傳動連接件與手傳動相連)。
參見圖7、圖8，本發(fā)明中的小臂結(jié)構(gòu)4包括小臂體41，在小臂體的一端設(shè)有一個用于與肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)33中的傳動連接件3333連接的凹槽411和連接體42(本實施例采用對應(yīng)于肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3的傳動連接件3333的法蘭連接結(jié)構(gòu))，另一端設(shè)有一個用于與腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)5中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的傳動連接件連接的連接體43(本實施例采用內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu))。
本發(fā)明中的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括兩個自由度，由一個前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成正交，前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與機器人的上身相連接，側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與機器人的大臂相連接，因此可以實現(xiàn)大臂的前后擺動和側(cè)向擺動。大臂的前后擺動最大范圍是180°到-90°，側(cè)向擺動的最大運動范圍是0°到150°。本發(fā)明中的肘關(guān)節(jié)也包括兩個自由度，由一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和一個軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)正交組成，側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)最大運動范圍是0°到150°，軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)最大運動范圍是0°到180°。本發(fā)明中的腕關(guān)節(jié)也包括兩個自由度，由一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和一個軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)正交組成，側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的最大運動范圍是-60°到45°，軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的最大運動范圍是0°到90°。
本發(fā)明為了保證前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中的平穩(wěn)性，在肩部設(shè)置了平衡機構(gòu)，采用彈簧來平衡手臂在運動中的重力，在手臂上升過程中由彈簧的彈力克服手臂的重力，減輕直流電機的負載；同時可以使手臂停在運動范圍內(nèi)的任何位置，在手臂向下運動的過程中由彈簧的彈力克服手臂的重力，使手臂不會因為自身的重力加快手臂向下的運動速度，同時保證直流電機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。
權(quán)利要求
1.一種多自由度仿人機器人手臂，其特征在于包括順序傳動相連的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、大臂結(jié)構(gòu)、肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、小臂結(jié)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和手；所述的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括一個肩體和安裝在肩體上的一個前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與機器人的上身固定相連并與肩體傳動相連，肩體還與機器人的大臂傳動相連；所述的大臂結(jié)構(gòu)包括大臂體和安裝在大臂體上的一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，該側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與肩體傳動相連；所述的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，各包括一個關(guān)節(jié)體和安裝在關(guān)節(jié)體上的一個軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和一個側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與大臂體傳動相連，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)與手傳動相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度仿人機器人手臂，其特征在于所述的安裝在肩體上的前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括前向旋轉(zhuǎn)直流電機和由該直流電機帶動的傳動連接件，前向旋轉(zhuǎn)直流電機與機器人的上身固定相連，傳動連接件與肩體傳動相連，在肩體上設(shè)有用于與大臂結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)相連的連接孔和傳動連接件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度仿人機器人手臂，其特征在于所述的安裝在大臂體上的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在大臂體的一端，包括側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機和由該直流電機帶動的傳動連接件，側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在大臂體上特設(shè)的槽孔內(nèi)，傳動連接件與肩體上的相應(yīng)傳動連接件傳動相連，在大臂體上還設(shè)有一個與肩體上的連接孔連接固定的連接柱，在大臂體的另一端設(shè)有一個用于與肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相連的傳動連接件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度仿人機器人手臂，其特征在于所述的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)各包括軸向旋轉(zhuǎn)直流電機和由該直流電機帶動的傳動連接件，軸向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在關(guān)節(jié)體一端的槽孔內(nèi)，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與大臂結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)傳動連接件傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與小臂結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)傳動連接件傳動相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度仿人機器人手臂，其特征在于所述的肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)各包括側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機、由直流電機帶動的側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪、由側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪帶動的側(cè)向旋轉(zhuǎn)組件，側(cè)向旋轉(zhuǎn)直流電機安裝在關(guān)節(jié)體中部腔體內(nèi)，側(cè)向旋轉(zhuǎn)組件包括安裝在關(guān)節(jié)體上的轉(zhuǎn)軸、連接在轉(zhuǎn)軸一端的傳動齒輪以及連接在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的傳動連接件，傳動齒輪與側(cè)向旋轉(zhuǎn)齒輪嚙合傳動相連，肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與小臂結(jié)構(gòu)傳動相連，腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的傳動連接件與手傳動相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度仿人機器人手臂，其特征在于所述的小臂結(jié)構(gòu)包括小臂體，在小臂體的一端設(shè)有一個用于與肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的傳動連接件連接的凹槽和連接體，另一端設(shè)有一個用于與腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的傳動連接件連接的連接體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度仿人機器人手臂，其特征在于所述的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中設(shè)有平衡機構(gòu)，該平衡機構(gòu)包括一個平衡彈簧，彈簧的一端連接在肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中的肩體上，另一端連接在機器人的人體上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多自由度仿人機器人手臂，包括順序傳動相連的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、大臂結(jié)構(gòu)、肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、小臂結(jié)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和手。在肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中設(shè)有前向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在大臂結(jié)構(gòu)中設(shè)有側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中分別設(shè)有軸向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和側(cè)向旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。本發(fā)明可實現(xiàn)機器人手臂各關(guān)節(jié)部位的多自由度運動。與其他機器人手臂運動機構(gòu)相比，本發(fā)明機器人手臂還具有運動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單的特點。
文檔編號B25J18/00GK101045302SQ20071003959
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者杜進鋒 申請人:上海山思智能科技有限公司