一種六自由度仿人機器人手臂的制作方法
【專利摘要】一種六自由度仿人機器人手臂，它涉及一種機器人手臂。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的機器人手臂存在關節(jié)結構臃腫、自身重量大、負重比低和控制繁瑣的問題。本發(fā)明的肩轉關節(jié)、肩擺關節(jié)、大臂、肘轉關節(jié)、肘擺關節(jié)、小臂、腕轉關節(jié)、腕擺和手爪由上至下依次設置，臂擺電機通過傳送帶與蝸桿連接，臂轉電機通過傳送帶與轉動支架連接，大臂殼體設置在肩關節(jié)和肘關節(jié)之間，肘轉驅動電機和減速器由上至下依次設置在上臂殼體內，肘擺關節(jié)電機設置在肘關節(jié)殼體內并與肘關節(jié)傳送帶連接，肘關節(jié)減速器設在肘關節(jié)殼體內，手爪連接支架設在小臂和手爪之間，腕關節(jié)擺動電機設置在手爪連接支架的一側，腕關節(jié)轉動電機設置在手爪連接支架的上端。本發(fā)明用于仿人機器人。
【專利說明】一種六自由度仿人機器人手臂
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人手臂，具體涉及一種六自由度仿人機器人手臂。
【背景技術】
[0002]隨著科技的進步，機器人的研究應用領域在不斷擴展，其中仿人機器人的研究和應用尤其受到普遍關注，并成為智能機器人領域中最活躍的研究熱點之一。仿人機器人在助老、助殘領域得到廣泛應用，可完成取藥、倒水、冰箱取物、開門和攙扶老人等行為。機器人機械手臂是仿人機器人系統(tǒng)中最具代表性的復雜部件，是仿人機器人完成抓取作業(yè)和與人機交互的基礎，仿人機器人配備雙臂，因此其結構設計的緊湊和通用性和靈活性是實現(xiàn)手臂智能控的首要因素，同時機械臂的運動靈活性、安全性、平穩(wěn)性和多自由度關節(jié)機構的模塊化設計是一個急需解決的問題。評價機器人運動靈活性的關鍵是機器人肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)的多自由度運動機構設計，安全性體現(xiàn)在肩擺關節(jié)是否能實現(xiàn)自鎖，模塊化使關節(jié)緊湊和便于更換?，F(xiàn)有的機器人手臂存在關節(jié)結構臃腫、自身重量大、負重比低和控制繁瑣的問題。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的機器人手臂存在關節(jié)結構臃腫、自身重量大、負重比小和控制繁瑣的問題。進而提供一種六自由度仿人機器人手臂。
[0004]本發(fā)明的技術方案是:一種六自由度仿人機器人手臂，它包括手爪、腕關節(jié)、小臂、肘擺關節(jié)、肘關節(jié)、大臂和肩關節(jié)，肩關節(jié)、大臂、肘關節(jié)、小臂、腕關節(jié)和手爪由上至下依次設置，
[0005]所述肩關節(jié)包括擺臂伺服電機、轉臂伺服電機、轉動傳送帶、擺臂傳送帶、肩擺轉支架、蝸輪、蝸桿和肩關節(jié)支架，肩擺轉支架和肩關節(jié)支架由左至右依次固定設置，轉動傳送帶和擺臂傳送帶設置在肩抬起和轉動支架的左側，蝸輪和蝸桿設置在肩關節(jié)支架上，且蝸輪和蝸桿相互嚙合，擺臂臂伺服電機通過傳送帶與蝸桿連接，通過擺臂伺服電機的轉動實現(xiàn)機器人手臂的擺動動作；轉動伺服電機通過傳送帶與轉動支架連接，通過轉臂伺服電機的轉動實現(xiàn)機器人手臂的轉動動作，
[0006]所述肘關節(jié)包括肘轉關節(jié)和肘擺關節(jié)，肘轉關節(jié)和肘擺關節(jié)上下設置，肘轉關節(jié)包括大臂殼體、驅動電機和減速器，上臂殼體設置在肩關節(jié)和肘擺關節(jié)驅動電機之間，驅動電機和減速器由上至下依次設置在大臂殼體內，
[0007]肘擺關節(jié)包括肘擺關節(jié)驅動電機、肘關節(jié)傳送帶、肘擺關節(jié)減速器和肘關節(jié)殼體，肘關節(jié)殼體設置在大臂和小臂之間，肘關節(jié)傳送帶設置在肘關節(jié)殼體的側壁上，肘擺關節(jié)驅動電機設置在肘關節(jié)殼體內并與肘關節(jié)傳送帶連接，肘擺關節(jié)減速器設置在肘關節(jié)殼體內，
[0008]所述腕關節(jié)包括手爪連接支架、腕關節(jié)擺動電機和腕關節(jié)轉動電機，手爪連接支架設置在小臂和手爪之間，腕關節(jié)擺動電機設置在手爪連接支架的一側，腕關節(jié)轉動電機設置在手爪連接支架的上端。
[0009]所述手爪為五指手爪，外部為手套，拇指關節(jié)和手指關節(jié)是固定的，拇指與其余4指實現(xiàn)單自由度開合功能，由一舵機完成驅動。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下效果:
[0011]1.本發(fā)明具有肩關節(jié)轉動、肩關節(jié)擺動、肘關節(jié)轉動、肘關節(jié)擺動、腕關節(jié)擺動和腕關節(jié)轉動六個自由度，在關節(jié)位置不變前提下，電機采取了上移和進胸方式，完成了所需自重較小和高負重比的六自由度的功能。
[0012]2.本發(fā)明的機械手采用五手指夾持，結構簡單。
[0013]3.本發(fā)明在與機器人系統(tǒng)配合使用時，能夠將肩關節(jié)的兩個驅動電機放在胸腔，避免了肩關節(jié)結構臃腫問題，通過蝸輪蝸桿、傳動帶將動力輸出到肩關節(jié)，實現(xiàn)了具有自鎖功能的高精度肩擺動作和簡捷的肩關節(jié)轉動結構。
[0014]4.本發(fā)明在機械臂末端的腕關節(jié)采用兩個盤式電機驅動，減輕了機械臂末端的自身負載，實現(xiàn)了腕關節(jié)擺動和腕關節(jié)轉動兩個自由度。
[0015]5.本發(fā)明中優(yōu)化了驅動肩關節(jié)和肘關節(jié)的驅動電機在機械臂中占用位置，并在肘擺采取了減速器與驅動電機分離部署，節(jié)省了空間和進一步減輕肩部驅動的載荷，使機械臂外型更緊湊。
[0016]6.本發(fā)明中肘轉關節(jié)、肘擺關節(jié)、腕轉和腕擺關節(jié)直接采用了減速器輸出端與關節(jié)支架直連方式，避免了引入其他傳動環(huán)節(jié)帶來的傳動誤差。具有結構簡單，傳動精度高特點。
[0017]7.本發(fā)明利用減速器的輸出端與支架直接配合，結構簡單，驅動腕關節(jié)的伺服電機使用盤式電機，和采用常規(guī)電機相比，解決了空間不足和減輕機械臂末端額外負載的問題，進一步提升了機械臂帶負載能力。
[0018]8.本機械臂通過關驅動部件節(jié)合理布局和腕端采用盤式電機設計，完成了六自由度的機械臂，具有輕量化，負重比高、結構簡單、緊湊特點，其結構和功能適合服務機器人抓取、倒水和開門等作業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；圖2是肩回轉關節(jié)的結構示意圖；圖3是腕關節(jié)的結構示意圖；圖4是圖3的主視圖；圖5是肘擺關節(jié)的結構示意圖；圖6是整個肩部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]【具體實施方式】一:結合圖1-圖6說明本實施方式，本實施方式包括手爪1、腕關節(jié)
2、小臂3、肘擺關節(jié)18、肘關節(jié)77、大臂5和肩關節(jié)6，肩關節(jié)6、大臂5、肘關節(jié)77、小臂3、腕關節(jié)2和手爪I由上至下依次設置，
[0021]所述肩關節(jié)6包括擺臂伺服電機22、轉臂伺服電機23、轉動傳送帶201、擺臂傳送帶202、肩擺轉支架27、蝸輪25、蝸桿24和肩關節(jié)支架28，肩擺轉支架27和肩關節(jié)支架28由左至右依次固定設置，轉動傳送帶201和擺臂傳送帶202設置在肩抬起和轉動支架27的左側，蝸輪25和蝸桿24設置在肩關節(jié)支架28上，且蝸輪25和蝸桿24相互嚙合，擺臂臂伺服電機22通過傳送帶202與蝸桿24連接，通過擺臂伺服電機22的轉動實現(xiàn)機器人手臂的擺動動作；轉動伺服電機23通過傳送帶201與轉動支架27連接，通過轉臂伺服電機23的轉動實現(xiàn)機器人手臂的轉動動作，
[0022]所述肘關節(jié)77包括肘轉關節(jié)7和肘擺關節(jié)18，肘轉關節(jié)7和肘擺關節(jié)18上下設置，肘轉關節(jié)7包括大臂殼體31、驅動電機21和減速器20，上臂殼體31設置在肩關節(jié)6和肘擺關節(jié)驅動電機4之間，驅動電機21和減速器20由上至下依次設置在大臂殼體31內，
[0023]肘擺關節(jié)18包括肘擺關節(jié)驅動電機17、肘關節(jié)傳送帶203、肘擺關節(jié)減速器18_1和肘關節(jié)殼體30，肘關節(jié)殼體30設置在大臂5和小臂3之間，肘關節(jié)傳送帶203設置在肘關節(jié)殼體30的側壁上，肘擺關節(jié)驅動電機17設置在肘關節(jié)殼體30內并與肘關節(jié)傳送帶203連接，肘擺關節(jié)減速器18-1設置在肘關節(jié)殼體30內，
[0024]所述腕關節(jié)2包括手爪連接支架29、腕關節(jié)擺動電機10和腕關節(jié)轉動電機9，手爪連接支架29設置在小臂3和手爪I之間，腕關節(jié)擺動電機10設置在手爪連接支架29的一側，腕關節(jié)轉動電機9設置在手爪連接支架29的上端。
[0025]本實施方式的手爪I末端與腕關節(jié)2上端的盤式電機輸出軸聯(lián)接，由腕關節(jié)轉動電機9驅動，實現(xiàn)手爪I的抓取與放松。
[0026]本實施方式的腕關節(jié)2安裝在小臂3下端，其末端輸出軸與手爪I固連，驅動由腕關節(jié)擺動電機10和腕關節(jié)轉動電機9完成，腕關節(jié)擺動電機10和腕關節(jié)轉動電機9分別與手爪支架、手爪連接，完成手腕的翻轉和旋轉。
[0027]本實施方式的小臂3的上端與肘關節(jié)的肘擺關節(jié)減速器18-1 (即諧波減速器)輸出軸聯(lián)接；肘關節(jié)安裝在大臂5上端，由安裝在大臂5中的肘擺關節(jié)驅動電機17驅動，肘擺關節(jié)驅動電機17通過肘關節(jié)傳送帶203完成動力傳輸，帶動與之平行放置的肘擺關節(jié)減速器18-1完成肘關節(jié)的擺動。
[0028]本實施方式的上臂5下端通過肘轉關節(jié)4與小臂3聯(lián)接，大臂5上端與肩擺轉支架27的輸出軸固連。
[0029]本實施方式的肩擺轉支架27的輸出軸直接通過臂擺伺服電機22聯(lián)接到肩轉伺服電機21的輸出軸上，肘轉關節(jié)7的驅動電機21安放在大臂5中；
[0030]本實施方式的肩擺關節(jié)6上端與肩擺轉支架27固連，后端安裝在胸腔內部，其中轉動伺服電機23與擺臂伺服電機22都安裝在胸腔內部，擺動伺服電機22通過蝸輪25和蝸桿24傳輸動力，蝸輪25通過上臂殼體31與大臂5聯(lián)接，轉動伺服電機23通過傳送帶201與肩擺轉支架27相連，轉動時，肩擺轉支架27帶動肩關節(jié)支架28 —起完成機械臂的擺動。
[0031]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式肘擺關節(jié)4的伺服電機17水平設置在肘關節(jié)殼體30內并與傳送帶203連接。如此設置，節(jié)省空間和減輕肩部驅動載荷。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的腕關節(jié)擺動電機10和腕關節(jié)轉動電機9均為盤式電機。如此設置，體積小，節(jié)約空間和提高末端有效載荷。其它組成和連接關系與【具體實施方式】二相同。
[0033]【具體實施方式】四:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的肘關節(jié)減速器18為肘關節(jié)諧波減速器。如此設置，使肘部關節(jié)緊湊、單端剛性連接使減速器轉動平穩(wěn)。其它組成和連接關系與【具體實施方式】三相同。[0034]【具體實施方式】五:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的肘關節(jié)擺動伺服電機17與減速器18上下并列設置。如此設置，為控制器布線提供了足夠空間，電機上移減輕肘部本身負載，。其它組成和連接關系與【具體實施方式】四相同。
[0035]【具體實施方式】六:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的減速器20為諧波減速器，與肘轉驅動伺服電機21直連。如此設置，結構緊湊，剛度大，由于肘轉關節(jié)靠近肩部，對肩部負載影響小。其它組成和連接關系與【具體實施方式】五相同。
[0036]【具體實施方式】七:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的手爪I為戴手套的I自由度五指手爪。如此設置，拇指與其余4指為固定結構，結構簡單，便于夾持。其它組成和連接關系與【具體實施方式】二、三、四、五或六相同。
[0037]本發(fā)明的工作原理是:
[0038]本機械臂共具有6個自由度，其中，肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)各2個自由度，每個自由度由一個伺服電機和編碼器、減速器構成，減速器具有減速和增大關節(jié)扭矩功能，各關節(jié)伺服電機通過驅動器，由控制器完成控制作業(yè)。本機械臂結構緊湊和高負重比特性是通過以下設計實現(xiàn):肩關節(jié)臂擺伺服電機22和擺轉伺服電機23安放在胸腔中，減輕機械臂的重量和體積，使肩關節(jié)緊湊。肘關節(jié)77的驅動電機21豎直放在上臂的空腔內，肘擺關節(jié)4的伺服電機17通過傳送帶與諧波減速器18并排放置，合理利用了空間，增加了肩關節(jié)的負重t匕。腕關節(jié)2的驅動電機采用盤式電機，減小占用的空間和末端負重，增加了有效載荷。
[0039]本發(fā)明中所使用的伺服電機均帶有減速器。
[0040]另外，本發(fā)明中需要用到軸承的地方均采用十字交叉軸承。
【權利要求】
1.一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:它包括手爪(I)、腕關節(jié)(2)、小臂(3)、肘擺關節(jié)(18)、肘關節(jié)(77)、大臂(5)和肩關節(jié)(6)，肩關節(jié)(6)、大臂(5)、肘關節(jié)(77)、小臂(3 )、腕關節(jié)(2 )和手爪(I)由上至下依次設置， 所述肩關節(jié)(6)包括擺臂伺服電機(22)、轉臂伺服電機(23)、轉動傳送帶(201)、擺臂傳送帶(202)、肩擺轉支架(27)、蝸輪(25)、蝸桿(24)和肩關節(jié)支架(28)，肩擺轉支架(27)和肩關節(jié)支架(28)由左至右依次固定設置，轉動傳送帶(201)和擺臂傳送帶(202)設置在肩抬起和轉動支架(27 )的左側，蝸輪(25 )和蝸桿(24 )設置在肩關節(jié)支架(28 )上，且蝸輪(25)和蝸桿(24)相互嚙合，擺臂臂伺服電機(22)通過傳送帶(202)與蝸桿(24)連接，通過擺臂伺服電機(22)的轉動實現(xiàn)機器人手臂的擺動動作；轉動伺服電機(23)通過傳送帶(201)與轉動支架(27)連接，通過轉臂伺服電機(23)的轉動實現(xiàn)機器人手臂的轉動動作， 所述肘關節(jié)(77 )包括肘轉關節(jié)(7 )和肘擺關節(jié)(18 )，肘轉關節(jié)(7 )和肘擺關節(jié)(18 )上下設置，肘轉關節(jié)(7)包括大臂殼體(31)、驅動電機(21)和減速器(20)，上臂殼體(31)設置在肩關節(jié)(6)和肘擺關節(jié)驅動電機(4)之間，驅動電機(21)和減速器(20)由上至下依次設置在大臂殼體(31)內， 肘擺關節(jié)(18)包括肘擺關節(jié)驅動電機(17)、肘關節(jié)傳送帶(203)、肘擺關節(jié)減速器(18-1)和肘關節(jié)殼體(30)，肘關節(jié)殼體(30)設置在大臂(5)和小臂(3)之間，肘關節(jié)傳送帶(203)設置在肘關節(jié)殼體(30)的側壁上，肘擺關節(jié)驅動電機(17)設置在肘關節(jié)殼體(30)內并與肘關節(jié)傳送帶(203 )連接，肘擺關節(jié)減速器(18-1)設置在肘關節(jié)殼體(30 )內， 所述腕關節(jié)(2 )包括手爪連接支架(29 )、腕關節(jié)擺動電機(10 )和腕關節(jié)轉動電機(9 )，手爪連接支架(29 )設置在小臂(3 )和手爪(I)之間，腕關節(jié)擺動電機(10 )設置在手爪連接支架(29)的一側，腕關節(jié)轉動電機(9)設置在手爪連接支架(29)的上端。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:所述肘關節(jié)(4)的肘關節(jié)伺服電機(17 )水平設置在肘關節(jié)殼體(30 )內并與肘關節(jié)傳送帶(203 )連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:所述腕關節(jié)擺動電機(10 )和腕關節(jié)轉動電機(9 )均為盤式電機。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:所述肘關節(jié)減速器(18)為肘關節(jié)諧波減速器。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:所述肘關節(jié)伺服電機(17)與肘關節(jié)減速器(18)上下并列設置。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:所述減速器(20)為諧波減速器。
7.根據(jù)權利要求1或6所述的一種六自由度仿人機器人手臂，其特征在于:肩擺關節(jié)為渦輪結構，實現(xiàn)擺臂無動力時自鎖。
【文檔編號】B25J18/00GK103465272SQ201310455640
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權日:2013年9月29日
【發(fā)明者】李瑞峰, 趙立軍, 梁培棟, 馬國慶, 張騰飛, 仝勛偉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學