CN101045302A - 多自由度仿人机器人手臂 - Google Patents

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杜进锋
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Abstract

本发明提供了一种多自由度仿人机器人手臂,包括顺序传动相连的肩关节结构、大臂结构、肘关节结构、小臂结构、腕关节结构和手。在肩关节结构中设有前向旋转机构,在大臂结构中设有侧向旋转机构,在肘关节结构和腕关节结构中分别设有轴向旋转机构和侧向旋转机构。本发明可实现机器人手臂各关节部位的多自由度运动。与其他机器人手臂运动机构相比,本发明机器人手臂还具有运动平稳,结构简单的特点。

Description

多自由度仿人机器人手臂
技术领域
本发明涉及一种机器人,尤其涉及一种多自由度仿人机器人手臂。
背景技术
随着科技的进步,机器人的研究应用领域在不断扩展,其中仿人机器人的研究和应用尤其受到普遍关注,并成为智能机器人领域中最活跃的研究热点之一。仿人机器人运动的多样性、通用性和必要的柔性是智能实现的首要因素,它是保证仿人机器人可塑性和与人交流的前提,仿人机器人的运动机构能否像人一样灵活自如是智能仿人机器人像不像人的关键,而且决定了它能不能为人们所接受。因此仿人机器人必须拥有类似人上肢的两条机械臂,同时机械臂的运动灵活性、平稳性和多自由度关节机构的模块化设计是一个急需解决的问题。限制机器人运动是否灵活的关键是机器人肩关节、肘关节、腕关节的多自由度运动机构的设计。
发明内容
本发明的目的,就是为了提供一种多自由度仿人机器人手臂。
为了达到上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种多自由度仿人机器人手臂,包括顺序传动相连的肩关节结构、大臂结构、肘关节结构、小臂结构、腕关节结构和手;所述的肩关节结构包括一个肩体和安装在肩体上的一个前向旋转机构,前向旋转机构与机器人的上身固定相连并与肩体传动相连,肩体还与机器人的大臂传动相连;所述的大臂结构包括大臂体和安装在大臂体上的一个侧向旋转机构,该侧向旋转机构与肩体传动相连;所述的肘关节结构和腕关节结构的结构相同,各包括一个关节体和安装在关节体上的一个轴向旋转机构和一个侧向旋转机构,肘关节结构中的轴向旋转机构与大臂体传动相连,肘关节结构中的侧向旋转机构与小臂结构传动相连,腕关节结构中的轴向旋转机构与小臂结构传动相连,腕关节结构中的侧向旋转机构与手传动相连。
所述的安装在肩体上的前向旋转机构包括前向旋转直流电机和由该直流电机带动的传动连接件,前向旋转直流电机与机器人的上身固定相连,传动连接件与肩体传动相连,在肩体上设有用于与大臂结构中的侧向旋转机构相连的连接孔和传动连接件。
所述的安装在大臂体上的侧向旋转机构安装在大臂体的一端,包括侧向旋转直流电机和由该直流电机带动的传动连接件,侧向旋转直流电机安装在大臂体上特设的槽孔内,传动连接件与肩体上的相应传动连接件传动相连,在大臂体上还设有一个与肩体上的连接孔连接固定的连接柱,在大臂体的另一端设有一个用于与肘关节结构相连的传动连接件。
所述的肘关节结构和腕关节结构中的轴向旋转机构各包括轴向旋转直流电机和由该直流电机带动的传动连接件,轴向旋转直流电机安装在关节体一端的槽孔内,肘关节结构中的传动连接件与大臂结构中的相应传动连接件传动相连,腕关节结构中的传动连接件与小臂结构中的相应传动连接件传动相连。
所述的肘关节结构和腕关节结构中的侧向旋转机构各包括侧向旋转直流电机、由直流电机带动的侧向旋转齿轮、由侧向旋转齿轮带动的侧向旋转组件,侧向旋转直流电机安装在关节体中部腔体内,侧向旋转组件包括安装在关节体上的转轴、连接在转轴一端的传动齿轮以及连接在转轴外侧的传动连接件,传动齿轮与侧向旋转齿轮啮合传动相连,肘关节结构中的传动连接件与小臂结构传动相连,腕关节结构中的传动连接件与手传动相连。
所述的小臂结构包括小臂体,在小臂体的一端设有一个用于与肘关节结构侧向旋转机构中的传动连接件连接的凹槽和连接体,另一端设有一个用于与腕关节结构轴向旋转机构中的传动连接件连接的连接体。
所述的肩关节结构中设有平衡机构,该平衡机构包括一个平衡弹簧,弹簧的一端连接在肩关节结构中的肩体上,另一端连接在机器人的人体上。
本发明根据人体手臂运动的空间范围设定机器人手臂各关节运动的自由度,为了保证机器人在运动过程中的平稳性,对手臂机构的运动设置了平衡机构,为了使肘关节和腕关节自由度机构简化,对这两个自由度机构进行了模块化设计。与其他机器人手臂运动机构相比,该机器人的手臂在运动过程中不仅平稳,而且结构简单。
附图说明
图1是本发明多自由度仿人机器人手臂的整体结构示意图;图2是本发明中的肩关节结构示意图;图3是肩关节结构中的肩体结构示意图;图4是本发明中的大臂结构的立体结构示意图;图5是本发明中的大臂结构的剖视结构示意图;图6是本发明中的肘关节结构和腕关节结构示意图;图7、图8是本发明中的小臂结构示意图。
具体实施方式
参见图1,本发明的多自由度仿人机器人手臂,包括顺序传动相连的肩关节结构1、大臂结构2、肘关节结构3、小臂结构4、腕关节结构5和手6。
参见图2、图3,本发明中的肩关节结构1包括一个肩体11和安装在肩体上的一个前向旋转机构12,在肩体11上设有用于与大臂结构2中的侧向旋转机构相连的连接孔111和传动连接件112,另外还设有一个用于与前向旋转机构12连接的连接孔113。前向旋转机构12包括前向旋转直流电机121和由该直流电机带动的传动连接件122,前向旋转直流电机121与机器人的上身固定相连,传动连接件122与肩体11传动相连(通过连接孔113)。在肩关节结构中还设有一个平衡机构,该平衡机构包括一个平衡弹簧13,弹簧13的一端连接在肩关节结构中的肩体11上,另一端连接在机器人的人体上。
参见图4、图5,本发明中的大臂结构2包括大臂体21和安装在大臂体上的一个侧向旋转机构22。在大臂体21上设有一个与肩体上的连接孔111连接固定的连接柱211,在大臂体的一端设有一个用于与肘关节结构3相连的传动连接件212(本实施例采用内齿轮结构)。侧向旋转机构22包括侧向旋转直流电机221和由该直流电机带动的传动连接件222,侧向旋转直流电机221安装在大臂体21特设的槽孔内,传动连接件222与肩体上的相应传动连接件112传动相连。
参见图6,本发明中的肘关节结构3和腕关节结构5的结构相同,以肘关节结构3为例,它包括一个关节体31、安装在关节体上的一个轴向旋转机构32和一个侧向旋转机构33。其中的轴向旋转机构32包括轴向旋转直流电机321和由该直流电机带动的传动连接件322(本实施例采用外齿轮连接结构),轴向旋转直流电机安装在关节体一端的槽孔内。传动连接件322与大臂结构2中的相应传动连接件212传动相连(腕关节结构5中的相应传动连接件与小臂结构4中的相应传动连接件传动相连)。侧向旋转机构33包括侧向旋转直流电机331、由直流电机带动的侧向旋转齿轮332、由侧向旋转齿轮带动的侧向旋转组件333,侧向旋转直流电机331安装在关节体的中部腔体内,侧向旋转组件333包括安装在关节体上的转轴3331、连接在转轴一端的传动齿轮3332以及连接在转轴外侧的传动连接件3333(本实施例采用法兰连接结构),传动齿轮3332与侧向旋转齿轮332啮合传动相连,传动连接件3333与小臂结构传动相连(腕关节结构5中的相应传动连接件与手传动相连)。
参见图7、图8,本发明中的小臂结构4包括小臂体41,在小臂体的一端设有一个用于与肘关节结构3中的侧向旋转机构33中的传动连接件3333连接的凹槽411和连接体42(本实施例采用对应于肘关节结构3的传动连接件3333的法兰连接结构),另一端设有一个用于与腕关节结构5中的轴向旋转机构中的传动连接件连接的连接体43(本实施例采用内齿轮结构)。
本发明中的肩关节结构包括两个自由度,由一个前向旋转机构和一个侧向旋转机构组成正交,前向旋转机构与机器人的上身相连接,侧向旋转机构与机器人的大臂相连接,因此可以实现大臂的前后摆动和侧向摆动。大臂的前后摆动最大范围是180°到-90°,侧向摆动的最大运动范围是0°到150°。本发明中的肘关节也包括两个自由度,由一个侧向旋转机构和一个轴向旋转机构正交组成,侧向旋转机构最大运动范围是0°到150°,轴向旋转机构最大运动范围是0°到180°。本发明中的腕关节也包括两个自由度,由一个侧向旋转机构和一个轴向旋转机构正交组成,侧向旋转机构的最大运动范围是-60°到45°,轴向旋转机构的最大运动范围是0°到90°。
本发明为了保证前向旋转机构在旋转过程中的平稳性,在肩部设置了平衡机构,采用弹簧来平衡手臂在运动中的重力,在手臂上升过程中由弹簧的弹力克服手臂的重力,减轻直流电机的负载;同时可以使手臂停在运动范围内的任何位置,在手臂向下运动的过程中由弹簧的弹力克服手臂的重力,使手臂不会因为自身的重力加快手臂向下的运动速度,同时保证直流电机转速的平稳性。

Claims (7)

1.一种多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:包括顺序传动相连的肩关节结构、大臂结构、肘关节结构、小臂结构、腕关节结构和手;所述的肩关节结构包括一个肩体和安装在肩体上的一个前向旋转机构,前向旋转机构与机器人的上身固定相连并与肩体传动相连,肩体还与机器人的大臂传动相连;所述的大臂结构包括大臂体和安装在大臂体上的一个侧向旋转机构,该侧向旋转机构与肩体传动相连;所述的肘关节结构和腕关节结构的结构相同,各包括一个关节体和安装在关节体上的一个轴向旋转机构和一个侧向旋转机构,肘关节结构中的轴向旋转机构与大臂体传动相连,肘关节结构中的侧向旋转机构与小臂结构传动相连,腕关节结构中的轴向旋转机构与小臂结构传动相连,腕关节结构中的侧向旋转机构与手传动相连。
2.根据权利要求1所述的多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:所述的安装在肩体上的前向旋转机构包括前向旋转直流电机和由该直流电机带动的传动连接件,前向旋转直流电机与机器人的上身固定相连,传动连接件与肩体传动相连,在肩体上设有用于与大臂结构中的侧向旋转机构相连的连接孔和传动连接件。
3.根据权利要求1所述的多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:所述的安装在大臂体上的侧向旋转机构安装在大臂体的一端,包括侧向旋转直流电机和由该直流电机带动的传动连接件,侧向旋转直流电机安装在大臂体上特设的槽孔内,传动连接件与肩体上的相应传动连接件传动相连,在大臂体上还设有一个与肩体上的连接孔连接固定的连接柱,在大臂体的另一端设有一个用于与肘关节结构相连的传动连接件。
4.根据权利要求1所述的多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:所述的肘关节结构和腕关节结构中的轴向旋转机构各包括轴向旋转直流电机和由该直流电机带动的传动连接件,轴向旋转直流电机安装在关节体一端的槽孔内,肘关节结构中的传动连接件与大臂结构中的相应传动连接件传动相连,腕关节结构中的传动连接件与小臂结构中的相应传动连接件传动相连。
5.根据权利要求1所述的多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:所述的肘关节结构和腕关节结构中的侧向旋转机构各包括侧向旋转直流电机、由直流电机带动的侧向旋转齿轮、由侧向旋转齿轮带动的侧向旋转组件,侧向旋转直流电机安装在关节体中部腔体内,侧向旋转组件包括安装在关节体上的转轴、连接在转轴一端的传动齿轮以及连接在转轴外侧的传动连接件,传动齿轮与侧向旋转齿轮啮合传动相连,肘关节结构中的传动连接件与小臂结构传动相连,腕关节结构中的传动连接件与手传动相连。
6.根据权利要求1所述的多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:所述的小臂结构包括小臂体,在小臂体的一端设有一个用于与肘关节结构侧向旋转机构中的传动连接件连接的凹槽和连接体,另一端设有一个用于与腕关节结构轴向旋转机构中的传动连接件连接的连接体。
7.根据权利要求1所述的多自由度仿人机器人手臂,其特征在于:所述的肩关节结构中设有平衡机构,该平衡机构包括一个平衡弹簧,弹簧的一端连接在肩关节结构中的肩体上,另一端连接在机器人的人体上。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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