CN101779991A - 仿人形机械手上臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿人形机械手上臂，其特征在于，它包括肩关节、机械大臂和肘部关节；所述的肩关节具有大臂绕肩部转动和大臂绕肩部摆动两个自由度，通过直流伺服电机实现大臂绕肩部转动，通过直流电机实现大臂绕肩部摆动；所述的肘部关节采用直线电机驱动，实现肘部绕大臂的摆动动作，且摆动方向始终与大臂绕肩部摆动的方向相垂直。本发明具有三个自由度，并分别采用直线电机和直流伺服电机驱动，其结构紧凑，重量轻，制造成本低，易于产品化推广。另外，它还可作为仿人形机器人的手臂，且易于控制，运转灵活。

Description

仿人形机械手上臂
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，尤其是一种仿人形机械手的手臂。
背景技术
目前，仿人形义肢在市场上已有产品出售，但综观这些国内外产品，对于人的上肢，它们都只有小臂和手部组成，且大都采用肌电信号控制，使用者还需经过专门的训练后尚可基本使用。另外，尤其是这些义肢价格非常昂贵，非平民们所能涉及。
发明内容
本发明的目的是设计一种仿人形机械手的上臂，该上臂通过肩关节、肘关节和大臂三部分有机组合，实现三个自由度的动作，可分别完成大臂绕肩部的转动和摆动，以及肘部绕大臂的摆动动作。
为达到上述目的，本发明采取的技术解决方案是：
一种仿人形机械手的上臂，它包括肩关节、机械大臂和肘部关节；所述的肩关节具有大臂绕肩部转动和大臂绕肩部摆动两个自由度，通过直流伺服电机实现大臂绕肩部转动，通过直流电机实现大臂绕肩部摆动；所述的肘部关节采用直线电机驱动，实现肘部绕大臂的摆动动作，且摆动方向始终与大臂绕肩部摆动的方向相垂直。
为实现上述三个自由度，所述的肩关节、机械大臂和肘部关节可以采用以下结构，其中：
所述的肩关节，包括一个肩膀件、肩部接盘、直流伺服电机座和轴承座，所述的肩部接盘的外侧设有上突起支架和下突起支架；所述的轴承座内侧固定在义肢的机架上，轴承座内安装轴承；所述的直流伺服电机座安装在轴承的内孔中，直流伺服电机座上安装有直流伺服电机，直流伺服电机轴上连接输出法兰，输出法兰与肩部接盘连接；所述的肩膀件铰接在肩部接盘的上突起支架上，直流伺服电机转动时带动机械大臂完成回转运动；在所述的机械大臂的内腔中安装有驱动大臂摆动的直线电机，直线电机的丝杠上装有可直线移动的丝母座，丝母座上铰接有摆杆，摆杆另一端与肩部接盘上的下突起支架用轴连接，直线电机转动时带动机械大臂完成摆动运动。
所述的机械大臂呈圆管状，机械大臂上端与肩关节上的肩膀件连接，下部与肘关节连接座安装在一起；机械大臂的内腔中安装有上、下两个支座，分别用来固定肩关节的直线电机和直线电机的丝杠；
所述的肘部关节，它连接于小臂与大臂之间，它由小臂连接座、大臂连接座和直线电机组成；小臂连接座上设有与小臂连接的接口，大臂连接座与大臂的下端连接，大臂连接座内设有电机座，电机座的两侧通过转轴与大臂连接座连接；电机座上安装有直线电机，直线电机的丝杠末端连接一个接头，小臂连接座内设有上支架和下支架，接头活动连接在小臂连接座的上支架上；大臂连接座通过转轴与小臂连接座的下支架连接；上述的转轴两端固定在大臂连接座的两个伸出的耳柄孔中，并通过轴承与小臂连接座的下支架连接；接头在电机丝杠的驱动下，边转动边推动小臂连接座运动，小臂连接座带动小臂完成小臂的伸曲运动。
为有效降低直流伺服电机的功率，机械大臂的下部还设有支杆弹簧，支杆弹簧的上端安装在位于腋部的弹簧支架上，下端安装在位于大臂下端的支座上。
本发明的有益效果是：该臂具有三个自由度，并分别采用直线电机和直流伺服电机驱动，其结构紧凑，重量轻，制造成本低，易于产品化推广。另外，它还可作为仿人形机器人的手臂，且易于控制，运转灵活。
附图说明
图1为本发明一种实施例的整体结构原理主视图。
图2为图1的A向局部结构原理示意图，主要示出了肘部关节部分。
图3为图1的B向剖切局部结构原理示意图，主要示出了肩关节部分。
图4为图1的D向剖切局部结构原理示意图，主要示出了摆动关节驱动部分。
图5为图2的E向剖切局部结构原理示意图，主要示出了肘部关节驱动部分。
图中：1-支座，2-轴承压盖，3-轴承，4-下支座，5-气动支杆弹簧，6-摆杆，7-丝母座，8-机械大臂，9-上支座，10-直线电机，11-法兰盘，12-轴承座，13-机架，14-轴承压盖，15-轴承，16-直流伺服电机，17-伺服电机座，18-弹簧支架，19-小臂连接座，20-上支架，21-接头，22-直线电机，23-大臂连接座，24-下支架，25-轴，26-肩部接盘，27-轴套，28-轴承，29-肩膀件，30-轴，31-电位器，32-压盖，33-转轴，34-轴，35-电机座，36-转轴，37-电位器，38-电位器座，39-转轴，40-轴承，41-轴套，42-压盖。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4及图5所示，本发明的仿人形机械手的上臂，其包括：肩关节、肘关节和机械大臂，其中：
所述的肩关节包括一个呈牛角形的肩膀件29、肩部接盘26、直流伺服电机座17和轴承座12；所述的肩部接盘26的外侧设有上突起支架和下突起支架，所述的轴承座12内侧固定在义肢的机架13上；轴承座12内安装轴承15和轴承压盖14；所述的直流伺服电机座17安装在轴承15的内孔中，直流伺服电机座17上安装有直流伺服电机16，直流伺服电机16轴上连接法兰盘11，法兰盘11与肩部接盘26连接；所述的肩膀件29用轴30铰接在肩部接盘26的上突起支架上，直流伺服电机16转动时带动机械大臂8摆动。在所述的机械大臂8的内腔中安装驱动大臂8摆动的直线电机10，直线电机10的丝杠上装有可直线移动的丝母座17，丝母座17下端安装能绕其转动摆杆6，摆杆6另一端与肩部接盘26上的下突起支架用轴25连接，直线电机10转动时带动机械大臂外展运动。在轴30的端部安装有电位器31，以检测机械大臂8转动的位置.直线电机10固定在机械大臂8内腔中的上支座9上，直线电机10的丝杠上装有可直线移动的丝母座7，摆杆6的一端通过转轴33与丝母座7连接，摆杆6另一端与接盘26上的下突起支架用轴25连接。
所述的机械大臂8呈圆管状，是摆臂和肘部转动的动力机构的载体；机械大臂8上端与肩膀件29连接，下部与肘关节连接座23安装在一起；机械大臂8的腔内安装有上支座9和下支座4，分别用来固定直线电机10，直线电机10的丝杠的下端通过轴承3、压盖2与下支座4连接在一起。
所述的肘部关节，它处在小臂与机械大臂8之间，它由小臂连接座19、大臂连接座23和直线电机22组成，小臂连接座19端部设有互换接口用于与小臂上端连接，大臂连接座23用于与机械大臂8的下端连接；直线电机22安装在电机座35上，在电机座35的两侧通过转轴36与大臂连接座23连接；直线电机22丝杠的末端与一个可绕固定转轴34摆动的接头21连接在一起；接头21在电机丝杠的驱动下，带动小臂连接座19绕转轴39转动；在转轴39的端部安装有电位器37，电位器座连接在下支架24上；
上述转动轴39两端固定在大臂连接座23的两个伸出的耳柄孔中，并通过轴承40、轴套41、压盖42与小臂连接座19上的下支架24连接；这样小臂连接座19带着小臂部分就可绕转动轴39摆动，以完成小臂的曲臂和伸臂的运动。
在机械大臂8的下端还连接有气动支杆弹簧5，气动支杆弹簧5的上端安装在位于腋部的机架13上的弹簧支架18上，下端与位于机械大臂8下端的支座1连接。
该仿人形机械手上臂具有手动和接收脑电信号控制两种模式。在手动控制模式下，使用者可用健康手操作无线遥控器控制直流伺服电机和直线电机运转，调整上臂的各种姿态。也可通过脑电信号控制；即把使用者较强烈意识的脑电信号利用电极帽等形式接受或提取出来，经软件系统分析后，转换成机器控制信号，来控制直流伺服电机和直线电机的运转来驱动手臂动作。

Claims (3)

1.一种仿人形机械手上臂，其特征在于，它包括肩关节、机械大臂和肘部关节；所述的肩关节具有大臂绕肩部转动和大臂绕肩部摆动两个自由度，通过直流伺服电机实现大臂绕肩部转动，通过直线电机实现大臂绕肩部摆动；所述的肘部关节采用直线电机驱动，实现肘部绕大臂的摆动动作，且摆动方向始终与大臂绕肩部摆动的方向相垂直。
2.如权利要求1所述的仿人形机械手上臂，其特征在于，
所述的肩关节，包括一个肩膀件、肩部接盘、直流伺服电机座和轴承座，所述的肩部接盘的外侧设有上突起支架和下突起支架；所述的轴承座内侧固定在义肢的机架上，轴承座内安装轴承；所述的直流伺服电机座安装在轴承的内孔中，直流伺服电机座上安装有直流伺服电机，直流伺服电机轴上连接输出法兰，输出法兰与肩部接盘连接；所述的肩膀件铰接在肩部接盘的上突起支架上，直流伺服电机转动时带动机械大臂完成回转运动；在所述的机械大臂的内腔中安装有驱动大臂摆动的直线电机，直线电机的丝杠上装有可直线移动的丝母座，丝母座上铰接有摆杆，摆杆另一端与肩部接盘上的下突起支架用轴连接，直线电机转动时带动机械大臂完成摆动运动；
所述的机械大臂呈圆管状，机械大臂上端与肩关节上的肩膀件连接，下部与肘关节连接座安装在一起；机械大臂的内腔中安装有上、下两个支座，分别用来固定肩关节的直线电机和直线电机的丝杠；
所述的肘部关节，它连接于小臂与大臂之间，它由小臂连接座、大臂连接座和直线电机组成；小臂连接座上设有与小臂连接的接口，大臂连接座与大臂的下端连接，大臂连接座内设有电机座，电机座的两侧通过转轴与大臂连接座连接；电机座上安装有直线电机，直线电机的丝杠末端连接一个接头，小臂连接座内设有上支架和下支架，接头活动连接在小臂连接座的上支架上；大臂连接座通过转轴与小臂连接座的下支架连接；上述的转轴两端固定在大臂连接座的两个伸出的耳柄孔中，并通过轴承与小臂连接座的下支架连接；接头在电机丝杠的驱动下，边转动边推动小臂连接座运动，小臂连接座带动小臂完成小臂的伸曲运动。
3.如权利要求2所述的仿人形机械手上臂，其特征在于，机械大臂的下部设有支杆弹簧，支杆弹簧的上端安装在位于腋部的弹簧支架上，下端安装在位于大臂下端的支座上。
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