CN103465272A - 一种六自由度仿人机器人手臂 - Google Patents

Abstract

一种六自由度仿人机器人手臂，它涉及一种机器人手臂。本发明为了解决现有的机器人手臂存在关节结构臃肿、自身重量大、负重比低和控制繁琐的问题。本发明的肩转关节、肩摆关节、大臂、肘转关节、肘摆关节、小臂、腕转关节、腕摆和手爪由上至下依次设置，臂摆电机通过传送带与蜗杆连接，臂转电机通过传送带与转动支架连接，大臂壳体设置在肩关节和肘关节之间，肘转驱动电机和减速器由上至下依次设置在上臂壳体内，肘摆关节电机设置在肘关节壳体内并与肘关节传送带连接，肘关节减速器设在肘关节壳体内，手爪连接支架设在小臂和手爪之间，腕关节摆动电机设置在手爪连接支架的一侧，腕关节转动电机设置在手爪连接支架的上端。本发明用于仿人机器人。

Description

一种六自由度仿人机器人手臂

技术领域

本发明涉及一种机器人手臂，具体涉及一种六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。仿人机器人在助老、助残领域得到广泛应用，可完成取药、倒水、冰箱取物、开门和搀扶老人等行为。机器人机械手臂是仿人机器人系统中最具代表性的复杂部件，是仿人机器人完成抓取作业和与人机交互的基础，仿人机器人配备双臂，因此其结构设计的紧凑和通用性和灵活性是实现手臂智能控的首要因素，同时机械臂的运动灵活性、安全性、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。评价机器人运动灵活性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设计，安全性体现在肩摆关节是否能实现自锁，模块化使关节紧凑和便于更换。现有的机器人手臂存在关节结构臃肿、自身重量大、负重比低和控制繁琐的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的机器人手臂存在关节结构臃肿、自身重量大、负重比小和控制繁琐的问题。进而提供一种六自由度仿人机器人手臂。

本发明的技术方案是：一种六自由度仿人机器人手臂，它包括手爪、腕关节、小臂、肘摆关节、肘关节、大臂和肩关节，肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手爪由上至下依次设置，

所述肩关节包括摆臂伺服电机、转臂伺服电机、转动传送带、摆臂传送带、肩摆转支架、蜗轮、蜗杆和肩关节支架，肩摆转支架和肩关节支架由左至右依次固定设置，转动传送带和摆臂传送带设置在肩抬起和转动支架的左侧，蜗轮和蜗杆设置在肩关节支架上，且蜗轮和蜗杆相互啮合，摆臂臂伺服电机通过传送带与蜗杆连接，通过摆臂伺服电机的转动实现机器人手臂的摆动动作；转动伺服电机通过传送带与转动支架连接，通过转臂伺服电机的转动实现机器人手臂的转动动作，

所述肘关节包括肘转关节和肘摆关节，肘转关节和肘摆关节上下设置，肘转关节包括大臂壳体、驱动电机和减速器，上臂壳体设置在肩关节和肘摆关节驱动电机之间，驱动电机和减速器由上至下依次设置在大臂壳体内，

肘摆关节包括肘摆关节驱动电机、肘关节传送带、肘摆关节减速器和肘关节壳体，肘关节壳体设置在大臂和小臂之间，肘关节传送带设置在肘关节壳体的侧壁上，肘摆关节驱动电机设置在肘关节壳体内并与肘关节传送带连接，肘摆关节减速器设置在肘关节壳体内，

所述腕关节包括手爪连接支架、腕关节摆动电机和腕关节转动电机，手爪连接支架设置在小臂和手爪之间，腕关节摆动电机设置在手爪连接支架的一侧，腕关节转动电机设置在手爪连接支架的上端。

所述手爪为五指手爪，外部为手套，拇指关节和手指关节是固定的，拇指与其余4指实现单自由度开合功能，由一舵机完成驱动。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明具有肩关节转动、肩关节摆动、肘关节转动、肘关节摆动、腕关节摆动和腕关节转动六个自由度，在关节位置不变前提下，电机采取了上移和进胸方式，完成了所需自重较小和高负重比的六自由度的功能。

2.本发明的机械手采用五手指夹持，结构简单。

3.本发明在与机器人系统配合使用时，能够将肩关节的两个驱动电机放在胸腔，避免了肩关节结构臃肿问题，通过蜗轮蜗杆、传动带将动力输出到肩关节，实现了具有自锁功能的高精度肩摆动作和简捷的肩关节转动结构。

4.本发明在机械臂末端的腕关节采用两个盘式电机驱动，减轻了机械臂末端的自身负载，实现了腕关节摆动和腕关节转动两个自由度。

5.本发明中优化了驱动肩关节和肘关节的驱动电机在机械臂中占用位置，并在肘摆采取了减速器与驱动电机分离部署，节省了空间和进一步减轻肩部驱动的载荷，使机械臂外型更紧凑。

6.本发明中肘转关节、肘摆关节、腕转和腕摆关节直接采用了减速器输出端与关节支架直连方式，避免了引入其他传动环节带来的传动误差。具有结构简单，传动精度高特点。

7.本发明利用减速器的输出端与支架直接配合，结构简单，驱动腕关节的伺服电机使用盘式电机，和采用常规电机相比，解决了空间不足和减轻机械臂末端额外负载的问题，进一步提升了机械臂带负载能力。

8.本机械臂通过关驱动部件节合理布局和腕端采用盘式电机设计，完成了六自由度的机械臂，具有轻量化，负重比高、结构简单、紧凑特点，其结构和功能适合服务机器人抓取、倒水和开门等作业。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是肩回转关节的结构示意图；图3是腕关节的结构示意图；图4是图3的主视图；图5是肘摆关节的结构示意图；图6是整个肩部结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式包括手爪1、腕关节2、小臂3、肘摆关节18、肘关节77、大臂5和肩关节6，肩关节6、大臂5、肘关节77、小臂3、腕关节2和手爪1由上至下依次设置，

所述肩关节6包括摆臂伺服电机22、转臂伺服电机23、转动传送带201、摆臂传送带202、肩摆转支架27、蜗轮25、蜗杆24和肩关节支架28，肩摆转支架27和肩关节支架28由左至右依次固定设置，转动传送带201和摆臂传送带202设置在肩抬起和转动支架27的左侧，蜗轮25和蜗杆24设置在肩关节支架28上，且蜗轮25和蜗杆24相互啮合，摆臂臂伺服电机22通过传送带202与蜗杆24连接，通过摆臂伺服电机22的转动实现机器人手臂的摆动动作；转动伺服电机23通过传送带201与转动支架27连接，通过转臂伺服电机23的转动实现机器人手臂的转动动作，

所述肘关节77包括肘转关节7和肘摆关节18，肘转关节7和肘摆关节18上下设置，肘转关节7包括大臂壳体31、驱动电机21和减速器20，上臂壳体31设置在肩关节6和肘摆关节驱动电机4之间，驱动电机21和减速器20由上至下依次设置在大臂壳体31内，

肘摆关节18包括肘摆关节驱动电机17、肘关节传送带203、肘摆关节减速器18-1和肘关节壳体30，肘关节壳体30设置在大臂5和小臂3之间，肘关节传送带203设置在肘关节壳体30的侧壁上，肘摆关节驱动电机17设置在肘关节壳体30内并与肘关节传送带203连接，肘摆关节减速器18-1设置在肘关节壳体30内，

所述腕关节2包括手爪连接支架29、腕关节摆动电机10和腕关节转动电机9，手爪连接支架29设置在小臂3和手爪1之间，腕关节摆动电机10设置在手爪连接支架29的一侧，腕关节转动电机9设置在手爪连接支架29的上端。

本实施方式的手爪1末端与腕关节2上端的盘式电机输出轴联接，由腕关节转动电机9驱动，实现手爪1的抓取与放松。

本实施方式的腕关节2安装在小臂3下端，其末端输出轴与手爪1固连，驱动由腕关节摆动电机10和腕关节转动电机9完成，腕关节摆动电机10和腕关节转动电机9分别与手爪支架、手爪连接，完成手腕的翻转和旋转。

本实施方式的小臂3的上端与肘关节的肘摆关节减速器18-1（即谐波减速器）输出轴联接；肘关节安装在大臂5上端，由安装在大臂5中的肘摆关节驱动电机17驱动，肘摆关节驱动电机17通过肘关节传送带203完成动力传输，带动与之平行放置的肘摆关节减速器18-1完成肘关节的摆动。

本实施方式的上臂5下端通过肘转关节4与小臂3联接，大臂5上端与肩摆转支架27的输出轴固连。

本实施方式的肩摆转支架27的输出轴直接通过臂摆伺服电机22联接到肩转伺服电机21的输出轴上，肘转关节7的驱动电机21安放在大臂5中；

本实施方式的肩摆关节6上端与肩摆转支架27固连，后端安装在胸腔内部，其中转动伺服电机23与摆臂伺服电机22都安装在胸腔内部，摆动伺服电机22通过蜗轮25和蜗杆24传输动力，蜗轮25通过上臂壳体31与大臂5联接，转动伺服电机23通过传送带201与肩摆转支架27相连，转动时，肩摆转支架27带动肩关节支架28一起完成机械臂的摆动。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式肘摆关节4的伺服电机17水平设置在肘关节壳体30内并与传送带203连接。如此设置，节省空间和减轻肩部驱动载荷。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的腕关节摆动电机10和腕关节转动电机9均为盘式电机。如此设置，体积小，节约空间和提高末端有效载荷。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的肘关节减速器18为肘关节谐波减速器。如此设置，使肘部关节紧凑、单端刚性连接使减速器转动平稳。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的肘关节摆动伺服电机17与减速器18上下并列设置。如此设置，为控制器布线提供了足够空间，电机上移减轻肘部本身负载，。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的减速器20为谐波减速器，与肘转驱动伺服电机21直连。如此设置，结构紧凑，刚度大，由于肘转关节靠近肩部，对肩部负载影响小。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的手爪1为戴手套的1自由度五指手爪。如此设置，拇指与其余4指为固定结构，结构简单，便于夹持。其它组成和连接关系与具体实施方式二、三、四、五或六相同。

本发明的工作原理是：

本机械臂共具有6个自由度，其中，肩关节、肘关节和腕关节各2个自由度，每个自由度由一个伺服电机和编码器、减速器构成，减速器具有减速和增大关节扭矩功能，各关节伺服电机通过驱动器，由控制器完成控制作业。本机械臂结构紧凑和高负重比特性是通过以下设计实现：肩关节臂摆伺服电机22和摆转伺服电机23安放在胸腔中，减轻机械臂的重量和体积，使肩关节紧凑。肘关节77的驱动电机21竖直放在上臂的空腔内，肘摆关节4的伺服电机17通过传送带与谐波减速器18并排放置，合理利用了空间，增加了肩关节的负重比。腕关节2的驱动电机采用盘式电机，减小占用的空间和末端负重，增加了有效载荷。

本发明中所使用的伺服电机均带有减速器。

另外，本发明中需要用到轴承的地方均采用十字交叉轴承。

Claims (7)

1.一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：它包括手爪（1）、腕关节（2）、小臂（3）、肘摆关节（18）、肘关节（77）、大臂（5）和肩关节（6），肩关节（6）、大臂（5）、肘关节（77）、小臂（3）、腕关节（2）和手爪（1）由上至下依次设置，

所述肩关节（6）包括摆臂伺服电机（22）、转臂伺服电机（23）、转动传送带（201）、摆臂传送带（202）、肩摆转支架（27）、蜗轮（25）、蜗杆（24）和肩关节支架（28），肩摆转支架（27）和肩关节支架（28）由左至右依次固定设置，转动传送带（201）和摆臂传送带（202）设置在肩抬起和转动支架（27）的左侧，蜗轮（25）和蜗杆（24）设置在肩关节支架（28）上，且蜗轮（25）和蜗杆（24）相互啮合，摆臂臂伺服电机（22）通过传送带（202）与蜗杆（24）连接，通过摆臂伺服电机（22）的转动实现机器人手臂的摆动动作；转动伺服电机（23）通过传送带（201）与转动支架（27）连接，通过转臂伺服电机（23）的转动实现机器人手臂的转动动作，

所述肘关节（77）包括肘转关节（7）和肘摆关节（18），肘转关节（7）和肘摆关节（18）上下设置，肘转关节（7）包括大臂壳体（31）、驱动电机（21）和减速器（20），上臂壳体（31）设置在肩关节（6）和肘摆关节驱动电机（4）之间，驱动电机（21）和减速器（20）由上至下依次设置在大臂壳体（31）内，

肘摆关节（18）包括肘摆关节驱动电机（17）、肘关节传送带（203）、肘摆关节减速器（18-1）和肘关节壳体（30），肘关节壳体（30）设置在大臂（5）和小臂（3）之间，肘关节传送带（203）设置在肘关节壳体（30）的侧壁上，肘摆关节驱动电机（17）设置在肘关节壳体（30）内并与肘关节传送带（203）连接，肘摆关节减速器（18-1）设置在肘关节壳体（30）内，

所述腕关节（2）包括手爪连接支架（29）、腕关节摆动电机（10）和腕关节转动电机（9），手爪连接支架（29）设置在小臂（3）和手爪（1）之间，腕关节摆动电机（10）设置在手爪连接支架（29）的一侧，腕关节转动电机（9）设置在手爪连接支架（29）的上端。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：所述肘关节（4）的肘关节伺服电机（17）水平设置在肘关节壳体（30）内并与肘关节传送带（203）连接。

3.根据权利要求2所述的一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：所述腕关节摆动电机（10）和腕关节转动电机（9）均为盘式电机。

4.根据权利要求3所述的一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：所述肘关节减速器（18）为肘关节谐波减速器。

5.根据权利要求4所述的一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：所述肘关节伺服电机（17）与肘关节减速器（18）上下并列设置。

6.根据权利要求5所述的一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：所述减速器（20）为谐波减速器。

7.根据权利要求1或6所述的一种六自由度仿人机器人手臂，其特征在于：肩摆关节为涡轮结构，实现摆臂无动力时自锁。

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