CN104440873A - 一种六自由度机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度机器人手臂，包括肩转动关节（1）、肩部抬起关节（2）、肘转动关节（3）、小臂抬起关节（4）、手旋转关节（5）与手开闭关节（6）。发明实现了多自由度机械手臂的整合，优化了重量、体积、同时增加了机械手臂的灵活性；能够进行多感知融合和目标识别，并能够进行精确位置的物体抓取，机械臂的灵活度全面提升，并且其机械手臂的重量进行大幅度优化，其控制方法简单、便于控制。

Description

一种六自由度机器人手臂

技术领域

本发明涉及一种家政服务机器人的机械手臂。 

背景技术

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。其机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能性和适应性。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

家庭服务智能机器人是一个典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、传感器、计算机软件硬件、模式识别、人工智能、工业设计等众多先进技术，是智能机器人目前研究的一个重要热点。目前在世界范围研发的家庭服务机器人主要集中在家政服务机器人和一些具有特定功能的服务机器人，家庭机器人不仅需要具有灵活自如的自主移动能力，还需要具有处理复杂事务的能力，一般具有可以抓取物件的双机械臂结构。而具有特定功能的服务机器人，如扫地机器人、娱乐机器人、宠物机器人等，根据功能不同，具有特殊的结构，与本发明相差较远,而手臂结构设计大部分为固定手臂和3自由度手臂或者无手臂，多应用在餐厅服务或者无负载运动模型中。

中国专利CN 103465272 A公开了一种六自由度仿人机器人手臂，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，再加上其手指的开合，实际上具有7个自由度。而对于普通的家政服务机器人来说，并不需要如此多的自由度就可以满足其功能要求，过多的自由度设计会增加其控制系统的负担。并且其每个驱动电机都需要额外设置减速器，使得其体积变得臃肿，其控制程度更加复杂，增加了电源的负担。 

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有的机械手臂设计不适用于家政机器人的问题，提供了一种能够自由找取位置，对压力存在感知，灵活6自由度机械手臂，可以替代在家庭服务机器人的3自由度机械臂和固定手臂，通过与人交互，能对任意位置的物体安全的进行精确的抓取和挪动，完成服务内容。

本发明技术方案：

一种六自由度机器人手臂，包括肩转动关节、肩部抬起关节、肘转动关节、小臂抬起关节、手旋转关节与手开闭关节，肩转动关节中安装有肩转电机，肩转电机的输出轴连接肩部抬起关节，肩部抬起关节中安装肩抬电机，肩抬电机的输出轴连接肘转动关节，肘转动关节中安装肘转电机，肘转电机的输出轴连接小臂抬起关节，小臂抬起关节中安装臂抬电机，臂抬电机的输出轴连接手旋转关节，手旋转关节中安装手旋电机，手旋电机的输出轴连接手开闭关节，手开闭关节上安装两个舵机，舵机上安装手指。

手开闭关节上安装有压力传感器。

所述肩转电机、肩抬电机、肘转电机、臂抬电机和手旋电机均为重型舵机。

肩转电机通过螺钉固定在肩转动关节固定架上，通过联轴器连接肩部抬起关节的转轴。

肩抬电机轴两端通过弹簧销和肘转动关节上端的两个臂架连接。

肘转电机的输出轴和转轴连接，转轴另一端连接小臂抬起关节，转轴上有螺纹，通过平面轴承、止退螺母和止退垫圈锁紧在小臂抬起关节。

臂抬电机轴两端通过弹簧销和手旋转关节上端的两个支架连接。

手旋电机的输出轴和转轴连接，转轴另一端连接手开闭关节，转轴上有螺纹，通过平面轴承、止退螺母和止退垫圈锁紧在手开闭关节上。

本发明有益效果：

1．本发明实现了多自由度机械手臂的整合，优化了重量、体积、同时增加了机械手臂的灵活性；能够进行多感知融合和目标识别，并能够进行精确位置的物体抓取，机械臂的灵活度全面提升，并且其机械手臂的重量进行大幅度优化，其控制方法简单、便于控制。

2．本发明手指上装有压力传感反馈，对抓取物体的力度进行判断，能够通过抓取物体的承受力的程度进行反馈，及时调节手抓取物体的力度，防止物体被抓坏，从而达到抓取物体的安全性，从而会更安全的进行操作使用。

3· 本发明对整体结构作了简化设计，采用舵机代替电机和减速器，对电源要求不高，可采用低压电源供电，可以直接12V电源直接供电，具有效率高，节能等特点。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的侧视图。

具体实施方式：

如图，机械手臂包括肩转动关节1、肩部抬起关节2、肘转动关节3、小臂抬起关节4、手旋转关节5与手开闭关节6。

肩转动关节1中央的固定架上用螺钉固定肩转电机11，肩转动关节1右侧设有有轴承座和轴承，轴承内安装轴，肩转电机11的输出轴通过联轴器12连接轴，轴和肩部抬起关节2固定在一起，通过控制系统对肩转电机11的信号控制，从而控制肩部的转动角度。

肩部抬起关节2上水平安装肩抬电机21, 肩抬电机21输出轴两端用弹簧销连接肘转动关节3上端两侧的两个臂架32，臂架32一端带有通孔、一端镶有铜套，铜套可以进行活动拆除；通过控制系统对肩抬电机21的信号控制，从而控制肩部的抬起角度。

肘转动关节3内竖直安装肘转电机31，肘转电机31的输出轴和转轴33连接，转轴33另一端连接小臂抬起关节4，转轴33上有螺纹，通过平面轴承、止退螺母和止退垫圈锁紧在小臂抬起关节4。通过控制系统对肘转电机31的信号控制，从而控制小臂抬起关节4的转动角度。

小臂抬起关节4中水平安装臂抬电机41，其输出轴两端通过弹簧销和手旋转关节5上端的两个支架54连接，支架54一端带有通孔、一端镶有铜套，铜套可以进行活动拆除。通过控制系统对臂抬电机41的信号控制，从而控制手旋转关节5的抬起角度。

手旋转关节5内安装手旋电机51，其输出轴和转轴33连接，转轴33另一端连接手开闭关节6，转轴33上有螺纹，通过平面轴承、止退螺母和止退垫圈锁紧在手开闭关节6上。通过控制系统对手旋电机51的信号控制，从而控制手开闭关节6的旋转角度。

手开闭关节6由两个舵机61、架体、手指62等原件组成，两个舵机61用螺钉固定在架上体，舵机61的输出端安装手指62，通过控制系统对舵机61的信号控制，达到开闭手指62的功能，手开闭关节6上安装有压力传感器，可以用来感知手部抓取物体的力度，将信号反馈到控制系统中，从而调整舵机61的施力进行安全抓取物体。

肩转电机11（25N·M）、肩抬电机21（15N·M）、肘转电机31（10N·M）、臂抬电机41（10N·M）和手旋电机51（5N·M）均为重型舵机，括号内为其最大扭矩。这样就可以省去减速器，简化结构。 

Claims (8)

1.一种六自由度机器人手臂，包括肩转动关节（1）、肩部抬起关节（2）、肘转动关节（3）、小臂抬起关节（4）、手旋转关节（5）与手开闭关节（6），其特征在于：肩转动关节（1）中安装有肩转电机（11），肩转电机（11）的输出轴连接肩部抬起关节（2），肩部抬起关节（2）中安装肩抬电机（21），肩抬电机（21）的输出轴连接肘转动关节（3），肘转动关节（3）中安装肘转电机（31），肘转电机（31）的输出轴连接小臂抬起关节（4），小臂抬起关节（4）中安装臂抬电机（41），臂抬电机（41）的输出轴连接手旋转关节（5），手旋转关节（5）中安装手旋电机（51），手旋电机（51）的输出轴连接手开闭关节（6），手开闭关节（6）上安装两个舵机（61），舵机（61）上安装手指（62）。

2.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：手手开闭关节（6）上安装有压力传感器。

3.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：所述肩转电机（11）、肩抬电机（21）、肘转电机（31）、臂抬电机（41）和手旋电机（51）均为重型舵机。

4.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：肩转电机（11）通过螺钉固定在肩转动关节（1）固定架上，通过联轴器（12）连接肩部抬起关节（2）的转轴。

5.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：肩抬电机（21）轴两端通过弹簧销和肘转动关节（3）上端的两个臂架（32）连接。

6.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：肘转电机（31）的输出轴和转轴（33）连接，转轴（33）另一端连接小臂抬起关节（4），转轴（33）上有螺纹，通过平面轴承、止退螺母和止退垫圈锁紧在小臂抬起关节（4）。

7.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：臂抬电机（41）轴两端通过弹簧销和手旋转关节（5）上端的两个支架（54）连接。

8.根据权利要求1所述的六自由度机器人手臂，其特征在于：手旋电机（51）的输出轴和转轴（33）连接，转轴（33）另一端连接手开闭关节（6），转轴（33）上有螺纹，通过平面轴承、止退螺母和止退垫圈锁紧在手开闭关节（6）上。