CN106239558B - 一种机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手臂，包括机械手和机械臂，机械臂具有六个自由度，包括顺次连接的六个舵机，前一个舵机安装在后一个舵机的转动端上，相邻的舵机两两之间轴线垂直；机械手与机械臂最后个舵机的转动端相连，包括三个结构相同的机械手指，三个机械手指根部的连线形成一个等腰三角形，位于该等腰三角形两个底角上的机械手指可对称转动。本发明所提供的机械手臂，包括六自由度的机械臂和具有三个机械手指的机械手，通过机械臂可以实现机械手空间位置的任意定位，通过机械手指可以实现抓取、按键、握手等动作。相较于传统的酒店服务机器人，该机械手臂功能更为完善，稳定性更好。

Description

一种机械手臂

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机械手臂。

背景技术

服务型机器人是机器人大家族中的一个年轻的成员，可以分为专业型服务机器人和个人/家庭型服务机器人。随着近年来机器人技术的智能化和产业化的深入化发展，服务型机器人开始出现于酒店、餐厅、银行等公共环境。这种新型的服务机器人通过提供引领、迎宾、运输等个性化和智能化的服务，有利于降低人力成本；同时，更好地发挥机器人自主性、灵活性和安全性的作用，全方位体贴顾客的需求。这种专业性的服务机器人由于其自身特性，成为当今机器人邻域的一支重要发展的力量。

现有的酒店服务机器人能记住酒店中的所有通道、电梯和客房位置，使用激光雷达来进行导航，确定道路，并通过摄像头来避免碰撞人和障碍物。这类机器人往往没有机械手臂部分或者机械手臂部分的结构很简单，仅能实现一些基础的动作，抓取能力以及与人握手互动的能力较弱，乘坐电梯时也不能实现对电梯的自主操作，存在较多不足。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种用于酒店服务机器人的机械手臂。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种机械手臂，包括机械手和机械臂，机械臂具有六个自由度，包括顺次连接的六个舵机，相邻的舵机两两之间轴线垂直；机械手与机械臂最后个舵机的转动端相连，包括三个结构相同的机械手指，三个机械手指根部的连线形成一个等腰三角形，位于该等腰三角形两个底角上的机械手指可对称转动。

优选地，所述机械手包括掌部基板，机械手指设于掌部基板的上表面，机械手指包括安装在掌部基板上的根座，根座与中指段的后端可转动连接，中指段的前端与小指段的后端可转动连接；小指段前端与拉线的一端固定相连，拉线依次穿过小指段后端、中指段以及根座底部圆心与掌部基板下表面的手指弯曲电机输出端相连。

优选地，所述根座的上端设有第一横梁，中指段的后端以及第一扭簧均可活动的套设于第一横梁，第一扭簧具有两个支脚，其一个支脚与中指段相连，另一个支脚与根座相连；中指段的前端设有第二横梁，小指段的后端以及第二扭簧均可活动的套设于第二横梁，第二扭簧具有两个支脚，其一个支脚与小指段相连，另一个支脚与中指段相连。

优选地，所述第二扭簧的弹簧刚度大于第一扭簧的弹簧刚度。

优选地，所述小指段的端部套设有橡胶套，橡胶套与安装在小指段上的压力传感器抵接；中指段的侧面安装有橡胶垫，橡胶垫与安装在中指段上的压力传感器抵接。

优选地，两个可对称转动的机械手指的根座可转动的安装在掌部基板上，根座与掌部基板下表面的从动齿轮相连，两者可同轴转动；从动齿轮下方设有电机安装板，电机安装板下表面上安装手指转动电机，手指转动电机通过齿轮副与两个可对称转动的机械手指的从动齿轮相连。

优选地，所述掌部基板的上方设有手面盖板，手面盖板的中部向上凸起形成掌心凸起，掌心凸起位于三个机械手指之间；掌心凸起为中空结构，从而在掌心凸起和掌部基板之间形成用于安装电路板的空间。

优选地，所述机械臂包括一号舵机、二号舵机、三号舵机、四号舵机、五号舵机和六号舵机，一号舵机的转动端与二号舵机相连，一号舵机与二号舵机轴线垂直；二号舵机的转动端与三号舵机相连，二号舵机与三号舵机轴线垂直；三号舵机的转动端与舵机转动架相连，舵机转动架与四号舵机的转动端相连，三号舵机与四号舵机轴线垂直；四号舵机的侧面与五号舵机的后端固定连接，四号舵机与五号舵机轴线垂直；五号舵机的转动端与六号舵机相连，五号舵机与六号舵机轴线垂直。

优选地，所述一号舵机的轴线、三号舵机的轴线以及五号舵机的轴线位于同一平面。

优选地，所述五号舵机的转动端与小臂转动管相连，六号舵机的侧面安装有小臂关节连接架，小臂关节连接架与小臂转动管相连，小臂关节连接架设有与小臂转动管内部连通的通孔。

本发明的有益效果是：本发明所提供的机械手臂，包括六自由度的机械臂和具有三个机械手指的机械手，通过机械臂可以实现机械手空间位置的任意定位，通过机械手指可以实现抓取、按键、握手等动作。相较于传统的酒店服务机器人，该机械手臂功能更为完善，稳定性更好。

附图说明

图1是本发明机械手臂的示意图；

图2是本发明机械臂的结构示意图；

图3是本发明机械臂的俯视图；

图4是图3沿A-A方向的剖视图；

图5是本发明小臂转动管的安装示意图；

图6是本发明机械手的结构示意图；

图7是本发明机械手的另一角度示意图；

图8是本发明机械手的侧视图；

图9是本发明机械手的剖视图；

图10是本发明掌部基板上表面的示意图；

图11是本发明掌部基板下表面的示意图；

图12是本发明电机安装板上电机的安装示意图；

图13是本发明机械手的部分结构剖视图。

附图标记说明：1、机械手；101、掌部基板；102、机械手指；1021、根座；1022、中指段；1023、小指段；1024、第一横梁；1025、第一扭簧；1026、第二横梁；1027、橡胶套；1028、橡胶垫；1029、卡线槽；103、从动齿轮；1031、指示标志；104、中间齿轮；105、主动齿轮；106、电机安装板；107、手指弯曲电机；108、手指转动电机；109、拉线舵盘；1091、线槽；1092、螺纹孔；110、固定板；111、铜柱；112、手背盖板；113、手面盖板；1131、掌心凸起；114、拉线；2、机械臂；201、一号舵机；202、二号舵机；203、三号舵机；204、四号舵机；205、五号舵机；206、六号舵机；207、主臂转动件；208、主臂转动架；209、舵机转动架；210、连接板；211、小臂转动管；212、手腕摆动板；213、小臂关节连接架；214、护板；215、法兰传动盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1至图13所示，本发明的一种机械手臂，包括机械臂2和机械手1，机械臂2具有六个自由度，包括顺次连接的六个舵机，相邻的舵机两两之间轴线垂直。机械手1与机械臂2最后个舵机的转动端相连，用于实现抓取、按键、握手等动作。

如图2至图5所示，机械臂2的六个舵机包括顺次连接的一号舵机201、二号舵机202、三号舵机203、四号舵机204、五号舵机205、六号舵机206。一号舵机201安装在机器人躯体上，一号舵机201的转动端与主臂转动件207相连，主臂转动件207与二号舵机202的侧面固定连接，一号舵机201与二号舵机202轴线垂直。二号舵机202的转动端与主臂转动架208相连，三号舵机203的后端安装在主臂转动架208上，二号舵机202与三号舵机203轴线垂直。三号舵机203的转动端与舵机转动架209相连，舵机转动架209与四号舵机204的转动端相连，三号舵机203与四号舵机204轴线垂直。四号舵机204的侧面与五号舵机205的后端均安装在连接板210上从而两者固定连接，四号舵机204与五号舵机205轴线垂直。五号舵机205的转动端与小臂转动管211相连，小臂转动管211与六号舵机206的侧面相连，五号舵机205与六号舵机206轴线垂直。六号舵机206的转动端与手腕摆动板212相连，机械手1安装在手腕摆动板212上。

机械臂与人体上肢类似，一号舵机、二号舵机和三号舵机形成大臂，四号舵机、五号舵机和六号舵机形成小臂，大臂和小臂间形成肘关节，当四号舵机转动时，舵机转动架不动，而是四号舵机带动五号舵机一起相对舵机转动架转动，实现前后摆动手肘的动作。其特点是工作空间范围大，动作灵活，力矩大，通用性强，通过机械臂可以实现机械手空间位置的任意定位。

为了便于运动时的计算，一号舵机201的轴线、三号舵机203的轴线以及五号舵机205的轴线位于同一平面。

六号舵机206的侧面安装有小臂关节连接架213，小臂转动管211通过法兰传动盘215与小臂关节连接架213相连，小臂关节连接架213设有与小臂转动管211内部连通的通孔。由于小臂转动管211中空，当五号舵机205驱动六号舵机206转动时，小臂转动管211的轴线位置相对静止，在小臂转动管211内进行布线，小臂关节连接架213的通孔便于线路从小臂转动管211中引出。这样的布线方式与传统围绕着传动轴布线的方式相比，走线简洁，集成度高，可以最大程度的避免绕线的发生。

由于小臂转动管211具有较长的长度，且由轻质的碳材料制成，而舵机本身较重，因此可以使得一号舵机201、二号舵机202、三号舵机203、四号舵机204和五号舵机205的重心更偏向于机器人躯体方向，使得机器人整体重心更稳。

为了美观以及对零件的保护，在小臂转动管211四周设置一圈护板214，四块护板214的一端安装在五号舵机205上，并在小臂转动管211四周围成一个矩形空间，套在小臂转动管211外。护板214和小臂转动管211之间具有一定间隙，护板214的另一端通过轴承与法兰传动盘215转动连接。当小臂转动管211转动时，护板214并不随之转动。

在本实施例中，主臂转动架208、舵机转动架209和小臂关节连接架213均为U形结构。

如图6所示，机械手1包括掌部基板101，掌部基板101的上表面设有三个结构相同的机械手指102，三个机械手指102根部的连线形成一个如图10虚线所示的等腰三角形，位于该等腰三角形两个底角上的机械手指102可对称转动。

如图8和图9所示，机械手指102包括安装在掌部基板101上的根座1021，根座1021与中指段1022的后端可转动连接，中指段1022的前端与小指段1023的后端可转动连接。

具体的，根座1021的上端设有第一横梁1024，中指段1022的后端以及第一扭簧1025均可活动的套设于第一横梁1024，第一扭簧1025具有两个支脚，其一个支脚插入中指段1022上预设的支脚孔从而与中指段1022相连，另一个支脚穿过中指段1022开设的槽插入根座1021上预设的支脚孔。

中指段1022的前端设有第二横梁1026，小指段1023的后端以及第二扭簧(图中未示出)均可活动的套设于第二横梁1026，第二扭簧具有两个支脚，其一个支脚插入小指段1023上预设的支脚孔与小指段1023相连，另一个支脚插入中指段1022上预设的支脚孔与中指段1022相连。当第二扭簧和第一扭簧1025处于自然安装状态时，各手指为张开状态。

小指段1023前端与拉线114的一端固定相连，拉线114依次穿过小指段1023后端的过线孔、中指段1022前端的过线孔、中指段1022后端过线孔以及根座1021底部圆心的过线孔与掌部基板101下表面安装的手指弯曲电机107输出端相连。中指段1022内设有两个过线柱，根座1021内也设有两个过线柱，拉线114与上述过线柱的外圆周面接触。中指段1022后端过线孔处顺着设有拉线114的长度方向开设有卡线槽1029，卡线槽1029用于对拉线114进行限位，防止拉线114在松紧的过程中发生偏移和绕线。

在本实施例中，手指弯曲电机107输出端与拉线舵盘109相连，拉线舵盘109的外圆周上设有线槽1091，拉线舵盘109的圆心处设有螺纹孔1092，螺纹孔1092和线槽1091之间设有过线孔，拉线114的另一端穿过过线孔后固定在螺钉上，螺钉安装在螺纹孔1092内，从而将拉线114固定在拉线舵盘109上。

第二扭簧的弹簧刚度大于第一扭簧1025的弹簧刚度，即第二扭簧转动需要的力大于第一扭簧1025需要的力。当机械手指102在拉线114的作用下像掌心收拢时，中指段1022和根座1021的转动幅度大于小指段1023和中指段1022的转动幅度，便于机械手实现各种操作。

在第二横梁1026的外圆周上套设有铜套，在中指段1022和第一横梁1024之间设有轴承，使得个关节的转动更为灵活。

为了实现握手，抓取，按键等动作，需要各机械手指的小指段1023和中指段1022均能感受力度变化，在小指段1023的端部套设有橡胶套1027，橡胶套1027与安装在小指段1023上的压力传感器抵接；中指段1022的侧面安装有橡胶垫1028，橡胶垫1028与安装在中指段1022上的压力传感器抵接。当按键时，橡胶套1027能够及时将力度传递到压力传感器；当握手和抓取物体时，橡胶垫1028能够及时将力度传递到压力传感器，从而机器人的主控制器能够根据压力传感器的数据作出相应的判断和操作。

如图11所示，掌部基板101下表面设有从动齿轮103和齿轮副，两个可对称转动的机械手指102的根座1021可转动的安装在掌部基板101上，根座1021与掌部基板101下表面的从动齿轮103相连，两者可同轴转动；齿轮副包括啮合的中间齿轮104和主动齿轮105，中间齿轮104与从动齿轮103啮合。当主动齿轮105驱动时，两个从动齿轮103可对称同步转动。为了便于两个从动齿轮103的安装，从动齿轮103上设有三角形的指示标志1031，安装时，只需将指示标志1031与掌部基板101下表面设置的标志相对，即可实现两个从动齿轮103的安装定位，使得两个可对称转动的机械手指102位置对称。

如图12所示，从动齿轮103下方设有电机安装板106，三个手指弯曲电机107和一个手指转动电机108安装在电机安装板106的下表面，手指转动电机108的输出端与主动齿轮105相连。

如图7和图9所示，手指弯曲电机107下方设有固定板110，固定板110与铜柱111的一端固定连接，铜柱111的另一端与电机安装板106下表面抵接，螺栓穿过掌部基板101和电机安装板106与铜柱111螺纹连接，从而将掌部基板101和固定板110牢牢的固定，对两者之间的零件也进行限位。

如图13所示，固定板110下方设有手背盖板112，掌部基板101的上方设有手面盖板113，手背盖板112的四周延伸向上与手面盖板113相连，手背盖板112和手面盖板113主要起美化和保护的作用。手面盖板113的中部向上凸起形成掌心凸起1131，掌心凸起1131位于三个机械手指102之间。掌心凸起1131由橡胶制成，当机械手指抓取物体时，掌心凸起能够充分的与被抓取物接触，使得抓取更为稳固。掌心凸起1131为中空结构，从而在掌心凸起1131和掌部基板101之间形成用于安装电路板的空间。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种机械手臂，其特征在于：包括机械手(1)和机械臂(2)，机械臂(2)具有六个自由度，包括顺次连接的六个舵机，相邻的舵机两两之间轴线垂直；机械手(1)与机械臂(2)最后个舵机的转动端相连，包括三个结构相同的机械手指(102)，三个机械手指(102)根部的连线形成一个等腰三角形，位于该等腰三角形两个底角上的机械手指(102)可对称转动；

所述机械手(1)包括掌部基板(101)，机械手指(102)设于掌部基板(101)的上表面，机械手指(102)包括安装在掌部基板(101)上的根座(1021)，根座(1021)与中指段(1022)的后端可转动连接，中指段(1022)的前端与小指段(1023)的后端可转动连接；小指段(1023)前端与拉线(114)的一端固定相连，拉线(114)依次穿过小指段(1023)后端、中指段(1022)以及根座(1021)底部圆心与掌部基板(101)下表面的手指弯曲电机(107)输出端相连；

所述根座(1021)的上端设有第一横梁(1024)，中指段(1022)的后端以及第一扭簧(1025)均可活动的套设于第一横梁(1024)，第一扭簧(1025)具有两个支脚，其一个支脚与中指段(1022)相连，另一个支脚与根座(1021)相连；中指段(1022)的前端设有第二横梁(1026)，小指段(1023)的后端以及第二扭簧均可活动的套设于第二横梁(1026)，第二扭簧具有两个支脚，其一个支脚与小指段(1023)相连，另一个支脚与中指段(1022)相连；

所述机械臂(2)包括一号舵机(201)、二号舵机(202)、三号舵机(203)、四号舵机(204)、五号舵机(205)和六号舵机(206)，一号舵机(201)安装在机器人躯体上，一号舵机(201)的转动端与主臂转动件(207)相连，主臂转动件(207)与二号舵机(202)的侧面固定连接，一号舵机(201)的转动端与二号舵机(202)相连，一号舵机(201)与二号舵机(202)轴线垂直；二号舵机(202)的转动端与三号舵机(203)相连，二号舵机(202)与三号舵机(203)轴线垂直；三号舵机(203)的转动端与舵机转动架(209)相连，舵机转动架(209)与四号舵机(204)的转动端相连，三号舵机(203)与四号舵机(204)轴线垂直；四号舵机(204)的侧面与五号舵机(205)的后端固定连接，四号舵机(204)与五号舵机(205)轴线垂直；五号舵机(205)的转动端与六号舵机(206)相连，五号舵机(205)与六号舵机(206)轴线垂直，六号舵机(206)的转动端与手腕摆动板(212)相连，机械手(1)安装在手腕摆动板(212)上。

2.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：所述第二扭簧的弹簧刚度大于第一扭簧(1025)的弹簧刚度。

3.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：所述小指段(1023)的端部套设有橡胶套(1027)，橡胶套(1027)与安装在小指段(1023)上的压力传感器抵接；中指段(1022)的侧面安装有橡胶垫(1028)，橡胶垫(1028)与安装在中指段(1022)上的压力传感器抵接。

4.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：两个可对称转动的机械手指(102)的根座(1021)可转动的安装在掌部基板(101)上，根座(1021)与掌部基板(101)下表面的从动齿轮(103)相连，两者可同轴转动；从动齿轮(103)下方设有电机安装板(106)，电机安装板(106)下表面上安装手指转动电机(108)，手指转动电机(108)通过齿轮副与两个可对称转动的机械手指(102)的从动齿轮(103)相连。

5.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：所述掌部基板(101)的上方设有手面盖板(113)，手面盖板(113)的中部向上凸起形成掌心凸起(1131)，掌心凸起(1131)位于三个机械手指(102)之间；掌心凸起(1131)为中空结构，从而在掌心凸起(1131)和掌部基板(101)之间形成用于安装电路板的空间。

6.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：所述一号舵机(201)的轴线、三号舵机(203)的轴线以及五号舵机(205)的轴线位于同一平面。

7.根据权利要求1所述的机械手臂，其特征在于：所述五号舵机(205)的转动端与小臂转动管(211)相连，六号舵机(206)的侧面安装有小臂关节连接架(213)，小臂关节连接架(213)与小臂转动管(211)相连，小臂关节连接架(213)设有与小臂转动管(211)内部连通的通孔。