CN107322633B - 一种仿生机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度人体仿生机械手臂，包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手，肩关节有两个转动自由度，肘关节有两个转动自由度，腕关节有一个转动自由度，机械手有五根手指，各具有一个屈伸自由度；本发明以人体手臂及手掌为蓝本，在自由度的排列、外观的设计等方面都力求与人类相接近，具有控制简单、自由度多、安装方便、成本低廉、造型美观等优点，既可作为模块安装在服务机器人上，又能单独用于教学研究、开发应用等各种领域中。

Description

一种仿生机械手臂

技术领域

本发明涉及一种多自由度人体仿生机械手臂，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

在日常生活领域，随着服务机器人的蓬勃发展，机器人助手已逐渐走进人类家庭。机械手臂作为服务机器人的主要执行机构，其重要性不言而喻。机械手臂可以完成抓取、焊接、装配、机械加工等诸多功能，在工业生产中可以大大提高工作效率、作业精度。在恶劣环境下，如烟雾、粉尘、易燃易爆、高温、高压、有毒气体及放射性环境等，由机器人代替劳动人员能很好地保证工作人员的安全。

为了能使服务机器人更好地适应家庭室内的工作环境和进一步得到普及，其机械手臂必须具有小型化、功能化、人性化、灵活性、观赏性、安全性、低成本等特点，这些都是目前工业或者特种机械手臂所缺乏的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，提供一种适用于家庭服务机器人的仿生机械手臂，动作灵活，结构简单，控制精确，低廉且易于制造。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手；

所述肩关节包括横向并排设置的基座和轴承座，基座上固设有第一舵机，轴承座中设有第一轴承，第一舵机的舵盘固连有第一传动轴，并且第一传动轴配合插设在第一轴承中；第一传动轴穿过轴承座后固定连接有肩胛，肩胛上固设有第二舵机；第二舵机的输出轴心与第一舵机的输出轴心垂直；第一传动轴的轴心与第一舵机的输出轴心平行或一致；所述第一传动轴的方向为肩关节的轴线方向；

所述大臂包括肱骨，肱骨的上部与第二舵机的舵盘固定连接，肱骨的中间固设有第三舵机，肱骨下部设有第二轴承，第三舵机的舵盘固连有第二传动轴，第二传动轴配合插设在第二轴承中；第三舵机的输出轴心与第二舵机的输出轴心垂直，第二传动轴的轴心与第三舵机的输出轴心平行或一致；所述第二传动轴的方向为大臂的轴线方向；

所述肘关节包括肘，肘的上部与第二传动轴固定连接，肘的下部固设有第四舵机，并且第四舵机的输出轴心垂直于第三舵机的输出轴心；

所述小臂包括尺骨，尺骨的后部与第四舵机的舵盘固定连接，尺骨的中间固设有第五舵机，第五舵机的输出轴心垂直于第四舵机的输出轴心；尺骨的前部设有第三轴承，第五舵机的舵盘固连有第三传动轴，第三传动轴配合插设在第三轴承中；第三传动轴的轴心与第五舵机的输出轴心平行或一致；所述第三传动轴的方向为小臂的轴线方向；

所述机械手包括腕、手掌下和手掌上；腕的后部与第三传动轴的舵盘固定连接，腕的前部与手掌下固定连接，手掌上与手掌下固定连接；手掌下的中间安装有第六舵机、第七舵机、第八舵机、第九舵机和第十舵机，其中，第八舵机位于手掌位置，第八舵机的输出轴心方向与拇指垂直，用于通过拉线控制拇指的屈伸，第六舵机、第七舵机、第九舵机和第十舵机均位于小臂内部、手掌和手腕之间，平行叠加排列以减少所占空间，分别用于通过相应的拉线控制食指、中指、无名指和小指的屈伸，所述拉线均穿在相应手指和手掌的内部并且其两端分别与相应舵盘和指尖固定相连；第六舵机、第七舵机、第九舵机和第十舵机的输出轴心均垂直于第五舵机的输出轴心；

所述食指、中指、无名指和小指并排设置且结构相同，均包括固设在手掌下前部的手指基座和设在手指基座上且依次相连的三个指节；所述拇指与其余四手指之间为分离设置，包括固设在手掌上前部的手指基座和设在手指基座上且依次相连的两个指节；所述的每个指节均包括扣合在一起的左指节和右指节；所述指节与手指基座之间以及指节与指节之间均通过铰轴连接，并且在各铰轴上均安装有扭簧。

进一步的，所述机械手臂还包括主控制板和副控制板；所述主控制板设在基座的附近，用于控制第一至第四舵机的转动输出；所述副控制板设在尺骨上，用于控制第五至第十舵机的转动输出；所述主控制板以RS-485的通讯方式与上位机相连接并以RS-232的通讯方式与副控制板相连接；主控制板从上位机获取机械手臂所有关节的角度，再把第五至第十舵机的角度发送给副控制板。

进一步的，所述基座的底部开设有多个用于将其安装在机器人上的安装孔；所述第一舵机的舵盘首先固连有第一连接器，第一传动轴首先固连有第二连接器，第一连接器与第二连接器通过螺丝固定相连；所述轴承座的外侧设有轴承座盖。

进一步的，所述第二舵机的外部还包覆安装有两个肩壳，并且肩壳、均卡扣在肩胛上。

进一步的，所述第二舵机的舵盘上固设有舵机连接件，舵机连接件通过螺丝固定在肱骨的上部；第二轴承固设在肱骨下部的安装槽中，并且第二轴承的两侧还设有轴承盖；所述肱骨的外部还包覆安装有两个大臂壳，并且两个大臂壳、均卡扣在肱骨上。

进一步的，所述肘的外部还包覆安装有两个肘壳，并且两个肘壳、均卡扣在肘上。

进一步的，所述第四舵机的舵盘上固连有舵机连接件，并且舵机连接件通过螺丝固定在尺骨的后部；第三轴承固设在尺骨后部的安装槽中，并且第三轴承的两侧还设有轴承盖；所述尺骨的外部还包覆安装有两个小臂壳，并且两个小臂壳、均卡扣在尺骨上。

进一步的，所述手掌下的外部还包覆安装有两个腕壳，并且两个腕壳、均卡扣在手掌下上。

进一步的，所述指节包括扣合在一起的左指节和右指节，并且左指节和右指节通过螺丝和螺母固定连接。

进一步的，所述第一至第四舵机均采用Robotis数字舵机；所述第五至第十舵机均采用银燕数字舵机。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的肩关节有两个转动自由度，肘关节有两个转动自由度，腕关节有一个转动自由度，机械手有五根手指，各具有一个屈伸自由度；本发明以人体手臂及手掌为蓝本，在自由度的排列、外观的设计等方面都力求与人类相接近；本发明具有控制简单、自由度多、安装方便、成本低廉、造型美观等优点，既可作为模块安装在服务机器人上，又能单独用于教学研究、开发应用等各种领域中。

本发明采用数字舵机作为动力来源，由电力驱动舵机从而带动机械手臂运动；舵机具有结构简单，控制方便，响应迅速，输出力矩大，且输出运动，旋转与目标运动，旋转相一致等优点，从而大大简化了该机械手臂的结构，减轻了其总质量，减少了制造成本，且便于维修更换；同时还具有易于编程控制的优点，便于二次开发和在不同场合的应用；在关节的连接部分均运用了轴承结构，可大大减小摩擦力，减少所需的舵机输出力矩，避免舵机过载，延长了舵机寿命；机械手臂的外壳使用卡扣结构安装在机械手臂本体上，拆卸方便，无螺丝孔，造型美观；控制手指的五个舵机没有全部放在手掌处，其中有四个被移到了小臂、手腕处，避免了手掌过于臃肿，方便手掌的造型与建模，同时也减小了力臂的长度，减轻了关节舵机的负担；拇指与其余四指相对排列，与人手抓握东西时的动作一致，便于该机械手抓取某些小型目标；手指与手掌采用分离式设计，便于机械手的组装，以及某根手指意外折断时的更换；不同的手指采用不同的结构，从而实现了外观上的无螺孔设计。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的肩部部分示意图；

图3是本发明的肩部另一部分示意图；

图4是本发明的大臂示意图；

图5是本发明的肘部示意图；

图6是本发明的小臂示意图；

图7是本发明的机械手示意图；

图8是本发明的机械手指示意图；

图9是本发明的控制板位置示意图；

图10是本发明的主控制板与副控制板的通讯连接示意图；

图11是本发明的一个应用案例；

图中：1、基座，2、第一舵机，3、第一连接器，4、第二连接器，5、轴承座，6、轴承座盖，7、第一传动轴，8、肩胛，9、肩壳，10、肩壳，11、第二舵机，12、大臂壳，13、肱骨，14、舵机连接件，15、大臂壳，16、第三舵机，17、第二传动轴，18、轴承盖，19、第二轴承，20、肘壳，21、肘，22、肘壳，23、第四舵机，24、轴承盖，25、小臂壳，26、第五舵机，27、尺骨，28、舵机连接件，29、小臂壳，30、副控制板，31、第三传动轴，32、第三轴承，33、腕，34、手掌下，35、第六舵机，36、腕壳，37、第七舵机，38、手掌上，43、第八舵机，44、第九舵机，45、第十舵机，46、腕壳，47、手指基座，50、左指节，51、右指节，56、主控制板，57、支承板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明公开了一种多自由度人体仿生机械手臂，包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手。

如图2、3所示，本发明的肩关节包括横向并排设置的基座1和轴承座5，基座1上固设有第一舵机2，通过螺丝固定，轴承座5中设有第一轴承，第一舵机2的舵盘固连有第一传动轴7，以传递转动，并且第一传动轴7配合插设在第一轴承中，以减小摩擦力；第一传动轴7穿过轴承座5后固定连接有肩胛8，肩胛8上固设有第二舵机11；第二舵机11的输出轴心与第一舵机2的输出轴心垂直；第一传动轴7的轴心与第一舵机2的输出轴心平行或一致；所述第一传动轴7的方向为肩关节的轴线方向；基座1的底部开设有多个用于将其安装在机器人上的安装孔；所述第一舵机2的舵盘首先固连有第一连接器3，第一传动轴7首先固连有第二连接器4，第一连接器3与第二连接器4通过螺丝固定相连；所述轴承座5的外侧设有轴承座盖6。轴承座5上亦有定位孔，与基座1共同完成机械臂的定位工作，以提高定位强度及精确性。所述第二舵机11的外部还包覆安装有两个肩壳9、10，并且肩壳9、10均卡扣在肩胛8上。

如图4所示，本发明的大臂包括肱骨13，肱骨13的上部与舵机连接件14固定相连，舵机连接件14与第二舵机11的舵盘固定连接，肱骨13的中间固设有第三舵机16，肱骨13下部设有第二轴承19，第三舵机16的舵盘固连有第二传动轴17，第二传动轴17配合插设在第二轴承19中；第三舵机16的输出轴心与第二舵机11的输出轴心垂直，第二传动轴17的轴心与第三舵机16的输出轴心平行或一致；所述第二传动轴17的方向为大臂的轴线方向；第二轴承19固设在肱骨13下部的安装槽中，并且第二轴承19的两侧还设有轴承盖18；所述肱骨13的外部还包覆安装有两个大臂壳12、15，并且两个大臂壳12、15均卡扣在肱骨13上。

如图5所示，本发明的肘关节包括肘21，肘21的上部与第二传动轴17固定连接，肘21的下部固设有第四舵机23，并且第四舵机23的输出轴心垂直于第三舵机16的输出轴心；肘21的外部还包覆安装有两个肘壳20、22，并且两个肘壳20、22均卡扣在肘21上。

如图6所示，本发明的小臂包括尺骨27，尺骨27的后部与第四舵机23的舵盘固定连接，第四舵机23的舵盘上固连有舵机连接件28，并且舵机连接件28通过螺丝固定在尺骨27的后部；尺骨27的中间固设有第五舵机26，第五舵机26的输出轴心垂直于第四舵机23的输出轴心；尺骨27的前部设有第三轴承32，第三轴承32固设在尺骨27后部的安装槽中，并且第三轴承32的两侧还设有轴承盖24；第五舵机26的舵盘固连有第三传动轴31，第三传动轴31配合插设在第三轴承32中；第三传动轴31的轴心与第五舵机26的输出轴心平行或一致；所述第三传动轴31的方向为小臂的轴线方向；尺骨27的外部还包覆安装有两个小臂壳25、29，并且两个小臂壳25、29均卡扣在尺骨27上。

如图7所示，本发明的机械手包括腕33、手掌下34和手掌上38；腕33的后部与第三传动轴31的舵盘通过螺丝固定连接，腕33的前部与手掌下34固定连接，手掌上38与手掌下34固定连接；手掌下34的中间安装有第六舵机35、第七舵机37、第八舵机43、第九舵机44和第十舵机45，其中，第八舵机43位于手掌位置，第八舵机43的输出轴心方向与拇指垂直，用于通过拉线控制拇指的屈伸，第六舵机35、第七舵机37、第九舵机44和第十舵机45均位于小臂内部、手掌和手腕之间，平行叠加排列以减少所占空间，分别用于通过相应的拉线控制食指、中指、无名指和小指的屈伸，所述拉线均穿在相应手指和手掌的内部并且其两端分别与相应舵盘和指尖固定相连；第六舵机35、第七舵机37、第九舵机44和第十舵机45的输出轴心均垂直于第五舵机26的输出轴心。

食指、中指、无名指和小指并排设置且结构相同，均包括固设在手掌下34前部的手指基座47和设在手指基座47上且依次相连的三个指节；拇指与其余四手指之间为分离设置，包括固设在手掌上38前部的手指基座47和设在手指基座47上且依次相连的两个指节；如图8所示，每个指节均包括扣合在一起的左指节50和右指节51；指节与手指基座47之间以及指节与指节之间均通过铰轴连接，并且在各铰轴上均安装有扭簧。在扭簧的弹性作用下，手指的自然状态是伸直的；当舵机上电转动时，通过拉线带动相应的手指弯曲；通过控制舵机转动的角度即可控制手指弯曲的幅度。手掌下34的外部还包覆安装有两个腕壳36、46，并且两个腕壳36、46均卡扣在手掌下34上。

本发明的第一传动轴7、第二传动轴17和第三传动轴31均采用D形轴+螺丝固定的方式与下一级零部件相连接，传动方向分别为肩关节轴向、大臂轴向和小臂轴向；机械手臂的各个自由度均由舵机驱动，且不同位置所使用的舵机也不同；第一至第四舵机2、11、16、23采用不同型号的Robotis数字舵机；第五至第十舵机26、35、37、43、44、45采用不同型号的银燕数字舵机；针对不同的关节采用不同的数字舵机，以降低成本、小型化、提高设计的美观度。

本发明的第一舵机2、第二舵机11均采用Robotis公司的MX-64AR数字舵机，MX-64AR数字舵机的最大扭矩为7.3N·m14.8V，MX-64AR舵机采用RS-485多点总线连接，可以实现多个同类舵机串行联接，大大减少了连接线路的复杂程度。第三舵机16采用Robotis公司的AX-18A数字舵机，第四舵机23采用Robotis公司的AX-12A数字舵机，AX-18A数字舵机的最大扭矩为1.8N·m12V，AX-12A数字舵机的最大扭矩为1.2N·m7V，AX-18A数字舵机和AX-12A数字舵机均采用TTL多点总线连接，通讯协议为半双工异步串口通讯。第五舵机26采用银燕公司的ES3154金属数码舵机，第六至第十舵机35、37、43、44、45均采用银燕公司的ES08MD金属数码舵机，ES3154金属数码舵机的最大静止扭矩为0.3N·m4.8V，ES08MD 金属数码舵机的最大静止扭矩为0.16N·m4.8V，两种银燕舵机均有三个输入端：电源正极、电源负极和信号线，两种银燕舵机由PWM波信号控制。第一轴承采用NTN公司的6004ZZ深沟球轴承；第二轴承19、第三轴承32采用NTN公司的6000ZZ深沟球轴承；6004ZZ轴承和6000ZZ轴承均为铁盖密封轴承，可有效防止灰尘等杂物进入轴承。

如图9、10所示，本发明的机械手臂还包括主控制板56和副控制板30；主控制板56设在基座1的附近，用于控制第一至第四舵机2、11、16、23的转动输出；副控制板30设在尺骨27上，用于控制第五至第十舵机26、35、37、43、44、45的转动输出；主控制板56以RS-485的通讯方式与上位机相连接并以RS-232的通讯方式与副控制板30相连接；主控制板56从上位机获取机械手臂所有关节的角度，再把第五至第十舵机26、35、37、43、44、45的角度发送给副控制板30。主控制板56采用RS-485通讯协议的优点在于一个主机可以带多个从机，例如在图11中所展示的场景。

如图11所示，是本发明的一种应用实例：由两个机械手臂组成的双臂协作系统；图中支承板57用于固定两个机械手臂；两个机械手臂可以相互合作，共同完成一些较为复杂的任务，这样就大大扩展了该机械手臂的能力，有利于其在更多领域的应用。

Claims (8)

1.一种多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手；

所述肩关节包括横向并排设置的基座（1）和轴承座（5），基座（1）上固设有第一舵机（2），轴承座（5）中设有第一轴承，第一舵机（2）的舵盘固连有第一传动轴（7），并且第一传动轴（7）配合插设在第一轴承中；第一传动轴（7）穿过轴承座（5）后固定连接有肩胛（8），肩胛（8）上固设有第二舵机（11）；第二舵机（11）的输出轴心与第一舵机（2）的输出轴心垂直；第一传动轴（7）的轴心与第一舵机（2）的输出轴心平行或一致；所述第一传动轴（7）的方向为肩关节的轴线方向；

所述大臂包括肱骨（13），肱骨（13）的上部与第二舵机（11）的舵盘固定连接，肱骨（13）的中间固设有第三舵机（16），肱骨（13）下部设有第二轴承（19），第三舵机（16）的舵盘固连有第二传动轴（17），第二传动轴（17）配合插设在第二轴承（19）中；第三舵机（16）的输出轴心与第二舵机（11）的输出轴心垂直，第二传动轴（17）的轴心与第三舵机（16）的输出轴心平行或一致；所述第二传动轴（17）的方向为大臂的轴线方向；

所述肘关节包括肘（21），肘（21）的上部与第二传动轴（17）固定连接，肘（21）的下部固设有第四舵机（23），并且第四舵机（23）的输出轴心垂直于第三舵机（16）的输出轴心；

所述小臂包括尺骨（27），尺骨（27）的后部与第四舵机（23）的舵盘固定连接，尺骨（27）的中间固设有第五舵机（26），第五舵机（26）的输出轴心垂直于第四舵机（23）的输出轴心；尺骨（27）的前部设有第三轴承（32），第五舵机（26）的舵盘固连有第三传动轴（31），第三传动轴（31）配合插设在第三轴承（32）中；第三传动轴（31）的轴心与第五舵机（26）的输出轴心平行或一致；所述第三传动轴（31）的方向为小臂的轴线方向；

所述机械手包括腕（33）、手掌下（34）和手掌上（38）；腕（33）的后部与第三传动轴（31）的舵盘固定连接，腕（33）的前部与手掌下（34）固定连接，手掌上（38）与手掌下（34）固定连接；手掌下（34）的中间安装有第六舵机（35）、第七舵机（37）、第八舵机（43）、第九舵机（44）和第十舵机（45），其中，第八舵机（43）位于手掌位置，第八舵机（43）的输出轴心方向与拇指垂直，用于通过拉线控制拇指的屈伸，第六舵机（35）、第七舵机（37）、第九舵机（44）和第十舵机（45）均位于小臂内部、手掌和手腕之间，平行叠加排列以减少所占空间，分别用于通过相应的拉线控制食指、中指、无名指和小指的屈伸，所述拉线均穿在相应手指和手掌的内部并且其两端分别与相应舵盘和指尖固定相连；第六舵机（35）、第七舵机（37）、第九舵机（44）和第十舵机（45）的输出轴心均垂直于第五舵机（26）的输出轴心；

所述食指、中指、无名指和小指并排设置且结构相同，均包括固设在手掌下（34）前部的手指基座（47）和设在手指基座（47）上且依次相连的三个指节；所述拇指与其余四手指之间为分离设置，包括固设在手掌上（38）前部的手指基座（47）和设在手指基座（47）上且依次相连的两个指节；所述的每个指节均包括扣合在一起的左指节和右指节；所述指节与手指基座（47）之间以及指节与指节之间均通过铰轴连接，并且在各铰轴上均安装有扭簧；

所述机械手臂还包括主控制板（56）和副控制板（30）；所述主控制板（56）设在基座（1）的附近，用于控制第一至第四舵机（2、11、16、23）的转动输出；所述副控制板（30）设在尺骨（27）上，用于控制第五至第十舵机（26、35、37、43、44、45）的转动输出；所述主控制板（56）以RS-485的通讯方式与上位机相连接并以RS-232的通讯方式与副控制板（30）相连接；主控制板（56）从上位机获取机械手臂所有关节的角度，再把第五至第十舵机（26、35、37、43、44、45）的角度发送给副控制板（30）；

所述基座（1）的底部开设有多个用于将其安装在机器人上的安装孔；所述第一舵机（2）的舵盘首先固连有第一连接器（3），第一传动轴（7）首先固连有第二连接器（4），第一连接器（3）与第二连接器（4）通过螺丝固定相连；所述轴承座（5）的外侧设有轴承座盖（6）。

2.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述第二舵机（11）的外部还包覆安装有两个肩壳（9、10），并且肩壳（9、10）均卡扣在肩胛（8）上。

3.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述第二舵机（11）的舵盘上固设有舵机连接件（14），舵机连接件（14）通过螺丝固定在肱骨（13）的上部；第二轴承（19）固设在肱骨（13）下部的安装槽中，并且第二轴承（19）的两侧还设有轴承盖（18）；所述肱骨（13）的外部还包覆安装有两个大臂壳（12、15），并且两个大臂壳（12、15）均卡扣在肱骨（13）上。

4.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述肘（21）的外部还包覆安装有两个肘壳（20、22），并且两个肘壳（20、22）均卡扣在肘（21）上。

5.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述第四舵机（23）的舵盘上固连有舵机连接件（28），并且舵机连接件（28）通过螺丝固定在尺骨（27）的后部；第三轴承（32）固设在尺骨（27）后部的安装槽中，并且第三轴承（32）的两侧还设有轴承盖（24）；所述尺骨（27）的外部还包覆安装有两个小臂壳（25、29），并且两个小臂壳（25、29）均卡扣在尺骨（27）上。

6.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述手掌下（34）的外部还包覆安装有两个腕壳（36、46），并且两个腕壳（36、46）均卡扣在手掌下（34）上。

7.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述指节包括扣合在一起的左指节和右指节，并且左指节和右指节通过螺丝和螺母固定连接。

8.根据权利要求1所述的多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：所述第一至第四舵机（2、11、16、23）均采用Robotis数字舵机；所述第五至第十舵机（26、35、37、43、44、45）均采用银燕数字舵机。

Images