CN110238875A - 一种具有转肩功能的双足机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人本体结构领域，并具体公开了一种具有转肩功能的双足机器人手臂。包括依次相连的转肩模块、上臂模块和下臂模块，其中，所述转肩模块包括第一连接件、胸腔板以及液压缸，所述第一连接件包括依次相连的第一连接底座、肩部转动力矩电机及第一连接盘，所述上臂模块包括第二连接件、上臂支撑板和第三连接件，所述第二连接件包括第二连接底座、肩部抬手力矩电机，所述下臂模块包括并联三角杆机构、第四连接底座及舵机。本发明可有效实现机器人手臂能同步完成转肩、转臂、抬臂、肘部转动、手腕的上下左右扭动以及手腕的转动的动作，实现机器人手臂的多自由度运动，有效的改善了机器人的运动性能。

Description

一种具有转肩功能的双足机器人手臂

技术领域

本发明属于机器人本体结构技术领域，更具体地，涉及一种具有转肩功能的双足机器人手臂。

背景技术

双足机器人作为一个高度综合的复杂系统，涉及到机构学、仿生学、人工智能和几何方法等众多学科。近年来，国内外的研究学者和科研机构对双足机器人进行了大量研究。但在目前双足机器人手臂结构的设计中，大多数只对肩部的两个自由度和手腕的转动进行了设计，这样会使机器人在做工的过程中减小了机器人的做工范围；并且目前双足机器人的手臂一般都是用力矩电机进行驱动，很少用到液压缸和直线电机进行驱动，这样的驱动方式比较单一，难以满足手臂在做工时的复杂工况。

人的手臂在做工的过程中，转肩的这个自由度很重要，能扩大手臂的运动范围，同时减少了其他关节的运动，肘部采用力矩电机传动带传动方式带动肘部转动，提高手臂的运动性能。比如，有研究机构就采用的是力矩电机串联机构，这种机构结构复杂、质量过大，不利于提高机器人的运动性能。而且，在做工的过程中不易实现控制，往往转动一个自由度可以完成的工作，却需要转动两个自由度来实现，不利于提高机器人的运动性能。

因此，本领域亟待提出一种双足机器人多自由度手臂结构，以实现手臂结构的转肩、抬臂、转臂、肘部转动、手腕的转动以及手腕的上下左右扭动等七种运动，从而改善双足机器人的运动性能，提高工作效率，更好地实现人机合作和多机协同作业。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有转肩功能的双足机器人手臂，通过结合双足机器人手臂的自身特征及手臂动作的特点，相应的设计了具有转肩功能的双足机器人手臂，并对其关键组件如第一连接件、第二连接件、上臂支撑板、第三连接件、并联三角杆机构、第四连接底座以及对应的驱动机构的结构及具体连接和布置方式进行了研究和设计，相应的可有效实现机器人手臂能同步完成转肩、转臂、抬臂、肘部转动、手腕的上下左右扭动以及手腕的转动的动作，实现机器人手臂的多自由度运动，有效的改善了双足机器人的运动性能，提高了工作效率，能更好地实现人机合作和多机协同作业。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有转肩功能的双足机器人手臂，包括依次相连的转肩模块、上臂模块和下臂模块，其中，所述转肩模块包括第一连接件、胸腔板以及液压缸，所述第一连接件包括依次相连的第一连接底座、肩部转动力矩电机及第一连接盘，所述第一连接底座一端与胸腔板可活动的连接，另一端与肩部转动力矩电机固定连接，所述第一连接盘一端与肩部转动力矩电机的转矩输出轴固定连接，另一端与所述上臂模块连接，所述液压缸设于所述第一连接底座与所述胸腔板之间，以此方式，实现所述双足机器人手臂做转肩和转臂动作；

所述上臂模块包括依次相连的第二连接件、上臂支撑板和第三连接件，所述第二连接件一端与第一连接盘固定连接，另一端与所述上臂支撑板的一端活动连接，用于驱动所述双足机器人手臂做抬手动作；所述第三连接件一端与上臂支撑板可活动的连接，另一端与所述下臂模块固定连接，用于驱动所述双足机器人手臂做肘部转动动作；

所述下臂模块包括并联三角杆机构及舵机，所述并联三角杆机构一端与所述第三连接件连接，另一端与所述舵机固定连接，用于驱动所述双足机器人手臂做手腕的上下左右扭动及手腕的转动动作。

进一步的，所述第一连接底座为内部中空的U型结构，该U型结构的底部为半圆柱形结构，且该圆柱形结构的轴线与所述液压缸的力矩输出轴垂直；所述液压缸的力矩输出轴与双足机器人两肩的连线平行。

进一步的，所述第二连接件包括第二连接底座、肩部抬手力矩电机，所述第二连接底座一端与第一连接盘固定连接，另一端与所述上臂支撑板的一端可活动的连接，所述肩部抬手力矩电机的转矩输出轴与所述上臂支撑板固定连接。

进一步的，所述第二连接件还包括第二连接盘，所述第二连接盘通过法兰与所述上臂支撑板固定连接，且与所述肩部抬手力矩电机的转矩输出轴固定连接。

进一步的，所述上臂支撑板为两块结构相同且对称布置的上臂夹板，所述肩部抬手力矩电机的转矩输出轴与两块所述上臂夹板几何中心的连线垂直。

进一步的，所述第三连接件包括第三连接底座以及下臂转动驱动机构，所述第三连接底座一端与上臂支撑板可活动的连接，另一端与所述下臂转动驱动机构的转矩输出轴固定连接；所述下臂转动驱动机构包括肘部转动力矩电机、主动同步带轮、张紧轮和从动同步带轮，所述肘部转动力矩电机固定设置在所述上臂支撑板上，其转矩输出轴与所述主动同步带轮固定连接，所述主动同步带轮、张紧轮和从动同步带轮通过传动带连接，所述从动同步带轮通过转轴与所述第三连接底座固定连接。

进一步的，所述下臂模块还包括第四连接底座，所述并联三角杆机构设于所述第三连接底座与所述第四连接底座之间。

进一步的，所述并联三角杆机构包括两个结构相同的可伸缩运动的电机推杆单元以及支撑杆，两个所述电机推杆单元与所述支撑杆平行布置且不共线。

进一步的，所述电机推杆单元包括直线电机导轨、直线电机以及推杆，所述直线电机导轨一端通过十字联轴器与所述第三连接底座连接，一端用于固定所述直线电机，所述推杆的一端与所述直线电机的力矩输出轴固定连接，另一端通过十字联轴器与所述第四连接底座连接。

进一步的，两个所述电机推杆单元及所述支撑杆与所述第三连接底座的连接点构成一个以所述支撑杆与第三连接底座的连接点为顶点的等腰三角形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明可同时实现机器人手臂的转肩、转臂、抬臂、肘部转动、手腕的上下左右扭动以及手腕的转动等多自由度动作，同时将液压缸及部分驱动电机集成到机器人胸腔部分，进而可通过机器人身体来分担重量，在满足手臂多自由度转动的条件下，减轻机器人手臂的重量，减少了手臂运动时的转动惯量，提高了其运动性能，进而改善了双足机器人的运动性能，同时，提高了工作效率，能更好地实现人机合作和多机协同作业。

2.本发明采用液压缸及6个电机相互配合设计，相应的可实现机器人手臂的转肩、转臂、抬臂、肘部转动、手腕的上下左右扭动以及手腕的转动等多自由度动作。

3.本发明液压缸的力矩输出轴与双足机器人两肩的连线平行，一方面采用液压缸丰富了手臂的驱动方式，且其驱动的功率大，能更好的满足手臂动作的复杂工况，同时，这种平行布置的方式能更好的模拟人体肩部的转肩运动，增加了机器人手臂的运动自由度，扩大了手臂的运动范围，提高了手臂的灵活性。

4.本发明手臂抬手动作的电机及手臂转动的电机均集中在肩部，可同时实现手臂的转动和抬手动作，减少了手臂运动时的转动惯量，提高了其运动性能。

5.本发明将肘部的转动电机设置在上臂模块上，同时通过传动机构，实现下臂模块的转动，提高了结构紧凑性及协调性，灵活性较高，实用性较强。

6.本发明采用并联三角杆机构来实现手腕部分的左右前后摆动动作，且该并联三角杆机构通过十字联轴器与其两端的连接底座进行连接，具有结构简单，质量较小，自由度调节简单，精确地模拟了人手臂的左右前后摆动动作，改善了双足机器人的运动性能，提高了工作效率，能够更好地实现人机合作和多级协同作业。

附图说明

图1是本发明涉及的一种具有转肩功能的双足机器人手臂的正面结构示意图；

图2是本发明图1涉及的转肩模块的结构示意图；

图3是本发明图1涉及的上臂模块的结构示意图；

图4是本发明图1涉及的下壁模块的结构示意图；

图5是本发明并联三角连杆机构运动示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-液压缸，2-胸腔板，3-肩部转动力矩电机，4-第一连接盘，5-第一连接件，6-肩部抬手力矩电机，7-第二连接盘，8-同步带轮，9-肘部转动力矩电机，10-张紧轮，11-上臂夹板，12-第三连接底座，13-直线电机，14-支撑杆，15-直线电机导轨，16-推杆，17-舵机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其包括转肩模块、上臂模块以及下臂模块，其中，转肩模块与上臂模块之间通过第一连接件连接，并通过驱动装置来实现转肩模块的转肩动作及上臂模块沿所述连接机构做的旋转动作，上臂模块与下臂模块之间通过第三连接件连接，并通过驱动装置来实现上臂模块的抬手动作以及下臂模块沿所述连接机构做的转动动作，且下臂模块与第三连接件共同构成并联三角连杆机构，进而驱动机构的驱动作用下沿该连接机构实现腕部的伸缩运动。本发明可以实现机器人手臂同步完成转肩、抬臂、转臂、肘部转动、手腕的转动及手腕的上下左右扭动七种运动，进而改善了双足机器人的运动性能，提高了工作效率，能更好地实现人机合作和多机协同作业。

具体而言，如图1、图2所示，转肩模块包括L型的胸腔板2、设于该胸腔板2一端的第一连接件5，胸腔板2与第一连接件5之间设有液压缸1，该液压缸1一端与所述胸腔板2通过球形铰链铰接，另一端与所述第一连接件5通过球形铰链铰接，从而通过液压缸1驱动所述上臂模块实现转肩动作。进一步第，第一连接件5包括一对连接板以及设有该连接板内的第一连接底座，其中，一对连接板结构相同，其一端与所述胸腔板2固定连接，另一端做倒圆处理，所述第一连接底座通过转轴与连接板实现活动连接。此外，所述第一连接底座内设有第一连接盘4，其与所述上臂模块对接的一端面设有法兰盘，便于实现与所述上臂模块连接。所述第一连接底座内设有肩部转动力矩电机3，该肩部转动力矩电机3的输出轴与所述第一连接盘对接，以驱动所述第一连接盘转动。本发明中，将肩部转动力矩电机3放置在第一连接底座内，相当于将该电机镶嵌在胸腔里面，减少了手臂运动时的转动惯量，提高了其运动性能。

进一步的，第一连接底座为U型内部中空的U型结构，该U型结构的底部为半圆柱形结构，该半圆柱结构的轴线与上述一对连接板的中心连线平行，且该圆柱形结构的轴线与所述液压缸1的力矩输出轴垂直。

如图1～图3所示，上臂模块包括第二连接件，该第二连接件一端与第一连接盘4通过法兰固定连接，另一端与上臂支撑板可活动的连接。其中，第二连接件包括第二连接底座、肩部抬手力矩电机6以及第二连接盘7，第二连接底座与第一连接盘4通过法兰固定连接，上臂支撑板设于该第二连接底座的另一端，并通过第二连接盘7可活动的设于第二连接底座上，第二连接盘7与肩部抬手力矩电机6的力矩输出轴固定连接，进而在肩部抬手力矩电机6的驱动作用下，上臂模块能够沿力矩输出轴做抬手运动。作为本发明的优选方案，肩部抬手力矩电机6的力矩输出轴与肩部转动力矩电机3的力矩输出轴垂直。上臂支撑板为两块结构相同且对称布置的上臂夹板11，肩部抬手力矩电机6的转矩输出轴与两块上臂夹板11几何中心的连线垂直。

进一步的，为了实现下臂模块的转动动作，在上臂支撑板上还设有第三连接件，该连接件包括设于上臂支撑板上的下臂转动驱动机构以及第三连接底座12，下臂转动驱动机构包括肘部转动力矩电机9、主动同步带轮、张紧轮、从动同步带轮，肘部转动力矩电机9固定设置在上臂支撑板上，其力矩输出轴与主动同步带轮固定连接，主动同步带轮、张紧轮和从动同步带轮则通过传动带连接，从动同步带轮通过转轴与第三连接底12座固定连接，第三连接底座12设置在上臂支撑板远离第二连接件的一端，第三连接底座12一端与上臂支撑板可活动的连接，另一端与下臂模块固定连接，进而在肘部转动力矩电机9的驱动作用下，主动同步带轮带动从动同步带轮转动，从而带动与从动同步带轮固定连接的第三连接底座12转动，以实现下臂模块做肘部转动动作。在本发明中，从动同步带轮的转轴与肩部抬手力矩电机6的转矩输出轴垂直。

如图4所示，下壁模块与第三连接底座12连接，其包括并联三角杆机构及第四连接底座，并联三角杆机构设于第三连接底座12与第四连接底座之间，并通过十字联轴器与所述第三连接底座12和第四连接底座铰接。其中，并联三角杆机构包括两个对称布置的电机推杆模块和支撑杆，且支撑杆、两个对称布置的电机推杆模块平行设置，他们与第三连接底座12的连接点构成一个以支撑杆为顶点的等腰三角形，进而支撑杆、以及两个对称布置的电机推杆模块共同构成一个并联三角连杆机构。在支撑杆长度不变的情况下，两个对称布置的电机推杆模块可通过进行伸缩运动，使得第四连接底座沿支撑杆的轴向做前后左右摆动动作。

进一步的，在本发明中，电机推杆单元包括直线电机13、直线电机导轨15和推杆16，其中，直线电机13通过十字联轴器与直线电机导轨15连接，然后，所述直线电机13设于直线电机导轨15中，从而该直线电机导轨15可用来承担直线电机做功时的弯矩，并将直线电机作为并联三角杆机构的一部分，能减少重量，提高了运动性能。直线电机13的推力输出端与推杆16的一端固定连接，推杆16的另一端与第四连接底座铰接。在本发明中，直线电机13通过推力输出轴将推力传输给推杆16，在通过推杆16，将推力传递给第四连接底座，通过改变对第四连接底座的推力的大小和方向，来实现第四连接底座的上下左右摆动。

如图5所示，该图为并联三角杆机构运动示意图，假设中间的支撑杆不动，同时用直线电机推动(收缩)直线电机与手腕部分之间的推杆使得手腕部分做向上(向下)运动，这时，中间支撑杆的上端与第四连接底座铰接的铰链会随着手腕部分运动，从而实现手腕部分上下自由度的摆动。再假设中间的支撑杆不动，分别让直线电机推动和收缩，使得直线电机与手腕部分之间的推杆让手腕连接件做向上和向下的运动，这时中间支撑杆的上端铰链会随着手腕部分运动，从而实现手腕部分左右自由度的摆动。

同时，为了实现手腕部分的转动，在第四连接底座上还设置有具有转动自由度的舵机17，以实现手臂手腕部分的转动动作。另外还有手腕部分的舵机，采用的是质量较轻的舵机，为的是减少手臂运动的转动惯量，实现手腕的转动自由度，同时实现了手腕的三个自由度，让手臂能够更加灵活的进行工作。

本发明整个手臂通过将手臂的大部分重量都往转肩模块方向集中，从而减少手臂运动时的转动惯量，提高运动性能。同时还最大限度的完成了仿生，比如转肩运动、手腕的三个自由度，和肩部的三个自由度，将人手臂总共七个自由度都通过机械结构来实现，以便让机器人在复杂的工况中灵活的进行工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，包括依次相连的转肩模块、上臂模块和下臂模块，其中，

所述转肩模块包括第一连接件(5)、胸腔板(2)以及液压缸(1)，所述第一连接件(5)包括依次相连的第一连接底座、肩部转动力矩电机(3)及第一连接盘(4)，所述第一连接底座一端与胸腔板(2)可活动的连接，另一端与肩部转动力矩电机(3)固定连接，所述第一连接盘(4)一端与肩部转动力矩电机(3)的转矩输出轴固定连接，另一端与所述上臂模块连接，所述液压缸(1)设于所述第一连接底座与所述胸腔板(2)之间，以此方式，实现所述双足机器人手臂做转肩和转臂动作；

所述上臂模块包括依次相连的第二连接件、上臂支撑板和第三连接件，所述第二连接件一端与第一连接盘(4)固定连接，另一端与所述上臂支撑板的一端活动连接，用于驱动所述双足机器人手臂做抬手动作；所述第三连接件一端与上臂支撑板可活动的连接，另一端与所述下臂模块固定连接，用于驱动所述双足机器人手臂做肘部转动动作；

所述下臂模块包括并联三角杆机构及舵机(17)，所述并联三角杆机构一端与所述第三连接件连接，另一端与所述舵机(17)固定连接，用于驱动所述双足机器人手臂做手腕的上下左右扭动及手腕的转动动作。

2.根据权利要求1所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述第一连接底座为内部中空的U型结构，该U型结构的底部为半圆柱形结构，且该圆柱形结构的轴线与所述液压缸(1)的力矩输出轴垂直；所述液压缸(1)的力矩输出轴与双足机器人两肩的连线平行。

3.根据权利要求1所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述第二连接件包括第二连接底座、肩部抬手力矩电机(6)，所述第二连接底座一端与第一连接盘(4)固定连接，另一端与所述上臂支撑板的一端可活动的连接，所述肩部抬手力矩电机(6)的转矩输出轴与所述上臂支撑板固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述第二连接件还包括第二连接盘(7)，所述第二连接盘(7)通过法兰与所述上臂支撑板固定连接，且与所述肩部抬手力矩电机(6)的转矩输出轴固定连接。

5.根据权利要求3所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述上臂支撑板为两块结构相同且对称布置的上臂夹板(11)，所述肩部抬手力矩电机(6)的转矩输出轴与两块所述上臂夹板(11)几何中心的连线垂直。

6.根据权利要求1所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述第三连接件包括第三连接底座(12)以及下臂转动驱动机构，所述第三连接底座(12)一端与上臂支撑板可活动的连接，另一端与所述下臂转动驱动机构的转矩输出轴固定连接；所述下臂转动驱动机构包括肘部转动力矩电机(9)、主动同步带轮、张紧轮(10)和从动同步带轮，所述肘部转动力矩电机(9)固定设置在所述上臂支撑板上，其转矩输出轴与所述主动同步带轮固定连接，所述主动同步带轮、张紧轮(10)和从动同步带轮通过传动带连接，所述从动同步带轮通过转轴与所述第三连接底座(12)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述下臂模块还包括第四连接底座，所述并联三角杆机构设于所述第三连接底座(12)与所述第四连接底座之间。

8.根据权利要求7所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述并联三角杆机构包括两个结构相同的可伸缩运动的电机推杆单元以及支撑杆(14)，两个所述电机推杆单元与所述支撑杆(14)平行布置且不共线。

9.根据权利要求8所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，所述电机推杆单元包括直线电机导轨(15)、直线电机(13)以及推杆(16)，所述直线电机导轨(15)一端通过十字联轴器与所述第三连接底座(12)连接，另一端用于固定所述直线电机(13)，所述推杆(16)的一端与所述直线电机(13)的力矩输出轴固定连接，另一端通过十字联轴器与所述第四连接底座连接。

10.根据权利要求8所述的一种具有转肩功能的双足机器人手臂，其特征在于，两个所述电机推杆单元及所述支撑杆(14)与所述第三连接底座(12)的连接点构成一个以所述支撑杆(14)与第三连接底座(12)的连接点为顶点的等腰三角形。