CN112571446B - 仿人形机器人手臂结构及机器人手臂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了仿人形机器人手臂结构，涉及仿人形机器人，解决了传统的机器人通过拉线的方式控制手指因拉线干扰不灵活且容易出现缠绕的技术问题。它包括手臂、手掌、拇指和多个抓取指，所述手掌内安装有与拇指铰接连接的第一推动机构以及多个与抓取指一一对应铰接连接的第二推动机构，所述第一推动机构推动拇指往手掌的掌心方向转动，所述第二推动机构推动抓取指往手掌方向转动。本发明还公开了仿人形机器人手臂控制方法。本发明的手指在工作时互不干涉，不会像传统的线拉方式线会缠在一起，且手指的指节之间连接更加可靠、牢固、协调性更强。

Description

仿人形机器人手臂结构及机器人手臂控制方法

技术领域

本发明涉及仿人形机器人，更具体地说，它涉及仿人形机器人手臂结构及机器人手臂控制方法。

背景技术

随着人工智能的发展，机器人越来越普及，一些智能机器人慢慢出现在生活中。在类人形机器人手臂的运用上，断臂残疾人群体一直是机器手臂的高需求群体，机器人手臂的运用可以帮助残疾人真真正正的处理生活中的事务。此外，机器人手臂在在灾难救援运用、商业服务机器人等方面都有巨大的需求。但目前的机器人手臂一直是一个技术壁垒，尤其是在物体抓取方面，其技术更是曲数可指。传统的机器人手臂是通过舵机作为动力源，驱使手臂进行仿人形动作，而对手指的控制则是通过舵机拉动拉线的方式实现手指的弯曲动作。但通过线拉的方式明显的存在以下问题：五根拉线之间容易出现相互干扰的现象，灵活度受到了严重的干扰；甚至会出现相互缠绕导致不能使用的问题，导致机器人手臂需经常进行维护检修，不利于长期使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供仿人形机器人手臂结构及机器人手臂控制方法，解决了传统的机器人通过拉线的方式控制手指因拉线干扰不灵活且容易出现缠绕的问题。

本发明的技术方案是在于：仿人形机器人手臂结构，包括手臂、手掌和手指，所述手指包括拇指和多个抓取指，所述手掌内安装有与拇指铰接连接的第一推动机构以及多个与抓取指一一对应铰接连接的第二推动机构，所述第一推动机构推动拇指往手掌的掌心方向转动，所述第二推动机构推动抓取指往手掌方向转动。

作进一步的改进，所述第一推动机构包括第一直线电机、第一铰接座和第一铰接件；所述第一直线电机横向的安装在手掌内，所述第一铰接座固定安装在手掌的一侧，所述第一铰接件铰接的安装在第一铰接座上，所述第一直线电机的驱动端铰接的安装在第一铰接件的下方，所述拇指安装在第一铰接件的上方。

进一步的，所述拇指包括第一拇指节、第二拇指节和过渡指节；所述第一拇指节、第二拇指节和过渡指节通过转动连杆机构铰接连接，所述过渡指节安装在第一铰接件的上方。

更进一步的，所述转动连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第二铰接件和用于安装直线电机的安装盒；所述第一拇指节的下方设有第二铰接座，所述安装盒的上方设有第三铰接座，所述第一连杆的一端与第二铰接座的一端铰接连接，所述第一连杆的另一端与第三铰接座的一端铰接连接；所述第二拇指节的一端铰接安装在第二铰接座的另一端，所述第二拇指节的另一端铰接安装在第三铰接座的另一端；所述安装盒的下端铰接安装在第一铰接件的上端，所述第二连杆的一端铰接安装在第一铰接件的一侧，所述第二连杆的另一端铰接的安装在第二铰接件的一端，所述第二铰接件的端面与第三铰接座的端面接触连接；所述第二铰接件与第一连杆之间设有第一弹簧；所述第二拇指节还铰接的安装在第二连杆与第二铰接件的铰接处。

更进一步的，所述第二铰接件的上方设有挂耳，所述第一连杆靠近第二铰接座的一端上有钩耳，所述第一弹簧的两端分别挂在挂耳和钩耳上；所述第三铰接座的内侧设有用于定位第一连杆的定位凸起。

更进一步的，所述第一拇指节和第二拇指节上均套设有硅胶套以及压力传感器，所述硅胶套上设有凸起的防滑横条。

更进一步的，所述第二推动机构包括第二直线电机、第三铰接件和第四铰接件；所述第三铰接件安装在手掌中，所述第四铰接件铰接安装在第三铰接件中，所述第二直线电机的一端安装在手掌中，所述第二直线电机的另一端铰接安装在第四铰接件的下方；所述抓取指中设有第三连杆，所述第三连杆铰接的安装在第四铰接件的上方，所述抓取指的末端铰接的安装在第三铰接件的外侧。

更进一步的，所述抓取指包括第一指节和第二指节；所述第一指节的端部设有第四铰接座，所述第二指节的一端与第四铰接座的上方铰接连接，所述第二指节的另一端与第三铰接件的外侧铰接连接，所述第三连杆的端部与第四铰接座的下方铰接连接，所述第三连杆与第四铰接件之间安装有第二弹簧；所述第二指节靠近手掌的一端安装有定位杆，所述第四铰接件的下方设有定位斜面，所述定位杆与定位斜面接触相连。

更进一步的，所述第一指节和第二指节上均套设有硅胶套以及压力传感器，所述硅胶套上设有凸起的防滑横条。

仿人形机器人手臂控制方法，根据物体的方位驱使仿人形机器人手臂结构移动至物体的上方，手掌中的推动机构根据力度的预设值推动拇指往手掌的掌心方向转动、多个抓取指往手掌方向转动，以使所有手指往手掌内部靠拢，实现对物体的抓取。

有益效果

本发明的优点在于：机器人手臂结构因各个手指之间的推动机构相互独立，使得手指在工作时互不干涉，不会像传统的线拉方式线会缠在一起，可靠性更高。并且拉动手指的连接结构使用了刚性结构的铰接连接方式代替了传统的拉线结构，其连接更加可靠、牢固。手指的驱动使用了直线电机代替了传统的舵机，其驱动力度更大，更容易控制、且手指之间的协调性更强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的手掌内部结构示意图；

图3为本发明的拇指内部结构示意图；

图4为本发明的第三铰接座与第二铰接件连接处的放大结构示意图；

图5为本发明的四个抓取指的结构示意图；

图6为本发明的其中的一个抓取指的内部结构示意图；

图7为本发明的多个抓取指的侧面结构示意图。

其中：1-手臂、2-手掌、3-拇指、4-抓取指、5-第一直线电机、6-第一铰接座、7-第一铰接件、8-第一连杆、9-第二连杆、10-第二铰接件、11-安装盒、12-第二铰接座、13-第三铰接座、14-第一弹簧、15-挂耳、16-定位凸起、17-第二直线电机、18-第三铰接件、19-第四铰接件、20-第三连杆、21-第四铰接座、22-第二弹簧、23-定位杆、24-安装座、31-第一拇指节、32-第二拇指节、33-过渡指节、41-第一指节、42-第二指节。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

参阅图1-图2，本发明的仿人形机器人手臂结构，包括手臂1、手掌2和手指，手指包括拇指3和四个抓取指4。其中，手臂1中设有五个舵机，手臂1与肩部的连接处设有两个，前臂与后臂的连接处设有两个，前臂与手掌2的连接处设有一个，用于控制手臂1的运动，使手臂1能模仿人的摆臂转臂等动作，灵活可靠。手掌2内安装有与拇指3铰接连接的第一推动机构以及四个与抓取指4一一对应铰接连接的第二推动机构，第一推动机构推动拇指3往手掌2的掌心方向转动，第二推动机构推动抓取指4往手掌2方向转动，从而使所有手指能往手掌2内部靠拢，实现对物体的抓取。本实施例以独立推动的方式实现对各个手指的控制，使手指在转动时相互独立，不受其他手指的影响，互不干涉，大大提供了手指的灵活程度，可靠性更高。

参阅图3，第一推动机构包括第一直线电机5、第一铰接座6和第一铰接件7。第一直线电机5横向的安装在手掌2内，第一铰接座6固定安装在手掌2的一侧。其中，手掌2内设有安装座24，第一直线电机5安装在安装座24的上方，第一铰接座6位于安装座24的上方，且与安装座24为一体式结构。第一铰接件7铰接的安装在第一铰接座6上，第一直线电机5的驱动端铰接的安装在第一铰接件7的下方，拇指3安装在第一铰接件7的上方。具体的，第一铰接件7呈一V型结构，其弯折处与第一铰接座6铰接，拇指3和第一铰接件7铰接点的轴心方向与第一铰接座6和第一铰接件7铰接点的轴心方向垂直。当第一直线电机5推动第一铰接件7转动，第一铰接件7上方的拇指3即可往手掌2的掌心方向转动。

本实施例的拇指3包括第一拇指节31、第二拇指节32和过渡指节33。其中，过渡指节33的外围套设有一硅胶保护套，以避免指节内部的部件外露。硅胶保护套上设有多个阶梯，以使拇指3在转动时硅胶保护套能进行有效的变形，降低了拇指3转动时受到的阻力。第一拇指节31、第二拇指节32和过渡指节33通过转动连杆机构铰接连接，过渡指节33安装在第一铰接件7的上方。通过转动连杆机构的作用，实现拇指节的转动，使手掌2在抓取物体时拇指3内提供更大的抓取力。

转动连杆机构包括第一连杆8、第二连杆9、第二铰接件10和用于固定安装直线电机的安装盒11。第一拇指节31的下方设有第二铰接座12，安装盒11的上方设有第三铰接座13，第一连杆8的一端与第二铰接座12的一端铰接连接，第一连杆8的另一端与第三铰接座13的一端铰接连接。第二拇指节32的一端铰接安装在第二铰接座12的另一端，第二拇指节32的另一端铰接安装在第三铰接座13的另一端。安装盒11的下端铰接安装在第一铰接件7的上端，第二连杆9的一端铰接安装在第一铰接件7的一侧，第二连杆9的另一端铰接的安装在第二铰接件10的一端，第二铰接件10的端面与第三铰接座13的端面接触连接。第二铰接件10与第一连杆8之间设有第一弹簧14。第一弹簧14用于拉紧第一拇指节31，避免第一拇指节31因自由活动导致其与物体接触不到位的问题。第二拇指节32还铰接的安装在第二连杆9与第二铰接件10的铰接处。即第二拇指节32还与第二铰接件10铰接连接，且第二拇指节32和第二铰接件10的铰接点与第二连杆9和第二铰接件10的铰接点一致。第二铰接件10的另一端与安装盒11中的直线电机的驱动端连接。

当安装盒11中的直线电机启动时，直线电机会推动第二铰接件10转动，并且通过直线电机对第二铰接件10的定位，使的第二铰接件10与第三铰接座13的接触端往第三铰接座的方向移动，从而推动安装盒11以及两个拇指节往手掌2方向移动，能为手掌2在抓取物体过程中提供更大的抓取力。

参阅图4，第二铰接件10的上方设有挂耳15，第一连杆8靠近第二铰接座12的一端上有钩耳，第一弹簧14的两端分别挂在挂耳15和钩耳上。第三铰接座13的内侧设有用于定位第一连杆8的定位凸起16。

优选的，第一拇指节31和第二拇指节32上均套设有硅胶套以及压力传感器。压力传感器用于感应物体表面的摩擦力的粗糙度。硅胶套上设有凸起的防滑横条，以提供更大的摩擦力，使拇指3在抓取物体的过程中更稳。

参阅图5-图7，第二推动机构包括第二直线电机17、第三铰接件18和第四铰接件19。四个第二直线电机17安装在安装座24的下方，且四个第二直线电机17的运动方向均与第一直线电机5的运动方向垂直。第三铰接件18安装在安装座24的下方，第四铰接件19铰接安装在第三铰接件18中，第二直线电机17的一端安装在安装座24的一端，第二直线电机17的另一端铰接安装在第四铰接件19的下方。抓取指4中设有第三连杆20，第三连杆20铰接的安装在第四铰接件19的上方，抓取指4的末端铰接的安装在第三铰接件18的外侧。当第二直线电机17推动第四铰接件19转动，第四铰接件19的上端往手掌2方向转动，铰接在第四铰接件19上方的抓取指4即可往手掌2的掌心方向转动，实现抓取的动作。

其中，抓取指4包括第一指节41和第二指节42。第一指节41的端部设有第四铰接座21，第二指节42的一端与第四铰接座21的上方铰接连接，第二指节42的另一端与第三铰接件18的外侧铰接连接，第三连杆20的端部与第四铰接座21的下方铰接连接，第三连杆20与第四铰接件19之间安装有第二弹簧22。第二指节42靠近手掌2的一端安装有定位杆23，第四铰接件19的下方设有定位斜面，定位杆23与定位斜面接触相连，实现了对抓取指4的定位。

优选的，第一指节41和第二指节42上均套设有硅胶套以及压力传感器。压力传感器用于感应物体表面的摩擦力的粗糙度。硅胶套上设有凸起的防滑横条，以提供更大的摩擦力，使抓取指4在抓取物体的过程中更稳。

本发明的工作原理是：通过机器人头部的深度摄像头识别物体，并确定物体的方位，然后驱动手臂1，使手臂1带动手掌2移动至物体的上方。手掌2中的五个直线电机启动，直线电机的驱动端直线运动，以带动与其铰接的铰接件转动，从而使安装在铰接件上的手指发生转动，且手指往手掌2方向转动，产生抓取动作。待所有的手指都与物体接触并压紧在物体上时，完成对物体的抓取，手臂再次移动即可将物体抓取起来。

本实施例的机器人手臂结构因各个手指之间的推动机构相互独立，使得手指在工作时互不干涉，不会像传统的线拉方式线会缠在一起。并且拉动手指的连接结构使用了刚性结构的铰接连接方式代替了传统的拉线结构，其连接更加可靠、牢固。手指的驱动使用了直线电机代替了传统的舵机，其驱动力度更大，更容易控制、且手指之间的协调性更强。因此，本实施例的机器人手臂结构可作为假肢、救援机械装置、服务机器人等情景使用。

仿人形机器人手臂控制方法，该方法是根据物体的方位驱使仿人形机器人手臂结构移动至物体的上方，手掌2中的推动机构根据力度的预设值推动拇指3往手掌2的掌心方向转动、四个抓取指4往手掌2方向转动，以使所有手指往手掌2内部靠拢，实现对物体的抓取。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.仿人形机器人手臂结构，包括手臂(1)、手掌(2)和手指，所述手指包括拇指(3)和多个抓取指(4)，其特征在于，所述手掌(2)内安装有与拇指(3)铰接连接的第一推动机构以及多个与抓取指(4)一一对应铰接连接的第二推动机构，所述第一推动机构推动拇指(3)往手掌(2)的掌心方向转动，所述第二推动机构推动抓取指(4)往手掌(2)方向转动；

所述第一推动机构包括第一直线电机(5)、第一铰接座(6)和第一铰接件(7)；所述第一直线电机(5)横向的安装在手掌(2)内，所述第一铰接座(6)固定安装在手掌(2)的一侧，所述第一铰接件(7)铰接的安装在第一铰接座(6)上，所述第一直线电机(5)的驱动端铰接的安装在第一铰接件(7)的下方，所述拇指(3)安装在第一铰接件(7)的上方；

所述拇指(3)包括第一拇指节(31)、第二拇指节(32)和过渡指节(33)；所述第一拇指节(31)、第二拇指节(32)和过渡指节(33)通过转动连杆机构铰接连接，所述过渡指节(33)安装在第一铰接件(7)的上方；

所述转动连杆机构包括第一连杆(8)、第二连杆(9)、第二铰接件(10)和用于安装直线电机的安装盒(11)；所述第一拇指节(31)的下方设有第二铰接座(12)，所述安装盒(11)的上方设有第三铰接座(13)，所述第一连杆(8)的一端与第二铰接座(12)的一端铰接连接，所述第一连杆(8)的另一端与第三铰接座(13)的一端铰接连接；所述第二拇指节(32)的一端铰接安装在第二铰接座(12)的另一端，所述第二拇指节(32)的另一端铰接安装在第三铰接座(13)的另一端；所述安装盒(11)的下端铰接安装在第一铰接件(7)的上端，所述第二连杆(9)的一端铰接安装在第一铰接件(7)的一侧，所述第二连杆(9)的另一端铰接的安装在第二铰接件(10)的一端，所述第二铰接件(10)的端面与第三铰接座(13)的端面接触连接；所述第二铰接件(10)与第一连杆(8)之间设有第一弹簧(14)；所述第二拇指节(32)还铰接的安装在第二连杆(9)与第二铰接件(10)的铰接处；

所述第二铰接件(10)的上方设有挂耳(15)，所述第一连杆(8)靠近第二铰接座(12)的一端上有钩耳，所述第一弹簧(14)的两端分别挂在挂耳(15)和钩耳上；所述第三铰接座(13)的内侧设有用于定位第一连杆(8)的定位凸起(16)。

2.根据权利要求1所述的仿人形机器人手臂结构，其特征在于，所述第一拇指节(31)和第二拇指节(32)上均套设有硅胶套以及压力传感器，所述硅胶套上设有凸起的防滑横条。

3.根据权利要求1所述的仿人形机器人手臂结构，其特征在于，所述第二推动机构包括第二直线电机(17)、第三铰接件(18)和第四铰接件(19)；所述第三铰接件(18)安装在手掌(2)中，所述第四铰接件(19)铰接安装在第三铰接件(18)中，所述第二直线电机(17)的一端安装在手掌(2)中，所述第二直线电机(17)的另一端铰接安装在第四铰接件(19)的下方；所述抓取指(4)中设有第三连杆(20)，所述第三连杆(20)铰接的安装在第四铰接件(19)的上方，所述抓取指(4)的末端铰接的安装在第三铰接件(18)的外侧。

4.根据权利要求3所述的仿人形机器人手臂结构，其特征在于，所述抓取指(4)包括第一指节(41)和第二指节(42)；所述第一指节(41)的端部设有第四铰接座(21)，所述第二指节(42)的一端与第四铰接座(21)的上方铰接连接，所述第二指节(42)的另一端与第三铰接件(18)的外侧铰接连接，所述第三连杆(20)的端部与第四铰接座(21)的下方铰接连接，所述第三连杆(20)与第四铰接件(19)之间安装有第二弹簧(22)；所述第二指节(42)靠近手掌(2)的一端安装有定位杆(23)，所述第四铰接件(19)的下方设有定位斜面，所述定位杆(23)与定位斜面接触相连。

5.根据权利要求4所述的仿人形机器人手臂结构，其特征在于，所述第一指节(41)和第二指节(42)上均套设有硅胶套以及压力传感器，所述硅胶套上设有凸起的防滑横条。

6.仿人形机器人手臂控制方法，其特征在于，根据物体的方位驱使如权利要求1-5任一项所述的仿人形机器人手臂结构移动至物体的上方，手掌(2)中的推动机构根据力度的预设值推动拇指(3)往手掌(2)的掌心方向转动、多个抓取指(4)往手掌(2)方向转动，以使所有手指往手掌(2)内部靠拢，实现对物体的抓取。

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