CN115431251A - 一种仿人机器人上肢 - Google Patents

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Abstract

一种仿人机器人上肢，它包含基座、腰部、两个机械臂和两个机械爪；每个所述机械臂为8自由度机械臂，包含依次连接在一起的4自由度肩部、1自由度肘部和3自由度手腕，所述4自由度肩部包含1自由度肩胸锁关节，以使机械臂在水平面内绕腰部作旋转运动，每个机械爪与对应的3自由度手腕相连；腰部为3自由度结构，包含依次相连的1自由度俯仰关节、1自由度旋转关节和1自由度横滚关节，1自由度俯仰关节安装在基座上，1自由度肩胸锁关节与1自由度横滚关节相连。本发明具有自由度高、结构紧凑、负载能力强、工作空间和可操作性方面的性能优越。

Description

一种仿人机器人上肢
技术领域
本发明涉及智能机器人领域，尤其涉及一种仿人机器人上肢。
背景技术
仿人机器人一般由头部系统、双臂系统、腰部系统、下肢移动系统构成，其中仿人机器人上肢体结构一般由双臂系统和腰部系统组成。目前常用的双臂系统大多数都采用6自由度或7自由度机械臂，为了实现灵巧操作能力，在完成操作任务的同时实现避障、拟人等需求，仿人机器人一般采用7自由度机械臂。7自由度机械臂常采用平行肩式结构与倾斜肩式结构，但是平行肩式7自由度机械臂会因为第一个肩关节的轴重合影响机械手的运动学性能，使每个手臂的公共工作空间体积较小，倾斜肩式的7自由度机械臂又会牺牲双臂主任务区域之外的运动学性能。即目前的7自由度机械臂组成的双臂系统在整个工作空间中运动学性能无法满足使用需求。仿人机器人腰部系统设计中，可分为外形复刻的机构仿人腰部和实现人类腰部运动能力的功能仿人腰部。前者，学者侧重于研究类似人类脊柱的多自由度串联腰部机构，但这种腰部机构的承载能力较弱；而后者侧重于在操作能力的仿人机器人设计中，实现机器人躯干俯仰、旋转和侧摆运动，但目前常用的并联构型存在灵活性差，加工装配要求高等缺点。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种仿人机器人上肢，该上肢自由度高、结构紧凑、负载能力强、工作空间和可操作性方面性能优越。
一种仿人机器人上肢包含基座、腰部、两个机械臂和两个机械爪；每个所述机械臂为8自由度机械臂，包含依次连接在一起的4自由度肩部、1自由度肘部和3自由度手腕，所述4自由度肩部包含1自由度肩胸锁关节，以使机械臂在水平面内绕腰部作旋转运动，每个机械爪与对应的3自由度手腕相连；腰部为3自由度结构，包含依次相连的1自由度俯仰关节、1自由度旋转关节和1自由度横滚关节，1自由度俯仰关节安装在基座上，1自由度肩胸锁关节与1自由度横滚关节相连。
本发明相比现有技术的有益效果是：
将总工作区和公共工作面积的乘积作为工作空间的性能指标，采用本实施方式设计的8自由度双臂上肢性能是平行肩式7自由度双臂系统性能的2.9倍，是倾斜肩式7自由度双臂系统性能的2.8倍；在可操作性方面，将双臂雅可比矩阵与雅可比矩阵转置做乘积，并将结果的行列式作为性能指标，采用本实施方式设计的8自由度双臂上肢性能是平行肩式7自由度双臂系统性能的3.33倍，是倾斜肩式7自由度双臂系统性能的2.86倍。
本发明采取将1自由度俯仰关节放在基座处，相较于现有的将旋转关节放在底座处，大大提升了仿人机器人上肢体的工作空间。
本发明仿人机器人上肢自由度高、结构紧凑、负载能力强、工作空间和可操作性方面性能优越、同时成本低易于维护，是一种通用性的仿人机器人上肢体结构。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的仿人机器人上肢的整体结构图；
图2为8自由度机械臂的结构示意图；
图3为8自由度机械臂中各个关节的结构示意图；
图4为关节模组的主剖视图；
图5为关节模组的一个方向看的立体图；
图6为关节模组的另一个方向看的立体图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1和图2所示，本实施方式的一种仿人机器人上肢包含基座1、腰部A、两个机械臂B和两个机械爪C；每个所述机械臂B为8自由度机械臂，包含依次连接在一起的4自由度肩部B3、1自由度肘部B1和3自由度手腕B2，所述4自由度肩部B3包含1自由度肩胸锁关节B31，以使机械臂B在水平面内绕腰部A作旋转运动，每个机械爪C与对应的3自由度手腕B2相连；腰部A为3自由度结构，包含依次相连的1自由度俯仰关节A1、1自由度旋转关节A2和1自由度横滚关节A3，1自由度俯仰关节A1安装在基座1上，1自由度肩胸锁关节与1自由度横滚关节A3相连。
本实施方式的8自由度机械臂在原有的平行肩式7自由度机械臂的基础上，增加了一个受人类生物学启发的实现肩胸锁功能的1自由度肩胸锁关节B31，实现双臂的尺寸可以和人类的手臂长度大致一致。
将总工作区和公共工作面积的乘积作为工作空间的性能指标，采用本实施方式设计的8自由度双臂上肢性能是平行肩式7自由度双臂系统性能的2.9倍，是倾斜肩式7自由度双臂系统性能的2.8倍；在可操作性方面，将双臂雅可比矩阵与雅可比矩阵转置做乘积，并将结果的行列式作为性能指标，采用本实施方式设计的8自由度双臂上肢性能是平行肩式7自由度双臂系统性能的3.33倍，是倾斜肩式7自由度双臂系统性能的2.86倍。
本实施方式采取将1自由度俯仰关节A1放在基座1处，相较于现有的将旋转关节放在底座处，大大提升了仿人机器人上肢体的工作空间。
本实施方式的双臂上肢无论在双臂主任务区域内还是在双臂独立的工作空间内都有着显著增强的运动学性能，其腰部既具有较大的承载能力，又可以实现人类的俯仰、旋转和偏摆(横滚)运动，具备灵活的操作能力和快速精确的运动学求解方式。
作为一种可能的实施方式，如图1和图2所示，所述4自由度肩部B3还包含依次相连的肩部第二关节B32、肩部第三关节B33和肩部第四关节B34，1自由度肩部胸锁关节B31与肩部第二关节B32相连，肩部第四关节B34与1自由度肘部B1相连；肩部第二关节B32有1个自由度，以使机械爪C在竖直平面内摆动，肩部第三关节B33具有1个自由度，以使机械爪C在竖直平面内进行内收外展运动，肩部第四关节B34具有1个自由度，以使机械爪C在水平面内进行旋转。
进一步地，如图2所示，所述3自由度收手腕B2包含依次相连的手腕第一关节B21、手腕第二关节B22和手腕第三关节B23，1自由度肘部B1与手腕第一关节B21相连，手腕第三关节B23与机械爪C相连；手腕第一关节B21具有1个自由度，以使机械爪C在水平面内进行旋转运动，手腕第二关节B22具有1个自由度，以使机械爪C在竖直平面内前后摆动，手腕第三关节B23具有1个自由度，以使机械爪C在水平面内进行旋转。如此设置的上述关节，实现了实现俯仰、旋转和摆动等运动，具备灵活的操作能力。
更进一步地，如图2所示，1自由度肘部B1使得3自由度手腕B2能在竖直平面内进行偏摆。这种偏摆类似于人手小臂的前后摆动(抬起放下)。
基于上述实施方式的关节运动，下面介绍各关节结构：
作为一种可能的实施方式，如图1、图3-图5所示，1自由度俯仰关节A1、1自由度旋转关节A2和1自由度偏摆关节A3的结构相同，均包含关节安装座5和关节模组，关节模组包含输出件32、外壳36、谐波减速器37和电机38；电机38的输出轴与谐波减速器37的波发生器固接，谐波减速器37的柔轮与外壳36固接，谐波减速器37的刚轮与输出件32固接，关节安装座5用于连接相邻两个关节；
1自由度俯仰关节A1中的关节安装座5分别与外壳36和基座1固接，1自由度俯仰关节A1中的输出件32通过关节安装座5与1自由度旋转关节A2的外壳36固接，1自由度旋转关节A2中的输出件32通过关节安装座5与1自由度横滚关节A3的外壳36固接，1自由度横滚关节A3的输出件32通过关节安装座5与1自由度肩胸锁关节B31的固定部相连。
该种设计的腰部关节配置构型，将实现俯仰运动的腰关节放置在基座1处，在肩膀处安装实现侧摆运动的腰关节，两者之间串联一个实现旋转运动的关节，从而使设计的腰部既具备类人的腰部运动能力，又具备串联关节配置带来的灵活操作能力和快速精确的运动学优势。
其中，关节安装座5与1自由度俯仰关节A1中的外壳36设置轴孔配合精度，下一个的关节安装座5与1自由度俯仰关节A1中的输出件32设置轴孔配合精度，还与1自由度旋转关节A2的外壳36设置轴孔配合精度，下一个的关节安装座5与1自由度旋转关节A2的输出件32设置轴孔配合精度，还与1自由度横滚关节A3的外壳36设置轴孔配合精度。
可选地，与1自由度横滚关节A3的输出件32相连的1自由度肩胸锁关节B31的关节安装座5为U型结构，U型结构的两臂的一侧通过轴承与关节模组的外壳36相连，U型结构的两臂的另一侧与所述1自由度横滚关节A3的输出件32相连，以实现机械臂整体内展外收运动。
作为一种可能的实施方式，结合图2-图5所示：
可选地，所述1自由度肩胸锁关节B31包含关节安装座5和关节模组，关节模组包含输出件32、外壳36、谐波减速器37和电机38；电机38的输出轴与谐波减速器37的波发生器固接，谐波减速器37的柔轮与外壳36固接，谐波减速器37的刚轮与输出件32固接，1自由度横滚关节A3的输出部通过关节安装座5与1自由度肩胸锁关节B31的外壳36固接，1自由度肩胸锁关节B31的输出件32通过关节安装座5与肩部第二关节B32的外壳固接。
可选地，肩部第二关节B32、肩部第三关节B33和肩部第四关节B34的结构相同，均包含关节安装座5和关节模组，关节模组包含输出件32、外壳36、谐波减速器37和电机38；电机38的输出轴与谐波减速器37的波发生器固接，谐波减速器37的柔轮与外壳36固接，谐波减速器37的刚轮与输出件32固接，关节安装座5与外壳36固接；
1自由度肩胸锁关节B31的固定部通过关节安装座5与1自由度横滚关节A3的输出部固接，1自由度肩胸锁关节B31的输出件32通过关节安装座5与肩部第二关节B33的外壳36固接，肩部第二关节B33的输出件32通过关节安装座5与肩部第三关节B33的外壳36固接，肩部第三关节B33的输出件32通过关节安装座5与肩部第四关节B34的外壳36固接，肩部第四关节B34的输出件32与1自由度肘部B1的固定部相连。这里的1自由度肘部B1的固定部可为外壳36，1自由度横滚关节A3的输出部可为与刚轮相连的输出件32。
上述设计的4自由度肩部B3中，1自由度肩胸锁关节B31实现其后的结构在水平面内进行旋转，肩部第二关节B32实现其后的结构在竖直平面内前后运动(类似于人手大臂的前后摇摆)，肩部第三关节B33实现其后的结构在竖直平面内作内展外收运动，肩部第四关节B34实现其后的结构在水平面内进行旋转。
进一步地，如图2-图5所示，1自由度肘部B1包含关节安装座5和关节模组，关节模组包含输出件32、外壳36、谐波减速器37和电机38；电机38的输出轴与谐波减速器37的波发生器固接，谐波减速器37的刚轮与外壳36固接，谐波减速器37的柔轮与输出件32固接，关节安装座5分别与4自由度肩部B3及外壳36固接，1自由度肘部B1的输出件32通过关节安装座5与3自由度手腕B2相连。上述设计的1自由度肘部B1实现其后的结构(类似于人的小臂)在竖直面内进行前后摆动。
作为另一种可能的实施方式，如图2-图5所示，手腕第一关节B21、手腕第二关节B22和手腕第三关节B23的结构相同，均包含关节安装座5和关节模组，关节模组包含输出件32、外壳36、谐波减速器37和电机38；电机38的输出轴与谐波减速器37的波发生器固接，谐波减速器37的柔轮与外壳36固接，谐波减速器37的刚轮与输出件32固接，关节安装座5与外壳36固接；1自由度肘部B1的输出部通过关节安装座5与手腕第一关节B21的外壳36固接，手腕第一关节B21的输出件32通过关节安装座5与手腕第二关节B22的外壳36固接，手腕第二关节B22的输出件32通过关节安装座5与手腕第三关节B23的外壳36固接，手腕第三关节B23的输出件32与机械爪C的固定部相连。
上述设计的3自由度手腕B2中，手腕第一关节B21实现其后的结构在水平面或垂直面内的回转运动，手腕第二关节B22实现其后的结构在水平或竖直面内的摆动，手腕第三关节B23实现其后的机械爪C作回转运动。
上述实施方式中，可选地，16个自由度的双臂和3个自由度关节的腰部，共19个自由度组成仿人机器人上肢体结构，采用模块化方式设计了19个具有相同结构原理的关节模组。每个关节模组主要有以下零件组成：电机38、谐波减速器37(这样谐波减速器的输入输出就是两个方向，便于结构设计)、旋转变压器41、旋转变压器数据转换卡33、定子安装座35和端盖34。由以上组件形成的概念单元被称之为“关节模组”，它是仿人机器人的功能搭建模块。其中，电机38(永磁同步电机)的转子通过乐泰680固持胶固定在转子轴套39上，然后转子轴套39通过固持胶固定在谐波减速器37的输入端上，同时利用轴用弹性挡圈做电机转子和转子轴套的轴向定位；旋转变压器41的转子通过键槽连接径向定位于谐波减速器37的输入端，轴向定位则是利用轴用弹性挡圈实现；为了解决电机轴和输出轴距离较远的问题，减速器输入端末端采用了深沟球轴承支撑，有效降低了关节模组存在的振动、摩擦等问题。电机定子和旋转变压器的定子利用压板和螺栓固定间隙配合，通过轴孔配合安装在定子安装座35上。定子安装座35则是通过轴孔配合以及螺栓固定连接于谐波减速器的外壳36上，外壳36也是通过轴孔配合以及螺栓连接与谐波减速器的柔轮固接，数据转换卡33通过滚花铜柱安装于端盖34上，端盖34通过轴孔配合和螺栓连接固连在定子安装座35上，同时也作为关节中深沟球轴承的外端盖。
基于上述，如图4-图6所示，一种仿人机器人上肢还包含角度反馈传感器和数据转换卡33；所述角度反馈传感器为旋转变压器41，旋转变压器41的转子安装电机38的输出轴上，旋转变压器41的转子和电机38的转子都和谐波减速器37的输入轴固连，旋转变压器41的定子固定在定子安装座35上，定子安装座35固定在外壳36上，数据转换卡33固定在安装于定子安装座35的端盖34上，旋转变压器41通过数据线与数据转换卡33相连。本实施方式采取的角度反馈传感器是旋转变压器41，它相较于传统所用的光电编码器、磁编码器，具有价格低廉、角度反馈信号稳定、安装装配要求低、便于结构设计等优点，因此，本实施方式中关节模组的原材料成本、加工装配成本都低于现有的关节模组。
在模块化关节的设计中，一方面为了实现关节的掉电保护功能，一方面为了使关节的结构尽量紧凑轻便，因此只在承载较大的腰部安装失电制动器，通过断电制动限制了电机轴转动实现关节制动，在其他承载较小的关节处则不添加失电制动器。
工作原理：运动控制器控制模块化腰部的1自由度俯仰关节A1运动，其输出端(输出件32)与1自由度旋转关节A2上的关节安装座5固连，从而带动关节安装座5到机械爪C以及左左臂对称部分的运动，实现上肢体整体的俯仰运动；运动控制器控制模块化腰部的1自由度旋转关节A2运动，其输出端(输出件32)与1自由度横滚关节A3上的关节安装座5固连，从而带动关节安装座5到机械爪C以及左左臂对称部分的运动，实现上肢体机构的旋转运动；运动控制器控制模块化腰部的1自由度横滚关节A3运动，其输出端(如输出件32)与肩部上的关节安装座5固连，从而带动关节安装座5和机械爪23及以及对称部分的运动，实现上肢体整体的横滚运动。
上述仿人机器人上肢自由度高、结构紧凑、负载能力强、工作空间和可操作性方面性能优越、同时成本低易于维护，是一种通用性的仿人机器人上肢体结构。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种仿人机器人上肢，包含基座(1)、腰部(A)、两个机械臂(B)和两个机械爪(C)；其特征在于：每个所述机械臂(B)为8自由度机械臂，包含依次连接在一起的4自由度肩部(B3)、1自由度肘部(B1)和3自由度手腕(B2)，所述4自由度肩部(B3)包含1自由度肩胸锁关节(B31)，以使机械臂(B)在水平面内绕腰部(A)作旋转运动，每个机械爪(C)与对应的3自由度手腕(B2)相连；
腰部(A)为3自由度结构，包含依次相连的1自由度俯仰关节(A1)、1自由度旋转关节(A2)和1自由度横滚关节(A3)，1自由度俯仰关节(A1)安装在基座(1)上，1自由度肩胸锁关节(B31)与1自由度横滚关节(A3)相连。
2.根据权利要求1所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：所述4自由度肩部(B3)还包含依次相连的肩部第二关节(B32)、肩部第三关节(B33)和肩部第四关节(B34)，1自由度肩部胸锁关节(B31)与肩部第二关节(B32)相连，肩部第四关节(B34)与1自由度肘部(B1)相连；
肩部第二关节(B32)有1个自由度，以使机械爪(C)在竖直平面内前后摆动，肩部第三关节(B33)具有1个自由度，以使机械爪(C)在竖直平面内进行内收外展运动，肩部第四关节(B34)具有1个自由度，以使机械爪(C)在水平面内进行旋转。
3.根据权利要求1所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：所述3自由度收手腕(B2)包含依次相连的手腕第一关节(B21)、手腕第二关节(B22)和手腕第三关节(B23)，1自由度肘部(B1)与手腕第一关节(B21)相连，手腕第三关节(B23)与机械爪(C)相连；
手腕第一关节(B21)具有1个自由度，以使机械爪(C)在水平面内进行旋转运动，手腕第二关节(B22)具有1个自由度，以使机械爪(C)在竖直平面内摆动，手腕第三关节(B23)具有1个自由度，以使机械爪(C)在水平面内进行旋转。
4.根据权利要求1所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：1自由度肘部(B1)使得3自由度手腕(B2)能在竖直平面内摆动。
5.根据权利要求1所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：1自由度俯仰关节(A1)、1自由度旋转关节(A2)和1自由度偏摆关节(A3)的结构相同，均包含关节安装座(5)和关节模组，关节模组包含输出件(32)、外壳(36)、谐波减速器(37)和电机(38)；电机(38)的输出轴与谐波减速器(37)的波发生器固接，谐波减速器(37)的柔轮与外壳(36)固接，谐波减速器(37)的刚轮与输出件(32)固接，关节安装座(5)用于连接相邻两个关节；
1自由度俯仰关节(A1)中的关节安装座(5)分别与外壳(36)和基座(1)固接，1自由度俯仰关节(A1)中的输出件(32)通过关节安装座(5)与1自由度旋转关节(A2)的外壳(36)固接，1自由度旋转关节(A2)中的输出件(32)通过关节安装座(5)与1自由度横滚关节(A3)的外壳(36)固接，1自由度横滚关节(A3)的输出件(32)通过关节安装座(5)与1自由度肩胸锁关节(B31)的固定部相连。
6.根据权利要求2所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：肩部第二关节(B32)、肩部第三关节(B33)和肩部第四关节(B34)的结构相同，均包含关节安装座(5)和关节模组，关节模组包含输出件(32)、外壳(36)、谐波减速器(37)和电机(38)；电机(38)的输出轴与谐波减速器(37)的波发生器固接，谐波减速器(37)的柔轮与外壳(36)固接，谐波减速器(37)的刚轮与输出件(32)固接，关节安装座(5)与外壳(36)固接；
1自由度肩胸锁关节(B31)的固定部通过关节安装座(5)与1自由度横滚关节(A3)的输出部固接，1自由度肩胸锁关节(B31)的输出件(32)通过关节安装座(5)与肩部第二关节(B33)的外壳(36)固接，肩部第二关节(B33)的输出件(32)通过关节安装座(5)与肩部第三关节(B33)的外壳(36)固接，肩部第三关节(B33)的输出件(32)通过关节安装座(5)与肩部第四关节(B34)的外壳(36)固接，肩部第四关节(B34)的输出件(32)与1自由度肘部(B1)的固定部相连。
7.根据权利要求1所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：1自由度肘部(B1)包含关节安装座(5)和关节模组，关节模组包含输出件(32)、外壳(36)、谐波减速器(37)和电机(38)；电机(38)的输出轴与谐波减速器(37)的波发生器固接，谐波减速器(37)的柔轮与外壳(36)固接，谐波减速器(37)的刚轮与输出件(32)固接，关节安装座(5)分别与4自由度肩部(B3)及外壳(36)固接，1自由度肘部(B1)的输出件(32)通过关节安装座(5)与3自由度手腕(B2)相连。
8.根据权利要求3所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：手腕第一关节(B21)、手腕第二关节(B22)和手腕第三关节(B23)的结构相同，均包含关节安装座(5)和关节模组，关节模组包含输出件(32)、外壳(36)、谐波减速器(37)和电机(38)；电机(38)的输出轴与谐波减速器(37)的波发生器固接，谐波减速器(37)的柔轮与外壳(36)固接，谐波减速器(37)的刚轮与输出件(32)固接，关节安装座(5)与外壳(36)固接；
1自由度肘部(B1)的输出部通过关节安装座(5)与手腕第一关节(B21)的外壳(36)固接，手腕第一关节(B21)的输出件(32)通过关节安装座(5)与手腕第二关节(B22)的外壳(36)固接，手腕第二关节(B22)的输出件(32)通过关节安装座(5)与手腕第三关节(B23)的外壳(36)固接，手腕第三关节(B23)的输出件(32)与机械爪(C)的固定部相连。
9.根据权利要求2所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：所述1自由度肩胸锁关节(B31)包含关节安装座(5)和关节模组，关节模组包含输出件(32)、外壳(36)、谐波减速器(37)和电机(38)；电机(38)的输出轴与谐波减速器(37)的波发生器固接，谐波减速器(37)的柔轮与外壳(36)固接，谐波减速器(37)的刚轮与输出件(32)固接，1自由度横滚关节(A3)的输出部通过关节安装座(5)与1自由度肩胸锁关节(B31)的外壳(36)固接，1自由度肩胸锁关节(B31)的输出件(32)通过关节安装座(5)与肩部第二关节(B32)的外壳(36)固接。
10.根据权利要求1所述一种仿人机器人上肢，其特征在于：还包含角度反馈传感器和数据转换卡(33)；所述角度反馈传感器为旋转变压器(41)，旋转变压器(41)的转子安装电机(38)的输出轴上，旋转变压器(41)的定子固定在定子安装座(35)上，定子安装座(35)固定在外壳(36)上，数据转换卡(33)固定在安装于定子安装座(35)的端盖(34)上，旋转变压器(41)通过数据线与数据转换卡(33)相连。
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