CN1283146A - 人形作业机器人的臂部构造 - Google Patents

Abstract

一种人形机器人的臂部构造,所述构造尽可能排除人形机器人臂部进行通常作业时发生肩关节的奇点状态,能确保臂部动作连贯性。设定肩关节(5)的第1关节至第3关节(11),(13),(15)的位置及姿势,以及肘关节(6)的相对于第3关节(15)的位置,以使构成肩关节(5)的第1关节(11)的第1轴(10)和第3关节(15)的第3轴(14)同轴,并在肩关节(5)的奇点状态下使肩关节(5)动作,同时,使肘关节(6)位于胴体(1)的一侧位置,肘关节(6)位于通过肩关节(5)的第1至第3关节(11),(13),(15)的各轴(10),(12),(14)的交点的水平面S的上方。

Description

人形作业机器人的臂部构造

技术领域

本发明是有关人形机器人的臂部构造。

技术背景

已知，对于和人那样胴体两侧有手臂的人形机器人来说，一般采用如图7所示的臂部关节构造。

人形机器人的各臂部A包括肩关节a、肘关节b及腕关节c。而肩关节a是由可绕从胴体上方的两侧向水平方向延伸的第1轴d的周围自由旋转地与胴体B相连接的第1关节e、可绕和第1轴d相垂直的第2轴f(与图7的纸面相垂直的轴)的周围自由旋转地与第1关节e相连接的第2关节g、绕和第2轴f相垂直的第3轴h的周围自由旋转地与第2关节g相连接的第3关节i构成。此时，第1至第3关节e，g，i的位置关系是设置在其任意的动作位置(旋转位置)上，使其作为各自旋转轴心的第1至第3轴d，f，h相交于一点。

肘关节b由可绕第4轴j(图7中与纸面垂直的轴)的周围自由旋转并通过上臂部K与肩关节a的第3关节i相连接的第4关节b所构成。腕关节c是从肘关节b开始，顺序连接可绕第5至第7轴m，n，o的周围(图中这些轴m，n，o互相垂直)各自旋转的第5至第7关节p，q，r。而腕关节c的前部与手指相连接。

根据这样的臂部A的构造，可使该臂部的肩关节a、肘关节b、腕关节c基本像人臂那样动作。

不过，在图7的机器人中，肘关节b安放在肩关节a的第3关节i的第3轴h的轴心上，但也有将肘关节b放在与第3关节的第3轴轴心径向偏离的位置上、与该第3关节相连接的情况。

但是，如此构造的机器人的臂部A如图8所示，肩关节a的第1关节e的第1轴d和第3关节i的第3轴h呈同轴状态，该状态一般称为肩关节a的奇点状态(或奇点姿势)。不过，该奇点状态与第1关节e或第3关节i的旋转位置无关，而是指第1关节e的第1轴d和第3关节i的第3轴h同轴的状态。以上对肘关节在与第3关节第3轴轴心径向偏离的位置上与第3关节相连接时也同样适用。

在这样的奇点状态下，肩关节a只能是第1关节e或第3关节i绕第1轴d(=第3轴h)的周围做旋转动作和、第2关节g绕第2轴f的周围做旋转动作。为此，与肩关节a的第3关节i相连接的肘关节b的姿势的自由度减少、臂部A的动作性变差。

例如在图8的奇点状态下，即使是肘关节b的第4轴j的方向绕竖直轴四周作微小的变化，这种微小的动作如要肘关节b来实现，肩关节须做如下动作：即将肩关节a的第1关节e及第3关节i各自绕第1轴d及第3轴h相互逆向旋转90度后、将第2关节g绕第2轴f的周围作微小旋转。

在肩关节a的奇点状态下，针对肘关节b的微小的位置或姿势的变化，肩关节a则需要大的动作，这样就有损于肘关节b朝所需位置或姿势变化的柔软性和迅速性。

不过，在肩关节a的奇点状态以外的状态(非奇点状态)下，不会出现上述问题。例如在图7的状态下，肘关节b的第4轴j的方向朝任意方向的微小变化，可由第1关节e或第3关节i、或由其两者的微小的旋转动作来实现。

另一方面，据本发明人等所见，此类人形机器人的臂部A的作业，通常是将肘节关b安放在肩关节a的中心、也就是与上述第1至第3关节e，g，i的各轴d，f，h的交点有相同高度的位置上、或在该高度下方进行各种作业。尤其是让机器人的臂部做和人的手臂相同的动作的主动从动方式的人形机器人，在人的臂部作业方面更具上述趋势。

然而，以往人形机器人中，由于没有考虑上述实际作业时臂部A的肘关节b的位置，而是设计了肩关节a的第2至第3关节的布局和姿势，因而在人形机器人作业时在通常肘关节b可动作的位置上会发生肩关节a的上述奇点状态。例如，在图7的人形机器人中，将其肘关节b在与肩关节a的中心等高处，胴体B的一侧伸展的状态为奇点状态。但肘关节b的这种位置状态在作业过程中是经常会碰到的状态。因此，以往的人形机器人在进行通常作业时，其臂部A容易发生肩关节a的奇点状态。其结果，容易损伤通常作业时的臂部A的动作性。

本发明目的在于：提供一种人形机器人的臂部构成，所述臂部构造能尽量排除在人形机器人的臂部进行通常作业时其肩关节的奇点状态的发生，能确保臂部进行连贯动作。

发明揭示

为达到上述目的，本发明的人形机器人的臂部构造系这样一种结构：所述臂部构造由可绕第1轴周围旋转并与胴体连接的第1关节、绕与第1轴交叉的第2轴周围旋转并与上述第1关节连接的第2关节、绕与该第2轴交叉的第3轴周围旋转并与上述第2关节连接的第3关节所构成；并且具有使第1至第3关节的各轴相交于一点而设置的肩关节及与该肩关节的第3关节相连的肘关节。其特征在于，在构成上述肩关节的上述第1关节的第1轴和上述第3关节的第3轴同轴时，该肩关节处于奇点状态下，设定上述肩关节的第1关节至第3关节的位置及姿势、以及上述肘关节相对于该第3关节的位置，使该肩关节动作的同时将上述肘关节放在上述胴体一侧位置的状态，使该肘关节位于通过上述第1至第3关节的各轴交点的水平面上方。

即在人形机器人的臂部作业中，一般几乎没有这样的情况：将上述肘关节置于上述胴体的一侧，且置于在通过上述第1至第3关节各轴的交点、即肩关节中心的水平面上方位置的状况下进行作业。从而藉由上述肩关节的第1关节至第3关节的位置和姿势的设定，以及上述肘关节相对于第3关节的位置的设定，可避免在人形机器人的臂部进行实际作业时，在该臂部的肘关节进行正常动作的肘关节位置上发生肩关节奇点状态的情形。由此，在上述奇点状态下，上述肩关节动作的同时使上述肘关节处于上述胴体的一侧位置，并使该肘关节在通过上述第1至第3关节的各轴交点的水平面上方。

由此，本发明能尽可能避免人形机器人臂部在进行通常作业时肩关节奇点状态的发生，确保臂部动作的连续性。

本发明将上述肘关节在上述第3关节的第3轴的轴心上与该第3关节相连时，比如上述肩关节，其第1关节在上述第1轴朝着上述胴体的一侧斜上方的姿势下与该胴体相连的同时，将上述第2关节及第3关节在该肩关节处于上述奇点状态下，从上述第1关节朝着肘关节有序地排列在上述第1轴的轴心上，并与第1关节及第2关节相连。

根据这样的结构，使上述肘关节在上述肩关节的奇点状态下位于胴体的一侧并在上述水平面的上方。

另外，在本发明中，将上述肘关节在与上述第3关节的第3轴轴心有所偏离的位置上与该第3关节相连时，上述肩关节的第1至第3关节的位置及姿势的设定是使上述肩关节在上述奇点状态下动作的同时使上述肘关节在上述胴体一侧的任意位置绕上述第3轴的周围旋转的状态，该肘关节位于上述水平面的上方。

即，将上述肘关节在与上述第3关节的第3轴轴心径向有偏离的位置上与该第3关节相连时，在上述奇点状态下使上述第1关节或第3关节各自绕上述第1轴、第3轴(这些在奇点状态下同轴)的周围旋转。由此，使上述肘关节的位置在以该肘关节与第1及第3轴之间的距离为半径的圆周上运动。该肘关节的任一旋转位置都是肩关节的奇点状态。因此，设定上述肩关节的第1关节至第3关节的位置及姿势，可以使人形机器人的臂部尽可能避免在通常作业时发生肩关节的奇点状态，以使上述肩关节在上述奇点状态下动作的同时，使上述肘关节处于上述胴体一侧的任意位置并绕上述第3轴周围旋转的状态，使该肘关节位于上述水平面上方。

附图的简单说明

图1是应用了本发明的第1实施形态的人形机器人的模式主视图。

图2是图1机器人主要部位的动作说明图。

图3是表示本发明的第1实施形态的变形例子的人形机器人的主要部位的模式侧视图。

图4是应用了本发明的第2实施形态的人形机器人的主要部位的模式主视图。

图5是表示本发明的第2实施形态的变形例子的人形机器人的主要部位的模式主视图。

图6是应用了本发明的第3实施形态的人形机器人的主要部位的模式主视图。

图7是以往的人形机器人的模式主视图。

图8是图7机器人的主要部位的动作说明图。

实施发明的最佳形态。

参照图1及图2对本发明的第1实施形态进行说明。图1是具有本实施形态的臂部构造的人形机器人的模式主视图，图2是图1人形机器人的动作说明图。

从图1可见，所述人形机器人由胴体1、装在胴体1上端的头部2、从胴体1的上端两侧延伸(设)的左右一对臂部3，3、胴体1的下端延伸设置的左右一对脚部4，4，而构成人形。臂部3，3左右相同结构，另外脚部4，4也是左右相同结构。

各臂部3由胴体1的侧面起顺序连接肩关节5、肘关节6、腕关节7、及手端部9。

肩关节5由可绕从胴体1一侧朝斜上方伸展的第1轴10的周围旋转自如地与胴体1相连的第1关节11、可绕与第1轴10相垂直的第2轴12的周围旋转并与第1关节11相连的第2关节13、可绕与第2轴12相垂直的第3轴14的周围放置自如地与第2关节13相连的第3关节15所构成。又，在图示状态中，表示第2轴12朝前后方向(与图1纸面相垂直的方向)伸展，第3轴14朝上下方向伸展。另外，第1至第3关节11，13，15的位置关系，在其任意旋转状态下，按其各轴10，12，14在第2轴12上相交于一点进行定位。

肘关节6是由在上述第3轴14的轴心上通过上臂部16与第3关节15相连的第4关节构成，该第4关节6(=肘关节6)可绕与第3轴14相垂直的第4轴17(图中为前后方向延设的轴)。

腕关节7是由可绕与第4轴17的垂直方向(图中是上下方向)延伸的第5轴18的周围旋转并与第4关节6(肘关节6)相连的第5关节19、可绕与第5轴18相垂直的方向(图中为前后方向)延伸的第6轴20的周围旋转并与第5关节19相连的第6关节21、可绕与第6轴20相垂直的方向(图中为左右方向)延伸的第7轴22的周围旋转并与第6关节21相连的第7关节23所构成、手端部9连接在该第7关节23上。

又，上述第1至第7的各节关11，13，15，6，19，21，23由各自的电机等旋转传动装置所构成，在各自进行所需的作业时，按图中没表示出来的机器人操纵装置(比如主控装置)发出的指令、或按事先设定好的教学数据等进行动作。这时，各关节11，13，15，6，19，21，23不局限于旋转传动装置，也可采用汽缸等直动型传动装置使其绕各自的轴10，12，14，17，18，20，22的周围旋转的结构。

根据上述肩关节5、肘关节6及腕关节17的结构，使肩关节除后述的奇点状态以外可绕3轴旋转。另外，肘关节6及腕关节8可各自绕1轴、3轴作旋转运动。根据这些旋转运动、各臂部3可像人的臂部那样运动。

又，各脚部4是由从胴体1开始顺序连接股关节24、膝关节25、脚部腕关节26及足平部27而成。在此省略了详图，但股关节24可绕前后、左右及上下方向3轴作旋转运动，膝关节25可绕左右方向的1轴作旋转运动，脚部腕关节26可绕前后及左右方向的2轴作旋转运动。

上述结构的各臂部3，使肩关节5的第2关节13从图1的状态绕第2轴12作逆时针方向转动θ角度。此时，如图2所示，第1关节11的第1轴10和第3关节15的第3轴14同轴，出现肩关节5的奇点状态。在此奇点状态下，比如要将肘关节6的第4轴17的方向在包含第2轴12及第3轴14的平面内作微小的变动时，则在肩关节5的第1关节11及第3关节15各沿相反方向旋转90度以后，不得不旋转第2关节13、需要第1关节11及第3关节15作较大的动作。

另一方面，在上述奇点状态下，由于上述肩关节5的第1至第3关节11，13，15的位置结构、及肘关节6与第3关节15的连接，使第1至第3关节11，13，15及肘关节6，在从胴体1朝其一侧斜上方延伸的第1轴10的轴心(=第3轴14的轴心)上，按顺序排列。为此，上述奇点状态下的肘关节6的位置，位于胴体1的一侧，并在通过第1至第3关节11，13，15的各轴10，12，14的交点的水平面S的上方。

另外，根据本实施形态，人形机器人的臂部3进行作业时，基本上肘关节6是在上述水平面S以下的高度位置状态下进行的。因此，基本上不存在肘关节6在水平面S的上方的状态下进行作业的情况。所以上述肩关节5的奇点状态，不会在臂部3的作业过程中发生，换句话说，肩关节5在作业中的动作状态是非奇点状态。这样，能确保臂部3的连贯动作从而使臂部3进行连贯作业。

不过，从理论上来说，从图2的臂部3的状态开始，将第2关节13绕第2轴12的周围旋转80度的状态也是奇点状态。而实际上，这种状态完全不是因为臂部3和胴体1之间的相互干涉，或第1关节11和第3关节13之间的干涉等产生的。

另外，本实施形态是将连接胴体1的第1关节11的第1轴10从胴体1的正侧面方向朝上方延伸、但也可如图3所示，使第1轴10朝机器人的前后方向稍微倾斜(图3将第1轴10朝机器小的后方稍微倾斜)。

以下，参考图4，对本发明的第2实施形态进行说明。图4是本实施形态的人形机器人的主要部位的模式主视图。

本实施形态的人形机器人与上述图1及图2所示的第1实施形态的机器人相比，仅肩关节的第1至第3关节的位置结构，及肘关节相对于第3关节的连接结构不同，对各部分的结构用与上述第1实施形态相同的参照符号进行说明。

参照图4，本实施形态的人形机器人中，其左右的各臂部3(图中仅表示了机器人左侧的臂部3)的肩关节5与上述第1实施形态相同，系从胴体1开始按顺序连接第1至第3关节11，13，15而成。这时，第1关节11在其第1轴10从胴体1朝竖直方向的上方延伸的姿势下与胴体1相连接。

另外，各臂部3的肘关节6，在与第3关节15的第3轴14的轴心有所偏离的位置上通过上臂部16相连接。这时如图所示，在上述第1关节11的第1轴10及第3关节15的第3轴14同轴时，肩关节5处于奇点状态下，使该肩关节5动作。肘关节6进一步通过第1关节11或第3关节15的旋转运动绕第1轴10(=第3轴14)的周围旋转。在位于胴体1的一侧位置状态下，使肘关节6位于通过第1至第3关节11，13，15的各轴10，12，14的交点的水平面S的上方而对肘关节6的相对于第3关节15的位置进行设定。反言之，让肩关节5在其奇点状态下动作，再将肘关节6安放在胴体1的一侧位置时，设定第1至第3关节11，13，15的相互之间的位置关系(具体地讲是第1至第3关节11，13，15相互之间的间隔)；使肘关节6位于上述水平面S的上方。

不过，在本实施形态中，因第1关节11的第1轴10在竖直方向延伸，故在图示的奇点状态下，不管肘关节6在第1轴10的周围(=第3轴14的周围)的任意位置旋转，肘关节6都位于水平面S的上方。

除上述说明以外的结构和图1及图2的机器人完全相同。

本实施形态的人形机器人，如图所示，使肩关节5在奇点状态下动作时，比如要将肘关节6的第4轴17的方向在第2轴12及第3轴14的垂直方向周围作微小的变动的话，则在使第1关节11及第3关节15各沿相反方向旋转90度以后，必须旋转第2关节13，需要第1使及第3关节11，15作大动作。

然而，如上所述，在肩关节5的奇点状态下，使肘节关6在包括胴体1的一侧在内的任何位置上，绕第1轴10的周围(=第3轴14的周围)旋转，肘关节6都在上述水平面S的上方。基本上不存在肘关节6在位于水平面S的上方的状态下，由臂部3进行作业的情况。

所以，在本实施形态中，臂部3在作业时肩关节5的动作状态，基本上总是非奇点状态，因而可确保臂部3的动作连贯性，使臂部3能连贯地进行作业。

又，在本实施状态中，是将第1关节11的第1轴10在竖直方向延伸设置的。但为了在如本实施形态的肩关节5的奇点状态下，肘关节6在包括胴体1一侧在内的任何位置上，绕第1轴10的周围(=第3轴14的周围)的旋转时，都能使肘关节6位于上述水平面S的上方，也可如图5所示将第1关节11的第1轴10朝胴体1的内侧稍微倾斜，或者，反之，也可以将1轴10朝胴体倾斜。此时，在如图5所示倾斜第1轴10的场合，在肩关节5的奇点状态下，如图所示，在肘关节6处于胴体1的一侧位置时按图中的假想线将肘关节6绕第1轴10的周围(=第3轴14的周围)旋转180度(不过图5的机器人实际上臂部3和头部2互相干涉，故不会出现这种状态)。这时肘关节6的高度变得最低，但即使如此，在此状态下，该肘关节6也位于水平面S的上方。因此，在肩关节5的奇点状态下，不管肘关节6在第1轴10的周围(=第3轴14的周围)的任何位置进行旋转，肘关节6都位于水平面S的上方。

下面，参照图6对本发明的第3实施形态进行说明。图6是本实施形态的人形机器人主要部位的模式主视图。

不过，本实施形态的人形机器人与上述图1及图2所示的第1实施形态的机器人相比，仅肩关节的第1至第3关节的位置结构，及肘关节第3关节的连接结构不同，所以，对各部分的结构用与上述第1实施形态相同的参照符号进行说明。

参照图6，本实施形态的人形机器人，其左右的各臂部3(图中仅表示了机器人左侧的臂部3)的肩关节5，与上述第1实施形态相同，由从胴体1一侧开始顺序连接第1至第3关节11，13，15而成。这时，第1关节11与上述图5相同，在其第1轴10从胴体1朝该胴体1内侧的斜上方延伸的姿势下与胴体1相连接。

另外，各臂部3的肘关节6，连接其中心(第4轴17上的点)和第1至第3轴10，12，14的交点的线段L(图中用虚线表示)，在肩关节5处于图示的奇点状态(第1轴10及第3轴14呈同轴状态)下，与第1轴10及第3轴14相垂直，肘关节6在与第3关节15的第3轴14的轴心有所偏离的位置上通过上臂部16与第3关节15相连接。

其它构造与第1实施形态完全相同。

对于上述构造的人形机器人的臂部3，肩关节5在奇点状态下动作，并且肘关节6绕关节5的第1轴10(=第3轴14)的周围旋转，并如图所示，处于胴体1的一侧(详细点讲比第2轴12还要靠机器人的左侧)的位置时，该肘关节6位于通过第1至第3轴10，12，14的交点的水平面S的上方。

另一方面，在肩关节5处于奇点状态下，将肘关节6在胴体1的内侧(详细点讲比第2轴12还要靠机器人的右侧)绕第1轴10(=第3轴14)的周围旋转时，该肘关节6处于上述水平面S的下方。然而，实际上，由于臂部3和头部2及胴体1互相干涉，故在肩关节5的奇点状态下无法使肘关节6在胴体1内侧的任意位置旋转，该肘关节6在胴体1的内侧所能旋转的范围比较小。这样，可以认为很少有在肩关节5的奇点状态下，使肘关节6位于胴体1的内侧位置进行作业的机会。另外，由于在肩关节5的奇点状态下，该肘关节6在胴体1的一侧旋转时肘关节6仍能位于上述水平面S的上方，故基本上没有在这种状态下作业的情况。

所以，在本实施形态中，由臂部3所进行的通常的作业几乎都是处在肩关节5的非奇点状态下，故能确保臂部3的动作连贯性。

产业上利用的可能性

本发明的人形作业机器人的臂部构造可用在使机器人的臂部像人的手臂那样动作的主从动方式的人形机器人中。

Claims (3)

1．一种人形作业机器人的臂部构造，所述臂部构造系由绕第1轴的周围旋转并与胴体相连接的第1关节，绕与第1轴交叉的第2轴的周围旋转并与上述第1关节连接的第2关节，绕与该第2轴交叉的第3轴的周围旋转并与上述第2关节连接的第3关节所组成；并且具有使第1至第3关节的各轴相交于一点而设置的肩关节，与该肩关节的第3关节相连接的肘关节；

其特征在于，设定所述肩关节的第1至第3关节的位置及姿势、以及所述肘关节相对于该第3关节的位置，以使构成所述肩关节的上述第1关节的第1轴和上述第3关节的第3轴同轴时，该肩关节在奇点状态下，使该肩关节动作的同时所述肘关节处于上述胴体的一侧位置，并且该肘关节位于通过第1至第3关节的各轴交点的水平面上方。

2．根据权利要求1所述的人形作业机器人的臂部构造，其特征在于，所述肘关节在上述第3关节的第3轴的轴心上与该第3关节连接，所述肩关节以与第1关节和第2关节相连，以使其中第1关节在上述第1轴从胴体的一侧朝斜上方伸展的姿势下与该胴体相连的同时，第2关节及第3关节在该肩关节的所述奇点状态下，自所述第1关节朝着肘关节按顺序排列于第1轴的轴心上。

3．根据权利要求1所述的人形作业机器人的臂部构造，其特征在于，所述肘关节在与所述第3关节的第3轴轴心有所偏离的位置上与该第3关节相连，设定所述肩关节第1至第3关节的位置及姿势，在所述肩关节处于上述奇点状态下动作的同时，使所述肘关节位于上述胴体一侧的任意位置绕上述第3轴的周围旋转，并使该肘关节位于上述水平面的上方。

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