一種仿人機械手臂制造技術

本發明專利技術提出一種仿人機械手臂。包括臂部六個自由度，以及手爪開合一個自由度；手臂六個自由度包括前端臂部三個自由度和末端腕部三個自由度，每個自由度由一個電機分別控制；前端臂部三個自由度為腰部回轉運動、大臂擺動和小臂擺動，末端腕部三個自由度為兩個手腕回轉運動和一個手腕俯仰運動；前端臂部三個自由度均采用直流無刷電機驅動，直流無刷電機輸出至諧波減速機，由諧波減速機的法蘭盤輸出運動，并由編碼器反饋信號構成閉環系統；末端腕部三個自由度均由舵機通過圓形舵盤輸出運動。本發明專利技術在滿足其抓取功能的情況下，采用較少的自由度，降低了成本；關節傳動機構簡單可靠；輕量化設計，功率消耗底；自適應型手抓提高了機械手臂的靈活性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于機電
，具體涉及一種用于家庭服務等機器人的仿人機械手臂。
技術介紹
隨著機器人技術的發展，各種智能化家用服務機器人將會走進日常生活，完成一些輔助性工作。特別是對于一些行走不便的老人家庭，家用服務機器人可提供清潔衛生、家電控制，端茶、倒水、開關燈和安保等服務，市場前景廣闊。服務機器人手臂大多具備抓取搬運功能，要求機械臂具有足夠的靈活性，能穩定抓取不同形狀姿態的物品。日本本田技研工業株式會社研制的仿人機器人ASMO，其手臂的自由度多達10個，而第二代ASMO的手臂自由度達到了 12個，盡管更多的手臂自由度會使得手臂具有更出色的靈活性，但也會導致其結構復雜和成本過高，從而使得其難以在家庭推廣。為了更好地應用于家庭使用，需要在從如下幾個方面進行改進:1)在滿足其抓取功能的情況下，設計較少的自由度來降低其成本；2)由于家用服務機器人要抓取多種不同的目標物，一般需要配合目標識別來進行智能抓取，不需要高精度高速度的關節運動。在關節傳動機構設計時不必達到工業機器手的精度，其關節傳動機構要簡單可靠；3)考慮到一般家庭的經濟承受能力，盡量采用低成本設計、同時采用輕量化設計，降低其功率消耗。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種仿人機械手臂，在滿足其抓取功能的情況下，設計了較少的自由度，降低了成本；關節傳動機構簡單可靠；采用輕量化設計，功率消耗降；采用自適應型手抓，提高了機械手臂的靈活性。為了解決上述技術問題，本專利技術提出一種仿人機械手臂，包括臂部六個自由度，以及手爪開合一個自由度；手臂六個自由度包括前端臂部三個自由度和末端腕部三個自由度，每個自由度由一個電機分別控制；前端臂部三個自由度為腰部回轉運動、大臂擺動和小臂擺動，末端腕部三個自由度為兩個手腕回轉運動和一個手腕俯仰運動。進一步，前端臂部三個自由度均采用直流無刷電機驅動，直流無刷電機輸出至諧波減速機，由諧波減速機的法蘭盤輸出運動，并由編碼器反饋信號構成閉環系統。進一步，腰部回轉自由度由第一電機驅動，第一電機、第一諧波減速機和第二編碼器均固定在機座上，第一諧波減速機的軸線與第一電機對齊；第一電機的D形軸插入第一諧波減速機輸入端；腰部回轉平臺固定于第一諧波減速機輸出端的柔輪上，腰部回轉平臺的下部與大齒輪緊配合連接，小齒輪固定于D形軸上并與大齒輪嚙合；D形輸出軸穿過軸承插入第二編碼器。進一步，大臂擺動自由度由第二電機驅動，第二電機、第二諧波減速機和第一編碼器均固定于腰部回轉平臺上；第二諧波減速機的軸線與第二電機對齊，第二電機的D形軸插入第二諧波減速機輸入端，大臂固定于第二諧波減速機輸出端；連軸一端固定在大臂上，另一端穿過腰部回轉平臺與第一編碼器相連。進一步，小臂擺動的自由度由第三電機驅動，第三電機、第三諧波減速機和第三編碼器均固定在大臂，且第三電機靠近大臂擺動的回轉中心；小臂固定在第三諧波減速機上；第三電機輸出軸穿過大臂并與第一同步帶輪，同步皮帶將運動傳遞到第二同步帶輪，第二同步帶輪將運動傳遞給自身所在的軸，并由該軸將運動輸入第三諧波減速機；小臂的回轉中心插有一根D形軸，D形軸另一端接入第三編碼器。進一步，末端腕部三個自由度均由舵機通過圓形舵盤輸出運動。末端腕部三個自由度分別由三個舵機控制；工業舵機固定在小臂上，大法蘭盤套在工業舵機的輸出軸上；旋轉腕關節與大法蘭盤固連，實現關節旋轉；擺動腕關節內部裝有兩個舵機，其中，第一舵機通過圓舵盤與旋轉腕關節相連，實現擺動腕關節的擺動，第二舵機與第一圓舵盤相連，用于與手爪連接，輸出一個回轉運動。進一步，手爪的開合由第三舵機控制，第三舵機安裝在U形機械手殼體中，其輸出軸上安裝第二圓舵盤，第一齒輪連接件固定在第二圓舵盤上，第二齒輪連接件中間有一個法蘭軸承，通過螺栓連接在機械手殼體上，兩個齒輪連接件相互嚙合，另一邊同樣有兩個齒輪連接件嚙合；第一 U形板通過螺栓將第一齒輪連接件和第三齒輪連接件固連，第二 U形板將第二齒輪連接件和第四齒輪連接件固連；第一爪通過螺釘與第一 U形板相連，第二爪與第二 U形板相連。進一步，四個固定接觸點用螺紋連接在第一爪上，兩個浮動接觸點鉸接在第二爪上，浮動接觸點上粘有薄片式壓力傳感器。本專利技術與現有技術相比，其顯著優點在于，本專利技術采用六自由度臂部和一個手抓來滿足自由抓取任何形狀和方位的家用物品，自由度數相對較少，控制方便；關節傳動機構簡單可靠，精度適中，成本較低；結構簡單實用，便于安裝與維修，應用前景廣闊。【附圖說明】圖1是本專利技術仿人機械手臂主視圖，其中A部分為腰部視圖，B部分為大臂視圖，C部分為小臂和腕關節視圖，D部分為手爪視圖。圖2是本專利技術仿人機械手臂的三維視圖。圖3是本專利技術腰部的局部放大視圖。圖4是本專利技術中腰部回轉平臺的三維視圖。圖5是大臂部分的側視圖。圖6是大臂的三維視圖。圖7是小臂和腕關節的側視圖。圖8是小臂的三維視圖。圖9是擺動腕關節的三維視圖。圖10是本手爪的主視圖。【具體實施方式】容易理解，依據本專利技術的技術方案，在不變更本專利技術的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本專利技術仿人機械手臂的多種實施方式。因此，以下【具體實施方式】和附圖僅是對本專利技術的技術方案的示例性說明，而不應當視為本專利技術的全部或者視為對本專利技術技術方案的限制或限定。結合圖1和圖2，本專利技術仿人機械手臂包括臂部6個自由度，以及手爪開合一個自由度。手臂的6個自由度，分前端臂部三個自由度，末端腕部三個自由度，每個自由度由一個電機分別控制。前端三個自由度分別為腰部回轉、大臂擺動和小臂擺動，驅動方式為直流無刷電機輸出到諧波減速機，再由諧波減速機的法蘭盤輸出運動，并由編碼器反饋信號構成閉環系統。末端三個自由度分別為兩個手腕回轉運動和一個手腕俯仰運動，均由舵機通過圓形舵盤輸出運動。手部為回轉式機械手，通過布置在手指上的四個固定接觸點和兩個浮動接觸點實現抓取物體時的自動對心，并適應抓取大多數不同形態的物體。腰部回轉部分結合圖1、圖2、圖3和圖4，腰部回轉部分包括:第一電機1-1，機座2，第一諧波減速機3-1，鍵4，腰部回轉平臺5，第二編碼器6-2，大齒輪9，小齒輪10，D形軸11，軸承12。腰部回轉平臺5的外形如圖3。腰部回轉的自由度由第一電機1-1驅動，第一電機1-1通過其前端的方形法蘭盤由螺釘固定在機座2上，第一諧波減速機3-1通過螺釘固定在機座2上，其軸線與第一電機1-1對齊。第一電機1-1輸出軸為D形接口插入第一諧波減速機3-1輸入端，由緊定螺釘2固定。腰部回轉平臺5通過螺釘固定于第一諧波減速機3-1輸出端的柔輪上，獲得較小的回轉速度。腰部回轉平臺5的下部通過鍵4與大齒輪9緊配合連接，小齒輪10通過緊定螺釘固定于D形軸11上并與大齒輪9嚙合。D形軸穿過軸承12插入第二編碼器6-2，并由緊定螺釘固定，第二編碼器6-2通過螺釘固定于機座2上。第一電機1-1輸出的高轉速經過第一諧波減速器輸出為低轉速作用于腰部回轉平臺5上，回轉平臺的運動帶動齒輪系的運動，最終將腰部的回轉角度反饋到編碼器上，編碼器的作用是將角位移轉化為電信號。齒輪系的作用是將腰部的回轉角度增量放大，提高反饋精度。大臂擺動部分結合圖5和圖6，大臂擺動部分包括:第二電機1-2，第二諧波減速機3-2，腰部回轉平臺5，大臂8，連軸7，第一編碼器6-1。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種仿人機械手臂，其特征在于，包括臂部六個自由度，以及手爪開合一個自由度；手臂六個自由度包括前端臂部三個自由度和末端腕部三個自由度，每個自由度由一個電機分別控制；前端臂部三個自由度為腰部回轉運動、大臂擺動和小臂擺動，末端腕部三個自由度為兩個手腕回轉運動和一個手腕俯仰運動。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李曾健，陶衛軍，陳昊，黃晶晶，邵奇，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32