一種仿人機(jī)械手臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于家庭服務(wù)等機(jī)器人的仿人機(jī)械手臂。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，各種智能化家用服務(wù)機(jī)器人將會走進(jìn)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(wù)機(jī)器人可提供清潔衛(wèi)生、家電控制，端茶、倒水、開關(guān)燈和安保等服務(wù)，市場前景廣闊。
[0003]服務(wù)機(jī)器人手臂大多具備抓取搬運(yùn)功能，要求機(jī)械臂具有足夠的靈活性，能穩(wěn)定抓取不同形狀姿態(tài)的物品。日本本田技研工業(yè)株式會社研制的仿人機(jī)器人ASMO，其手臂的自由度多達(dá)10個，而第二代ASMO的手臂自由度達(dá)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(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本過高，從而使得其難以在家庭推廣。為了更好地應(yīng)用于家庭使用，需要在從如下幾個方面進(jìn)行改進(jìn):1)在滿足其抓取功能的情況下，設(shè)計(jì)較少的自由度來降低其成本；2)由于家用服務(wù)機(jī)器人要抓取多種不同的目標(biāo)物，一般需要配合目標(biāo)識別來進(jìn)行智能抓取，不需要高精度高速度的關(guān)節(jié)運(yùn)動。在關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時不必達(dá)到工業(yè)機(jī)器手的精度，其關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)要簡單可靠；3)考慮到一般家庭的經(jīng)濟(jì)承受能力，盡量采用低成本設(shè)計(jì)、同時采用輕量化設(shè)計(jì)，降低其功率消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種仿人機(jī)械手臂，在滿足其抓取功能的情況下，設(shè)計(jì)了較少的自由度，降低了成本；關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)簡單可靠；采用輕量化設(shè)計(jì)，功率消耗降；采用自適應(yīng)型手抓，提高了機(jī)械手臂的靈活性。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種仿人機(jī)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(jī)分別控制；前端臂部三個自由度為腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)運(yùn)動和一個手腕俯仰運(yùn)動。
[0006]進(jìn)一步，前端臂部三個自由度均采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動，直流無刷電機(jī)輸出至諧波減速機(jī)，由諧波減速機(jī)的法蘭盤輸出運(yùn)動，并由編碼器反饋信號構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。
[0007]進(jìn)一步，腰部回轉(zhuǎn)自由度由第一電機(jī)驅(qū)動，第一電機(jī)、第一諧波減速機(jī)和第二編碼器均固定在機(jī)座上，第一諧波減速機(jī)的軸線與第一電機(jī)對齊；第一電機(jī)的D形軸插入第一諧波減速機(jī)輸入端；腰部回轉(zhuǎn)平臺固定于第一諧波減速機(jī)輸出端的柔輪上，腰部回轉(zhuǎn)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。
[0008]進(jìn)一步，大臂擺動自由度由第二電機(jī)驅(qū)動，第二電機(jī)、第二諧波減速機(jī)和第一編碼器均固定于腰部回轉(zhuǎn)平臺上；第二諧波減速機(jī)的軸線與第二電機(jī)對齊，第二電機(jī)的D形軸插入第二諧波減速機(jī)輸入端，大臂固定于第二諧波減速機(jī)輸出端；連軸一端固定在大臂上，另一端穿過腰部回轉(zhuǎn)平臺與第一編碼器相連。
[0009]進(jìn)一步，小臂擺動的自由度由第三電機(jī)驅(qū)動，第三電機(jī)、第三諧波減速機(jī)和第三編碼器均固定在大臂，且第三電機(jī)靠近大臂擺動的回轉(zhuǎn)中心；小臂固定在第三諧波減速機(jī)上；第三電機(jī)輸出軸穿過大臂并與第一同步帶輪，同步皮帶將運(yùn)動傳遞到第二同步帶輪，第二同步帶輪將運(yùn)動傳遞給自身所在的軸，并由該軸將運(yùn)動輸入第三諧波減速機(jī)；小臂的回轉(zhuǎn)中心插有一根D形軸，D形軸另一端接入第三編碼器。
[0010]進(jìn)一步，末端腕部三個自由度均由舵機(jī)通過圓形舵盤輸出運(yùn)動。末端腕部三個自由度分別由三個舵機(jī)控制；工業(yè)舵機(jī)固定在小臂上，大法蘭盤套在工業(yè)舵機(jī)的輸出軸上；旋轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)與大法蘭盤固連，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)；擺動腕關(guān)節(jié)內(nèi)部裝有兩個舵機(jī)，其中，第一舵機(jī)通過圓舵盤與旋轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)相連，實(shí)現(xiàn)擺動腕關(guān)節(jié)的擺動，第二舵機(jī)與第一圓舵盤相連，用于與手爪連接，輸出一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0011]進(jìn)一步，手爪的開合由第三舵機(jī)控制，第三舵機(jī)安裝在U形機(jī)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(jī)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。
[0012]進(jìn)一步，四個固定接觸點(diǎn)用螺紋連接在第一爪上，兩個浮動接觸點(diǎn)鉸接在第二爪上，浮動接觸點(diǎn)上粘有薄片式壓力傳感器。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明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(shù)相對較少，控制方便；關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)簡單可靠，精度適中，成本較低；結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，便于安裝與維修，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明仿人機(jī)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(guān)節(jié)視圖，D部分為手爪視圖。
[0015]圖2是本發(fā)明仿人機(jī)械手臂的三維視圖。
[0016]圖3是本發(fā)明腰部的局部放大視圖。
[0017]圖4是本發(fā)明中腰部回轉(zhuǎn)平臺的三維視圖。
[0018]圖5是大臂部分的側(cè)視圖。
[0019]圖6是大臂的三維視圖。
[0020]圖7是小臂和腕關(guān)節(jié)的側(cè)視圖。
[0021]圖8是小臂的三維視圖。
[0022]圖9是擺動腕關(guān)節(jié)的三維視圖。
[0023]圖10是本手爪的主視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神的情況下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以想象出本發(fā)明仿人機(jī)械手臂的多種實(shí)施方式。因此，以下【具體實(shí)施方式】和附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定。
[0025]結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明仿人機(jī)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(jī)分別控制。前端三個自由度分別為腰部回轉(zhuǎn)、大臂擺動和小臂擺動，驅(qū)動方式為直流無刷電機(jī)輸出到諧波減速機(jī)，再由諧波減速機(jī)的法蘭盤輸出運(yùn)動，并由編碼器反饋信號構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。末端三個自由度分別為兩個手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個手腕俯仰運(yùn)動，均由舵機(jī)通過圓形舵盤輸出運(yùn)動。手部為回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，通過布置在手指上的四個固定接觸點(diǎn)和兩個浮動接觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)抓取物體時的自動對心，并適應(yīng)抓取大多數(shù)不同形態(tài)的物體。
[0026]腰部回轉(zhuǎn)部分
[0027]結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4，腰部回轉(zhuǎn)部分包括:第一電機(jī)1-1，機(jī)座2，第一諧波減速機(jī)3-1，鍵4，腰部回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺5的外形如圖3。
[0028]腰部回轉(zhuǎn)的自由度由第一電機(jī)1-1驅(qū)動，第一電機(jī)1-1通過其前端的方形法蘭盤由螺釘固定在機(jī)座2上，第一諧波減速機(jī)3-1通過螺釘固定在機(jī)座2上，其軸線與第一電機(jī)1-1對齊。第一電機(jī)1-1輸出軸為D形接口插入第一諧波減速機(jī)3-1輸入端，由緊定螺釘2固定。腰部回轉(zhuǎn)平臺5通過螺釘固定于第一諧波減速機(jī)3-1輸出端的柔輪上，獲得較小的回轉(zhuǎn)速度。腰部回轉(zhuǎn)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(jī)座2上。
[0029]第一電機(jī)1-1輸出的高轉(zhuǎn)速經(jīng)過第一諧波減速器輸出為低轉(zhuǎn)速作用于腰部回轉(zhuǎn)平臺5上，回轉(zhuǎn)平臺的運(yùn)動帶動齒輪系的運(yùn)動，最終將腰部的回轉(zhuǎn)角度反饋到編碼器上，編碼器的作用是將角位移轉(zhuǎn)化為電信號。齒輪系的作用是將腰部的回轉(zhuǎn)角度增量放大，提高反饋精度。
[0030]大臂擺動部分
[0031]結(jié)合圖5和圖6，大臂擺動部分包括:第二電機(jī)1-2，第二諧波減速機(jī)3-2，腰部回轉(zhuǎn)平臺5，大臂8，連軸7，第一編碼器6-1。大臂8的外形如圖4，大臂擺動部分與腰部回轉(zhuǎn)部分共用同一個腰部回轉(zhuǎn)平臺5，從而使大臂擺動部分與腰部回轉(zhuǎn)部分配合成為一個整體。
[0032]大臂8擺動的自由度由第二電機(jī)1-2驅(qū)動，第二電機(jī)1-2通過其前端的方形法蘭由螺釘固定于腰部回轉(zhuǎn)平臺5上，第二諧波減速機(jī)3-2通過螺釘固定在腰部回轉(zhuǎn)平臺5上，其軸線與第二電機(jī)1-2對齊，第二電機(jī)1-2的D形輸出軸11插入第二諧波減速機(jī)3-2輸入端，由緊定螺釘固定，大臂8用螺釘固定于第二諧波減速機(jī)3-2輸出端。連軸7上有一個法蘭盤，通過螺釘固定在大臂8上，連軸7另一端穿過腰部回轉(zhuǎn)平臺5與第一編碼器6-1相連，并通過緊定螺釘固定，第一編碼器6-1通過螺釘固定在腰部回轉(zhuǎn)平臺5上。