一种可实现Z向平动解耦的多关节服务机器人手臂

摘要

一种可实现Z方向平动解耦的多关节服务机器人手臂，其结构采用的是U^RR+R构型，U^RR+R构型由有两个摆动副的肩部关节、有一个摆动副的肘部关节、有一个回转副和一个摆动副的腕部关节、连接在肩部关节和肘部关节间的大臂、连接在肘部关节和腕部关节间的小臂、与腕部关节连接的手爪组成，肩部关节包括平行四边形机构和肩部连接体，在其驱动臂上连接电机连接轴套，电机连接轴套与电机输出轴相连，肩部连接体设在平行四边形机构的连接臂上，肩部连接体包括支架，支架由支撑板和支撑角铝组成，支架与肩部舵机、传动板相连，舵机固定在支架上，肩部传动板与支架连接，舵机输出轴与传动板连接，传动板与所述的大臂的一端连接。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种可实现Z向(铅直方向)平动解耦的结构简单、低成本的机器人手臂，适合安装在一种低成本的助老助残服务(陪护)机器人上的机械手臂，尤其涉及一种可实现Z向平动解耦的多关节服务机器人手臂。

二、背景技术

机器人技术为现代制造业的发展做出了重大贡献。近年来，机器人技术的应用正在逐步由现有的生产领域向更为广泛的人类生活领域拓展，小型化、轻量化且更加接近实用的人工智能服务机器人不断地被开发研制出来。当前，随着世界性的社会老龄化问题的日益严重和提高残疾人生活质量的迫切需要，主要面向老年与残疾人的陪护机器人、助行机器人、康复机器人、智能轮椅等，统称为“助老/助残服务机器人”已开始受到世界各发达国家的高度重视，成为了世界范围内的研究热点。

目前，商业化的机器人主要是应用于生产制造领域的工业机器人，机器人手臂的关节驱动多数采用直/交流伺服电机，机器人也多为关节型单臂作业。一般地，单臂机器人只适合于刚性工件的操作，并受制于工作环境，这对于助老助残服务机器人需要双臂协调作业的场合而言，单臂操作是不够的。另外，现有的机器人关节型手臂多数结构单一、成本高；并且，一般的纯转动副的机器人手臂，机械手在Z方向的平动需要机械臂各关节的协调控制，即使选择移动副作为肩部关节来实现机械手在Z方向的平动，也需要选用滚珠丝杠或直线导轨等实现，这势必增加机械臂的制造成本。

三、发明内容

本发明的目的在于克服一般机器人手臂在不改变机械手臂多个关节姿态的情况下，无法实现机械手在Z方向平动的不足，而提供了一种具有较大工作空间的结构简单、低成本的可实现Z向平动解耦的多关节服务机器人手臂，本发明能够由纯转动实现纯平动，即实现机械手在空间Z方向上的一维平动，同时保证机械手空间姿态不变。

本发明采用如下解释方案：

一种可实现Z向(铅直方向)平动解耦的多关节服务机器人手臂，采用的是U＾RR+R构型。

本发明的多关节服务机器人手臂由具有两个摆动副的肩部关节(平动-转动万向铰U^)A、具有一个摆动副的肘部关节C、具有一个回转副和一个摆动副的腕部关节E、连接在肩部关节A和肘部关节C之间的大臂B、连接在肘部关节C和腕部关节E之间的小臂D、与腕部关节E相连接的手爪F组成。末端执行机械手由腕部关节E和手爪F组成，即由手爪基体E3、腕部舵机支撑E4、安装在基体内的腕部舵机E5、安装在手爪基体E3一侧的一对主/从动齿轮E6/E7、安装在手爪基体E3另一侧的一对输出轴E8及相应固定轴套E9、分别与一对齿轮E6/E7和一对输出轴套E8/E9固定连接的一对手爪F1/F2组成，手爪F1/F2位于手爪基体E3的外侧，用于取放物体。肩部关节A由平行四边形机构和肩部连接体组成，其中，平行四边形机构的驱动由固定在机器人本体的转动副实现，驱动方式采用直流伺服电机，对于肩部连接体及手臂的其他关节的驱动均采用舵机实现。

该多关节服务机器人手臂的肩部关节的构型方式采用的是平动-转动万向铰，具有两个自由度；平行四边形机构通过安装在机器人本体底部的转动副驱动(运动范围120°)，继而带动肩部连接体及手臂沿Z方向平动；肩部连接体在舵机的驱动下可实现绕Z方向的转动，继而带动大臂B绕Z方向摆动(运动范围180°)。肘部关节C具有一个自由度，在舵机的驱动下，肘关节C可带动小臂D绕Z方向摆动(运动范围180°)。若同时实现大臂B和小臂D在Z方向的摆动，可增大末端执行机械手的工作空间(垂直于Z方向的平面)。大臂B和小臂D在空间上与平行四边形机构构成了Z方向上的平动解耦，即：平行四边形机构作为移动输入，与垂直于大臂B和小臂D在构成平面的运动形式无关。采用这种平动解耦的思想可实现由纯转动—平动的转换，满足服务机器人手臂平稳传递物体的要求(如：平稳取放茶水)。腕部关节E有两个自由度，手爪基体E3通过腕部舵机法兰E2与小臂D相连，从而实现执行机械手在X方向的回转(运动范围360°)，手爪F1/F2通过安装在基体E3内的舵机E5带动齿轮E6/E7进行开闭动作(抓取动作)。

本发明的多关节服务机器人手臂，可左右对称安装在机器人上，通过计算机控制可协调动作；也可以配合其他简易机器人手臂使用。该机器人手臂机械结构紧凑，长度与人臂相仿；机械手臂的主体部分均采用铝型材或轻质铝板组成，重量轻便；各关节连接可靠，拆卸方便；电机和传感器连接线内置于机械臂体内，传动关系简单明了。手臂具有五自由度的特点，手臂运动范围大、可达性强、避障能力强，并且可实现机械手在Z方向的平动解耦；此外，作业手臂能耗低，采用直流24v蓄电池供电，可适用于移动式的服务机器人；单作业臂的最大抓取重量：2.0Kg。

本发明的具体优点如下：

现有的机器人关节型手臂多数结构单一、成本高(关节处多数采用的是伺服电机)；在机器人手臂各关节姿态不变的情况下，无法实现机械手在Z方向的平动。这对于低成本的助老助残服务机器人来讲，若实现机械手平稳抓取、传递物品(如：改造后的水杯、遥控器等)，则需要机械手臂各个关节的协调才能完成，这也势必增加了控制难度。采用发明的机器人手臂则可以只驱动肩部关节，即可完成机械手Z方向的平动，并且可以在设定Z方向位置后，实现手臂在相应垂直平面内的任意作业。另外，多数机器人手臂多采用转动副构型形式，转动副的驱动采用直流伺服电机，这也增加了机器人手臂设计的成本，对于低成本的助老/助残服务人显然不利，该发明的机器人手臂除肩部关节外，其他关节均采用了可控的舵机实现，可在不改变控制要求的情况下，降低了制造成本。

本发明的五自由度服务机器人手臂具有较大工作空间，并且结构简单、低成本、可实现Z方向平动，该手臂可以模仿人的手臂功能进行不同要求的操作，如帮助老人/伤残人完成物品的取、放、传递等动作。

四、附图说明：

图1是多关节服务机器人手臂安装在机器人身上的作业示意图。

图2是机器人手臂的结构构型原理图。

图3和图4是机器人手臂的结构图。

图5、图6、图7和图8是肩部关节A的结构图。

图9、图10和图11是手臂及肘关节的结构图。

图12、图13、图14和图15是末端执行机械手的结构图(包括腕关节和手爪)。

五、具体实施方式

一种可实现Z方向(铅直方向)平动解耦的多关节服务机器人手臂，手臂结构采用的是U^6RR+R构型。

U^RR+R构型由具有两个摆动副的肩部关节(A)、具有一个摆动副的肘部关节(C)、具有一个回转副和一个摆动副的腕部关节(E)、连接在肩部关节和肘部关节之间的大臂(B)、连接在肘部关节和腕部关节之间的小臂(D)、与腕部关节相连接的手爪(F)组成，肩部关节包括平行四边形机构和肩部连接体，在平行四边形机构的驱动臂(A3)上连接电机连接轴套(A1)，电机连接轴套(A1)与电机输出轴相连，肩部连接体设在平行四边形机构的连接臂(A6)上，肩部连接体包括支架，支架由支撑板(A7)和支撑角铝(A8、A14)组成，支架与肩部舵机(A12)、传动板(A9)相连，舵机(A12)固定在支架上，肩部传动板(A9)与支架连接，舵机(A12)输出轴与传动板(A9)连接，传动板(A9)与所述的大臂(B)的一端连接。

手臂的肘关节(C)包括肘部舵机(C2)和肘部传动板(C4)，肘部舵机(C2)固定在所述的大臂(B)的另一端，肘部舵机(C2)输出轴与肘部传动板(C4)连接，肘部传动板(C4)与所述的小臂(D)连接。

末端执行机械手由手爪基体(E3)、安装在手爪基体(E3)内的腕部舵机(E5)、安装在手爪基体(E3)一侧的一对主/从动齿轮(E6/E7)、分别与一对主/从动齿轮(E6/E7)固定连接的一对手爪(F1/F2)组成，手爪(F1/F2)位于手爪基体(E3)的外侧，腕部舵机(E5)的输出轴与主动齿轮(E6)连接。

下面参照附图，并在兼顾考虑结构优化、制造工艺等因素的基础上，对本发明作出更为详细的描述：

服务机器人进行服务作业的最基本、最直接的手段就是通过作业手臂进行各种各样的操作完成物品的取、放、开关、传递等动作。

本发明的作业型多关节机器人手臂，由具有两个摆动副的肩部关节(平动-转动万向铰)A、具有一个摆动副的肘部关节C、具有一个回转副和一个摆动副的腕部关节E、连接在肩部关节A和肘部关节C之间的大臂B、连接在肘部关节C和腕部关节E之间的小臂D、与腕部关节E相连接的手爪F组成(参见图3)。

本发明的多关节机器人手臂具有肩转、肩摆、肘摆、腕摆、腕自转的功能，机器人手臂的机构原理如图2所示，采用U^RR+R构型。其中，肩关节采用的是平动-转动万向铰U^，平动的输入由广义移动副平行四边形机构通过直流伺服电机驱动实现(图4)，肩关节的摆动可带动整个手臂实现Z方向的平动解耦。肩关节A由平行四边形机构和肩部连接体组成(图6)。其中，平行四边形机构由电机连接轴套A1、驱动臂A3、(肩转)轴承盖A2、(肩转)轴承套A4、转动输出轴A5及连接臂A6组成。肩部连接体由支撑板A7、支撑角铝(上)A8、传动板A9、舵机法兰A10、连接支撑A11、肩部舵机A12、同心输出轴A13、支撑角铝(下)A14、同心输出轴套A15及轴承盖A16组成。

肩部关节的具体连接方式：选取任一个电机连接轴套A1固定在驱动臂A3上，另一连接轴套与相应连接轴构成随动转动关节；(肩转)轴承套A4、轴承盖A2通过(肩转)连接轴跨接在驱动臂A3上，整个(肩转)关节随动；连接臂A6通过转动输出轴A5将两个驱动臂A3连接，构成平行四边形驱动机构；连接臂A6通过支撑板A7、连接角铝等构成肩部连接体，即首先由平行四边形机构连接臂A6与支撑板A7、支撑角铝(上)A8、支撑角铝(下)相连接；另外，舵机A12与支撑角铝(上)A8、舵机法兰A10、肩部传动板A9及连接支撑A11组成肩部连接体的上半部；同心输出轴A13与支撑角铝(下)A14、肩部传动板A9、输出轴套A15、轴承盖A16及连接支撑A11组成肩部连接体的下半部。具体肩关节的连接方式参见图5所示。

大臂B由基体B1和加强筋B2组成；大臂一端通过与肩关节A的连接支撑A11和传动板A9连接，用以运动的输入，大臂的另一端与肘关节C相连，构成下一级的转动输出。

肘关节C的连接方式类似于肩关节A的肩部连接体，即肘关节C首先由同心轴C1与大臂B、肘部传动板C4、同心输出轴套C5、轴承盖C6及连接支撑C7组成肘关节的上半部；另外，肘部舵机C2与舵机法兰C3、传动板C4及连接支撑C7组成肘关节的下半部。具体连接方式参见图7所示。

小臂D由基体D2和加强筋D1组成；小臂一端通过与肘关节C的连接支撑C7和肘部传动板C4连接，用以运动的输入，小臂的另一端与腕关节E相连，构成下一级的转动输出。

腕部关节E有两个自由度，手爪基体E3通过舵机法兰E2与小臂D相连，从而实现绕X方向的回转(运动范围360°)，带动整个机械手转动，手爪F1/F2通过安装在基体E3内的腕部舵机E5带动齿轮E6/E7进行开闭动作(抓取动作)。末端执行机械手由腕部关节E和手爪F组成，即由手爪基体E3、舵机支撑E4、安装在基体内的腕部舵机E5、安装在手爪基体E3一侧的一对主/从动齿轮E6/E7、安装在手爪基体E3另一侧的一对输出轴E8及相应固定轴套E9、分别与一对齿轮E6/E7和一对输出轴套E8/E9固定连接的一对手爪F1/F2组成，手爪F1/F2位于手爪基体E3的外侧，用于取放物体。

本发明的服务机器人手臂的连接方式简单、易拆卸，各连接处均采用标准件(螺钉、螺栓等)实施。