本發(fā)明涉及一種多自由度人體仿生機(jī)械手臂，屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在日常生活領(lǐng)域，隨著服務(wù)機(jī)器人的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人助手已逐漸走進(jìn)人類家庭。機(jī)械手臂作為服務(wù)機(jī)器人的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其重要性不言而喻。機(jī)械手臂可以完成抓取、焊接、裝配、機(jī)械加工等諸多功能，在工業(yè)生產(chǎn)中可以大大提高工作效率、作業(yè)精度。在惡劣環(huán)境下，如煙霧、粉塵、易燃易爆、高溫、高壓、有毒氣體及放射性環(huán)境等，由機(jī)器人代替勞動(dòng)人員能很好地保證工作人員的安全。

為了能使服務(wù)機(jī)器人更好地適應(yīng)家庭室內(nèi)的工作環(huán)境和進(jìn)一步得到普及，其機(jī)械手臂必須具有小型化、功能化、人性化、靈活性、觀賞性、安全性、低成本等特點(diǎn)，這些都是目前工業(yè)或者特種機(jī)械手臂所缺乏的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種適用于家庭服務(wù)機(jī)器人的仿生機(jī)械手臂，動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)簡單，控制精確，低廉且易于制造。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種多自由度人體仿生機(jī)械手臂，其特征在于：包括依次相連的肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和機(jī)械手；

所述肩關(guān)節(jié)包括橫向并排設(shè)置的基座和軸承座，基座上固設(shè)有第一舵機(jī)，軸承座中設(shè)有第一軸承，第一舵機(jī)的舵盤固連有第一傳動(dòng)軸，并且第一傳動(dòng)軸配合插設(shè)在第一軸承中；第一傳動(dòng)軸穿過軸承座后固定連接有肩胛，肩胛上固設(shè)有第二舵機(jī)；第二舵機(jī)的輸出軸心與第一舵機(jī)的輸出軸心垂直；第一傳動(dòng)軸的軸心與第一舵機(jī)的輸出軸心平行或一致；所述第一傳動(dòng)軸的方向?yàn)榧珀P(guān)節(jié)的軸線方向；

所述大臂包括肱骨，肱骨的上部與第二舵機(jī)的舵盤固定連接，肱骨的中間固設(shè)有第三舵機(jī)，肱骨下部設(shè)有第二軸承，第三舵機(jī)的舵盤固連有第二傳動(dòng)軸，第二傳動(dòng)軸配合插設(shè)在第二軸承中；第三舵機(jī)的輸出軸心與第二舵機(jī)的輸出軸心垂直，第二傳動(dòng)軸的軸心與第三舵機(jī)的輸出軸心平行或一致；所述第二傳動(dòng)軸的方向?yàn)榇蟊鄣妮S線方向；

所述肘關(guān)節(jié)包括肘，肘的上部與第二傳動(dòng)軸固定連接，肘的下部固設(shè)有第四舵機(jī)，并且第四舵機(jī)的輸出軸心垂直于第三舵機(jī)的輸出軸心；

所述小臂包括尺骨，尺骨的后部與第四舵機(jī)的舵盤固定連接，尺骨的中間固設(shè)有第五舵機(jī)，第五舵機(jī)的輸出軸心垂直于第四舵機(jī)的輸出軸心；尺骨的前部設(shè)有第三軸承，第五舵機(jī)的舵盤固連有第三傳動(dòng)軸，第三傳動(dòng)軸配合插設(shè)在第三軸承中；第三傳動(dòng)軸的軸心與第五舵機(jī)的輸出軸心平行或一致；所述第三傳動(dòng)軸的方向?yàn)樾”鄣妮S線方向；

所述機(jī)械手包括腕、手掌下和手掌上；腕的后部與第三傳動(dòng)軸的舵盤固定連接，腕的前部與手掌下固定連接，手掌上與手掌下固定連接；手掌下的中間安裝有第六舵機(jī)、第七舵機(jī)、第八舵機(jī)、第九舵機(jī)和第十舵機(jī)，其中，第八舵機(jī)位于手掌位置，第八舵機(jī)的輸出軸心方向與拇指垂直，用于通過拉線控制拇指的屈伸，第六舵機(jī)、第七舵機(jī)、第九舵機(jī)和第十舵機(jī)均位于小臂內(nèi)部、手掌和手腕之間，平行疊加排列以減少所占空間，分別用于通過相應(yīng)的拉線控制食指、中指、無名指和小指的屈伸，所述拉線均穿在相應(yīng)手指和手掌的內(nèi)部并且其兩端分別與相應(yīng)舵盤和指尖固定相連；第六舵機(jī)、第七舵機(jī)、第九舵機(jī)和第十舵機(jī)的輸出軸心均垂直于第五舵機(jī)的輸出軸心；

所述食指、中指、無名指和小指并排設(shè)置且結(jié)構(gòu)相同，均包括固設(shè)在手掌下前部的手指基座和設(shè)在手指基座上且依次相連的三個(gè)指節(jié)；所述拇指與其余四手指之間為分離設(shè)置，包括固設(shè)在手掌上前部的手指基座和設(shè)在手指基座上且依次相連的兩個(gè)指節(jié)；所述的每個(gè)指節(jié)均包括扣合在一起的左指節(jié)和右指節(jié)；所述指節(jié)與手指基座之間以及指節(jié)與指節(jié)之間均通過鉸軸連接，并且在各鉸軸上均安裝有扭簧。

進(jìn)一步的，所述機(jī)械手臂還包括主控制板和副控制板；所述主控制板設(shè)在基座的附近，用于控制第一至第四舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；所述副控制板設(shè)在尺骨上，用于控制第五至第十舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；所述主控制板以rs-485的通訊方式與上位機(jī)相連接并以rs-232的通訊方式與副控制板相連接；主控制板從上位機(jī)獲取機(jī)械手臂所有關(guān)節(jié)的角度，再把第五至第十舵機(jī)的角度發(fā)送給副控制板。

進(jìn)一步的，所述基座的底部開設(shè)有多個(gè)用于將其安裝在機(jī)器人上的安裝孔；所述第一舵機(jī)的舵盤首先固連有第一連接器，第一傳動(dòng)軸首先固連有第二連接器，第一連接器與第二連接器通過螺絲固定相連；所述軸承座的外側(cè)設(shè)有軸承座蓋。

進(jìn)一步的，所述第二舵機(jī)的外部還包覆安裝有兩個(gè)肩殼，并且肩殼、均卡扣在肩胛上。

進(jìn)一步的，所述第二舵機(jī)的舵盤上固設(shè)有舵機(jī)連接件，舵機(jī)連接件通過螺絲固定在肱骨的上部；第二軸承固設(shè)在肱骨下部的安裝槽中，并且第二軸承的兩側(cè)還設(shè)有軸承蓋；所述肱骨的外部還包覆安裝有兩個(gè)大臂殼，并且兩個(gè)大臂殼、均卡扣在肱骨上。

進(jìn)一步的，所述肘的外部還包覆安裝有兩個(gè)肘殼，并且兩個(gè)肘殼、均卡扣在肘上。

進(jìn)一步的，所述第四舵機(jī)的舵盤上固連有舵機(jī)連接件，并且舵機(jī)連接件通過螺絲固定在尺骨的后部；第三軸承固設(shè)在尺骨后部的安裝槽中，并且第三軸承的兩側(cè)還設(shè)有軸承蓋；所述尺骨的外部還包覆安裝有兩個(gè)小臂殼，并且兩個(gè)小臂殼、均卡扣在尺骨上。

進(jìn)一步的，所述手掌下的外部還包覆安裝有兩個(gè)腕殼，并且兩個(gè)腕殼、均卡扣在手掌下上。

進(jìn)一步的，所述指節(jié)包括扣合在一起的左指節(jié)和右指節(jié)，并且左指節(jié)和右指節(jié)通過螺絲和螺母固定連接。

進(jìn)一步的，所述第一至第四舵機(jī)均采用robotis數(shù)字舵機(jī)；所述第五至第十舵機(jī)均采用銀燕數(shù)字舵機(jī)。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

本發(fā)明的肩關(guān)節(jié)有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，肘關(guān)節(jié)有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，腕關(guān)節(jié)有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，機(jī)械手有五根手指，各具有一個(gè)屈伸自由度；本發(fā)明以人體手臂及手掌為藍(lán)本，在自由度的排列、外觀的設(shè)計(jì)等方面都力求與人類相接近；本發(fā)明具有控制簡單、自由度多、安裝方便、成本低廉、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，既可作為模塊安裝在服務(wù)機(jī)器人上，又能單獨(dú)用于教學(xué)研究、開發(fā)應(yīng)用等各種領(lǐng)域中。

本發(fā)明采用數(shù)字舵機(jī)作為動(dòng)力來源，由電力驅(qū)動(dòng)舵機(jī)從而帶動(dòng)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)；舵機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，響應(yīng)迅速，輸出力矩大，且輸出運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)相一致等優(yōu)點(diǎn)，從而大大簡化了該機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)，減輕了其總質(zhì)量，減少了制造成本，且便于維修更換；同時(shí)還具有易于編程控制的優(yōu)點(diǎn)，便于二次開發(fā)和在不同場合的應(yīng)用；在關(guān)節(jié)的連接部分均運(yùn)用了軸承結(jié)構(gòu)，可大大減小摩擦力，減少所需的舵機(jī)輸出力矩，避免舵機(jī)過載，延長了舵機(jī)壽命；機(jī)械手臂的外殼使用卡扣結(jié)構(gòu)安裝在機(jī)械手臂本體上，拆卸方便，無螺絲孔，造型美觀；控制手指的五個(gè)舵機(jī)沒有全部放在手掌處，其中有四個(gè)被移到了小臂、手腕處，避免了手掌過于臃腫，方便手掌的造型與建模，同時(shí)也減小了力臂的長度，減輕了關(guān)節(jié)舵機(jī)的負(fù)擔(dān)；拇指與其余四指相對(duì)排列，與人手抓握東西時(shí)的動(dòng)作一致，便于該機(jī)械手抓取某些小型目標(biāo)；手指與手掌采用分離式設(shè)計(jì)，便于機(jī)械手的組裝，以及某根手指意外折斷時(shí)的更換；不同的手指采用不同的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了外觀上的無螺孔設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的肩部部分示意圖；

圖3是本發(fā)明的肩部另一部分示意圖；

圖4是本發(fā)明的大臂示意圖；

圖5是本發(fā)明的肘部示意圖；

圖6是本發(fā)明的小臂示意圖；

圖7是本發(fā)明的機(jī)械手示意圖；

圖8是本發(fā)明的機(jī)械手指示意圖；

圖9是本發(fā)明的控制板位置示意圖；

圖10是本發(fā)明的主控制板與副控制板的通訊連接示意圖；

圖11是本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用案例；

圖中：1、基座，2、第一舵機(jī)，3、第一連接器，4、第二連接器，5、軸承座，6、軸承座蓋，7、第一傳動(dòng)軸，8、肩胛，9、肩殼，10、肩殼，11、第二舵機(jī)，12、大臂殼，13、肱骨，14、舵機(jī)連接件，15、大臂殼，16、第三舵機(jī)，17、第二傳動(dòng)軸，18、軸承蓋，19、第二軸承，20、肘殼，21、肘，22、肘殼，23、第四舵機(jī)，24、軸承蓋，25、小臂殼，26、第五舵機(jī)，27、尺骨，28、舵機(jī)連接件，29、小臂殼，30、副控制板，31、第三傳動(dòng)軸，32、第三軸承，33、腕，34、手掌下，35、第六舵機(jī)，36、腕殼，37、第七舵機(jī)，38、手掌上，43、第八舵機(jī)，44、第九舵機(jī)，45、第十舵機(jī)，46、腕殼，47、手指基座，50、左指節(jié)，51、右指節(jié)，56、主控制板，57、支承板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種多自由度人體仿生機(jī)械手臂，包括依次相連的肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和機(jī)械手。

如圖2、3所示，本發(fā)明的肩關(guān)節(jié)包括橫向并排設(shè)置的基座1和軸承座5，基座1上固設(shè)有第一舵機(jī)2，通過螺絲固定，軸承座5中設(shè)有第一軸承，第一舵機(jī)2的舵盤固連有第一傳動(dòng)軸7，以傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)，并且第一傳動(dòng)軸7配合插設(shè)在第一軸承中，以減小摩擦力；第一傳動(dòng)軸7穿過軸承座5后固定連接有肩胛8，肩胛8上固設(shè)有第二舵機(jī)11；第二舵機(jī)11的輸出軸心與第一舵機(jī)2的輸出軸心垂直；第一傳動(dòng)軸7的軸心與第一舵機(jī)2的輸出軸心平行或一致；所述第一傳動(dòng)軸7的方向?yàn)榧珀P(guān)節(jié)的軸線方向；基座1的底部開設(shè)有多個(gè)用于將其安裝在機(jī)器人上的安裝孔；所述第一舵機(jī)2的舵盤首先固連有第一連接器3，第一傳動(dòng)軸7首先固連有第二連接器4，第一連接器3與第二連接器4通過螺絲固定相連；所述軸承座5的外側(cè)設(shè)有軸承座蓋6。軸承座5上亦有定位孔，與基座1共同完成機(jī)械臂的定位工作，以提高定位強(qiáng)度及精確性。所述第二舵機(jī)11的外部還包覆安裝有兩個(gè)肩殼9、10，并且肩殼9、10均卡扣在肩胛8上。

如圖4所示，本發(fā)明的大臂包括肱骨13，肱骨13的上部與舵機(jī)連接件14固定相連，舵機(jī)連接件14與第二舵機(jī)11的舵盤固定連接，肱骨13的中間固設(shè)有第三舵機(jī)16，肱骨13下部設(shè)有第二軸承19，第三舵機(jī)16的舵盤固連有第二傳動(dòng)軸17，第二傳動(dòng)軸17配合插設(shè)在第二軸承19中；第三舵機(jī)16的輸出軸心與第二舵機(jī)11的輸出軸心垂直，第二傳動(dòng)軸17的軸心與第三舵機(jī)16的輸出軸心平行或一致；所述第二傳動(dòng)軸17的方向?yàn)榇蟊鄣妮S線方向；第二軸承19固設(shè)在肱骨13下部的安裝槽中，并且第二軸承19的兩側(cè)還設(shè)有軸承蓋18；所述肱骨13的外部還包覆安裝有兩個(gè)大臂殼12、15，并且兩個(gè)大臂殼12、15均卡扣在肱骨13上。

如圖5所示，本發(fā)明的肘關(guān)節(jié)包括肘21，肘21的上部與第二傳動(dòng)軸17固定連接，肘21的下部固設(shè)有第四舵機(jī)23，并且第四舵機(jī)23的輸出軸心垂直于第三舵機(jī)16的輸出軸心；肘21的外部還包覆安裝有兩個(gè)肘殼20、22，并且兩個(gè)肘殼20、22均卡扣在肘21上。

如圖6所示，本發(fā)明的小臂包括尺骨27，尺骨27的后部與第四舵機(jī)23的舵盤固定連接，第四舵機(jī)23的舵盤上固連有舵機(jī)連接件28，并且舵機(jī)連接件28通過螺絲固定在尺骨27的后部；尺骨27的中間固設(shè)有第五舵機(jī)26，第五舵機(jī)26的輸出軸心垂直于第四舵機(jī)23的輸出軸心；尺骨27的前部設(shè)有第三軸承32，第三軸承32固設(shè)在尺骨27后部的安裝槽中，并且第三軸承32的兩側(cè)還設(shè)有軸承蓋24；第五舵機(jī)26的舵盤固連有第三傳動(dòng)軸31，第三傳動(dòng)軸31配合插設(shè)在第三軸承32中；第三傳動(dòng)軸31的軸心與第五舵機(jī)26的輸出軸心平行或一致；所述第三傳動(dòng)軸31的方向?yàn)樾”鄣妮S線方向；尺骨27的外部還包覆安裝有兩個(gè)小臂殼25、29，并且兩個(gè)小臂殼25、29均卡扣在尺骨27上。

如圖7所示，本發(fā)明的機(jī)械手包括腕33、手掌下34和手掌上38；腕33的后部與第三傳動(dòng)軸31的舵盤通過螺絲固定連接，腕33的前部與手掌下34固定連接，手掌上38與手掌下34固定連接；手掌下34的中間安裝有第六舵機(jī)35、第七舵機(jī)37、第八舵機(jī)43、第九舵機(jī)44和第十舵機(jī)45，其中，第八舵機(jī)43位于手掌位置，第八舵機(jī)43的輸出軸心方向與拇指垂直，用于通過拉線控制拇指的屈伸，第六舵機(jī)35、第七舵機(jī)37、第九舵機(jī)44和第十舵機(jī)45均位于小臂內(nèi)部、手掌和手腕之間，平行疊加排列以減少所占空間，分別用于通過相應(yīng)的拉線控制食指、中指、無名指和小指的屈伸，所述拉線均穿在相應(yīng)手指和手掌的內(nèi)部并且其兩端分別與相應(yīng)舵盤和指尖固定相連；第六舵機(jī)35、第七舵機(jī)37、第九舵機(jī)44和第十舵機(jī)45的輸出軸心均垂直于第五舵機(jī)26的輸出軸心。

食指、中指、無名指和小指并排設(shè)置且結(jié)構(gòu)相同，均包括固設(shè)在手掌下34前部的手指基座47和設(shè)在手指基座47上且依次相連的三個(gè)指節(jié)；拇指與其余四手指之間為分離設(shè)置，包括固設(shè)在手掌上38前部的手指基座47和設(shè)在手指基座47上且依次相連的兩個(gè)指節(jié)；如圖8所示，每個(gè)指節(jié)均包括扣合在一起的左指節(jié)50和右指節(jié)51；指節(jié)與手指基座47之間以及指節(jié)與指節(jié)之間均通過鉸軸連接，并且在各鉸軸上均安裝有扭簧。在扭簧的彈性作用下，手指的自然狀態(tài)是伸直的；當(dāng)舵機(jī)上電轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過拉線帶動(dòng)相應(yīng)的手指彎曲；通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即可控制手指彎曲的幅度。手掌下34的外部還包覆安裝有兩個(gè)腕殼36、46，并且兩個(gè)腕殼36、46均卡扣在手掌下34上。

本發(fā)明的第一傳動(dòng)軸7、第二傳動(dòng)軸17和第三傳動(dòng)軸31均采用d形軸+螺絲固定的方式與下一級(jí)零部件相連接，傳動(dòng)方向分別為肩關(guān)節(jié)軸向、大臂軸向和小臂軸向；機(jī)械手臂的各個(gè)自由度均由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，且不同位置所使用的舵機(jī)也不同；第一至第四舵機(jī)2、11、16、23采用不同型號(hào)的robotis數(shù)字舵機(jī)；第五至第十舵機(jī)26、35、37、43、44、45采用不同型號(hào)的銀燕數(shù)字舵機(jī)；針對(duì)不同的關(guān)節(jié)采用不同的數(shù)字舵機(jī)，以降低成本、小型化、提高設(shè)計(jì)的美觀度。

本發(fā)明的第一舵機(jī)2、第二舵機(jī)11均采用robotis公司的mx-64ar數(shù)字舵機(jī)，mx-64ar數(shù)字舵機(jī)的最大扭矩為7.3n·m14.8v，mx-64ar舵機(jī)采用rs-485多點(diǎn)總線連接，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)同類舵機(jī)串行聯(lián)接，大大減少了連接線路的復(fù)雜程度。第三舵機(jī)16采用robotis公司的ax-18a數(shù)字舵機(jī)，第四舵機(jī)23采用robotis公司的ax-12a數(shù)字舵機(jī)，ax-18a數(shù)字舵機(jī)的最大扭矩為1.8n·m12v，ax-12a數(shù)字舵機(jī)的最大扭矩為1.2n·m7v，ax-18a數(shù)字舵機(jī)和ax-12a數(shù)字舵機(jī)均采用ttl多點(diǎn)總線連接，通訊協(xié)議為半雙工異步串口通訊。第五舵機(jī)26采用銀燕公司的es3154金屬數(shù)碼舵機(jī)，第六至第十舵機(jī)35、37、43、44、45均采用銀燕公司的es08md金屬數(shù)碼舵機(jī)，es3154金屬數(shù)碼舵機(jī)的最大靜止扭矩為0.3n·m4.8v，es08md金屬數(shù)碼舵機(jī)的最大靜止扭矩為0.16n·m4.8v，兩種銀燕舵機(jī)均有三個(gè)輸入端：電源正極、電源負(fù)極和信號(hào)線，兩種銀燕舵機(jī)由pwm波信號(hào)控制。第一軸承采用ntn公司的6004zz深溝球軸承；第二軸承19、第三軸承32采用ntn公司的6000zz深溝球軸承；6004zz軸承和6000zz軸承均為鐵蓋密封軸承，可有效防止灰塵等雜物進(jìn)入軸承。

如圖9、10所示，本發(fā)明的機(jī)械手臂還包括主控制板56和副控制板30；主控制板56設(shè)在基座1的附近，用于控制第一至第四舵機(jī)2、11、16、23的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；副控制板30設(shè)在尺骨27上，用于控制第五至第十舵機(jī)26、35、37、43、44、45的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出；主控制板56以rs-485的通訊方式與上位機(jī)相連接并以rs-232的通訊方式與副控制板30相連接；主控制板56從上位機(jī)獲取機(jī)械手臂所有關(guān)節(jié)的角度，再把第五至第十舵機(jī)26、35、37、43、44、45的角度發(fā)送給副控制板30。主控制板56采用rs-485通訊協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)主機(jī)可以帶多個(gè)從機(jī)，例如在圖11中所展示的場景。

如圖11所示，是本發(fā)明的一種應(yīng)用實(shí)例：由兩個(gè)機(jī)械手臂組成的雙臂協(xié)作系統(tǒng)；圖中支承板57用于固定兩個(gè)機(jī)械手臂；兩個(gè)機(jī)械手臂可以相互合作，共同完成一些較為復(fù)雜的任務(wù)，這樣就大大擴(kuò)展了該機(jī)械手臂的能力，有利于其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。