一种仿生机械手臂制造技术

本发明专利技术公开了一种多自由度人体仿生机械手臂，包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手，肩关节有两个转动自由度，肘关节有两个转动自由度，腕关节有一个转动自由度，机械手有五根手指，各具有一个屈伸自由度；本发明专利技术以人体手臂及手掌为蓝本，在自由度的排列、外观的设计等方面都力求与人类相接近，具有控制简单、自由度多、安装方便、成本低廉、造型美观等优点，既可作为模块安装在服务机器人上，又能单独用于教学研究、开发应用等各种领域中。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生机械手臂
本专利技术涉及一种多自由度人体仿生机械手臂，属于仿生机器人

技术介绍
在日常生活领域，随着服务机器人的蓬勃发展，机器人助手已逐渐走进人类家庭。机械手臂作为服务机器人的主要执行机构，其重要性不言而喻。机械手臂可以完成抓取、焊接、装配、机械加工等诸多功能，在工业生产中可以大大提高工作效率、作业精度。在恶劣环境下，如烟雾、粉尘、易燃易爆、高温、高压、有毒气体及放射性环境等，由机器人代替劳动人员能很好地保证工作人员的安全。为了能使服务机器人更好地适应家庭室内的工作环境和进一步得到普及，其机械手臂必须具有小型化、功能化、人性化、灵活性、观赏性、安全性、低成本等特点，这些都是目前工业或者特种机械手臂所缺乏的。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，提供一种适用于家庭服务机器人的仿生机械手臂，动作灵活，结构简单，控制精确，低廉且易于制造。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手；所述肩关节包括横向并排设置的基座和轴承座，基座上固设有第一舵机，轴承座中设有第一轴承，第一舵机的舵盘固连有第一传动轴，并且第一传动轴配合插设在第一轴承中；第一传动轴穿过轴承座后固定连接有肩胛，肩胛上固设有第二舵机；第二舵机的输出轴心与第一舵机的输出轴心垂直；第一传动轴的轴心与第一舵机的输出轴心平行或一致；所述第一传动轴的方向为肩关节的轴线方向；所述大臂包括肱骨，肱骨的上部与第二舵机的舵盘固定连接，肱骨的中间固设有第三舵机，肱骨下部设有第二轴承，第三舵机的舵盘固连有第二传动轴，第二传动轴配合插设在第二轴承中；第三舵机的输出轴心与第二舵机的输出轴心垂直，第二传动轴的轴心与第三舵机的输出轴心平行或一致；所述第二传动轴的方向为大臂的轴线方向；所述肘关节包括肘，肘的上部与第二传动轴固定连接，肘的下部固设有第四舵机，并且第四舵机的输出轴心垂直于第三舵机的输出轴心；所述小臂包括尺骨，尺骨的后部与第四舵机的舵盘固定连接，尺骨的中间固设有第五舵机，第五舵机的输出轴心垂直于第四舵机的输出轴心；尺骨的前部设有第三轴承，第五舵机的舵盘固连有第三传动轴，第三传动轴配合插设在第三轴承中；第三传动轴的轴心与第五舵机的输出轴心平行或一致；所述第三传动轴的方向为小臂的轴线方向；所述机械手包括腕、手掌下和手掌上；腕的后部与第三传动轴的舵盘固定连接，腕的前部与手掌下固定连接，手掌上与手掌下固定连接；手掌下的中间安装有第六舵机、第七舵机、第八舵机、第九舵机和第十舵机，其中，第八舵机位于手掌位置，第八舵机的输出轴心方向与拇指垂直，用于通过拉线控制拇指的屈伸，第六舵机、第七舵机、第九舵机和第十舵机均位于小臂内部、手掌和手腕之间，平行叠加排列以减少所占空间，分别用于通过相应的拉线控制食指、中指、无名指和小指的屈伸，所述拉线均穿在相应手指和手掌的内部并且其两端分别与相应舵盘和指尖固定相连；第六舵机、第七舵机、第九舵机和第十舵机的输出轴心均垂直于第五舵机的输出轴心；所述食指、中指、无名指和小指并排设置且结构相同，均包括固设在手掌下前部的手指基座和设在手指基座上且依次相连的三个指节；所述拇指与其余四手指之间为分离设置，包括固设在手掌上前部的手指基座和设在手指基座上且依次相连的两个指节；所述的每个指节均包括扣合在一起的左指节和右指节；所述指节与手指基座之间以及指节与指节之间均通过铰轴连接，并且在各铰轴上均安装有扭簧。进一步的，所述机械手臂还包括主控制板和副控制板；所述主控制板设在基座的附近，用于控制第一至第四舵机的转动输出；所述副控制板设在尺骨上，用于控制第五至第十舵机的转动输出；所述主控制板以RS-485的通讯方式与上位机相连接并以RS-232的通讯方式与副控制板相连接；主控制板从上位机获取机械手臂所有关节的角度，再把第五至第十舵机的角度发送给副控制板。进一步的，所述基座的底部开设有多个用于将其安装在机器人上的安装孔；所述第一舵机的舵盘首先固连有第一连接器，第一传动轴首先固连有第二连接器，第一连接器与第二连接器通过螺丝固定相连；所述轴承座的外侧设有轴承座盖。进一步的，所述第二舵机的外部还包覆安装有两个肩壳，并且肩壳、均卡扣在肩胛上。进一步的，所述第二舵机的舵盘上固设有舵机连接件，舵机连接件通过螺丝固定在肱骨的上部；第二轴承固设在肱骨下部的安装槽中，并且第二轴承的两侧还设有轴承盖；所述肱骨的外部还包覆安装有两个大臂壳，并且两个大臂壳、均卡扣在肱骨上。进一步的，所述肘的外部还包覆安装有两个肘壳，并且两个肘壳、均卡扣在肘上。进一步的，所述第四舵机的舵盘上固连有舵机连接件，并且舵机连接件通过螺丝固定在尺骨的后部；第三轴承固设在尺骨后部的安装槽中，并且第三轴承的两侧还设有轴承盖；所述尺骨的外部还包覆安装有两个小臂壳，并且两个小臂壳、均卡扣在尺骨上。进一步的，所述手掌下的外部还包覆安装有两个腕壳，并且两个腕壳、均卡扣在手掌下上。进一步的，所述指节包括扣合在一起的左指节和右指节，并且左指节和右指节通过螺丝和螺母固定连接。进一步的，所述第一至第四舵机均采用Robotis数字舵机；所述第五至第十舵机均采用银燕数字舵机。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术的肩关节有两个转动自由度，肘关节有两个转动自由度，腕关节有一个转动自由度，机械手有五根手指，各具有一个屈伸自由度；本专利技术以人体手臂及手掌为蓝本，在自由度的排列、外观的设计等方面都力求与人类相接近；本专利技术具有控制简单、自由度多、安装方便、成本低廉、造型美观等优点，既可作为模块安装在服务机器人上，又能单独用于教学研究、开发应用等各种领域中。本专利技术采用数字舵机作为动力来源，由电力驱动舵机从而带动机械手臂运动；舵机具有结构简单，控制方便，响应迅速，输出力矩大，且输出运动，旋转与目标运动，旋转相一致等优点，从而大大简化了该机械手臂的结构，减轻了其总质量，减少了制造成本，且便于维修更换；同时还具有易于编程控制的优点，便于二次开发和在不同场合的应用；在关节的连接部分均运用了轴承结构，可大大减小摩擦力，减少所需的舵机输出力矩，避免舵机过载，延长了舵机寿命；机械手臂的外壳使用卡扣结构安装在机械手臂本体上，拆卸方便，无螺丝孔，造型美观；控制手指的五个舵机没有全部放在手掌处，其中有四个被移到了小臂、手腕处，避免了手掌过于臃肿，方便手掌的造型与建模，同时也减小了力臂的长度，减轻了关节舵机的负担；拇指与其余四指相对排列，与人手抓握东西时的动作一致，便于该机械手抓取某些小型目标；手指与手掌采用分离式设计，便于机械手的组装，以及某根手指意外折断时的更换；不同的手指采用不同的结构，从而实现了外观上的无螺孔设计。附图说明图1是本专利技术的整体结构图；图2是本专利技术的肩部部分示意图；图3是本专利技术的肩部另一部分示意图；图4是本专利技术的大臂示意图；图5是本专利技术的肘部示意图；图6是本专利技术的小臂示意图；图7是本专利技术的机械手示意图；图8是本专利技术的机械手指示意图；图9是本专利技术的控制板位置示意图；图10是本专利技术的主控制板与副控制板的通讯连接示意图；图11是本专利技术的一个应用案例；图中：1、基座，2、第一舵机，3、第一连接器，4、第二连接器，5、轴承座，6、轴承座盖，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手；所述肩关节包括横向并排设置的基座(1)和轴承座(5)，基座(1)上固设有第一舵机(2)，轴承座(5)中设有第一轴承，第一舵机(2)的舵盘固连有第一传动轴(7)，并且第一传动轴(7)配合插设在第一轴承中；第一传动轴(7)穿过轴承座(5)后固定连接有肩胛(8)，肩胛(8)上固设有第二舵机(11)；第二舵机(11)的输出轴心与第一舵机(2)的输出轴心垂直；第一传动轴(7)的轴心与第一舵机(2)的输出轴心平行或一致；所述第一传动轴(7)的方向为肩关节的轴线方向；所述大臂包括肱骨(13)，肱骨(13)的上部与第二舵机(11)的舵盘固定连接，肱骨(13)的中间固设有第三舵机(16)，肱骨(13)下部设有第二轴承(19)，第三舵机(16)的舵盘固连有第二传动轴(17)，第二传动轴(17)配合插设在第二轴承(19)中；第三舵机(16)的输出轴心与第二舵机(11)的输出轴心垂直，第二传动轴(17)的轴心与第三舵机(16)的输出轴心平行或一致；所述第二传动轴(17)的方向为大臂的轴线方向；所述肘关节包括肘(21)，肘(21)的上部与第二传动轴(17)固定连接，肘(21)的下部固设有第四舵机(23)，并且第四舵机(23)的输出轴心垂直于第三舵机(16)的输出轴心；所述小臂包括尺骨(27)，尺骨(27)的后部与第四舵机(23)的舵盘固定连接，尺骨(27)的中间固设有第五舵机(26)，第五舵机(26)的输出轴心垂直于第四舵机(23)的输出轴心；尺骨(27)的前部设有第三轴承(32)，第五舵机(26)的舵盘固连有第三传动轴(31)，第三传动轴(31)配合插设在第三轴承(32)中；第三传动轴(31)的轴心与第五舵机(26)的输出轴心平行或一致；所述第三传动轴(31)的方向为小臂的轴线方向；所述机械手包括腕(33)、手掌下(34)和手掌上(38)；腕(33)的后部与第三传动轴(31)的舵盘固定连接，腕(33)的前部与手掌下(34)固定连接，手掌上(38)与手掌下(34)固定连接；手掌下(34)的中间安装有第六舵机(35)、第七舵机(37)、第八舵机(43)、第九舵机(44)和第十舵机(45)，其中，第八舵机(43)位于手掌位置，第八舵机(43)的输出轴心方向与拇指垂直，用于通过拉线控制拇指的屈伸，第六舵机(35)、第七舵机(37)、第九舵机(44)和第十舵机(45)均位于小臂内部、手掌和手腕之间，平行叠加排列以减少所占空间，分别用于通过相应的拉线控制食指、中指、无名指和小指的屈伸，所述拉线均穿在相应手指和手掌的内部并且其两端分别与相应舵盘和指尖固定相连；第六舵机(35)、第七舵机(37)、第九舵机(44)和第十舵机(45)的输出轴心均垂直于第五舵机(26)的输出轴心；所述食指、中指、无名指和小指并排设置且结构相同，均包括固设在手掌下(34)前部的手指基座(47)和设在手指基座(47)上且依次相连的三个指节；所述拇指与其余四手指之间为分离设置，包括固设在手掌上(38)前部的手指基座(47)和设在手指基座(47)上且依次相连的两个指节；所述的每个指节均包括扣合在一起的左指节和右指节；所述指节与手指基座(47)之间以及指节与指节之间均通过铰轴连接，并且在各铰轴上均安装有扭簧。...

【技术特征摘要】
1.一种多自由度人体仿生机械手臂，其特征在于：包括依次相连的肩关节、大臂、肘关节、小臂和机械手；所述肩关节包括横向并排设置的基座(1)和轴承座(5)，基座(1)上固设有第一舵机(2)，轴承座(5)中设有第一轴承，第一舵机(2)的舵盘固连有第一传动轴(7)，并且第一传动轴(7)配合插设在第一轴承中；第一传动轴(7)穿过轴承座(5)后固定连接有肩胛(8)，肩胛(8)上固设有第二舵机(11)；第二舵机(11)的输出轴心与第一舵机(2)的输出轴心垂直；第一传动轴(7)的轴心与第一舵机(2)的输出轴心平行或一致；所述第一传动轴(7)的方向为肩关节的轴线方向；所述大臂包括肱骨(13)，肱骨(13)的上部与第二舵机(11)的舵盘固定连接，肱骨(13)的中间固设有第三舵机(16)，肱骨(13)下部设有第二轴承(19)，第三舵机(16)的舵盘固连有第二传动轴(17)，第二传动轴(17)配合插设在第二轴承(19)中；第三舵机(16)的输出轴心与第二舵机(11)的输出轴心垂直，第二传动轴(17)的轴心与第三舵机(16)的输出轴心平行或一致；所述第二传动轴(17)的方向为大臂的轴线方向；所述肘关节包括肘(21)，肘(21)的上部与第二传动轴(17)固定连接，肘(21)的下部固设有第四舵机(23)，并且第四舵机(23)的输出轴心垂直于第三舵机(16)的输出轴心；所述小臂包括尺骨(27)，尺骨(27)的后部与第四舵机(23)的舵盘固定连接，尺骨(27)的中间固设有第五舵机(26)，第五舵机(26)的输出轴心垂直于第四舵机(23)的输出轴心；尺骨(27)的前部设有第三轴承(32)，第五舵机(26)的舵盘固连有第三传动轴(31)，第三传动轴(31)配合插设在第三轴承(32)中；第三传动轴(31)的轴心与第五舵机(26)的输出轴心平行或一致；所述第三传动轴(31)的方向为小臂的轴线方向；所述机械手包括腕(33)、手掌下(34)和手掌上(38)；腕(33)的后部与第三传动轴(31)的舵盘固定连接，腕(33)的前部与手掌下(34)固定连接，手掌上(38)与手掌下(34)固定连接；手掌下(34)的中间安装有第六舵机(35)、第七舵机(37)、第八舵机(43)、第九舵机(44)和第十舵机(45)，其中，第八舵机(43)位于手掌位置，第八舵机(43)的输出轴心方向与拇指垂直，用于通过拉线控制拇指的屈伸，第六舵机(35)、第七舵机(37)、第九舵机(44)和第十舵机(45)均位于小臂内部、手掌和手腕之间，平行叠加排列以减少所占空间，分别用于通过相应的拉线控制食指、中指、无名指和小指的屈伸，所述拉线均穿在相应手指和手掌的内部并且其两端分别与相应舵盘和指尖固定相连；第六舵机(35)、第七舵机(37)、第九舵机(44)和第十舵机(45)的输出轴心均垂直于第五舵机(26)的输出轴心；所述食指、中指、无名指和小指并排设置且结构相同，均包括固设在手掌下(34)前部的手指基座(47)和设在手指基座(47)上且依次相连的三个指节；所述拇指与其余四手指之间为分离设置，包括固设在手掌上(38)前部的手指基座(47)和设在手指基座(47)上且依次相连的两个指节；所述的每个指...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大伟，崔志铭，尚晓凯，邓计才，孙钢灿，孙鹏，
申请(专利权)人：郑州大学，河南朗驰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41