一种具有拟人特性的仿生机械手臂制造技术

本发明专利技术提供一种用10个私服舵机来控制整个仿生机械手臂23个自由度的运动。以成年男子的右臂为设计模型，将臂部和手部的结构特点充分考虑进行全面设计。臂部确定其串联构型为RYRPRR‑RP‑RRRP构型，手部基于柔索驱动，利用柔索质量轻、体积小等优点，完美与臂部结合起来联动，具有很强的拟人特性。

A bionic robot with anthropomorphic characteristics

【技术实现步骤摘要】
一种具有拟人特性的仿生机械手臂
本专利技术涉及一种具有拟人特性的仿生机械手臂，属于机器人

技术介绍
仿生机械手是当今机器人领域研究的前沿课题。随着社会需求与科学技术的发展，服务型机器人已经更多的人型化、市场化。仿生机器人逐渐在医疗卫生、教育、生活助手等领域得到了应用。因此，仿生机械手的结构拟人化和运动拟人化特性成了机器人研究的新要求。结构拟人化是使机械手外观与结构更接近人臂，运动拟人化则使机械手运动更符合人臂的的运动。当机械手臂与人自身形状一致时，更容易被使用者所接受，获得使用者的认同感和归属感。大部分研究者都单一的只对手臂或手部做了充分研究，拟人特性不足。对于仿生机械手臂而言，传统的设计优化不再能满足其结构和运动规划的需求。人臂是一个拥有肩关节、肘关节和腕关节的7自由度的冗余臂。其中肩关节在空间上具有3个自由度，可实现旋转、摆动和平动；肘关节有1个自由度，只能实现屈伸运动；腕关节具有3个自由度，可实现旋转、内收外展运动和平动。为实现仿生机械手臂智能化、拟人化的目的，我们通过研究人的臂部和手部的运动规律，以仿生学人臂的运动机理来对机械手臂进行结构和运动设计，并将其融入仿生机械手臂的运动规划中，从而实现智能拟人运动。
技术实现思路
针对现在仿生机械手臂拟人特性不足的问题：大部分研究者都单一的对臂部（肩部到腕部）或手部进行了充分的研究，未能将手部和臂部联动。本专利技术提供一种手部基于柔索驱动的仿生机械手臂，利用柔索质量轻、体积小等优点，完美与臂部结合起来联动，具有很强的拟人特性。本专利技术解决其拟人特性不足所采用的技术方案是：以成年男子的右臂为设计模型，将臂部和手部的结构特点充分考虑进行全面设计。仿生机械手臂部如果要想完全实现像人臂般一样的灵活性，至少拥有7个自由度。但在实际设计臂部过程中，发现7自由度模型的臂部在小臂设计阶段会使小臂结构的复杂度增加，从而影响到手部的灵巧设计。为了使臂部最大限度简化机构、降低成本，故臂部采用6自由度模型，其中肩关节用3个串联转动副，肘关节用1个转动副，腕关节用2个串联转动副，确定其构型为RYRPRR-RP-RRRP构型。肩关节的3个自由度，分别是大臂绕X轴旋转的自由度，即RY；大臂绕Y轴旋转的自由度，即RP；大臂绕Z轴旋转的自由度，即RR。大臂绕X轴的旋转采用丝杠配合舵机来完成，通过丝杠的减速增力机构驱动大臂的旋转。大臂绕Y、Z轴的旋转采用蜗轮蜗杆配合舵机来完成，大臂在绕Z轴旋转运动并不需要很高的速度，但是需要较大的力矩，所以采用涡轮蜗杆进行增力。大臂的设计长度为261mm(毫米)，肘关节部分通过舵机和丝杠的配合完成屈伸运动，实现第4个自由度的运动。小臂的设计长度为262mm，在整体布局上采用拟人的布局特点，上端大，下端小。腕关节部分绕Z轴旋转，完成第5个自由度的运动。腕关节绕Y轴的旋转采用转动链接完成第6个自由度的运动。手部无论是从外观还是结构上都是采用成年男子的手掌进行模拟设计。手部设计长度为222mm，中指长度为108mm，接近2:1的比例。通过柔索布线的方式，该手掌每个指关节处具有1个旋转自由度，小指和无名指设计了4个旋转自由度，其余手指则具有3个旋转自由度，整个手部便具备17了个自由度。柔索驱动减少空间的占用，便于手指造型，使结构更加拟人化、而且具有重量轻、惯量小、成本低的优点。本专利技术的有益效果是，各关节运动通过电机与传动机构的配合，使整个仿生机械手臂符合人臂的常用工作空间，整体结构合理，具有高度的拟人特性。附图说明图1是仿生机械手臂完整结构示意图；图2是手部结构示意图；图3是肩部结构示意图；图4是大臂结构示意图；图5是小臂结构示意图；1-仿生机械手机架，2-手掌部件，3-腕关节，4-小臂部件，5-肘关节，6-大臂部件，7-丝杠，8-蜗轮蜗杆，9-伺服舵机，10-伺服舵机，11-肩关节机架，12-丝杠，13-蜗轮蜗杆，14-伺服舵机，15-拇指，16-食指，17-中指，18-无名指，19-小指，20-小指柔索，21-无名指柔索，22-中指柔索，23-食指柔索，24-拇指柔索，25-肩关节机架，26-肩部部件，27-肘关节转动装置，28-肘关节转动装置，29-伺服舵机，30-大臂部件，31-固定装置，32-肩关节转动装置，33-轴关节转动装置，34-轴关节转动装置。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进一步说明。如图1、图2所示。仿生机械手臂主要包括机架（1）、手掌（2）、腕关节（3）、小臂（4）、轴关节（5）、大臂（6）、丝杠（7）和（12）、蜗轮蜗杆（8）和（13）、肩关节机架（11）、拇指（15）、食指（16）、中指（17）、无名指（18）、小指（19），分别驱动5根手指关节运动的柔索（20）-（24）。先对仿生机械手的设计及其运动特点做简要说明。10个舵机来完成仿生机械手臂23个自由度的运动，分别是肩部3个舵机（9）、（10）、（14），肘部1个舵机（29）、手腕1个舵机和掌部的5个舵机，手腕和掌部的6个舵机布置在小臂（4）的腔里。如图3所示，肩部的3个舵机来分别控制3个自由度的运动：舵机（14）配合丝杠控制大臂绕X轴旋转，舵机（10）配合蜗轮蜗杆（13）控制大臂绕Y轴旋转，舵机（9）配合蜗轮蜗杆（8）控制大臂绕Z轴旋转。肩关节机架（25）为与仿生机械手机架（1）的连接装置。肩部部件（26）为连接固定两个蜗轮蜗杆外壳。肘关节的舵机（29）布置在大臂和小臂之间，通过独特的杠杆驱动结构设计，使得舵机（29）驱动的力通过丝杠（7）放大并再次通过杠杆作用在小臂上，对舵机的性能要求降低，同时并减小外力的不平衡对舵机的损耗，如图4所示。肩关节转动装置（31）是与图3肩部连接的装置。小臂的屈伸是通过固定装置（31）固定在大臂部件（30）内同时套在丝杠（7）外面，肘关节转动装置（27）、（28）与图5小臂零部件的（33）、（34）配合，伺服舵机（29）和丝杠（7）的配合运动牵引肘关节装置旋转实现。用于控制手部柔索运动的5个微型伺服舵机安装在小臂（4）上端，控制手腕绕Z轴旋转的舵机安装在小臂（4）下端。如图2所示，柔索（20）-（24）分别与小臂内的5个微型伺服舵机相连，同时嵌在手指（19）-（15）里，每一根柔索驱动一个手指3至4个关节的运动。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有拟人特性的仿生机械手臂，包括臂部和手部。

【技术特征摘要】
1.一种具有拟人特性的仿生机械手臂，包括臂部和手部。2.臂部串联构型为RYRPRR-RP-RRRP构型的六自由度手...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖冰，臧红彬，周颖玥，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51