[發明專利]一種可實現Z向平動解耦的多關節服務機器人手臂

無效

• 申請號: 200810021607.2
• 申請日: 2008-08-05
• 公開（公告）號: CN101372096A
• 公開（公告）日: 2009-02-25
• 發明（設計）人: 史金飛;鄭建勇;張志勝;張磊;陸光
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B25J9/02
• 分類號: B25J9/02;B25J15/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 陸志斌

一、技術領域

本發明涉及一種可實現Z向(鉛直方向)平動解耦的結構簡單、低成本的機器人手臂，適合安裝在一種低成本的助老助殘服務(陪護)機器人上的機械手臂，尤其涉及一種可實現Z向平動解耦的多關節服務機器人手臂。

二、背景技術

機器人技術為現代制造業的發展做出了重大貢獻。近年來，機器人技術的應用正在逐步由現有的生產領域向更為廣泛的人類生活領域拓展，小型化、輕量化且更加接近實用的人工智能服務機器人不斷地被開發研制出來。當前，隨著世界性的社會老齡化問題的日益嚴重和提高殘疾人生活質量的迫切需要，主要面向老年與殘疾人的陪護機器人、助行機器人、康復機器人、智能輪椅等，統稱為“助老/助殘服務機器人”已開始受到世界各發達國家的高度重視，成為了世界范圍內的研究熱點。

目前，商業化的機器人主要是應用于生產制造領域的工業機器人，機器人手臂的關節驅動多數采用直/交流伺服電機，機器人也多為關節型單臂作業。一般地，單臂機器人只適合于剛性工件的操作，并受制于工作環境，這對于助老助殘服務機器人需要雙臂協調作業的場合而言，單臂操作是不夠的。另外，現有的機器人關節型手臂多數結構單一、成本高；并且，一般的純轉動副的機器人手臂，機械手在Z方向的平動需要機械臂各關節的協調控制，即使選擇移動副作為肩部關節來實現機械手在Z方向的平動，也需要選用滾珠絲杠或直線導軌等實現，這勢必增加機械臂的制造成本。

三、發明內容

本發明的目的在于克服一般機器人手臂在不改變機械手臂多個關節姿態的情況下，無法實現機械手在Z方向平動的不足，而提供了一種具有較大工作空間的結構簡單、低成本的可實現Z向平動解耦的多關節服務機器人手臂，本發明能夠由純轉動實現純平動，即實現機械手在空間Z方向上的一維平動，同時保證機械手空間姿態不變。

本發明采用如下解釋方案：

一種可實現Z向(鉛直方向)平動解耦的多關節服務機器人手臂，采用的是U^RR+R構型。

本發明的多關節服務機器人手臂由具有兩個擺動副的肩部關節(平動-轉動萬向鉸U^)A、具有一個擺動副的肘部關節C、具有一個回轉副和一個擺動副的腕部關節E、連接在肩部關節A和肘部關節C之間的大臂B、連接在肘部關節C和腕部關節E之間的小臂D、與腕部關節E相連接的手爪F組成。末端執行機械手由腕部關節E和手爪F組成，即由手爪基體E3、腕部舵機支撐E4、安裝在基體內的腕部舵機E5、安裝在手爪基體E3一側的一對主/從動齒輪E6/E7、安裝在手爪基體E3另一側的一對輸出軸E8及相應固定軸套E9、分別與一對齒輪E6/E7和一對輸出軸套E8/E9固定連接的一對手爪F1/F2組成，手爪F1/F2位于手爪基體E3的外側，用于取放物體。肩部關節A由平行四邊形機構和肩部連接體組成，其中，平行四邊形機構的驅動由固定在機器人本體的轉動副實現，驅動方式采用直流伺服電機，對于肩部連接體及手臂的其他關節的驅動均采用舵機實現。

該多關節服務機器人手臂的肩部關節的構型方式采用的是平動-轉動萬向鉸，具有兩個自由度；平行四邊形機構通過安裝在機器人本體底部的轉動副驅動(運動范圍120°)，繼而帶動肩部連接體及手臂沿Z方向平動；肩部連接體在舵機的驅動下可實現繞Z方向的轉動，繼而帶動大臂B繞Z方向擺動(運動范圍180°)。肘部關節C具有一個自由度，在舵機的驅動下，肘關節C可帶動小臂D繞Z方向擺動(運動范圍180°)。若同時實現大臂B和小臂D在Z方向的擺動，可增大末端執行機械手的工作空間(垂直于Z方向的平面)。大臂B和小臂D在空間上與平行四邊形機構構成了Z方向上的平動解耦，即：平行四邊形機構作為移動輸入，與垂直于大臂B和小臂D在構成平面的運動形式無關。采用這種平動解耦的思想可實現由純轉動-平動的轉換，滿足服務機器人手臂平穩傳遞物體的要求(如：平穩取放茶水)。腕部關節E有兩個自由度，手爪基體E3通過腕部舵機法蘭E2與小臂D相連，從而實現執行機械手在X方向的回轉(運動范圍360°)，手爪F1/F2通過安裝在基體E3內的舵機E5帶動齒輪E6/E7進行開閉動作(抓取動作)。