机器人手臂以及机器人的制作方法

本实用新型涉及人工智能领域，特别是涉及一种人形机器人的手臂。本实用新型还涉及包括这种手臂的人形机器人。

背景技术：

现代的人形机器人是人工智能的一种重要产品。人形机器人具有从形态上大体类似于人体的头部、躯干和四肢。通过与相应的控制系统配合，机器人可以完成多种动作。

然而，为了降低机器人的生产成本，通常将机器人的四肢、特别是手臂设计成固定在某一惯用的角度，导致不能完成一些动作，例如向前伸手的同时翻转手掌。由此，这种人形机器人的体验效果并不好。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提出了一种机器人手臂，其包括：上臂和通过活动关节与上臂的远端部相连的前臂。前臂能相对于上臂进行折叠运动和沿着前臂的纵轴进行旋转运动。

根据本实用新型的机器人手臂，前臂具有折叠运动自由度和旋转运动自由度，这样即使上臂不作任何运动，前臂也能带动安装在前臂上的手实现向前伸出同时翻转手掌的运动。由此，这种机器人手臂能实现与人类的手臂更加类似的功能，由此可以提高使用这种机器人手臂的人形机器人的体验效果。

在一个实施例中，活动关节包括与上臂活动连接的连接框和与连接框转动连接的转轴，转轴与前臂固定相连。这种活动关节的结构非常简单，有助于降低其生产成本，而且极大地降低了机器人手臂的重量。特别是，当活动关节由刚度很大的轻质材料例如铝合金制成时，情况更是如此。

在一个实施例中，上臂与连接框为铰链连接，铰链连接的铰接轴在冠状面内延伸并且与前臂的轴线垂直。这样，上臂可以相对于前臂做折叠运动。

在一个实施例中，在连接框的中部构造有承接环，转轴延伸穿过承接环并且与承接环转动地接合在一起。通过这种结构，转轴可沿其纵轴在承接环内转动，由此实现了前臂的转动。

在一个实施例中，在承接环的内侧壁上构造有滑槽，在转轴的侧壁上构造有与滑槽配合的凸起。通过凸起与滑槽的配合，可以防止转轴与承接环脱开，从而能提高前臂与上臂的连接稳定性。

在一个优选的实施例中，在滑槽内设置有挡体而使滑槽在周向上仅延伸0到180度。换句话说，滑槽并不形成完整的圆，而仅仅是圆的一部分。这样，转轴的转动角度就会小于360度，并且因此前臂的转动角度小于360度。实际上，人类的手臂也不能转动360度。由此，通过这种设计的滑槽，使得前臂的转动运动更加类似于人类，从而进一步提高了体验效果。

在一个实施例中，在转轴和连接框之间连接有复位弹簧。在一个实施例中，复位弹簧的数量为两个并且安装在滑槽内，两个复位弹簧分别连接在凸起与挡体的两个端部之间。在另一个实施例中，复位弹簧连接在转轴的端部和连接框之间。通过设置复位弹簧，在前臂发生转动后，在解除外力的情况下，还可以自动复位到初始状态。由此，在机器人使用后，人员无需手动操作机器人手臂以使其复位，而且可以等待其自动复位，这对于收纳机器人而言是非常有利的，这是由于在此期间人员可以腾出时间收拾其他物品。

在一个优选的实施例中，在滑槽内填充有阻尼液体。阻尼液体可以减缓前臂的转动运动。对于能自动回位的前臂而言，这是非常重要的，这是由于阻尼液体的阻力会抵抗弹簧的拉力，由此使得前臂以较慢的速度回位，这可防止自动运动的前臂激烈碰撞其他物品而造成损害。

在一个实施例中，在上臂内设置有第一伺服器，在前臂内设置有第二伺服器，连接框与第一伺服器连接，转轴与第二伺服器连接。根据这种设置，第一伺服器用于驱动连接框的枢轴运动，从而使前臂相对于上臂发生折叠运动。第二伺服器用于驱动转轴转动，从而使前臂相对于上臂发生转动。由于转动不需要克服重力做功，第二伺服器可以比第一伺服器更加小型化。这样前臂的周向尺寸可小于上臂的周向尺寸，这也更加符合人手臂的形状。

本实用新型还提出了一种机器人，其包括躯干和根据上文所述的机器人手臂。该机器人手臂的上臂的近端部与躯干相连，并且上臂能相对于躯干前后摆动或上下运动。根据这种机器人，即使上臂不能像人类手臂那样相对于躯干灵活运动，而是仅能前后摆动或上下运动，前臂的转动运动也弥补了这种缺憾。另外，这样还可以避免上臂的多余动作消耗电能。

与现有技术相比，本实用新型的优点至少在于：(1)根据本实用新型的机器人手臂，能实现与人类的手臂更加类似的功能，由此可以提高使用这种机器人手臂的人形机器人的体验效果。(2)根据本实用新型的机器人，即使上臂不能像人类手臂那样相对于躯干灵活运动，而是仅能前后摆动或上下运动，前臂的转动运动也弥补了这种缺憾。另外，这样还可以避免上臂的多余动作消耗电能。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了一些解剖学用语。

图2示意性地显示了根据本实用新型的活动关节的结构。

图3示意性地显示了承接环与转轴的连接结构。

图4示意性地显示了根据本实用新型的机器人。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

为了更方便地描述本实用新型的实施例，首先根据图1解释一些解剖学用语。冠状面1是沿左右方向将人体纵切为前后两部分的面。近端部是指肢体的更接近于躯干的端部。远端部是指肢体的更远离于躯干的端部。

图2示意性地显示了本实用新型的活动关节20的结构。活动关节20安装在手臂45上，并且连接在上臂41和前臂42之间，以使得前臂42能相对于上臂41进行折叠运动和相应于其自身的纵轴y而转动。从图4可知，上臂41的近端部43与机器人46的躯干44活动式相连，以使得手臂45能够相对于躯干44做出动作，如上下运动，前后摆动。

返回到图2，来看活动关节20的结构。活动关节20包括连接框21和与连接框21转动连接的转轴22。连接框21构造为大体呈矩形框状。在该矩形框的一条边与上臂41铰链连接在一起，并且该铰链连接的铰链轴23在冠状面1内延伸并且与前臂的纵轴y大体垂直。转轴22则与前臂42固定连接在一起。这样，通过活动关节20的铰链连接，可使得前臂42能够相对于上臂41作折叠运动。此外，通过转轴22与连接框21的转动连接，可使得前臂42能相对于上臂41作旋转运动。

为了实现转轴22与连接框21的转动连接，在连接框21上构造有一个承接环31，转轴22则延伸穿过承接环31并且与承接环31活动地接合在一起。例如，将转轴22的端部221横向尺寸构造为大于承接环31的直径，就可以防止转轴22与承接环31脱开。

图3以俯视图示意性地显示了转轴22与承接环31连接的一个实施例。如图3所示，在承接环31的内壁上构造有滑槽32，并且在转轴22的侧壁上构造有与滑槽32配合的凸起33。这样，通过将凸起33安装到滑槽32内，就可以使转轴22与承接环31能转动地连接在一起。此外，凸起33与滑槽32的配合可以防止转轴22沿着前臂42的纵轴y的方向发生窜动，由此前臂42与上臂41可以稳定地连接在一起。优选地，滑槽32并不是一个完整的圆，而是通过挡体321形成在周向上延伸角度为0到180之间的圆弧。在一个实施例中，圆弧的延伸角度可以为30度、45度、60度、90度、120度、150度。本领域的技术人员还可以根据需要设计具有其他延伸角度的圆弧。这样，前臂42就只能在一定角度范围内转动，而不是在整个圆周上转动。这与人的前臂的转动角度非常类似，从而提高了产品的体验效果。

此外，还可以在转轴22和连接框21之间连接复位弹簧，以使得在前臂42转动一定角度后能自动复位。如图2所示，可以在转轴22的端部221与连接框21之间设置复位弹簧222。当转轴22在外力作用下转动时，复位弹簧222被拉伸。当撤去外力时，复位弹簧222收缩而使转轴22反转到其初始状态。此外，还可以如图3所示的那样，在凸起33和滑槽32的两端之间分别安装复位弹簧222’和222”。同样，当转轴22在外力作用下顺时针转动时，复位弹簧222’被挤压，而复位弹簧222”被拉伸。当撤去外力时，复位弹簧222’和222”同时作用而使转轴22反转到其初始状态。本领域的技术人员可根据需要而在活动关节20内设置图2所示的复位弹簧222或图3所示的复位弹簧222’和222”，也可以设置这两种形式的复位弹簧。

优选地，在设置复位弹簧的情况下，在滑槽32内填充阻尼液体，例如阻尼油。阻尼油是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。阻尼油可降低转轴22在复位弹簧的作用下的转动速度，这可以极大地提高产品的体验效果和安全程度。另外，阻尼油还可以对凸起33在滑槽32内的运动起到润滑作用，减小磨损。对于图3所示的在滑槽32内安装复位弹簧的情况，在滑槽32内填充阻尼油也是有益的。这是由于，阻尼油会防止复位弹簧被氧化，从而提高其使用寿命。还应理解的是，在填充阻尼油后，滑槽32应当密封，以防止阻尼油泄露。对于本领域的技术人员，可以采用常规的密封手段，这里不再赘述。

再来看图2，可在上臂41内设置有第一伺服器50，在前臂32内设置有第二伺服器51。连接框21与第一伺服器50铰链连接在一起，转轴22与第二伺服器51固定连接。第一伺服器50和第二伺服器51可以选择为电机。

当第一伺服器50工作时，通过连接框21与第一伺服器50的铰链连接，前臂42会相对于上臂41进行折叠运动或保持在某一折叠角度处。当第二伺服器51工作时，通过转轴与连接框21的转动连接，前臂42会相对于上臂41进行转动运动或保持在某一转动角度处。当然，第一伺服器50和第二伺服器51也可以同时工作，使得前臂42在相对于上臂41进行折叠运动的同时还进行转动。这些运动方式可以通过后台的控制来实现(这是本领域的技术人员易于实现的)，第一伺服器50和第二伺服器51的类型也是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。