专利名称：半封闭关节型仿人服务机器人手臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人手臂，特别是一种半封闭关节型仿人服务机器人手臂。背景资料机械手臂作为机器人动手能力的一个重要组成部分，一直是机器人科学研究的热点之一。多关节式手臂的优良性和通用性能使它在结构化环境的工业领域获得了广泛的应 用。服务型机器人则不同，为了实现更智能更复杂的功能并且能够与人进行交互，它需要的 是一种仿人的具有一定柔性、多传感器控制的轻型灵巧手臂。另外其轻量化的设计得到了 广泛的关注，根据国外研究调查，发现设计这类手臂需要用机电一体化的思想，将控制驱动 整合的轻量化设计的关节串联后形成多自由度的拟人手臂，并且在手臂的关键部位增加传 感器，以适应复杂环境下工作的要求。此类串联多自由度手臂轻量化设计的关键在于如何 有效避免传统机械手臂中将驱动单元安装在关节处而带来的种种问题，例如一方面质量大 的手臂发生碰撞时会造成较大的危害，另外一方面带来整个手臂的重量增加，使得能量利 用效率下降，造成机器人执行任务时能量不必要的消耗。对于依靠自身有限能源来维持日 常工作的服务机器人而言，能量效率的问题对其显得尤为重要。因此需要开发一种新型的仿人服务机器人手臂结构尤显得重要，在有限的空间尺 寸限制以及复杂环境的情况下，保证提高仿人服务机器人工作时能量效率和安全性能。
发明内容
本发明的目的是为了有效避免传统机械手臂中将驱动单元安装在关节处而带来 的种种问题，提供一种半封闭关节型仿人服务机器人手臂结构设计，能在有限的空间内采 用驱动装置、动力装置和关节壳体一体化设计，保证了机器人工作安全性、灵活性、环境适 应性和轻量化性能。为达到上述目的，本发明的构思是本发明的半封闭关节型仿人服务机器人手臂，由关节部分、驱动装置、动力装置、 连接部分和末端执行机构等构成。在有限的空间内采用一体化模块化设计，提高灵活性和 安全性能，更能适应复杂的环境。上述半封闭关节型仿人服务机器人手臂结构是将驱动装置和动力装置内嵌于关 节壳体，且采用关节单元模块化和连接装置来组建整个机械手臂。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种半封闭关节型仿人服务机器人手臂，包括多个关节单元，其特征在于共有五 个所述关节单元依次串接，每个关节单元为驱动装置和动力装置内嵌于关节壳体的一体化 模块关节单元，首个关节单元的固定端与机器人肩部相连，最后关节单元的输出端连接末 端执行器，构成具有五个自由度手臂，每个关节单元相应完成各自转向和动作。上述一体化模块化关节单元的结构是所述关节壳体的固定端内装有一个驱动 器，关节壳体内腔靠近输出端内安装一个动力装置，该动力装置由一个编码器连接一个电 机构成，该电机输出轴伸出关节壳体经一个减速器连接一个关节转向架。其中驱动装置是一个单片机控制的驱动器装置，它通过一些接口和通讯线与外部电器设备(如电机)相连，进行数据通讯传输。上述电机为新型的扁平式盘式电机，所述编码器通过螺栓连接在电机上，所述减 速器为轴向尺寸优化过的谐波减速器。本发明与现有技术相比较，具有以下突出实质性的特点和显著技术进步(1)在有限空间尺寸限制下，采用驱动装置、动力装置和关节壳体一体化设计，避 免了传统在驱动装置外加护罩来保护，节约了材料，提高了安全性能。(2)采用新型的扁平式盘式电机和轴向尺寸优化过的谐波减速器。(3)应用机电一体化的方法，将关节小型化模块化。(4)在关节中集成力矩传感器和驱动控制器等。(5)设计回转型关节，串联多个关节来实现多自由度。(6)结构小型化且易于模块化，通用性高，更适合服务型手臂的要求。(7)提高整个机械手臂的轻量化，减少不必能量损失。(8)对环境要求不高，能适应复杂环境下工作。(9)采用模块化关节结构，更能体现手臂的灵活性。
图1是本发明的五关节单元机器人手臂三维图。图2是一体化模块化关节单元的剖视图。图3是关节单元中的动力装置的三维图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下实施例一参见图1，本半封闭关节型仿人服务机器人手臂，包括多个关节单元， 其特征在于共有五个所述关节单元依次串接，每个关节单元为驱动装置和动力装置内嵌于 关节壳体2的一体化模块关节单元，首个关节单元的固定端3与机器人肩部相连，最后关节 单元的输出端连接末端执行器1，构成具有五个自由度手臂，每个关节单元相应完成各自转 向和动作。实施例二 参见图2和图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下所述 一体化模块化关节单元的结构是所述关节壳体2的固定端内装有一个驱动器4，关节壳体 2内腔靠近输出端内安装一个动力装置，该动力装置由一个编码器5连接一个电机6构成， 该电机6输出轴伸出关节壳体2经一个减速器7连接一个关节转向架8。其中驱动装置是 一个由单片机控制的驱动器装置，它通过一些接口和通讯线与外部电器设备(如电机6)相 连，进行数据通讯传输。本半封闭关节型仿人服务机器人手臂包括驱动装置4、动力装置、关节壳体2、连 接部分8、执行部分1和固定端3组成。其特征在于固定端与机器人的肩部相连(本图中未 画出)，编码器5通过螺栓连接在新型的扁平式盘式电机6，电机6输出轴和轴向尺寸优化 过的谐波减速器连接，减速器7通过螺栓固定在关节转接架8，转接架8的另一端连接关节 壳体2和驱动器4，其中编码器4、新型电机6、减速器7和驱动器4都在关节壳体2里。每个关节单元通过关节转接架8依次连接，最后关节单元的减速器7通过螺栓固定在末端执行器1上。整个手臂五个相同的关节单元组成，具有五个自由度，每个关节单元都有自己的 驱动装置4和动力机构，相应完成各自转向和动作。其中驱动装置是一个单片机控制的驱 动器装置，它通过一些接口和通讯线与外部电器设备(如电机6)相连，进行数据通讯传输。
权利要求
一种半封闭关节型仿人服务机器人手臂，包括多个关节单元，其特征在于共有五个所述关节单元依次串接，每个关节单元为驱动装置和动力装置内嵌于关节壳体(2)的一体化模块关节单元，首个关节单元的固定端(3)与机器人肩部相连，最后关节单元的输出端连接末端执行器(1)，构成具有五个自由度手臂，每个关节单元相应完成各自转向和动作。
2.根据权利要求1所述的半封闭关节型仿人服务机器人手臂，其特征在于所述一体化 模块关节单元的结构是所述关节壳体(2)的固定端内装有一个驱动器(4)，关节壳体(2) 内腔靠近输出端内安装一个动力装置，该动力装置由一个编码器(5)连接一个电机(6)构 成，该电机(6)输出轴伸出关节壳体(2)经一个减速器(7)连接一个关节转向架(8)。其 中驱动装置是一个由单片机控制的驱动器装置，它通过一些接口和通讯线与外部电器设备 (如电机(6))相连，进行数据通讯传输。
3.根据权利要求2所述的半封闭关节型仿人服务机器人手臂，其特征在于所述电机(6)为新型的扁平式盘式电机，所述编码器(5)通过螺栓连接在电机(6)上，所述减速器(7)为轴向尺寸优化过的谐波减速器。
全文摘要
本发明公开了一种半封闭关节型仿人服务机器人手臂。它由五个关节单元串联构成，每个关节单元为驱动装置和动力装置内嵌于关节壳体一体化模块关节单元，首个关节单元的固定端与机器人肩部连接，最后关节单元的输出端连接末端执行器，构成具有五个自由度的手臂，每个关节单元相应完成各自转向和动作。本发明提高仿人服务机器人手臂的灵活性与安全性，降低机器人手臂制造成本。
文档编号B25J18/00GK101804637SQ20101012643
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者何斌, 徐新虎, 李明, 李桂琴, 王燕, 金国军 申请人:上海大学