[发明专利]一种可实现Z向平动解耦的多关节服务机器人手臂

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种可实现Z向(铅直方向)平动解耦的结构简单、低成本的机器人手臂，适合安装在一种低成本的助老助残服务(陪护)机器人上的机械手臂，尤其涉及一种可实现Z向平动解耦的多关节服务机器人手臂。

二、背景技术

机器人技术为现代制造业的发展做出了重大贡献。近年来，机器人技术的应用正在逐步由现有的生产领域向更为广泛的人类生活领域拓展，小型化、轻量化且更加接近实用的人工智能服务机器人不断地被开发研制出来。当前，随着世界性的社会老龄化问题的日益严重和提高残疾人生活质量的迫切需要，主要面向老年与残疾人的陪护机器人、助行机器人、康复机器人、智能轮椅等，统称为“助老/助残服务机器人”已开始受到世界各发达国家的高度重视，成为了世界范围内的研究热点。

目前，商业化的机器人主要是应用于生产制造领域的工业机器人，机器人手臂的关节驱动多数采用直/交流伺服电机，机器人也多为关节型单臂作业。一般地，单臂机器人只适合于刚性工件的操作，并受制于工作环境，这对于助老助残服务机器人需要双臂协调作业的场合而言，单臂操作是不够的。另外，现有的机器人关节型手臂多数结构单一、成本高；并且，一般的纯转动副的机器人手臂，机械手在Z方向的平动需要机械臂各关节的协调控制，即使选择移动副作为肩部关节来实现机械手在Z方向的平动，也需要选用滚珠丝杠或直线导轨等实现，这势必增加机械臂的制造成本。

三、发明内容

本发明的目的在于克服一般机器人手臂在不改变机械手臂多个关节姿态的情况下，无法实现机械手在Z方向平动的不足，而提供了一种具有较大工作空间的结构简单、低成本的可实现Z向平动解耦的多关节服务机器人手臂，本发明能够由纯转动实现纯平动，即实现机械手在空间Z方向上的一维平动，同时保证机械手空间姿态不变。

本发明采用如下解释方案：

一种可实现Z向(铅直方向)平动解耦的多关节服务机器人手臂，采用的是U^RR+R构型。

本发明的多关节服务机器人手臂由具有两个摆动副的肩部关节(平动-转动万向铰U^)A、具有一个摆动副的肘部关节C、具有一个回转副和一个摆动副的腕部关节E、连接在肩部关节A和肘部关节C之间的大臂B、连接在肘部关节C和腕部关节E之间的小臂D、与腕部关节E相连接的手爪F组成。末端执行机械手由腕部关节E和手爪F组成，即由手爪基体E3、腕部舵机支撑E4、安装在基体内的腕部舵机E5、安装在手爪基体E3一侧的一对主/从动齿轮E6/E7、安装在手爪基体E3另一侧的一对输出轴E8及相应固定轴套E9、分别与一对齿轮E6/E7和一对输出轴套E8/E9固定连接的一对手爪F1/F2组成，手爪F1/F2位于手爪基体E3的外侧，用于取放物体。肩部关节A由平行四边形机构和肩部连接体组成，其中，平行四边形机构的驱动由固定在机器人本体的转动副实现，驱动方式采用直流伺服电机，对于肩部连接体及手臂的其他关节的驱动均采用舵机实现。

该多关节服务机器人手臂的肩部关节的构型方式采用的是平动-转动万向铰，具有两个自由度；平行四边形机构通过安装在机器人本体底部的转动副驱动(运动范围120°)，继而带动肩部连接体及手臂沿Z方向平动；肩部连接体在舵机的驱动下可实现绕Z方向的转动，继而带动大臂B绕Z方向摆动(运动范围180°)。肘部关节C具有一个自由度，在舵机的驱动下，肘关节C可带动小臂D绕Z方向摆动(运动范围180°)。若同时实现大臂B和小臂D在Z方向的摆动，可增大末端执行机械手的工作空间(垂直于Z方向的平面)。大臂B和小臂D在空间上与平行四边形机构构成了Z方向上的平动解耦，即：平行四边形机构作为移动输入，与垂直于大臂B和小臂D在构成平面的运动形式无关。采用这种平动解耦的思想可实现由纯转动-平动的转换，满足服务机器人手臂平稳传递物体的要求(如：平稳取放茶水)。腕部关节E有两个自由度，手爪基体E3通过腕部舵机法兰E2与小臂D相连，从而实现执行机械手在X方向的回转(运动范围360°)，手爪F1/F2通过安装在基体E3内的舵机E5带动齿轮E6/E7进行开闭动作(抓取动作)。