机器人手和具有该机器人手的人形机器人.pdf

本发明公开了一种机器人手和具有该机器人手的人形机器人，所述机器人手最少化了致动器的数量并通过扭矩限制器调节关节的弯曲角度，以柔性地和细微地控制关节。所述机器人手包括设置在多个关节的任意至少一个关节上的扭矩限制器，以将所述多个关节中的另一个关节通过动力传递构件与所述任意一个关节连接。

1、  一种机器人手，包括：
基部单元，设置有致动器；
至少一个手指单元，安装在基部单元上；
多个杆构件，设置在所述至少一个手指单元的每个中；
多个关节，用于连接所述多个杆构件；
多个动力传递构件，通过从致动器传输的动力将所述多个关节彼此连接；
扭矩限制器，设置在所述多个关节中的任意一个上，并限制所述任意一个关节的弯曲，将所述多个关节中的另一个与所述任意一个关节连接。

2、  如权利要求1所述的机器人手，其中：
多个杆构件包括连接到基部单元的第一杆构件、连接到第一杆构件的第二杆构件和连接到第二杆构件的第三杆构件；
扭矩限制器包括固定到第一杆构件以调节所述任意一个关节的弯曲角度的壳体。

3、  如权利要求2所述的机器人手，其中：
在所述壳体的外周表面上形成多个凹槽，并且在所述第一杆构件的内周表面上形成与所述多个凹槽接合的多个肋，以防止第一杆构件相对于所述壳体的相对旋转。

4、  如权利要求2所述的机器人手，其中：
所述多个关节包括连接基部单元和第一杆构件的第一关节、连接第一杆构件和第二杆构件的第二关节和连接第二杆构件和第三杆构件的第三关节；
所述第一关节、第二关节和第三关节分别包括第一带轮、第二带轮和第三带轮，并且所述第一关节、第二关节和第三关节与致动器相连接。

5、  如权利要求4所述的机器人手，其中，扭矩限制器包括与第一带轮同轴地设置的旋转轴。

6、  如权利要求4所述的机器人手，其中：
所述多个动力传递构件包括连接第一带轮和第二带轮的第一动力传递构件以及连接第二带轮和第三带轮的第二动力传递构件，并且第一动力传递构件和第二动力传递构件按照不同的方式缠绕。

7、  如权利要求6所述的机器人手，其中，第二动力传递构件按照在第二带轮和第三带轮之间形成X形的形式缠绕。

8、  如权利要求6所述的机器人手，其中，第一动力传递构件和第二动力传递构件分别包括第一皮带和第二皮带。

9、  如权利要求5所述的机器人手，其中：
当物体接触到第一杆构件并且将特定值或更大值的反作用力施加到第一杆构件时，扭矩限制器被操作，因此第一杆构件停止；
当旋转轴按照与所述壳体之间滑动的状态旋转时，第一带轮旋转；
第二带轮和第二杆构件与第一带轮的旋转相关联地旋转，因此第二关节的弯曲角度改变；
第三带轮和第三杆构件与第二杆构件的旋转相关联地旋转，因此第三关节的弯曲角度改变。

10、  一种人形机器人，其具有躯干以及连接到所述躯干的机器人手，所述机器人手包括：
基部单元，设置有致动器；
至少一个手指单元，安装在基部单元上；
第一杆构件、第二杆构件和第三杆构件，设置在所述至少一个手指单元的每个中；
第一关节，连接基部单元和第一杆构件；
第二关节，连接第一杆构件和第二杆构件；
第三关节，连接第二杆构件和第三杆构件；
第一带轮，设置在第一关节上并且接收致动器的动力；
第二带轮，设置在第二关节上并且连接到第一带轮；
第三带轮，设置的第三关节上并且连接到第二带轮；
多个动力传递构件，通过致动器的动力将第一关节、第二关节和第三关节彼此连接；
扭矩限制器，设置在第一关节上，并且当第一杆构件接触物体并且特定值或更大值的反作用力被施加到扭矩限制器上时，扭矩限制器限制第一关节的弯曲，以使第二带轮和第三带轮旋转，从而改变第二关节和第三关节的弯曲角度。

11、  如权利要求10所述的人形机器人，其中，所述至少一个手指单元的每个都被提供有致动器。

12、  如权利要求10所述的人形机器人，其中，扭矩限制器包括固定到第一杆构件上以调节第一关节的弯曲角度的壳体。

13、  如权利要求10所述的人形机器人，其中，扭矩限制器包括与第一带轮同轴地设置的旋转轴。

14、  如权利要求10所述的人形机器人，其中：
所述多个动力传递构件包括连接第一带轮和第二带轮的第一动力传递构件和连接第二带轮和第三带轮的第二动力传递构件；
第一动力传递构件和第二动力传递构件按照不同的方式缠绕。

15、  如权利要求12所述的人形机器人，其中：
在所述壳体的外周表面上形成多个凹槽，并且在第一杆构件的内周表面上形成与所述多个凹槽接合的多个肋，以防止第一杆构件相对于壳体的相对旋转。

16、  如权利要求14所述的人形机器人，其中，第二动力传递构件按照在第二带轮和第三带轮之间形成X形的形式缠绕。

17、  如权利要求14所述的人形机器人，其中，第一动力传递构件和第二动力传递构件分别包括第一皮带和第二皮带。

18、  如权利要求13所述的人形机器人，其中：
当物体接触到第一杆构件并且将特定值或更大值的反作用力施加到第一杆构件时，扭矩限制器被操作，因此第一杆构件停止；
当旋转轴按照与所述壳体之间滑动的状态旋转时，第一带轮旋转；
第二带轮和第二杆构件与第一带轮的旋转相关联地旋转，因此第二关节的弯曲角度改变；
第三带轮和第三杆构件与第二杆构件的旋转相关联地旋转，因此第三关节的弯曲角度改变。

机器人手和具有该机器人手的人形机器人
技术领域
本公开涉及一种机器人手和具有该机器人手的人形机器人。更具体地说，本公开涉及一种安全并准确地抓住各种目标物体的机器人手以及具有该机器人手的人形机器人。
背景技术
通常，机器人是自动执行任何工作或操作并在多个领域替代或帮助人类的机器。在机器人中，工业机器人具有最高的实用性。工业机器人实现生产线的自动操作和无人操作以提高生产力，并代替人类执行危险工作，因此有助于保护人类免受工业灾难。
近来，已经开发了具有与人类的外表相似的外表并执行与人类的运动相似的运动的人形机器人。人形机器人按照与一般工业机器人的方式相同的方式负责各种工业领域并用于执行对于人类来说困难的各种工作。人形机器人的最大优点是在日常生活中与人类一同存在并且友好地为人类提供各种服务而不是替代人类。因此，在日常生活中，为了允许人形机器人与人类和谐地协作，已经在努力地开展对安全和准确地抓住各种物体的机器人手的研究。
发明内容
因此，本发明的一方面是提供一种机器人手以及具有该机器人手的人形机器人，所述机器人手通过扭矩限制器调节关节的弯曲角度，以获得对手指单元的细微控制。
根据一个方面，本发明提供一种机器人手，该机器人手包括：基部单元，设置有致动器；至少一个手指单元，安装在基部单元上；多个杆构件，设置在所述至少一个手指单元的每个中；多个关节，用于连接所述多个杆构件；多个动力传递构件，通过从致动器传输的动力将所述多个关节彼此连接；扭矩限制器，设置在所述多个关节中的任意一个上，并限制所述任意一个关节的弯曲，将所述多个关节中的另一个与所述任意一个关节连接。
所述多个杆构件可包括连接到基部单元的第一杆构件、连接到第一杆构件的第二杆构件和连接到第二杆构件的第三杆构件，并且扭矩限制器可包括固定到第一杆构件以调节所述任意一个关节的弯曲角度的壳体。
在所述壳体的外周表面上可形成多个凹槽，并且在所述第一杆构件的内周表面上可形成与所述多个凹槽接合的多个肋，以防止第一杆构件相对于壳体的相对旋转。
所述多个关节可包括连接基部单元和第一杆构件的第一关节、连接第一杆构件和第二杆构件的第二关节和连接第二杆构件和第三杆构件的第三关节，并且所述第一关节、第二关节和第三关节可分别包括第一带轮、第二带轮和第三带轮，并且所述第一关节、第二关节和第三关节与致动器相连接。
扭矩限制器可包括与第一带轮同轴地设置的旋转轴。
所述多个动力传递构件可包括连接第一带轮和第二带轮的第一动力传递构件以及连接第二带轮和第三带轮的第二动力传递构件，并且第一动力传递构件和第二动力传递构件可按照不同的方式缠绕。
第二动力传递构件可按照X形的形式缠绕在第二带轮和第三带轮之间。
第一动力传递构件和第二动力传递构件可分别包括第一皮带和第二皮带。
当物体接触到第一杆构件并且将特定值或更大值的反作用力施加到第一杆构件时，扭矩限制器可被操作，因此第一杆构件可停止，旋转轴可按照与所述壳体之间滑动的状态旋转，因此第一带轮可旋转；第二带轮和第二杆构件可与第一带轮的旋转相关联地旋转，因此第二关节的弯曲角度可改变；第三带轮和第三杆构件可与第二杆构件的旋转相关联地旋转，因此第三关节的弯曲角度可改变。
根据另一方面，本发明提供一种人形机器人，其具有躯干以及连接到所述躯干的机器人手，所述机器人手包括：基部单元，设置有致动器；至少一个手指单元，安装在基部单元上；第一杆构件、第二杆构件和第三杆构件，设置在所述至少一个手指单元的每个中；第一关节，连接基部单元和第一杆构件；第二关节，连接第一杆构件和第二杆构件；第三关节，连接第二杆构件和第三杆构件；第一带轮，设置在第一关节上并且接收致动器的动力；第二带轮，设置在第二关节上并且连接到第一带轮；第三带轮，设置的第三关节上并且连接到第二带轮；多个动力传递构件，通过致动器的动力将第一关节、第二关节和第三关节彼此连接；扭矩限制器，设置在第一关节上，并且当扭矩限制器接触物体并且特定值或更大值的反作用力被施加到扭矩限制器上时，扭矩限制器限制第一关节的弯曲，以使第二带轮和第三带轮旋转，从而改变第二关节和第三关节的弯曲角度。
致动器可被提供到所述至少一个手指单元的每个上。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将会变得清楚和更加容易理解，其中：
图1是显示根据本发明的人形机器人的示意图；
图2是显示根据本发明的人形机器人的机器人手的示图；
图3是图2的一部分的放大图；
图4是显示固定到第一杆构件中的扭矩限制器的示图；
图5和图6是显示根据本发明的手指单元的操作的示图。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的实施例，其示例被显示在附图中，图中相同的标号始终指代相同的元件。以下，通过参照附图描述实施例以解释本发明。
图1是显示根据本发明的人形机器人的示意图。
如图1所示，人形机器人10包括躯干100、连接到躯干100的下部的两侧的两条腿200R和200L、连接到躯干100的上部的两侧的两只臂300R和300L以及连接到躯干100的上端的头部400。这里R代表机器人10的右侧，L代表机器人10的左侧。
躯干100的内部由盖子110保护。控制单元120、电池130和倾斜传感器(未示出)被安装在躯干100中。倾斜传感器检测躯干100相对于竖直轴的倾斜角度及其角速度(angular velocity)。躯干100分为胸部100a和腰部100b，用于使胸部100a相对于腰部100b旋转的关节(joint)被安装在胸部100a和腰部100b之间。
腿200R和200L设置在躯干100的下部的两侧，并且分别包括大腿杆(link)210、小腿杆220和足部230。大腿杆210分别通过大腿关节单元(未示出)连接到躯干100。大腿杆210和小腿杆220分别通过膝关节单元(未示出)彼此连接，小腿杆220和足部230分别通过踝关节单元(未示出)彼此连接。
头部400设置在躯干100的上端。用作机器人10的眼睛的摄像机410和用作机器人10的耳朵的麦克风420可被安装在头部400中。头部100通过颈关节单元(未示出)连接到躯干100。
臂300R和300L设置在躯干100的上部的两侧，并且分别包括上臂杆310和下臂杆320。上臂杆310分别通过肩关节单元(未示出)连接到躯干100。上臂杆310和下臂杆320分别通过肘关节单元(未示出)连接到彼此。此外，臂300R和300L分别包括机器人手500。这里，机器人手500分别连接到下臂杆320。两只机器人手500具有相同的构造，因此，以下将仅描述右机器人手500。
图2是显示根据本发明的人形机器人的右机器人手的示图。
如图2所示，根据本发明的机器人手500包括基部单元560和手指单元组件510′和510。
基部单元560对应于人手的一部分，即，对应于手掌或手背。基部单元560包括手掌部分和手背部分，手掌部分具有对应于人手的手掌的外部形状，手背部分具有对应于人手的手背的外部形状。
手指单元组件510′和510包括大拇指单元510′和多个手指单元510。
大拇指单元510′沿着不同于所述多个手指单元510的延伸方向的方向延伸。大拇指单元510′通过电机(未示出)驱动。
所述多个手指单元510沿着基本相同的方向从基部单元560的一端的边缘延伸出来。所述多个手指单元510包括四个手指单元520、530、540和550。手指单元510的每个都模拟人的手指的运动。
也就是说，手指单元520对应于人的食指，手指单元530对应于人的中指，手指单元540对应于人的无名指，手指单元550对应于人的小指。以下，将仅描述对应于人的中指的手指单元530，并且将省略对除了尺寸之外具有与手指单元530的结构相同的结构的手指单元520、540和550的描述。
图3是显示对应于人的中指的手指单元530的示图。
如图3所示，手指单元530包括多个杆构件600和用于连接所述多个杆构件600(见图2)的多个关节700。
根据本发明的手指单元530的所述多个关节700包括第一关节710、第二关节720和第三关节730，所述第一关节710、第二关节720和第三关节730依次靠近基部单元560。此外，所述多个杆构件600包括第一杆构件610、第二杆构件620和第三杆构件630，所述第一杆构件610、第二杆构件620和第三杆构件630依次靠近基部单元560。
第一关节710是最靠近基部单元560的关节。第一杆构件610利用第一关节710连接到基部单元560。
第一杆构件610被设置为一端连接到第一关节710并且另一端连接到第二杆构件620。第一杆构件610设置有按照半圆形形成的两端，使得第一杆构件610的一端可旋转地连接到第一关节轴710a，第一杆构件610的另一端通过第二关节720连接到第二杆构件620。
第一关节710自由地弯曲，并且第一关节710的弯曲角度根据第一关节710绕第一关节轴710a的弯曲而改变。
第一带轮711和扭矩限制器900连接到第一关节轴710a。因此，第一关节710的弯曲角度通过第一带轮711和扭矩限制器900改变。
第一带轮711设置有形成在其外周表面上的两个带轮槽711a和711b。连接到第二带轮721R的第一动力传递构件820缠绕在两个带轮槽711a和711b中的一个带轮槽711a上，连接到主动带轮562的主动力传递构件810缠绕在两个带轮槽711a和711b中的另一个带轮槽711b上。这里，主动带轮562可旋转地固定到安装在与第一杆构件610邻近的基部单元560中的致动器561上。主动带轮562连接到第一关节710的第一带轮711上，并传递致动器561的力。
根据物体的反作用力检测扭矩的扭矩限制器900连接到第一关节轴710a上。图4是显示固定到第一关节轴上的扭矩限制器的示图。
如图4所示，第一杆构件610设置有开口611，扭矩限制器900安装在第一杆构件610的开口611中。用于防止扭矩限制器900与第一杆构件610分开的盖构件(未示出)可连接到开口611。
扭矩限制器900包括形成扭矩限制器900的外表的壳体910、形成在壳体910中的旋转构件920和延伸穿过壳体910和旋转构件920的旋转轴930。旋转轴930与第一带轮711同轴地设置。也就是说，旋转轴930与第一带轮711的第一关节轴710a同轴。
沿着旋转轴930的方向延伸的多个连接槽911形成在壳体910的外周表面上。此外，对应于所述多个连接槽911以防止第一杆构件610和壳体910相对于彼此运动的多个连接肋612形成在第一杆构件610的内周表面上。
按照相同间隔设置的多个倾斜面912被布置在壳体910的内周表面上。滚珠940分别设置在倾斜面912和旋转构件920的外周表面之间。滚珠940分别被容纳在形成在设置在壳体910和旋转构件920之间的罩(cage)950中的凹穴960中。在每个滚珠940被锁定于每个倾斜表面912和旋转构件920的外周表面之间的条件下压迫每个滚珠940的压力弹簧970被设置在每个滚珠940的一侧。
卷簧980的一端弯曲以将卷簧980连接到旋转构件920，因此，形成弯曲段981。卷簧980的弯曲段981与形成在旋转构件920的内周表面上的槽921接合。当卷簧980相对于旋转轴930扩张时，旋转轴930的旋转通过卷簧980被传递到旋转构件920。此外，旋转构件920的旋转通过滚珠940被传递到壳体910。
在这种状态下，当第一杆构件610接触物体并且物体的反作用力因此增加，并且从旋转构件920至壳体910的扭矩超过压力弹簧970的弹力时，滚珠940运动到形成在倾斜面912和旋转构件920的圆柱形外周表面之间的更宽的空间中。因此，在旋转构件920和滚珠940之间产生滑动，因此，扭矩传递到壳体910的过程被中断。
也就是说，固定到第一杆构件610的壳体910与第一杆构件610一体地运动，并用作直接改变第一关节710的弯曲角度的旋转因素。因此，当壳体910未旋转时，第一关节710的弯曲角度不改变。也就是说，当根据物体的反作用力的预定值或更大值的扭矩被施加到第一杆构件610上时，旋转轴930空转并且第一关节710不弯曲。
这里，未描述的标号740指代轴承，轴承分别将关节轴710a、720a和730a固定在预定位置并支撑关节轴710a、720a和730a的自身重量和施加到关节轴710a、720a和730a的负载，从而关节轴710a、720a和730a可旋转。
致动器561安装在与第一杆构件610相邻的基部单元560中。主动带轮562可旋转地固定到致动器561。主动带轮562连接到第一关节710的第一带轮711，并将致动器561的驱动动力传递到第一带轮711。
第二关节720是在第一关节710之后最靠近基部单元560的关节。第二杆构件620通过第二关节720连接到第一杆构件610。第二关节720自由地弯曲，并且第二关节720的弯曲角度根据第二关节720绕第二关节轴720a的弯曲而改变。在此，未描述的参考标号750表示轴承。
多个第二带轮721R和721L连接到第二关节轴720a。也就是说，第二关节720包括多个第二带轮721R和721L。第二带轮721R和721L包括形成在左侧的第二带轮721L和形成在右侧的第二带轮721R。
第二带轮721R固定到第二杆构件620上。此外，连接到第一带轮711的第一动力传递构件820缠绕在第二带轮721R上。
第二带轮721L固定到第一杆构件610上。此外，连接到第三带轮731的第二动力传递构件830缠绕在第二带轮721L上。
这里，第一动力传递构件820和第二动力传递构件830可以是皮带。此外，连接第一带轮711和第二带轮721R的第一动力传递构件820和连接第二带轮721L和第三带轮731的第二动力传递构件830按照不同方式缠绕。也就是说，第二动力传递构件830在第二带轮721L和第三带轮731之间按照X形缠绕，因此，在第二带轮721L和第三带轮731一起操作的同时，第二关节720的弯曲角度改变。
第三关节730是最接近指尖的关节。第三杆构件630利用第三关节730连接到第二杆构件620。
第三杆构件630的一端连接到第三关节730，另一端是自由端(即，指尖)。第三杆构件630具有与第一杆构件610的外表近似相同的外表。第三杆构件630通过第三关节730可旋转地连接到第二杆构件620。
第三关节730自由地弯曲，并且第三关节730的弯曲角度根据第三关节730绕第三关节轴730a的弯曲而改变。
第三带轮731连接到第三关节轴730a上。如上所述，第二动力传递构件830缠绕在第三带轮731上，因此，连接到第二带轮721L。
接下来，将描述根据本发明的实施例的机器人手的操作。
图5是显示根据本发明的手指单元的状态的示图，其中，电机被驱动，图6是显示根据本发明的手指单元的状态的示图，其中，关节的弯曲角度随着物体接触杆构件而改变。
如图5和图6所示，当安装在基部单元560中的致动器561使连接到致动器561的主动带轮562旋转，从而使主动力传递构件810沿着方向A运动时，第一带轮711沿着方向B旋转，第一关节710沿着方向B朝着物体弯曲。此时，由于第一带轮711不相对于第一杆构件610旋转，因此，第二杆构件620和第三杆构件630与第一杆构件610布置在一条直线上。也就是说，虽然第一带轮711沿着方向B运动，但是第一动力传递构件820不旋转而是相对地运动，以与第一杆构件610保持一条直线。
随后，当第一杆构件610的弯曲角度改变得更多，因此，第一杆构件610接触到物体时，反作用力被施加到第一杆构件610上。然后，当根据反作用力的特定值或更大值的扭矩被施加到第一杆构件610时，第一杆构件610通过扭矩限制器900的操作而停止。
也就是说，当第一杆构件610接触物体并且物体的反作用力增大时，通过旋转构件920和滚珠940在扭矩限制器壳体910和旋转轴930之间产生滑动，因此，旋转轴930的旋转力不被传递到扭矩限制器壳体910。因此，不管旋转轴930是否旋转，第一杆构件610和固定到第一杆构件610上的扭矩限制器壳体910都保持停止状态，并且旋转轴930和第一关节轴710a一直空转，因此，第一带轮710一直沿着方向B旋转。
随后，根据第一带轮711沿着方向B的旋转，缠绕在第一带轮711上的第一动力传递构件820沿着方向C旋转。此外，与第一动力传递构件820的旋转相关联，第二带轮721沿着方向D旋转，第二杆构件620相对于第一杆构件610相对旋转，因此，第二关节720的弯曲角度改变。
此外，根据第二带轮721R沿着方向D的旋转，缠绕在第二带轮721L上的第二动力传递构件830沿着方向E旋转。此外，与第二动力传递构件830的旋转相关联，第三带轮731沿着方向F旋转，第三杆构件630旋转，因此，第三关节730的弯曲角度改变。
如上所述，虽然以上实施例描述了机器人手包括一个拇指单元510′和四个手指单元510，并且每个手指单元510包括三个关节，但是手指单元510的数量和每个手指单元510的关节的数量可增加或减少。
此外，根据本发明的实施例的机器人手最小化了致动器的数量并通过扭矩限制器调整了关节的弯曲角度，因此，能够柔性地和细微地控制关节。
虽然已经显示并描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。