用于人形机器人的机械末端执行器的运动学的制作方法

本公开涉及一种用于机器人、具体来说通用人形机器人的机械末端执行器。该机械末端执行器包括各种组件、各种组件中包含的部件以及在所述部件之间的连接件，它们为机械末端执行器提供基本上模仿人手的移动、能力和构型的能力。

背景技术：

1、当前职场环境的特点是劳动力严重短缺，这体现在美国有超过1000万个不安全或不理想的工作岗位。这些职位通常涵盖高风险行业（诸如制造业、建筑业和物料搬运行业）中的任务，在这些高风险行业中，人力劳动面临着安全挑战或身体负担加重。为了缓解这种加大的劳动力缺口，显著需要可承担各种要求苛刻的、重复性或潜在危险操作的责任的高性能机器人系统。因此，机器人研究的持续进步集中在开发复杂的通用人形机器人，这些机器人经过专门地工程设计以在最初为人类工人设计的环境内发挥作用。这些通用人形机器人配备有硬件架构和软件架构，这些硬件架构和软件架构被优化以用于在以人为中心的环境中高效、准确且可靠地执行多样化任务。

2、为了满足以人为中心的环境的功能和人体工程学要求，通用人形机器人通常配备有拟人化特征部，包括两条腿、两只手臂、躯干以及可提供用户反馈或显示信息的头部界面或类面部界面。该拟人化设计理念的核心是机器人的机械末端执行器，该机械末端执行器应当能够在灵巧性、力量和整体多功能性方面近似于人手的大部分能力。通过能够近似于人手的大部分能力，末端执行器可更有效地与复杂的现实世界物体交互，从而以最小的滑移或损坏风险执行诸如抓取、旋转和操纵物品等功能。除了提供高度的灵巧性之外，该设计还必须满足与能量消耗、成本效率和机械耐用性相关的操作约束。因此，需要一种机械末端执行器，该机械末端执行器可为人形机器人提供在动态和不可预测的工作环境中以与人类相当的精度、稳健性和适应性执行任务的能力。

技术实现思路

1、本公开提供了一种用于人形机器人的末端执行器的拇指组件，该拇指组件包括：指部组件，该指部组件包括近端组件、中间组件、远端组件、将该近端组件可枢转地联接到该中间组件的近端指间关节、以及将该远端组件可枢转地联接到该中间组件的远端指间关节；电机组件，该电机组件包括第一电机和第二电机；和齿轮组件，该齿轮组件包括被构造成由该第一电机驱动的屈曲齿轮和被构造成由该第二电机驱动的介入齿轮，其中该屈曲齿轮的所述驱动使该指部组件绕第二腕掌关节轴线移动，其中该介入齿轮的所述驱动使该指部组件绕第一腕掌关节轴线移动。

2、本公开还提供了一种用于人形机器人的欠驱动末端执行器，该欠驱动末端执行器包括：框架，该框架限定手掌区；手指组件，该手指组件可拆卸地连接到该框架，其中该手指组件具有沿着所述手指组件的长度延伸的矢状平面；拇指组件，该拇指组件接近该手掌区可拆卸地连接到该框架，该拇指组件包括电机组件，该电机组件具有：第一电机，该第一电机包括第一电机轴，其中该第一电机轴具有第一电机轴轴线，并且其中该第一电机轴被构造成绕该第一电机轴轴线旋转；和第二电机，该第二电机包括第二电机轴，其中该第二电机轴具有第二电机轴轴线，其中该第二电机轴被构造成绕该第二电机轴轴线旋转；其中该第一电机轴轴线被定向成相对于该矢状平面呈第一锐角；并且其中该第二电机轴轴线被定向成相对于该矢状平面呈第二锐角。

3、本公开进一步提供了一种具有用于人形机器人的末端执行器的人形机器人，该末端执行器包括：框架；电机组件，该电机组件包括：（i）第一电机，该第一电机可拆卸地联接到该框架，和（ii）第二电机，该第二电机可拆卸地联接到该框架并且与该第一电机邻近定位；齿轮组件，该齿轮组件联接到指部组件并且包括：屈曲齿轮，该屈曲齿轮被构造成通过该第一电机使其旋转，并且其中该屈曲齿轮的所述旋转使该指部组件从过度伸展状态移动到屈曲状态；和介入齿轮，该介入齿轮被构造成由该第二电机驱动，并且其中该屈曲齿轮的所述旋转使该指部组件从未旋转状态移动到旋转状态。

4、本公开附加地提供了一种用于人形机器人的欠驱动末端执行器，该欠驱动末端执行器包括：框架；多个手指组件，该多个手指组件可拆卸地连接到该框架，其中该多个手指组件中的每个手指组件包括手指电机组件；和拇指组件，该拇指组件可拆卸地连接到该框架，该拇指组件包括：第一电机，该第一电机具有第一电机轴，其中该第一电机轴能够绕第一电机轴轴线旋转；第一电机齿轮，该第一电机齿轮连接到该第一电机轴并且能够绕该第一电机轴和与该第一电机轴同轴的第一电机齿轮轴线旋转；第二电机，该第二电机具有第二电机轴，其中该第二电机轴能够绕第二电机轴轴线旋转；第二电机齿轮，该第二电机齿轮连接到该第二电机轴并且被构造成用于绕该第二电机轴和与该第二电机轴同轴的第二电机齿轮轴线旋转；并且其中（i）该第一电机轴轴线被定向成基本上平行于该第二电机轴轴线，并且（ii）该第一电机齿轮轴线被定向成基本上平行于该第二电机齿轮轴线。

5、本公开还提供了一种用于人形机器人的欠驱动末端执行器，该欠驱动末端执行器包括：框架；多个手指组件，该多个手指组件连接到该框架，该多个手指组件中的每个手指组件包括：掌指关节；近端手指指间关节；远端手指指间关节；和拇指组件，该拇指组件可拆卸地连接到该框架，该拇指组件包括：第一腕掌关节；第二腕掌关节；掌指关节；指间关节；腕掌编码器，该腕掌编码器接近该第一腕掌关节定位并且被配置为收集与该第一腕掌关节的旋转相关的数据；第一拇指编码器，该第一拇指编码器接近该掌指关节定位并且被配置为收集与该掌指关节的旋转相关的数据；和第二拇指编码器，该第二拇指编码器接近该指间关节定位并且被配置为收集与该指间关节的旋转相关的数据，并且其中该第一拇指编码器和该第二拇指编码器与该拇指组件的主要中间连杆邻近定位。

6、本公开进一步提供了一种具有欠驱动末端执行器的人形机器人，该末端执行器包括：末端执行器框架；手掌壳体，该手掌壳体联接到该末端执行器框架并且具有矢状平面；多个手指组件，该多个手指组件可拆卸地连接到该末端执行器框架的第一侧，其中该手掌壳体的该矢状平面与该多个手指组件中的手指组件的纵平面对齐；拇指组件，该拇指组件可拆卸地连接到该末端执行器框架的第二侧，该拇指组件包括：电机组件，该电机组件包括：第一电机，该第一电机具有第一电机轴，其中该第一电机轴被构造成绕第一电机轴轴线旋转；第二电机，该第二电机具有第二电机轴，其中该第二电机轴被构造成绕第二电机轴轴线旋转；其中该第一电机和该第二电机的至少一部段定位在该框架与该手掌壳体之间；并且其中该第一电机轴轴线和该第二电机轴轴线两者均不平行于该矢状平面布置。

7、所描述的用于机械手或假肢手的拇指组件包括电机、齿轮、关节和编码器的各种构型，以实现一系列运动和功能性。取决于设计构型，第一腕掌关节轴线和第二腕掌关节轴线两者可能相交，或者可能不相交。该组件集成了第一电机和第二电机，其中每个电机轴被定向成相对于末端执行器的矢状平面呈锐角。电机轴轴线和电机齿轮轴线被构造成基本上彼此平行，以确保同步移动。附加地，电机连接到驱动系统，该驱动系统包括屈曲齿轮、介入齿轮和蜗杆驱动齿轮，以促进拇指组件在卷曲定位与伸直定位之间进行受控移动。

8、拇指组件配备有壳体组件，该壳体组件包裹各种部件。该腕掌关节壳体组件被设计成响应于电机驱动的齿轮旋转来旋转，并且包括基部关节容纳器，该基部关节容纳器在不同拇指定位下装纳近端壳体组件。该组件还可具有纺织品覆盖物，以用于保护或其他目的。编码器被策略性地定位在腕掌关节、近端指间关节和远端指间关节附近，以收集有关拇指运动范围的数据，并且提供反馈以实现精确控制。各关节表现出特定的运动范围：近端指间关节在55°与90°之间，远端指间关节在35°与57°之间，并且腕掌关节在35°与160°之间，具体取决于关节。

9、在一些实施例中，末端执行器可包括蜗轮蜗杆驱动系统。蜗轮组件中的轴承允许滑移，以在遇到阻力的情况下保护系统免受损坏。拇指驱动组件包括屈曲齿轮、蜗杆驱动齿轮和驱动轴的组合，以仅使用两个电机实现具有四个自由度的平稳指部移动。具有三个自由度的手指组件可拆卸地连接到框架，并且由单独的电机驱动。框架的手掌区装纳电机，并且拇指驱动组件还结合有联接到下框架构件的前移齿轮，从而实现旋转移动。该组件缺少用于致动的机械拉索，并且可配备有偏置构件，以使拇指保持在伸直定位，从而增强整个系统的稳健性和功能性。