CN101301755B

CN101301755B - 具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节

Info

Publication number: CN101301755B
Application number: CN2008100550218A
Authority: CN
Inventors: 周玉林; 高峰
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: CN101301755A

Abstract

本发明公开一种具有偏置输出的3自由度球面并联的仿生肩关节，其特征是：中心球面铰链的下支撑杆(8)的轴线过3自由度球面并联机构固定平台(10)的中心，并在外端与其固联，固定平台(10)由均布的3个连接柱(21)与固定环(22)固联；中心球面铰链的直输出杆(16)或者圆-棱柱直输出杆(23)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(14)的中心，并在外端与动平台(14)固联或者以棱柱形式构成移动副连接，其轴线与偏置输出杆(17)轴线的偏摆角为α_h＝50～60°，两者所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋确定；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀的位姿角：α＝8～12°，β＝10～17°，γ＝-23～-27°。该仿生肩关节具有高过约束、静刚度大、工作空间大和卸载功能等优点，在形态、结构、运动、力学和功能上最大限度接近人的实际状态。

Description

具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节

技术领域

本发明涉及一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，属于机构学或人形机器人领域。

背景技术

目前，人们已经开发出大量的各种人形机器人：如日本早稻田大学的WABIAN-R系列、日本本田发动机公司P系列、日本索尼公司的娱乐型机器人SDR-4X、美国麻省理工学院人工智能实验室研制的COG、欧洲的Chalmers大学的Elvis、德国Karlsruhe大学的ARMAR、德国慕尼黑技术大学的Johnnie、西澳大利亚大学和简单低成本两足机器人Jack、法国的人形机器人ROBIAN、北京理工大学BHR-I等等。

考察现有的人形机器人后发现，除个别例如ROBIAN外，其本体构型几乎都是串联的构型。即机器人多自由关节为多个单转动副串联构成。

串联构型在控制上比较容易实现，而且结构简单，但存在着严重缺陷：下级驱动器的重量成了上级驱动器的负载，从而降低了驱动能力；对多转动副组合的关节如肩、髋关节，其运动功能只在3个特定的方向(驱动器轴线)与人相当，而在其余方向上出现明显分解动作，其灵活性、准确性及稳定性，与人有相当大差距；多转动副串联关节占用空间尺寸较大而且刚度小；肢体功能不完全，对合理补偿运动、调节机器人平衡，完成姿态变换及保证机器人的操作稳定等功能均不理想。

日本东京大学Masafumi OKADA、Yoshihiko NAKAMURA等人设计的3自由度仿生肩关节(the Cybernetic Shoulder)，如图11所示。它考虑了人体的肩甲骨支架对大臂运动的作用，它不属于球面机构或并联机构，大臂工作空间较大接近半球，但是，它的工作空间中心位于人体的侧面，这与人的大臂运动的实际情况不符，其中位于人体冠状面后部的近一半工作空间的是空闲、而人体冠状面前部大臂内收摆动超过90度的区域又无法实现。肩关节机构的工作空间与人的大臂运动空间对应区域错位。

由于国内外现有仿人形机器人的构型类型主要为单一的串联形式，有限的几种并联关节结构复杂、性能、技术指标不理想，在形式和功能上仿生水平较低，与人的实际要求有较大的差距，不能完全满足实际需要。

发明内容

为了克服现有人形机器人仿生肩关节存在的上述不足，本发明提供一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，该肩关节结构简单、紧凑、驱动器并联设置在机体上，减轻了肢体负荷，提高了肢体驱动能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将并联机构引入到人形机器人关节中，提出了具有中心球面铰链的、偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节。

从仿生学角度，即以人体的构型为基准，从结构仿生、运动仿生、功能仿生出发，以主动3自由度球面并联机构为人体肩关节原型机构，其三支链实现人的大臂肌肉群的驱动功能；引入中心球面副支撑在机构的动、静平台之间，相当于人体的肱骨头与关节盂的作用，同时，起到卸载、提高静刚度的作用；机构的输出采用偏置方式代表人体的肱骨体，以增大机构的输出空间、改变空间的形状。选择确定机构在人体中的位置、姿态使输出空间的形状、位置覆盖人大臂的实际运动范围。

用3自由度球面并联机构3-RRR(或3-RRS、2-RRR+RRS)代替人体的肩关节(见图10)。三个输入驱动器通过三个支链共同驱动动平台实现3个自由度转动，其作用相当于人大臂的肌肉群功能，动平台中心处引出输出杆相当于人的肱骨体。

3自由度球面并联机构的静力学与静刚度分析发现：①作用在机构输出杆上的复合外力中的力、力矩成分分别引起的机构构件上的力、力矩彼此独立的、可分离的；复合外力中的力成分及其所引起的构件上的力、力矩自始至终存在机构运动的全部过程中，构件上的力、力矩大小与外力、机构的运动位姿有关。复合外力中的力成分不能被机构的输入力矩所平衡。即无论该外力多大均不能改变机构的运动状态。实质上，该外力及所引起构件上的力、力矩属于机构运动过程中的寄生或附加载荷。它给机构带来许多不利的影响，如增加构件变形、运动副的摩擦力，进而降低机构效率、机构输出位置精度。特别对力成份占主导的外载荷其影响更加突出。在工程中，外力与环境有关、具有不确定性，因而，导致构件变形的不确定或机构输出位置不确定性，给机器人操作手的控制带来困难；②机构的整体静刚度比较小，角位移与线位移刚度不协调匹配，角位移刚度为10^7～8数量级，而线位移为10²数量级，机构在抵抗纯力(作用下)的线位移能力极差。③在3自由度球面并联机构的所有构型中，具有最大工作空间(α₁＝α₂＝90°、β₁＝60°、β₂＝45°)机构的两方向摆角

小于63度，而

在±90度内时，机构是安全的不会出现奇异，该空间称为机构的安全良好工作空间。

原型机构的构件上的载荷构成不合理；机构的静刚度较小、角位移刚度虽较大、线位移刚度却极小，线位移与角位移刚度不匹配；机构的工作空间较小，两方向摆角超过某一角度后机构会出现奇异现象。另一方面，人类的手臂所承受的载荷，通常为0～20kg左右，最大载荷可达人体重量1～2倍。力载荷对肩关节机构的影响是显著的。为此，须对原型机构进行以卸载、增大刚度为目标的设计。

利用机构存在公共球面约束的特征，即机构的构件均为绕球心旋转、机构的中心区域为空腔的特点。在机构的球心点植入一个被动球面铰链，与球窝固联的支撑杆轴线过3自由度球面并联机构的定平台中心点并与定平台固定，与球头固联输出杆的轴线过3自由度球面机构的动平台中心，并与动平台固联或以棱柱形式构成轴向移动副P连接。输出杆由动平台中心点穿过。这样形成了新型的机构，即带有中心球面铰链的四支链并联球面机构3-RRR+S或3-RRR+(S-P)(见图12、图13)。

新型的3自由度球面机构具有9(或8)项过约束，较原机构增加了3或2项过约束，保留了原机构的运动学特性，力学性能发生了根本改变：新机构的线位移刚度得到了极大的增加，整体静刚度也得到较大的增加，提高了机构的输出位移精度；当输出杆受到向心的压力时，力载荷经过动平台后被分解，将按照中心球面铰链分支链与球面并联机构的三分支链(两部分)静刚度的比例分配，而球面铰链分支链的受压刚度远远大于原球面机构三分支链的线位移刚度，结果是压力主要由中心球面铰链分支承担，而原机构三分支分得的载荷很小可以不考虑，达到完全卸载；当受到离心拉力时，同样，力载荷将按照中心球面铰链分支与球面机构三分支两部分静刚度的比例分配，只是球面铰链分支的受拉刚度与原球面机构三分支的线位移刚度相当，可实现部分卸载。

改进的机构3-RRR+S或3-RRR+(S-P)有以下不足：中心球面铰链的工作空间限制了新型的3自由度球面机构的输出件的运动，使新机构的工作空间变小了。中心球面铰链与3自由度球面并联机构为整体并联的新机构，它的工作空间为两者空间的交集，即由两者中较小的决定。传统的球面铰链有横向剖分球窝型(见图14)和纵向剖分球窝型(见图15)两种结构，输出杆的工作空间为：锥顶半角小于60度的球缺，绕z轴旋转不受限制；3-RRR机构的输出杆工作空间为：锥顶半角小于63度的球缺，绕z轴旋转正、负90°。两者空间的交集为3-RRR+S或3-RRR+(S-P)的工作空间，即锥顶半角小于60度的球缺、绕z轴旋转正、负90°。中心球面铰链的工作空间制约了机构的工作空间，必须对中心球面铰链进行进一步改进(见图6、图7)。

以横向剖分球窝的球面铰链为原型，利用运动与约束单项分解、交叉匹配方法，将支撑球窝与约束球窝彼此分开一定距离，支撑球窝保持不变，而约束球窝半径增大、形成球冠形，两者之间通过两个分置在过球心一条直径上的销轴构成可转动连接，即使约束球窝具有相对支撑球窝单向转动。同时限制约束球窝相对支撑球窝的中心的径向线位移和另一正交方向转动。以约束球窝中心线与销轴的轴线所构成的平面为对称面，在约束球窝上沿圆周方向、径向内外通透、开出两端封闭长槽，将输出杆的运动分解成正交的三个转动，即x、y、z旋转。设旋转轴y与销轴的轴线重合，输出杆由槽中伸出(穿过)、将另一摆动即绕x旋转设在长槽的对称面内，此时，输出杆便具有绕x轴、与约束球窝一同绕y轴的两向摆动，同时绕自身轴线转动不受限制。为消除构件硬干涉和机械加工方便，将约束球窝多余部分消(削)掉，然后再改成U形圆柱面组合体，即U形拨叉。最后，在输出杆与约束圆柱面之间设置短圆柱形支撑辊，用于取代原来球头与约束球窝直接接触，限制在拉力作用下输出杆及球头与支撑球窝的脱离。

具有大工作空间的新型球面铰链，其工作空间为：绕x轴摆动±(65°～70°)；绕y轴摆动±(70°～82°)；Z轴的旋转不受限制，即360°。

至此，3-RRR+S机构的工作空间则完全表现为3-RRR的工作空间，即锥顶半角小于63度的球缺，即两方向摆角

小于63度，而

在±90度以内。

对照发现：人类肱骨的摆动空间位于人体的正前方略下斜、呈半球冠形；而3-RRR+S机构的工作空间为全对称锥顶半角小于63度的完整球缺。因此，机构的工作空间形状与肱骨的不一致而且范围较小。也就是说，机构的工作空间仍不能满足肱骨运动空间的要求。还需要再次改进。

为了使机构的工作空间变大、形状与肱骨运动空间一致。根据空间映射原理，提出了机构输出杆偏置的设计新思想，即机构的原直输出杆在动平台以外一定距离点处向任意方向偏拐，该部分称为偏置输出杆，与直输出杆的轴线夹角α_h称为偏摆角，一般取值范围0～100°，使整体输出杆变为弯拐形，而球心与弯拐输出杆外端关节点(如肘关节)的连线为实际输出杆的位置，该输出方式称为偏置输出。实际输出杆与直输出杆轴线夹角t称为偏置角。当直输出杆在3自由度球面并联机构的安全良好工作空间中时，机构的实际输出杆处于更大的空间内运动，实现了所需空间的大小和形状，而且也是安全良好工作空间。

两个空间的映射关系，参见图5、图1，固定坐标系O-x₀y₀z₀：与下支撑杆8及机构定平台10固联，坐标原点位于球心，z₀为过球心与下支撑杆8轴线重合，正向向外；x₀轴为过球心的且与z₀、z₁₁所构成的平面垂直，正方向按右手螺旋法则由z₀转到z₁₁轴确定；y₀由右手螺旋法则确定。

运动坐标系O-xyz：与直输出杆16相固联，坐标原点位于球心，随着直输出杆16和动平台14一同运动，z轴与直输出杆16的轴线重合，正向指向外，x轴与z、z₁₃所构成平面垂直，正方向按右手螺旋法则由z转到z₁₃确定，y轴由右手螺旋法确定。初始位置与固定坐标系O-x₀y₀z₀重合，即x、y、z轴分别与x₀、y₀、z₀轴重合。

偏置坐标系O-x₁y₁z₁：与直输出杆16和偏置杆17所组成的输出杆整体固联，两者轴线夹角α_h。偏置杆17的偏折方向是任意的，为了研究问题方便，假定直输出杆16和偏置杆17所在平面与O-zy面重合。取OP为z₁轴，正向向外；x₁与x轴重合；y₁轴由右手螺旋法则确定。

动坐标系O-xyz的运动空间表达了原来球面机构的工作空间；而偏置坐标系O-x₁y₁z₁的运动空间表达了新型具有中心球面铰链的偏置输出3自由度球面并联机构的工作空间。

将动坐标系绕固定坐标系的x₀轴、y₀轴、z₀轴依次旋转，再绕动坐标系x轴旋转t得到偏置坐标系O-x₁y₁z₁。

偏置坐标系O-x₁y₁z₁经由动坐标系O-xyz在固定坐标系O-x₀y₀z₀下的描述矩阵与偏置坐标系O-x₁y₁z₁在固定坐标系O-x₀y₀z₀下的直接描述矩阵对等，经整理得两个空间的映射关系：

式中：

为动坐标系绕固定坐标系的x₀、y₀、z₀的转角；

偏置坐标系绕固定坐标系的x₀、y₀、z₀的转角，t为偏置角。

上式为新型的具有中心球面铰链的偏置输出3自由度球面并联机构的工作空间。正是偏置输出杆的轴线偏离了z轴，使得

增加t同时释放了进而明显增大输出杆运动范围并改变了空间的形状。

偏置角一般取值范围：

0≤t≤90°

考虑肱骨骨干呈弯折形状向外，弯折的距离较小的结构特点，偏置角一般为t＝42.15～49.15°，取45°。因此，具有中心球面铰链的偏置输出3自由度球面并联机构的工作空间范围：

当选定输出杆的偏置方向及偏置角大小之后，机构的输出杆的工作空间大小、形状及相对固定坐标系的位置是完全被确定，如图8所示。

最后，选择机构在肩关节参考坐标系中的位置与姿态。使输出工作空间覆盖人类大臂运动的中心区域，约为全部运动范围80～85％。

肩关节参考坐标系O-x_msy_msz_ms：人体总坐标系O₀-x_m0y_m0z_m0定义：取z_m0轴为人体的冠状面和矢状面的交线，向下为正方向；x_m0轴与水平面和矢状面的交线重合，向前(人体正面)为正方向；y_m0轴与水平面和冠状面交线重合，正方向右手螺旋法则确定，原点为三平面交点。将坐标原点平移到肩关节球心得到肩关节参考坐标系O-x_msy_msz_ms。

过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀：设z′₀轴与肩关节参考坐标系y_ms轴重合，正向相同；x′₀轴与肩关节参考坐标系的z_ms轴重合，方向相反；y′₀轴与肩关节参考坐标系的x_ms轴重合，正向相反；两坐标系原点重合。

初始状态，机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀与过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀重合，然后，依次做三次旋转：绕z′₀轴旋转γ角(右肩为负、左肩正)；绕x′₀轴旋转β角(右肩为正、左肩负)；绕y′₀轴旋转α角(左、右肩均为正)。使机构的输出杆的工作空间的中心与肱骨的运动范围的中心接近重合。

考虑人体肱骨在矢状面内运动范围较大，肩胛骨的关节盂球窝的中性线从冠状面向前偏转角约10～17°、从水平面向上偏转角约8～12°；机构的工作空间本身的对称性，因此，机构的固定坐标系相对过渡坐标系的位姿角取：

机构的安全良好工作空间同时伴随固定坐标系一起旋转，其位置如图9所示。

至此，设计出了全新的完全满足要求的高度仿生的肩关节，即具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节。

本发明的有益效果：关节是人形机器人本体设计的基础，是最重要的关键的部分。它的结构和综合性能将直接决定了机器人的性能。具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，在形态、结构、运动、力学和功能上最大限度接近人体的实际状态；具有高过约束、静刚度大、工作空间大和卸载功能等优点；该肩关节结构简单、紧凑、驱动器并联设置在机体上，减轻了肢体负荷，提高了肢体驱动能力、操作能力；使肢体的运动更加快速、灵活、平滑连续，改善肢体协调及姿态变换能力，特别是大刚度使肢体的承载能力增加。总之，该仿生肩关节对于提高人形机器人的机动能力、操作能力、承载能力、运动快速稳定性、肢体运动的协调能力及姿态变化、运动的控制性能等有重要意义和价值。

附图说明

图1是双耳支架旋转型的具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节的结构示意图；

图2是直输出杆外端与动平台以棱柱形式构成移动副连接的双耳支架旋转型的具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节的结构示意图；

图3是具有双耳支架固定、球头与球窝换位的、偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节的结构示意图；

图4是直输出杆外端与动平台以棱柱形式构成移动副连接的双耳支架固定、球头与球窝换位的、偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节的结构示意图；

图5是具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节的坐标系组示意图；

图6是双耳支架旋转型的中心球面铰链结构示意图；

图7是双耳支架固定、球头与球窝换位型的中心球面铰链结构示意图；

图8是偏置角45°时，肩关节机构的工作空间大小、形状与固定坐标系的位置关系示意图；

图9是肩关节在人体中定位后，机构的工作空间大小、形状与固定坐标系的位置关系示意图；

图10是肩关节的原型机构3自由度球面并联机构的结构示意图；

图11是日本东京大学设计的3自由度仿生肩关节的结构图；

图12是3-RRR+S3自由度球面并联机构的示意图；

图13是3-RRR+(S-P)3自由度球面并联机构的示意图；

图14是横向剖分的传统的球面铰链结构示意图；

图15是纵向剖分的传统的球面铰链结构示意图。

在上述附图中，(1，1′).支撑销轴，(2，2′).支撑辊，3.U形拨叉，(4，4′).拨叉销轴，5.球头，6.球窝，7.双耳支架，8.下支撑杆，(9，9′，9″).输入驱动轴，10.下平台，(11，11′，11″).下连杆，(12，12′，12″).连杆销轴，(13，13′，13″).上连杆，14.动平台，(15，15′，15″).动平台销轴，16.扁-圆直输出杆，16′.扁直输出杆，17.偏置输出杆，18.活动球窝，19.旋转支架，20.直输出杆，21.连接柱，22.固定环，23.扁-棱柱直输出杆，24.圆-棱置输出杆，25.圆形直输出杆。

具体实施方式

实施例1

图1是本发明公开的第一个实施例，是一种双耳支架旋转型的具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，它由3自由度球面并联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元三部分组成。所述的中心球面铰链包括双耳支架7、下支撑杆8和拨叉销轴(4，4′)；扁-圆直输出杆16、支撑销轴(1，1′)和支撑辊(2，2′)；支撑球窝6、球头5和U形拨叉3。所述的偏置输出杆单元包括扁-圆直输出杆16，偏置输出杆17。所述的3自由度球面并联机构包括固定平台10、3个连接柱21、固定环22、驱动输入轴(9，9′，9″)、下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13″)、上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)、动平台14、动平台14和上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)。其中3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆8的轴线过3自由度球面并联机构固定平台10的中心，并在外端与其固联，固定平台10由均布的3个连接柱21与固定环22固联；中心球面铰链的扁-圆直输出杆16的轴线过3自由度球面并联机构动平台14的中心，并在外端与动平台14固联；扁-圆直输出杆16穿过动平台，与偏置输出杆17固联，其轴线与偏置输出杆17轴线所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋确定，扁-圆直输出杆16与偏置输出杆17轴线夹角称为偏摆角α_h＝52°；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系(或肩关节参考坐标系O-x_msy_msz_ms)位姿角：α＝10°、β＝12°、γ＝-25°；支撑球窝6与下支撑杆8的回转轴线重合、对心固定；双耳支架7与下支撑杆8轴线重合构成转动连接；双耳支架7与U形拨叉3通过销轴(4，4′)构成可转动连接；U形拨叉3为半圆柱环面组合体，在轴向宽度中间平面处，对称的沿圆周方向加工出、内外通透的封闭长槽；扁-圆直输出杆16的截面形状为方或扁的，上端由长槽中穿过、扁截面与槽同宽，其下端与球头对心固联；支撑辊(2，2′)为圆柱形与支撑销轴(1，1′)前后对称直接装在扁-圆直输出杆16的扁面上，销轴(1，1′)的轴线与直输出杆16的轴线相交并垂直扁面；支撑辊(2，2′)的圆柱面与U形拨叉3的内表面保持接触，两者轴线平行。限制扁-圆直输出杆16和球头5在离心力作用下与球窝的分离。扁-圆直输出杆16及支撑辊(2，2′)、支撑销轴(1，1′)同时在U形拨叉3的封闭长槽内摆动，扁-圆直输出杆16及支撑辊(2，2′)、支撑销轴(1，1′)、U形拨叉3可一起绕销轴(4，4′)摆动，扁-圆直输出杆16可绕自身轴线转动，带动支撑辊(2，2′)、支撑销轴(1，1′)、U形拨叉3及双耳支架7相对下支撑杆8旋转；驱动输入轴(9，9′，9″)与下连杆(11，11′，11″)下端固联、与固定平台10在支撑点处构成转动连接后外端与减速器固接；三个支链中的构件、动平台14的所有转动销轴的轴线交于同一点即球心，动平台中心线与销轴(15，15′，15″)轴线夹角45°、固定平台中心线与驱动输入轴(9，9′，9″)轴线夹角60°；三个支链分别与动平台、固定平台连接的支撑点之间夹角均为120°；下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13 ″)对应的圆弧中心角均为90°；动平台14位于上连杆(13，13′，13″)内侧、上连杆(13，13′，13″)位于下连杆(11，11′，11″)内侧、下连杆(11，11′，11″)位于固定平台10内侧，固定平台10一般为内凹形。当机构运动时各构件分别在不同球面上运动互不干涉。

实施例2

图2是本发明公开的第二个实施例，是一种直输出杆外端与动平台以棱柱形式构成移动副连接的双耳支架旋转型的具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，它由3自由度球面并联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元三部分组成。所述的中心球面铰链包括双耳支架7、下支撑杆8和拨叉销轴(4，4′)；扁-棱柱直输出杆23(包括直输出杆12′的组合体)，支撑销轴(1，1′)和支撑辊(2，2′)；支撑球窝6、球头5和U形拨叉3。所述的偏置输出杆单元包括扁-棱柱直输出杆23，偏置输出杆17。所述的3自由度球面并联机构包括固定平台10、驱动输入轴(9，9′，9″)、下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13″)、上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)、动平台14、动平台14和上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)。其中3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆8的轴线过3自由度球面并联机构固定平台10的中心，并在外端与其固联，固定平台10由均布的3个连接柱21与固定环22固联。中心球面铰链的扁-棱柱直输出杆23的轴线过3自由度球面并联机构动平台14的中心，并在外端与动平台14以棱柱形式构成移动副连接。其它部分与实施例1相同。

图3是本发明公开的第三个实施例，是一种具有双耳支架固定、球头与球窝换位的、偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，同样，它由3自由度球面并联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元三部分组成。所述的中心球面铰链包括双耳支架7、下支撑杆8和拨叉销轴(4，4′)；圆形直输出杆25、旋转支架19、支撑销轴(1，1′)和支撑辊(2，2′)；活动球窝18、球头5和U形拨叉3。所述3自由度球面并联机构包括固定平台10，驱动输入轴(9，9′，9″)，下连杆(11，11′，11″)，上连杆(13，13′，13″)，上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)，动平台14，动平台与上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)。所述的偏置输出杆单元包括圆形直输出杆25，偏置输出杆17。其中与第一实施例的不同之处：球头5与支撑球窝6位置对调，支撑球窝减小为小球缺，并改称活动球窝18；下支撑杆8与双耳支架7的回转轴线重合固联为一体、上端与球头5对心固定；圆形直输出杆25为圆柱形阶梯轴，下端与活动球窝(为球缺)18对心固定并可一起旋转，中间套装旋转支架19，两者可相对转动；旋转支架19前后对称装有支撑销轴(1，1′)及圆柱支撑辊(2，2′)；支撑销轴(1，1′)的轴线与U形拨叉3的轴线平行、圆柱支撑辊(2，2′)与U形拨叉3内表面接触实现支撑，圆形直输出杆25的轴线过3自由度球面并联机构动平台的中心，并与动平台固联；下支撑杆8的轴线通过固定平台的中心，与固定平台固联，使拨叉支撑销轴(4、4′)的轴线与下支撑杆8轴线所构成的平面与机构的固定坐标系的O-x₀z₀平面夹角25°(绕z₀轴正向右手旋转25°)。

该实施例的特点：球头大、球窝小，关节的运动空间大而且从根本上消除了活动球窝与球头脱臼的问题。

图4是本发明的第四个实施例，是一种直输出杆外端与动平台以棱柱形式构成移动副连接的双耳支架固定、球头与球窝换位的、偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节。其中，3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合，中心球面铰链的下支撑杆8轴线过3自由度球面并联机构固定平台10的中心，并在外端与固定平台10固联；中心球面铰链的圆-棱柱直输出杆24的轴线过3自由度球面并联机构动平台14的中心，并在外端与动平台14以棱柱形式构成移动副连接。其它部分与实施例3相同。

Claims

1.一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，包括3自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元，所述的3自由度球面并联机构包括固定平台(10)、3个连接柱(21)、固定环(22)、驱动输入轴(9，9′，9″)、下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13″)、上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)、动平台(14)、以及动平台(14)和上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)；所述的中心球面铰链包括双耳支架(7)、下支撑杆(8)、拨叉销轴(4，4′)、扁-圆直输出杆(16)、支撑销轴(1、1′)、支撑辊(2、2′)、支撑球窝(6)、球头(5)和U形拨叉(3)；所述的偏置输出杆单元包括所述扁-圆直输出杆(16)和偏置输出杆(17)，其特征是：3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆(8)的轴线过3自由度球面并联机构固定平台(10)的中心，并在外端与其固联，固定平台(10)由均布的3个连接柱(21)与固定环(22)固联；中心球面铰链的扁-圆直输出杆(16)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(14)的中心，并在外端与动平台(14)固联；扁-圆直输出杆(16)穿过动平台(14)与偏置输出杆(17)固联，其轴线与偏置输出杆(17)轴线的偏摆角为α_h＝50～60°，两者所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋确定；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀的位姿角：α＝8～12°，β＝10～17°，γ＝-23～-27°。

2.根据权利要求1所述的具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，其特征是：中心球面铰链的支撑球窝(6)与下支撑杆(8)的回转轴线重合并且对心固定，支撑球窝(6)中心与中心球面铰链球心重合；双耳支架(7)与下支撑杆(8)为转动连接；双耳支架(7)与U形拨叉(3)通过拨叉销轴(4，4′)转动连接；U形拨叉(3)为半圆形柱面组合体，在其轴向宽度中间平面处，对称的沿圆周方向加工出内外通透的封闭长槽；扁-圆直输出杆(16)上端由此封闭长槽中穿过，其截面形状为方或扁的且与封闭长槽同宽，其下端与球头(5)对心固联；支撑辊(2，2′)为圆柱形，且与支撑销轴(1，1′)前后对称直接装在扁-圆直输出杆(16)的扁面上，支撑销轴(1，1′)的轴线与扁-圆直输出杆(16)扁面垂直，支撑辊(2，2′)的外圆柱面与U形拨叉(3)的内表面保持接触且两者的轴线平行。

3.根据权利要求2所述具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，其特征是：拨叉销轴(4、4′)的轴线与下支撑杆(8)轴线所构成的平面与3自由度球面并联机构的固定坐标系的O-x₀z₀平面夹角25°，即绕z₀轴正向右手螺旋旋转25°。

4.一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，包括3自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元，所述的3自由度球面并联机构包括固定平台(10)、3个连接柱(21)、固定环(22)、驱动输入轴(9，9′，9″)、下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13″)、上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)、动平台(14)、以及动平台(14)和上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)；所述的中心球面铰链包括双耳支架(7)、下支撑杆(8)、拨叉销轴(4，4′)、圆形直输出杆(25)、旋转支架(19)、活动球窝(18)、支撑销轴(1，1′)、支撑辊(2，2′)和U形拨叉(3)；所述的偏置输出杆单元包括圆形直输出杆(25)和偏置输出杆(17)，其特征是：3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆(8)的轴线过3自由度球面并联机构固定平台(10)的中心，并在外端与其固联，固定平台(10)由均布的3个连接柱(21)与固定环(22)固联；中心球面铰链的圆形直输出杆(25)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(14)的中心，并在外端与动平台(14)固联；圆形直输出杆(25)穿过动平台(14)与偏置输出杆(17)固联，其轴线与偏置输出杆(17)轴线的偏摆角为α_h＝50～60°，两者所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋确定；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀的位姿角：α＝8～12°，β＝10～17°，γ＝-23～-27°。

5.根据权利要求4所述具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，其特征是：下支撑杆(8)与双耳支架(7)的回转轴线重合且固联为一体，其上端与球头(5)对心固定，球头(5)的球心与中心球面铰链的球心重合；圆形直输出杆(25)为圆柱形阶梯轴，其下端与活动球窝(18)对心固定并可一起旋转，中间套装旋转支架(19)，两者可相对转动；旋转支架(19)前后对称装有支撑销轴(1，1′)及支撑辊(2，2′)，支撑辊(2，2′)为圆柱形；支撑销轴(1，1′)的轴线与U形拨叉(3)的轴线平行，支撑辊(2，2′)与U形拨叉(3)内表面接触实现支撑。

6.根据权利要求5所述具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，其特征是：拨叉销轴(4、4′)的轴线与下支撑杆(8)轴线所构成的平面与3自由度球面并联机构的固定坐标系的O-x₀z₀平面夹角25°，即绕z₀轴正向右手螺旋旋转25°。

7.一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，包括3自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元，所述的3自由度球面并联机构包括固定平台(10)、3个连接柱(21)、固定环(22)、驱动输入轴(9，9′，9″)、下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13″)、上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)、动平台(14)、以及动平台(14)和上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)；所述的中心球面铰链包括双耳支架(7)、下支撑杆(8)、拨叉销轴(4，4′)、扁-棱柱直输出杆(23)、支撑销轴(1、1′)、支撑辊(2、2′)、支撑球窝(6)、球头(5)和U形拨叉(3)；所述的偏置输出杆单元包括所述扁-棱柱直输出杆(23)和偏置输出杆(17)，其特征是：3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆(8)的轴线过3自由度球面并联机构固定平台(10)的中心，并在外端与其固联，固定平台(10)由均布的3个连接柱(21)与固定环(22)固联；中心球面铰链的扁-棱柱直输出杆(23)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(14)的中心，并在外端与动平台(14)以棱柱形式构成移动副连接；扁-棱柱直输出杆(23)穿过动平台(14)与偏置输出杆(17)固联，其轴线与偏置输出杆(17)轴线的偏摆角为α_h＝50～60°，两者所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋确定；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀的位姿角：α＝8～12°，β＝10～17°，γ＝-23～-27°。

8.一种具有偏置输出的3自由度球面并联仿生肩关节，包括3自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元，所述的3自由度球面并联机构包括固定平台(10)、3个连接柱(21)、固定环(22)、驱动输入轴(9，9′，9″)、下连杆(11，11′，11″)、上连杆(13，13′，13″)、上、下连杆构成转动的销轴(12，12′，12″)、动平台(14)、以及动平台(14)和上连杆上端构成转动的销轴(15，15′，15″)；所述的中心球面铰链包括双耳支架(7)、下支撑杆(8)、拨叉销轴(4，4′)、圆-棱柱直输出杆(24)、旋转支架(19)、活动球窝(18)、支撑销轴(1，1′)、支撑辊(2，2′)和U形拨叉(3)；所述的偏置输出杆单元包括圆-棱柱直输出杆(24)和偏置输出杆(17)，其特征是：3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆(8)的轴线过3自由度球面并联机构固定平台(10)的中心，并在外端与其固联，固定平台(10)由均布的3个连接柱(21)与固定环(22)固联；中心球面铰链的圆-棱柱直输出杆(24)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(14)的中心，并在外端与动平台(14)以棱柱形式构成移动副连接；圆-棱柱直输出杆(24)穿过动平台(14)与偏置输出杆(17)固联，其轴线与偏置输出杆(17)轴线的偏摆角为α_h＝50～60°，两者所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋确定；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系O-x′₀y′₀z′₀的位姿角：α＝8～12°，β＝10～17°，γ＝-23～-27°。