CN102601792B - 一种绳索远程驱动控制的仿人机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索远程驱动控制的仿人机器人，其运动单元包括右臂运动单元，左臂运动单元，腰部运动单元以及底座运动单元四个部分。在绳索的驱动下，机器人的左臂和右臂可以分别作两个自由度的运动，机器人的腰部可以做三个自由度的运动，机器人的底座部分可以实现三个自由度的运动。仿人机器人可以实现手臂的摇摆，腰部的扭动，以及腰部以下的起伏运动，从而模拟人的跑步姿态。拉拽绳索的电机驱动单元安装在一个隔音箱中，从隔音箱中的电机驱动端到仿人机器人间的绳索通过特制导管实现其导向和固定。由于仿人机器人的结构中没有嵌入任何发声元件，在运动过程中该仿人机器人噪声极低。

Description

一种绳索远程驱动控制的仿人机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人科学领域，特别涉及一种绳索远程驱动控制的仿人机器人系统。

背景技术

仿生机器人是仿生学和机器人学的综合，它的研究集中了生物、机械、电子电气、传感器、控制技术和计算机等多门科学。人类肢体的运动仿生作为仿人机器人研究的一个重要内容，在现有的研究中极少考虑运动噪声问题，目前大部分仿人机器人肢体的多自由度的运动是通过嵌入电机驱动串联机构实现，每个电机单独负责一个自由度的运动，其结构简单且易于控制，然而缺点是其在运动过程中会引入很大的噪声。研究低运动噪声的仿人机器人是该科学领域进一步发展的本质需求，且具有重要的现实意义。例如为了研究如何提高具有复杂噪音的特殊现场情境下（生化试验、战争和诸如地震后的抢险救灾等）人们的通讯质量，使用的仿人机器人系统必须具有极低的运动噪声。

通过将发声元件安装在一个隔音箱中，通过绳索远程驱动机器人系统，可实现机器人的低噪声运动仿生。由于所设计机器人系统中采用柔性绳索进行远程驱动，其建模和仿生运动的控制实现具有一定的挑战性。

由于绳索只能产生单方向的拉力而不能产生推力，因此对于具有n个自由度的绳索驱动机器人一般至少需要n + 1根驱动绳索。Ming等最早将绳索驱动并联装置分为两大类。第一类称为完全约束的定位装置(CRPM)，这类系统驱动绳索的数目大于系统的自由度，可直接通过对绳索的控制保证系统的刚性。第二类称为非完全约束的定位装置(IRPM)，这类系统中驱动绳索的数目不大于系统的自由度，装置本身不能保证其刚性，需通过外力来保证所有驱动绳索的张紧状态，常用的外力为自然力重力和浮力，也有人为创造的脊柱支撑力。后来，人们又从CRPM中分离出冗余约束的定位装置(RRPM)，即对于n个系统自由度至少配备了n+2根驱动绳索的机器人系统，从而CRPM特指通过n+1绳索驱动n个自由度的绳索机器人系统。

针对实际应用已有大量的绳索驱动机器人问世。串联式绳索驱动机器人研究相对集中，主要在仿生手臂方面，Vishalini在其论文中调研了经典的绳索驱动仿人手指，国内北航和天大等单位对于绳索驱动的机器人手/臂的研究也取得了一定成果。相对于串联绳索驱动机器人，并联绳索驱动机器人的研究内容比较丰富，研究成果也较多。例如，早期的绳索驱动吊车RoboCrane，目前在体育赛事转播上大量使用的SkyCam，我国正在研制的超大射天望远镜 FAST500系统，高速机械手WARP等。绳索驱动并联机器人研究内容主要包括运动学和工作空间的分析、系统的动力学与控制问题和绳索的干涉问题等。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳索驱动的低运动噪声仿人机器人，同时将对绳索驱动机器人技术有所拓展和促进。

    本发明的技术方案如下：一种绳索远程驱动控制的仿人机器人，包括躯干、左臂、右臂、腰部、底座、外部驱动器和计算机控制系统，其中：

外部驱动器与右臂、左臂、腰部、底座通过驱动绳索相连，外部驱动器与计算机控制系统之间通过数据线相连，右臂、左臂、腰部、底座装有角度传感器，这些角度传感器通过数据线与计算机控制系统相连；在绳索的驱动下，左臂和右臂可以分别作两个自由度的运动，腰部可以作三个自由度的运动，底座可以做三个自由度的运动。

右臂包括上臂、前臂、肘部转轴、绳索固定器、绳索固定管、扭簧、肘部驱动绳索、肩部转轴、肩部滑轮和肩部驱动绳索；前臂通过肘部转轴与上臂相连，上臂通过肩部转轴与机器人的躯干相连，前臂与上臂之间可绕肘部转轴转动，上臂与躯干之间可绕肩部转轴转动；绳索固定器固定在前臂的上方，绳索固定管固定在上臂的前方，肘部驱动绳索的一端与绳索固定器相连，另一端经过绳索固定管穿入线管中，并与外部驱动器相连；当外部驱动器拉紧肘部驱动绳索时，前臂绕肘部转轴向上转动，当移去外力作用时，在扭簧的作用下，前臂绕肘部转轴向反方向转动；肩部滑轮与肩部转轴相连，肩部驱动绳索挂在肩部滑轮上，两端分别与外部驱动器相连，当外部驱动器拉紧肩部驱动绳索时，可带动肩部滑轮转动；肩部滑轮通过肩部转轴从而带动机器人的上臂转动，通过控制肩部驱动绳索，可实现机器人上臂的前后摆动。

腰部包括腰部基座、腰部转轴、球形接头、腰部旋转滑轮、腰部旋转驱动绳索、小滑轮和腰部倾斜驱动绳索；腰部转轴的上端与躯干的下端相连，腰部转轴的中部通过球形接头连接在腰部基座上，腰部转轴的上方通过腰部旋转滑轮与腰部旋转驱动绳索相连，腰部旋转驱动绳索的另一端连接于外部驱动器；腰部转轴的下方与四根腰部倾斜驱动绳索相连，四根腰部倾斜驱动绳索通过四个小滑轮与外部驱动器相连，通过外部驱动器拉拽腰部旋转驱动绳索，带动腰部转轴转动，从而控制机器人腰部的旋转运动；通过拉拽四更腰部倾斜驱动绳索，带动腰部转轴的底端向四个方向运动，从而控制机器人的腰部前倾、后仰、左倾、右倾四个方向的运动。

底座部分包括底座平台、弹簧、以及底座驱动绳索；底座平台的上端通过弹簧与腰部基座的下端相连，四根底座驱动绳索的一端固定在腰部基座上，另端穿过底座平台连接至外部驱动器；通过控制四根底座驱动绳索，可以控制腰部基座的上下运动以及侧向运动。

右臂、左臂、腰部、底座装有角度传感器，用于检测机器人在运动过程中的变量；机器人的肘部转轴、肩部转轴、腰部转轴上分别装有码盘，分别测量肘部转角、肩部转角、以及腰部转角；机器人的腰部基座上装有两自由度的倾角传感器和高度传感器，分别测量机器人腰部的前向倾角，侧向倾角，以及腰部基座距离地面的高度；机器人的躯干上装有两自由度的倾角传感器，用于测量机器人躯干的前向倾角和侧向倾角；这些变量在检测后通过数据线输入计算机控制系统，计算机控制系统对这些检测变量进行计算分析，并将控制信号传给外部驱动器，所述控制信号包括拉拽肘部驱动绳索、肩部驱动绳索、腰部旋转驱动绳索、四根腰部倾斜驱动绳索，四根底座驱动绳索的力矩。

外部驱动器包含拉拽绳索的电机驱动单元，通过拉拽肘部驱动绳索、肩部驱动绳索、腰部旋转驱动绳索、四根腰部倾斜驱动绳索、四根底座驱动绳索，实现对机器人的远程驱动控制。

外部驱动器安装在一个隔音箱中，从隔音箱中的电机驱动端到仿人机器人间的绳索通过特制导管实现其导向和固定。

本发明设计了一种绳索远程驱动控制的仿人机器人，将发声元件安装在一个隔音箱中，通过绳索远程驱动仿人机器人，可实现人的低噪声运动仿生。所设计机器人系统中采用柔性绳索进行远程驱动。其运动单元包括右臂运动单元，左臂运动单元，腰部运动单元以及底座运动单元四个部分。

在绳索的驱动下，机器人的左臂和右臂可以分别作两个自由度的运动——上臂和前臂的前后摆动，从而模拟人手臂的肘部和肩部运动；机器人的腰部可以做三个自由度的运动——腰部的平面转动，前向倾斜以及侧向倾斜运动，从而模拟人腰部的运动；机器人的底座部分可以实现三个自由度的运动——前后倾斜，侧向倾斜以及上下伸缩运动，从而模拟机器人的腿部运动。

拉拽绳索的电机驱动单元安装在一个隔音箱中，从隔音箱中的电机驱动端到仿人机器人间的绳索通过特制导管实现其导向和固定。由于仿人机器人的结构中没有嵌入任何发声元件，在运动过程中该仿人机器人噪声极低。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

1、仿人机器人可以实现手臂的摇摆，腰部的扭动，以及腰部以下的起伏运动，从而模拟人的静态时候的躯干运动以及行走或跑步时候的运动。

2、机器人的驱动单元位于外部的隔音箱中，仿人机器人本体中没有任何发声元件，在运动过程中仿人机器人的噪声极低。

3、所发明的机器人系统由于运动过程中噪声极低，因此可用来采集人在运动过程中身上所穿戴衣物产生的噪声，通过对这些噪声的进一步研究，可为特殊环境下工作或执行任务的人员提供有益的声讯服务。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明右臂结构示意图。

图3是本发明腰部结构示意图。

图4是本发明底座结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

图1所示的是一种绳索远程驱动控制的仿人机器人整体结构示意图，包括躯干100，右臂200，左臂300，腰部400，底座500，外部驱动器600，计算机控制系统700七大组成部分。

机器人的腰部400的下端连接于底座500上方，腰部400的上端与躯干100的下端相连，左臂200和右臂300连接于躯干100的两侧。外部驱动器600与右臂200，左臂300，腰部400，底座500通过驱动绳索相连。外部驱动器600与计算机控制系统700之间通过数据线相连。右臂200、左臂300、腰部400、底座500装有角度传感器，这些角度传感器通过数据线与计算机控制系统700相连。

图2所示的是机器人右臂200结构示意图。右臂200包括上臂201，前臂202，肘部转轴203，绳索固定器204，绳索固定管205，扭簧206，肘部驱动绳索207，肩部转轴208，肩部滑轮209，肩部驱动绳索210等。

前臂202通过肘部转轴203与上臂201相连，上臂201通过肩部转轴208与机器人的躯干100相连。前臂202与上臂201之间可绕肘部转轴203转动，上臂201与躯干100之间可绕肩部转轴208转动。绳索固定器204固定在前臂202的上方，绳索固定管205固定在上臂201的前方，肘部驱动绳索207的一端与绳索固定器204相连，另一端经过绳索固定管205穿入固定在绳索固定管205上的线管中，并与外部驱动器600相连。当外部驱动器600拉紧肘部驱动绳索207时，前臂202绕肘部转轴203向上转动；当移去外力作用时，在扭簧206的作用下，前臂202绕肘部转轴203向反方向转动。肩部滑轮209与肩部转轴208相连，肩部驱动绳索210挂在肩部滑轮209上，两端分别穿入两根固定在躯干100上的线管中，并与外部驱动器600相连。与外部驱动600器相连。当外部驱动器600拉紧肩部驱动绳索210时，可带动肩部滑轮209转动；肩部滑轮209通过肩部转轴208带动机器人的上臂201转动。这样，通过控制肘部驱动绳索207，可以实现机器人肘部的摆动。通过控制肩部驱动绳索210，可实现机器人上臂201的前后摆动。

机器人左臂300的结构和运动原理和右臂200相同，这里不再赘述。

图3所示的是机器人腰部400结构示意图。腰部包括：腰部基座401，腰部转轴402，球形接头403，腰部旋转滑轮404，腰部旋转驱动绳索405，四个小滑轮406、407、408、409，四根腰部倾斜驱动绳索410、411、412、413等。

腰部转轴402的上端与躯干100的下端相连，腰部转轴402的中部通过球形接头403连接在腰部基座401上，腰部转轴402的上方通过腰部旋转滑轮404与腰部旋转驱动绳索405相连，腰部旋转驱动绳索405的两端分别穿入两根固定在腰部转轴402上的线管中，并连接于外部驱动器600；腰部转轴402的下端与四根腰部倾斜驱动绳索410、411、412、413相连，四根腰部倾斜驱动绳索410、411、412、413通过四个小滑轮406、407、408、409, 经过腰部基座上401的四个小孔，穿入四根固定在腰部基座上401上的线管中，并与外部驱动器600相连。通过外部驱动器600控制腰部旋转驱动绳索405，带动腰部转轴402转动，从而控制机器人腰部的旋转运动；通过控制四根腰部倾斜驱动绳索410、411、412、413，带动腰部转轴402的底部向四个方向运动，从而控制机器人的腰部400前倾、后仰、左倾、右倾四个方向的运动。 

图4所示的是机器人底座500结构示意图。底座部分包括底座平台501，弹簧502，以及四根底座驱动绳索503、504、505、506。

底座平台501的上端通过弹簧502与腰部基座401的下端相连。四根底座驱动绳索503、504、505、506的一端固定在底座平台501上，另端穿过腰部基座上401的四个小孔，穿入四根固定在腰部基座上401上的线管中，并连接至外部驱动器600。通过拉拽四根底座驱动绳索503、504、505、506，可以控制腰部基座401的上下运动以及侧向运动，从而模拟人的腿部运动。

此外，机器人的右臂200、左臂300、腰部400、底座500装有角度传感器，用于检测机器人在运动过程中的变量：机器人的肘部转轴203，肩部转轴208，腰部转轴402上分别装有码盘，分别测量肘部转角、肩部转角、以及腰部转角；机器人的腰部基座401上装有两自由度的倾角传感器和高度传感器，分别测量机器人腰部的前向倾角，侧向倾角，以及腰部基座距离地面的高度；机器人的躯干100上装有两自由度的倾角传感器，用于测量机器人躯干的前向倾角和侧向倾角。这些变量在检测后通过数据线输入计算机控制系统700，计算机控制系统700对这些检测变量进行计算分析，并将控制信号传给外部驱动器600，控制信号包括：拉拽肘部驱动绳索207、肩部驱动绳索210、腰部旋转驱动绳索405、四根腰部倾斜驱动绳索410、411、412、413，四根底座驱动绳索503、504、505、506的力矩。

外部驱动器600包含拉拽绳索的电机驱动单元，通过拉拽肘部驱动绳索207、肩部驱动绳索210、腰部旋转驱动绳索405、四根腰部倾斜驱动绳索410、411、412、413，四根底座驱动绳索503、504、505、506，实现对机器人的远程驱动控制。外部驱动器安装在一个隔音箱中，从隔音箱中的电机驱动端到仿人机器人间的绳索通过特制导管实现其导向和固定。由于仿人机器人的结构中没有嵌入任何发声元件，在运动过程中该仿人机器人噪声极低。 

Claims (5)

1.一种绳索远程驱动控制的仿人机器人，包括躯干、左臂、右臂、腰部、底座、外部驱动器和计算机控制系统，其特征在于：

外部驱动器与右臂、左臂、腰部、底座通过驱动绳索相连，外部驱动器与计算机控制系统之间通过数据线相连，右臂、左臂、腰部、底座装有角度传感器，这些角度传感器通过数据线与计算机控制系统相连；

在绳索的驱动下，左臂和右臂可以分别作两个自由度的运动，腰部可以作三个自由度的运动，底座可以做三个自由度的运动；

所述右臂包括上臂、前臂、肘部转轴、绳索固定器、绳索固定管、扭簧、肘部驱动绳索、肩部转轴、肩部滑轮和肩部驱动绳索；

前臂通过肘部转轴与上臂相连，上臂通过肩部转轴与机器人的躯干相连，前臂与上臂之间可绕肘部转轴转动，上臂与躯干之间可绕肩部转轴转动；绳索固定器固定在前臂的上方，绳索固定管固定在上臂的前方，肘部驱动绳索的一端与绳索固定器相连，另一端经过绳索固定管穿入线管中，并与外部驱动器相连；

当外部驱动器拉紧肘部驱动绳索时，前臂绕肘部转轴向上转动，当移去外力作用时，在扭簧的作用下，前臂绕肘部转轴向反方向转动；

肩部滑轮与肩部转轴相连，肩部驱动绳索挂在肩部滑轮上，两端分别与外部驱动器相连，当外部驱动器拉紧肩部驱动绳索时，可带动肩部滑轮转动；

肩部滑轮通过肩部转轴从而带动机器人的上臂转动，通过控制肩部驱动绳索，可实现机器人上臂的前后摆动；

所述腰部包括腰部基座、腰部转轴、球形接头、腰部旋转滑轮、腰部旋转驱动绳索、小滑轮和腰部倾斜驱动绳索；

腰部转轴的上端与躯干的下端相连，腰部转轴的中部通过球形接头连接在腰部基座上，腰部转轴的上方通过腰部旋转滑轮与腰部旋转驱动绳索相连，腰部旋转驱动绳索的另一端连接于外部驱动器；

腰部转轴的下方与四根腰部倾斜驱动绳索相连，每根腰部倾斜驱动绳索通过1个小滑轮与外部驱动器相连，通过外部驱动器拉拽腰部旋转驱动绳索，带动腰部转轴转动，从而控制机器人腰部的旋转运动；

通过拉拽四根腰部倾斜驱动绳索，带动腰部转轴的底端向四个方向运动，从而控制机器人的腰部前倾、后仰、左倾、右倾四个方向的运动。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人，其特征在于：

所述底座部分包括底座平台、弹簧以及底座驱动绳索；

底座平台的上端通过弹簧与腰部基座的下端相连，四根底座驱动绳索的一端固定在腰部基座上，另一端穿过底座平台连接至外部驱动器；通过控制四根底座驱动绳索，可以控制腰部基座的上下运动以及侧向运动。

3.根据权利要求1所述的仿人机器人，其特征在于：

所述右臂、左臂、腰部、底座装有角度传感器，用于检测机器人在运动过程中的变量；

机器人的肘部转轴、肩部转轴、腰部转轴上分别装有码盘，分别测量肘部转角、肩部转角以及腰部转角；

机器人的腰部基座上装有两自由度的倾角传感器和高度传感器，该两自由度的倾角传感器用于测量机器人腰部的前向倾角和侧向倾角，高度传感器用于测量腰部基座距离地面的高度；

机器人的躯干上装有两自由度的倾角传感器，用于测量机器人躯干的前向倾角和侧向倾角；

这些变量在检测后通过数据线输入计算机控制系统，计算机控制系统对这些变量进行计算分析，并将控制信号传给外部驱动器，所述控制信号包括拉拽肘部驱动绳索、肩部驱动绳索、腰部旋转驱动绳索、四根腰部倾斜驱动绳索、四根底座驱动绳索的力矩。

4.根据权利要求1所述的仿人机器人，其特征在于：所述外部驱动器包含拉拽绳索的电机驱动单元，通过拉拽肘部驱动绳索、肩部驱动绳索、腰部旋转驱动绳索、四根腰部倾斜驱动绳索、四根底座驱动绳索，实现对机器人的远程驱动控制。

5.根据权利要求1所述的仿人机器人，其特征在于：所述外部驱动器安装在一个隔音箱中，从隔音箱中的电机驱动端到仿人机器人间的绳索通过导管实现其导向和固定。