CN103042535B - 三自由度活动关节机构及仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明适用于机器人领域，提供了一种三自由度活动关节机构，旨在解决现有技术中机器人之颈部活动的顺应性问题，并提供倾侧、俯仰和横摆动作。该三自由度活动关节机构用于仿生机器人中以模拟人类的颈部活动，包括用于模拟颈椎的主支撑件、用于模拟颈部肌肉的副支撑件、驱动头部部件运动的第一驱动器以及与副支撑件配合以驱动头部部件运动的第二驱动器，主支撑件和副支撑件分别与头部部件和躯干部件连接并由弹性材料制成。本发明还提供了一种具有上述关节机构的仿生机器人。本发明利用弹性材料制成的支撑件形成连续式关节机构以具有良好的顺应性，并通过第一驱动器提供横摆动作以及通过第二驱动器提供倾侧和俯仰动作，以提供良好的安全性和真实感。

Description

三自由度活动关节机构及仿生机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种三自由度活动关节机构以及具有该关节机构的仿生机器人。

背景技术

研究模拟人类运动的仿生机器人是机器人技术领域的重要课题，引起了众多研究人员和学者的关注和兴趣。在仿生机器人结构设计中，机器人各关节的合理设计非常重要，尤其是关节机构的顺应性问题。例如，对于模仿颈部活动的机器人可以通过不同机械结构实现，常见的是通过单一球状关节实现旋转活动，这类结构的活动效果与人体颈部的实际关节组成存在差距，而且，该结构不能提供颈部活动的顺应性，难以提供逼真的活动效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三自由度活动关节机构及具有该关节机构的仿生机器人，旨在解决现有技术中机器人之颈部活动的顺应性问题，并提供倾侧、俯仰和横摆动作。

本发明实施例是这样实现的，提供了一种三自由度活动关节机构，用于仿生机器人中以模拟人类的颈部活动，包括用于模拟人类之颈椎的主支撑件、用于模拟人类之颈部肌肉的副支撑件、驱动所述仿生机器人之头部部件运动的第一驱动器以及与所述副支撑件配合以驱动所述头部部件运动的第二驱动器，所述主支撑件和所述副支撑件分别与所述仿生机器人之头部部件和躯干部件连接并由弹性材料制成。

进一步地，所述第一驱动器和所述第二驱动器为电气驱动器、液压驱动器或者气动驱动器。

进一步地，所述三自由度活动关节机构还包括连接于所述躯干部件的第一连接件以及连接于所述头部部件的第二连接件，所述主支撑件和所述副支撑件分别与所述第一连接件和所述第二连接件连接。

进一步地，所述主支撑件的一端连接于所述第一连接件及另一端固定连接于所述第二连接件，所述副支撑件包括位于所述主支撑件周围的第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件和所述第二支撑件的一端分别固定连接于所述第二连接件，另一端与所述第一连接件相对活动并与所述第二驱动器配合。

进一步地，所述主支撑件、所述第一支撑件和所述第二支撑件相互平行。

进一步地，所述三自由度活动关节机构还包括连接于所述第二驱动器与所述第一支撑件之间或者连接于所述第二驱动器与所述第二支撑件之间的转轮，所述转轮与所述第一支撑件或者所述第二支撑件配合，所述第二驱动器带动所述转轮转动以驱动所述第一支撑件或者所述第二支撑件上下移动并使所述头部部件做俯仰或者倾侧运动。

进一步地，所述三自由度活动关节机构还包括连接于所述第二驱动器与所述第一支撑件之间或者连接于所述第二驱动器与所述第二支撑件之间的齿轮，所述第一支撑件和所述第二支撑件均设有与所述齿轮相互配合的配合部，所述第二驱动器带动所述齿轮转动以驱动所述第一支撑件或者所述第二支撑件上下移动并使所述头部部件做俯仰或者倾侧运动。

进一步地，所述第一驱动器安装于所述第一连接件与所述躯干部件之间以驱动所述关节机构旋转并带动所述头部部件做横摆运动。

进一步地，所述第一驱动器安装于所述第二连接件与所述头部部件之间以驱动所述头部部件做横摆运动。

本发明还提供了一种仿生机器人，包括头部部件、躯干部件以及连接于所述头部部件和所述躯干部件之间并用于模拟人类颈部运动的活动关节机构，所述活动关节机构为上述的三自由度活动关节机构。

本发明的关节机构利用弹性材料制成的主支撑件、第一支撑件和第二支撑件以形成连续式关节机构，使该关节机构活动时接近人类的关节活动而且具有良好的顺应性。本发明的关节机构通过第一驱动器提供横摆动作以及通过第二驱动器提供倾侧和俯仰动作，从而实现在与人相互接触时能提供良好的安全性和真实感。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的三自由度活动关节机构的结构示意图。

图2是本发明第一实施例提供的三自由度活动关节机构做俯仰和倾侧运动的状态示意图。

图3是本发明第一实施例提供的三自由度活动关节机构的侧向顺应性示意图。

图4（a）是本发明第一实施例提供的三自由度活动关节机构做横摆运动前的状态示意图。

图4（b）是本发明第一实施例提供的三自由度活动关节机构做横摆运动后的状态示意图。

图5是本发明第二实施例提供的三自由度活动关节机构的结构示意图。

图6（a）是本发明第二实施例提供的三自由度活动关节机构做横摆运动前的状态示意图。

图6（b）是本发明第二实施例提供的三自由度活动关节机构做横摆运动后的状态示意图。

图7是本发明提供的一种第二驱动器与第一支撑件或者第二支撑件相互配合的正视示意图。

图8是本发明提供的一种第二驱动器与第一支撑件或者第二支撑件相互配合的俯视示意图。

图9是本发明提供的另一种第二驱动器与第一支撑件或者第二支撑件相互配合的正视示意图。

图10（a）是本发明第一实施例提供的三自由度活动关节机构的坐标系统示意图。

图10（b）是本发明第二实施例提供的三自由度活动关节机构的坐标系统示意图。

图11是本发明第一或者第二实施例提供的三自由度活动关节机构的参数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参照图1和图5，本发明提供的三自由度活动关节机构10连接于头部部件和躯干部件之间，用于仿生机器人中以模拟人类的颈部活动。该关节机构10包括用于模拟人类之颈椎的主支撑件12、用于模拟人类之颈部肌肉的副支撑件13、驱动所述仿生机器人之头部部件运动的第一驱动器16以及与所述副支撑件13配合以驱动所述头部部件运动的第二驱动器17，所述主支撑件12和所述副支撑件13分别与所述仿生机器人之头部部件和躯干部件连接并由弹性材料制成。该关节机构10利用弹性材料制成的主支撑件12和副支撑件13以形成连续式关节机构，使该关节机构10活动时接近人类的颈椎关节活动而且具有良好的顺应性。顺应性是指受外力作用下能改变机构的位置、形状和姿态的能力。该关节机构10通过第一驱动器16提供横摆动作以及通过第二驱动器17提供倾侧和俯仰动作，从而实现在与人相互接触时能提供良好的安全性和真实感。

在本实施方式中，弹性材料为可弯曲且具有回弹能力的材料，例如，弹簧等。

本发明的第一驱动器16和第二驱动器17采用常见的机器人驱动器，可以是电气驱动器、液压驱动器、气动驱动器或者特种驱动器。电气驱动器是利用电机产生的力或者力矩直接或者经过减速机构驱动机器人的关节，以获得要求的位置、速度和加速度，可以是直流伺服电机、步进电机或者交流伺服电机，液压驱动器可以是电液步进马达或者油缸，气动驱动器可以是气缸或者气动马达，特种驱动器可以是压电体、超声波马达、橡胶驱动器或者形状记忆合金等。

该关节机构10包括固定安装第二驱动器17并连接于躯干部件的第一连接件14以及连接于头部部件的第二连接件15。第二驱动器17固定安装于第一连接件14上并位于第一连接件14和躯干部件之间以与主支撑件12相互配合。在本实施方式中，第一连接件14与第二连接件15相互平行。

主支撑件12用于支撑该关节机构10，例如，仿生机器人的颈椎。副支撑件13用于辅助支撑关节机构10，例如，仿生机器人的颈部肌肉。主支撑件12和副支撑件13分别与第一连接件14和第二连接件15连接。主支撑件12一端固定连接于第二连接件15，另一端连接于第一连接件14。副支撑件13的数量至少为两件，该副支撑件13包括位于主支撑件12周围的第一支撑件134和第二支撑件136，第一支撑件134和第二支撑件136的一端分别固定连接于第二连接件15，另一端与第一连接件14相对活动并与第二驱动器17配合。

在本实施方式中，主支撑件12、第一支撑件134和第二支撑件136相互平行。

使用时，第一支撑件134和第二支撑件136于第一连接件14和第二连接件15之间的长度可以被调节为不同长度，即利用第二驱动器17驱动所述第一支撑件134或者第二支撑件136上下移动不同距离从而实现头部部件做倾侧或者俯仰动作。

第二驱动器17与第一支撑件134的配合方式和第二驱动器17与第二支撑件136的配合方式相同，区别仅在于两个第二驱动器17分别驱动第一支撑件134和第二支撑件136上下移动的距离不相同。对于各第二驱动器17与第一支撑件134和第二支撑件136之间的配合关系，以下以第二驱动器17与第一支撑件134之间的配合方式进行阐述。

配合方式的第一实施例：

请同时参照图7和图8，该关节机构10包括连接于第二驱动器17与第一支撑件134之间的转轮18，该转轮18与该第二驱动器17轴向连接并与第一支撑件134配合。当第二驱动器17启动时，带动转轮18转动并提供第一支撑件134向上或者向下的推力，从而调节第一支撑件134于第一连接件14和第二连接件15之间的长度，即第一支撑件134于第一连接件14和第二连接件15之间移动一定距离。该推力可以是以摩擦力的方式产生的。

配合方式的第二实施例：

请参照图9，该关节机构10包括连接于第二驱动器17与第一支撑件134之间的齿轮19，该齿轮19与该第二驱动器17轴向连接。该第一支撑件134均设有与齿轮19相互配合的配合部1340（第二支撑件136设有配合部1360），配合部1340设置于第一支撑件134的长度方向。所述配合部1340、1360可以是任意与齿轮19相配合的形状，例如，当齿轮19为直齿轮时，所述配合部1340、1360设计为与齿轮19相啮合的直齿形状；当齿轮19为斜齿轮时，所述配合部1340、1360设计为与齿轮19相啮合的斜齿形状；但不限于所述列举的形状。当第二驱动器17启动时，带动齿轮19转动，齿轮19与配合部1340相互啮合以提供该第一支撑件134向上或者向下的推力，从而调节第一支撑件134于第一连接件14和第二连接件15之间的长度，即第一支撑件134于第一连接件14和第二连接件15之间移动一定距离。

对于以上所述的三自由度活动关节机构10，第一驱动器16可以安装于不同位置并形成不同的三自由度活动关节机构10，以下对该第一驱动器16的不同安装位置进行阐述。

三自由度活动关节机构10的第一实施例：

请参照图1，第一驱动器16安装于第一连接件14与躯干部件之间以驱动关节机构10绕主支撑件12的中心做旋转运动。具体地，第一驱动器16与第一连接件14之背离第二连接件15的一侧相连，并与主支撑件12轴向连接，以带动该关节机构10绕该主支撑件12的中心做旋转运动，从而使连接于第二连接件15的头部部件做横摆运动，如图4（a）和图4（b）所示。

三自由度活动关节机构10的第二实施例：

请参照图5，第一驱动器16安装于第二连接件15与头部部件之间以驱动头部部件做横摆运动。具体地，该第一驱动器16固定于第二连接件15之背离第一连接件14的一侧并与该头部部件轴向连接，该主支撑件12与第一连接件14固定连接。该第一驱动器16启动时，头部部件在第一驱动器16的驱动作用下做横摆运动，此时，主支撑件12、第一支撑件134、第二支撑件136、第一连接件14以及第二连接件15呈原始状态保持固定不动，如图6（a）和图6（b）所示。

请参照图2，当第二驱动器17启动时，第一支撑件134和第二支撑件136在第二驱动器17的驱动作用下于第一连接件14和第二连接件15之间的长度方向被调节为不同长度，即该第一支撑件134和该第二支撑件136的长度被调节的不同，以带动该关节机构10做俯仰和倾侧运动，从而使连接于第二连接件15的头部部件做俯仰和倾侧运动。

以上关节机构10通过第一驱动器16和第二驱动器17的力矩控制产生俯仰、倾侧和横摆方向的顺应性。

请参照图3，由于第二连接件15是受主支撑件12、第一支撑件134和第二支撑件136的支撑，头部部件连接于第二连接件15上方，而且该主支撑件12、第一支撑件134和第二支撑件136均由弹性材料制成，外力F侧向作用于该关节机构10上，此时，该关节机构10受该外力F的作用能产生被动的侧向顺应性。

本发明还提供了一种将三自由度活动关节机构10作为颈关节的仿生机器人，该仿生机器人包括头部部件、躯干部件以及连接于所述头部部件和所述躯干部件之间并用于模拟人类颈椎活动的活动关节机构。该活动关节机构为上述三自由度活动关节机构10。

本发明的关节机构10利用弹性材料制成的主支撑件12、第一支撑件134和第二支撑件136以形成连续式关节机构，使该关节机构10活动时接近人类颈椎活动而且具有良好的顺应性。

本发明的关节机构10通过第一驱动器16提供横摆动作以及通过第二驱动器17提供倾侧和俯仰动作，从而实现在与人相互接触时能提供良好的安全性和真实感。

本发明的关节机构10不仅可以作为仿人机器人的颈关节以模拟人类的颈部运动，而且可以作为其他机器人的关节，例如移动机器人。

本发明提供的仿生机器人同样具有良好的顺应性，而且利用关节机构可以完成俯仰、倾侧和横摆运动，从而实现在与人相互接触时能提供良好的安全性和真实感。

以下详叙该关节机构10的操控自由度。

请同时参照图10和图11，该关节机构具有三个可操控自由度，分别是第一支撑件134的长度L₁，第二支撑件136的长度L₂，以及第一驱动器16的转向角度θ。如图5所示，以设定三维向量v_x和v_z中的坐标值（x₁，x₂，x₃）和（z₁，z₂，z₃）定义活动关节的姿态期望值。其中,v_x＝（x₁，x₂，x₃），v_z=（z₁，z₂，z₃）。

L₁，L₂，和θ的数值可通过以下算法获得。

其中L₀为主支撑件12的长度，

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{z_3}{z_2}$

$\mathrm{Roty}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]$

$\mathrm{Rotz}\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

是的三维坐标值。

对于第一种实施方式中的关节机构10，

γ₁＝d₁sin(α₁-(β-θ))

γ₂＝d₂sin(α₂+(β-θ))

对于第二种实施方式中的关节机构10，

γ₁＝d₁sin(α₁-β)

γ₂＝d₂sin(α₂+β)

其中，d₁和d₂分别是第一支撑件134和第二支撑件136与主支撑件12之间的最短距离，α₁和α₂分别是第一支撑件134和第二支撑件136与y轴之间的夹角。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三自由度活动关节机构，用于仿生机器人中以模拟人类的颈部活动，其特征在于，包括用于模拟人类之颈椎的主支撑件、用于模拟人类之颈部肌肉的副支撑件、驱动所述仿生机器人之头部部件运动的第一驱动器以及与所述副支撑件配合以驱动所述头部部件运动的第二驱动器，还包括连接于躯干部件的第一连接件以及连接于所述头部部件的第二连接件，所述主支撑件和所述副支撑件分别由弹性材料制成，所述主支撑件的一端连接于所述第一连接件及另一端固定连接于所述第二连接件，所述副支撑件包括位于所述主支撑件周围的第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件和所述第二支撑件的一端分别固定连接于所述第二连接件，另一端与所述第一连接件相对活动并与所述第二驱动器配合；所述三自由度活动关节机构还包括连接于所述第二驱动器与所述第一支撑件之间或者连接于所述第二驱动器与所述第二支撑件之间的转轮，所述转轮与所述第一支撑件或者所述第二支撑件配合，所述第二驱动器带动所述转轮转动以驱动所述第一支撑件或者所述第二支撑件上下移动不同距离从而使所述头部部件做俯仰或者倾侧运动。

2.如权利要求1所述的三自由度活动关节机构，其特征在于，所述第一驱动器和所述第二驱动器为电气驱动器、液压驱动器或者气动驱动器。

3.如权利要求1所述的三自由度活动关节机构，其特征在于，所述主支撑件、所述第一支撑件和所述第二支撑件相互平行。

4.一种三自由度活动关节机构，用于仿生机器人中以模拟人类的颈部活动，其特征在于，包括用于模拟人类之颈椎的主支撑件、用于模拟人类之颈部肌肉的副支撑件、驱动所述仿生机器人之头部部件运动的第一驱动器以及与所述副支撑件配合以驱动所述头部部件运动的第二驱动器，还包括连接于躯干部件的第一连接件以及连接于所述头部部件的第二连接件，所述主支撑件和所述副支撑件分别由弹性材料制成，所述主支撑件的一端连接于所述第一连接件及另一端固定连接于所述第二连接件，所述副支撑件包括位于所述主支撑件周围的第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件和所述第二支撑件的一端分别固定连接于所述第二连接件，另一端与所述第一连接件相对活动并与所述第二驱动器配合；所述三自由度活动关节机构还包括连接于所述第二驱动器与所述第一支撑件之间或者连接于所述第二驱动器与所述第二支撑件之间的齿轮，所述第一支撑件和所述第二支撑件均设有与所述齿轮相互配合的配合部，所述第二驱动器带动所述齿轮转动以驱动所述第一支撑件或者所述第二支撑件上下移动不同距离从而使所述头部部件做俯仰或者倾侧运动。

5.如权利要求4所述的三自由度活动关节机构，其特征在于，所述第一驱动器和所述第二驱动器为电气驱动器、液压驱动器或者气动驱动器。

6.如权利要求4所述的三自由度活动关节机构，其特征在于，所述主支撑件、所述第一支撑件和所述第二支撑件相互平行。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的三自由度活动关节机构，其特征在于，所述第一驱动器安装于所述第一连接件与所述躯干部件之间以驱动所述关节机构旋转并带动所述头部部件做横摆运动。

8.如权利要求1至6中任意一项所述的三自由度活动关节机构，其特征在于，所述第一驱动器安装于所述第二连接件与所述头部部件之间以驱动所述头部部件做横摆运动。

9.一种仿生机器人，包括头部部件、躯干部件以及连接于所述头部部件和所述躯干部件之间并用于模拟人类颈部运动的活动关节机构，其特征在于，所述活动关节机构为权利要求1至8任意一项所述的三自由度活动关节机构。