CN104390796B - 一种仿人机器人的上身实验平台 - Google Patents
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Abstract
一种仿人机器人的上身实验平台，属于机器人应用技术领域。主要用于机器人仿人运动的验证。本发明充分考虑人体结构，提出了包括以下功能的仿人机器人实验平台：左右旋转的腰部、上躯干和可调整宽度的肩部。腰部的左右旋转直接通过步进电机驱动，结构简单易于实现。以人体的运动捕捉系统的实现数据为基础，提炼出腰部前后俯仰角度和胸椎弯曲角度的关系，并通过一套齿轮组实现腰部旋转角度和胸椎弯曲角度的特定关系。这样，使本发明更加接近人体结构，能够更加准确的验证人的运动状态。同时在腰部前后俯仰轴和胸椎弯曲轴上设置了适合本发明的阻尼系统，降低了驱动电机的负载。本发明的肩宽是可调节的，大大提高了对不同肩宽的人的适用性。
Description
技术领域
本发明属于仿人机器人领域，涉及一种从腰部到肩部的仿人机器人实验平台，主要用于机器人仿人运动的验证，包括从腰部结构到肩部结构，其特征是：具有三个自由度，包括腰部的左右旋转；腰部的前后俯仰，其中腰部的前后俯仰与胸部的小幅度向前弯曲通过一套特制传动系统关联，保证特定的传动比；肩部宽度是可调整的。
技术背景
在机器人领域，人机交互和人机协同是未来的发展方向。人机交互与人际协同过程中要求机器人的行为能够被人预知，且其行为动作不会让人产生压抑恐惧的不舒适感，此外，也需要机器人的工作行为与人相仿。腰部到颈部是人体的重要组成部分，它承受着机械臂的质量，大多数仿人机器人需要克服其平衡问题，所以大多没有腰部，例如日本的ASIMO，韩国的KHR-3只有腰部的一个偏转。此外，现有仿人机械人从腰部到颈部之间为刚性连接，不能弯曲，与现在的仿人机器人的理论研究有一定偏差，不能实现仿人机器人的理论验证。
发明内容
本发明的目的是充分考虑人体结构，提出一种用于验证仿人机器人理论研究的实验平台。
本发明的仿人机器人上身实验平台包括左右旋转的腰部、上躯干和可调整宽度的肩部。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
腰部通过腰部底板与上躯干底端固定相连，上躯干顶端通过肩部底板与肩部固定连接。
腰部具有左右旋转功能。腰部左右旋转结构包括第二电机、联轴器、腰部旋转轴、旋转支架和推力轴承。旋转支架分为上下两层，中间用立柱支撑。第二电机固定于旋转支架的下层中心位置，旋转支架上层设置推力轴承，并第二电机置于中心轴线。推力轴承上圈嵌于腰部底板，与腰部旋转轴过盈配合，推力轴承下圈嵌于旋转支架，与腰部旋转轴间隙配合，这样推力轴承承担来自腰部以上所有结构的重量。腰部旋转轴与第二电机通过联轴器连接。旋转支架固定，第二电机旋转即可带动上躯干左右旋转，即实现腰部的左右转动。
上躯干底部可向前俯仰，上躯干上部可向前弯曲，两处旋转的角度具有特定关系。
上躯干结构包括：上躯干支架、第一横板和第二横板成井字型连接，构成上躯干下部框架，由上躯干下部框架的底端与腰俯仰轴连接，使上躯干下部框架可以绕腰俯仰轴转动。上躯干框架顶端与胸椎轴支架固定连接，胸椎轴支架支撑胸椎轴，胸椎轴与胸椎框架连接，胸椎框架可以绕胸椎轴自由转动。
上躯干底部可以实现向前的俯仰，由第一电机提供动力，通过一对齿轮实现上躯干的向前俯仰。由于上躯干需要支撑较大的重量且具有自重，在腰部俯仰轴处设置了腰弹簧阻尼系统。腰弹簧阻尼系统由腰阻尼连杆、腰阻尼滑块、腰阻尼弹簧和腰阻尼滑轨构成。腰阻尼滑轨与腰部底板固定连接，腰阻尼弹簧一端与腰阻尼滑块连接，一端与腰阻尼滑轨连接，并套在腰阻尼滑轨上，腰阻尼连杆一端与腰阻尼滑块铰接，一端与上躯干支架铰接。由弹簧提供一部分上躯干向前弯曲时的阻力和上躯干恢复直立时的回复力，以减轻驱动电机的负载。
上躯干的上部可以实现向前的弯曲，即胸椎的向前弯曲。由于上躯干上部和肩部重量较大，使得第一电机的负载过大，因此，设置一套应用曲柄滑块原理的弹簧阻尼系统，即胸椎弹簧阻尼系统。胸椎弹簧阻尼系统由胸椎阻尼连杆、胸椎阻尼滑块、胸椎阻尼弹簧和胸椎阻尼滑轨构成。胸椎阻尼滑轨置于上躯干支架外侧，胸椎阻尼弹簧一端与胸椎阻尼滑块连接，一端与胸椎阻尼滑轨连接，并套在胸椎阻尼滑轨上，胸椎阻尼连杆一端与胸椎阻尼滑块铰接，一端与胸椎框架铰接。由弹簧提供上躯干上部向前俯仰时的阻尼。
胸椎的向前弯曲角度与上躯干下部的俯仰角度相互耦合，具体的传动比通过人体运动捕捉实验确定为：
θ1＝6·θ2
其中，θ1为胸椎的弯曲角度，θ2为上躯干上部的俯仰角度。这种特定的耦合角度通过齿轮组传递，腰俯仰轴的旋转通过第二下锥齿轮和第二上锥齿轮传递到第二竖轴，第二竖轴通过第一小直齿轮和第一大直齿轮带动第一竖轴，第一竖轴通过第一下锥齿轮和第一上锥齿轮带动胸椎轴，从而实现上躯干上部向前的小幅度弯曲。
肩部可以调整宽度，以适应不同肩宽的人。肩部所有结构全部放在肩部底板上，滑轨由肩部的滑轨支架支撑，置于肩部底板，左肩和右肩分别与滑块固连，左肩和右肩各在一侧带有调整块，调整块上有螺纹孔，在肩部底板中间位置设置调整支架，调整支架两侧也具有螺纹孔，螺纹孔位置与调整块上的螺纹孔同轴线，调整螺栓贯穿调整块和调整支架。通过手动旋转调整螺栓，带动滑块沿滑轨自由移动，达到调整肩宽的目的。
本发明通过充分考虑人体结构，实现了一种仿人机器人的上身实验平台，包括腰部、上躯干和肩部三部分。通过电机直接驱动腰部的左右旋转，简化了腰部的复杂程度；以人体运动捕捉系统的实验数据为基础，提炼出腰部前后俯仰角度和胸椎弯曲角度的关系，通过一套齿轮组实现腰部旋转角度和胸椎弯曲角度的耦合，在腰部俯仰轴和胸椎轴上设置了适合本发明的阻尼系统，降低了驱动电机的负载，使电机的选型更加丰富，进一步降低了成本；通过滑轨、滑块和调整模块实现了肩宽的可调，大大提高了本发明对于不同肩宽的人的适用性。
附图说明
图1为本发明整体轴测图；
图2为本发明腰部剖视图；
图3为本发明上躯干轴测图；
图4为本发明肩部轴测图；
图中：1、肩部滑块，2、肩部滑轨，3、肩部滑轨支架，4、左肩，5、左肩调整螺栓，6、调整支架，7、第一下锥齿轮，8、肩部底板，9、右肩，10、右肩调整螺栓，11、胸椎阻尼轴，12、胸椎框架，13、胸椎轴，14、胸椎轴支架，15、胸椎阻尼连杆，16、胸椎阻尼滑块，17、胸椎阻尼弹簧，18、横板连接块，19、胸椎阻尼滑轨，20、上躯干支架，21、第二竖轴，22、腰俯仰轴支架，23、腰阻尼连杆，24、腰阻尼滑块，25、腰阻尼弹簧，26、腰阻尼滑轨，27、腰部底板，28、腰俯仰轴，29、第二下锥齿轮，30、第二上锥齿轮，31、第一电机，32、第二前直齿轮，33、第二后直齿轮，34、第二横板，35、第一小直齿轮，36、第一大直齿轮，37、第一竖轴，38、第一横板，39、第一上锥齿轮，40、第二电机，41、联轴器，42、腰部旋转轴，43、旋转支架，44、推力轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的进行详细说明。
参照附图，本发明的结构包括腰部、上躯干和肩部三部分。
腰部结构如图2所示，由第二电机40、联轴器41、腰部旋转轴42、旋转支架43和推力轴承44构成。旋转支架43分为上下两层，中间用立柱支撑。第二电机40固定于旋转支架43的下层中心位置，旋转支架43上层设置推力轴承44，并第二电机40置于中心轴线。推力轴承44上圈嵌于腰部底板27，与腰部旋转轴42过盈配合，推力轴承44下圈嵌于旋转支架43，与腰部旋转轴42间隙配合，这样推力轴承44承担来自腰部以上所有结构的重量。腰部旋转轴42与第二电机40通过联轴器41连接。旋转支架43固定，第二电机40旋转即可带动上躯干左右旋转，即实现腰部的左右转动。
上躯干如图3所示，实现的功能分为两部分：上躯干的前后俯仰和胸椎的向前弯曲，且上躯干的前后俯仰的角度和胸椎向前弯曲的角度相互耦合，成一定比例关系。腰俯仰轴28由腰俯仰轴支架22两端支撑安装于腰部底板27，上躯干支架20、第一横板38和第二横板34成井字型连接，构成上躯干下部框架。
上躯干下部框架的底端与腰俯仰轴28连接，上躯干下部框架可以绕腰俯仰轴28转动。上躯干下部框架绕腰俯仰轴28转动过程中，由于上躯干质量产生过大的力矩，使驱动电机的负载过大，分别在腰俯仰轴28两侧设置了腰弹簧阻尼系统，腰弹簧阻尼系统由腰阻尼连杆23、腰阻尼滑块24、腰阻尼弹簧25和腰阻尼滑轨26构成，腰阻尼滑轨26与腰部底板27固定连接，腰阻尼弹簧25一端与腰阻尼滑块24连接，一端与腰阻尼滑轨26连接，并套在腰阻尼滑轨26上，腰阻尼连杆23一端与腰阻尼滑块24铰接，一端与上躯干支架20铰接。当上躯干向前俯仰时，滑块前移挤压弹簧，弹簧提供阻力，减轻驱动电机的负载。
上躯干框架顶端与胸椎轴支架14固定连接，胸椎轴支架14支撑胸椎轴13，胸椎轴13与胸椎框架12连接，胸椎框架12可以绕胸椎轴13自由转动。胸椎框架12及其以上结构在转动过程中，同样对驱动电机产生较大负载，所以在胸椎轴13两端分别设置了胸椎弹簧阻尼系统，胸椎弹簧阻尼系统由胸椎阻尼连杆15、胸椎阻尼滑块16、胸椎阻尼弹簧17和胸椎阻尼滑轨19构成，胸椎阻尼滑轨19置于上躯干支架20外侧，胸椎阻尼弹簧17一端与胸椎阻尼滑块16连接，一端与胸椎阻尼滑轨19连接，并套在胸椎阻尼滑轨19上，胸椎阻尼连杆15一端与胸椎阻尼滑块16铰接，一端与胸椎框架12铰接。当胸椎框架及其以上结构向前俯仰时，滑块下移挤压弹簧，弹簧提供阻力，减轻驱动电机的负载。
腰部向前俯仰角度和胸椎弯曲角度的耦合通过一套齿轮组实现。第二前直齿轮32安装于电机轴，第二后直齿轮33与第二下锥齿轮29同轴安装于腰俯仰轴28，第二上锥齿轮30与第一小直齿轮35同轴安装于第二竖轴21，第二竖轴21通过第一横板38和第二横板34固定，第一大直齿轮36与第一下锥齿轮7同轴安装于第一竖轴37，第一竖轴37通过第一横板38和第二横板34固定，第一上锥齿轮39安装于胸椎轴13。动力由第一电机31输出，第二前直齿轮32与第二后直齿轮33啮合，带动同轴的第二下锥齿轮29,第二下锥齿轮29与第二上锥齿轮30啮合，带动同轴的第一小直齿轮35,第一小直齿轮35与第一大直齿轮36啮合，带动同轴的第一下锥齿轮7,第一下锥齿轮7与第一上锥齿轮39啮合，带动胸椎轴13转动，实现腰部旋转角度和胸椎弯曲角度的耦合。其中第二前直齿轮32与第二后直齿轮33传动比为1:1，第二下锥齿轮29与第二上锥齿轮的传动比为2:3，第一小直齿轮35与第一大直齿轮36的传动比为1:3，第一下锥齿轮7与第一上锥齿轮39的传动比为3:4。
肩部如图4所示。肩部所有结构全部置于肩部底板8之上，在肩部底板8两边分别设置肩部滑轨支架3，肩部滑轨支架3外侧与肩部底板8侧面对齐固定。肩部滑轨2由肩部滑轨支架3支撑，由紧定螺钉固定，与底板8中间对齐。调整支架6横跨肩部滑轨2，并与肩部底板8固连。肩部滑块1内有直线轴承，套于肩部滑轨2上。肩部滑块1共有四个，左侧两个与左肩4相连，右侧两个与右肩9相连，每侧的两个肩部滑块1置于肩部滑轨支架两侧，其中左肩中间和右肩中间的调整块上的螺纹孔与调整支架上的螺纹孔同轴心。肩部调整螺栓5旋入左肩中间调整块的螺纹孔并穿过肩部调整支架6的螺纹孔，右肩同理。通过肩部调整螺栓5的旋入和旋出调节肩宽。
Claims (1)
1.一种用于机器人仿人运动的仿人机器人的上身实验平台，其特征在于：由腰部、上躯干和肩部三部分构成；其中：腰部通过腰部底板与上躯干底端固定相连，上躯干顶端通过肩部底板与肩部固定连接；
腰部具有左右旋转功能；腰部左右旋转结构包括第二电机(40)、联轴器(41)、腰部旋转轴(42)、旋转支架(43)和推力轴承；旋转支架(43)分为上下两层，中间用立柱支撑；第二电机(40)固定于旋转支架(43)的下层中心位置，旋转支架(43)上层设置推力轴承，第二电机(40)置于旋转支架(43)的中心轴线上；推力轴承上圈嵌于腰部底板，与腰部旋转轴(42)过盈配合，推力轴承下圈嵌于旋转支架(43)，与腰部旋转轴(42)间隙配合，这样推力轴承承担来自腰部以上所有结构的重量；腰部旋转轴(42)与第二电机(40)通过联轴器(41)连接；旋转支架(43)固定，第二电机(40)旋转即可带动上躯干左右旋转，即实现腰部的左右转动；
所述上躯干包括：
上躯干支架(20)、第一横板(38)和第二横板(34)成井字型连接，构成上躯干下部框架；上躯干下部框架的底端与腰俯仰轴(28)连接，使上躯干下部框架可以绕腰俯仰轴(28)转动；上躯干框架顶端与胸椎轴支架(14)固定连接，胸椎轴支架(14)支撑胸椎轴(13)，胸椎轴(13)与胸椎框架(12)连接；胸椎框架(12)可以绕胸椎轴(13)自由转动；
腰弹簧阻尼系统由腰阻尼连杆(23)、腰阻尼滑块(24)、腰阻尼弹簧(25)和腰阻尼滑轨(26)构成；腰阻尼滑轨(26)与腰部底板(27)固定连接，腰阻尼弹簧(25)一端与腰阻尼滑块(24)连接，一端与腰阻尼滑轨(26)连接，并套在腰阻尼滑轨(26)上，腰阻尼连杆(23)一端与腰阻尼滑块(24)铰接，一端与上躯干支架(20)铰接；
胸椎弹簧阻尼系统由胸椎阻尼连杆(15)、胸椎阻尼滑块(16)、胸椎阻尼弹簧(17)和胸椎阻尼滑轨(19)构成；胸椎阻尼滑轨(19)置于上躯干支架(20)外侧，胸椎阻尼弹簧(17)一端与胸椎阻尼滑块(16)连接，一端与胸椎阻尼滑轨(19)连接，并套在胸椎阻尼滑轨(19)上，胸椎阻尼连杆(15)一端与胸椎阻尼滑块(16)铰接，一端与胸椎框架(12)铰接；
在上躯干向前俯仰时，上躯干下部的俯仰角度与胸椎的弯曲角度相互耦合；
θ1＝6·θ2
其中，θ1为胸椎的弯曲角度，θ2为上躯干上部的俯仰角度；腰部向前俯仰角度和胸椎弯曲角度的耦合通过一套齿轮组实现；腰俯仰轴(28)的旋转通过第二下锥齿轮(29)和第二上锥齿轮(30)传递到第二竖轴(21)，第二竖轴(21)通过第一小直齿轮(35)和第一大直齿轮(36)带动第一竖轴(37)，第一竖轴(37)通过第一下锥齿轮(7)和第一上锥齿轮(39)带动胸椎轴(13)，从而实现上躯干上部向前的的小幅度弯曲；其中第二前直齿轮(32)与第二后直齿轮(33)传动比为1:1，第二下锥齿轮(29)与第二上锥齿轮的传动比为2:3，第一小直齿轮(35)与第一大直齿轮(36)的传动比为1:3，第一下锥齿轮(7)与第一上锥齿轮(39)的传动比为3:4；
所述肩部包括肩部滑轨、肩部滑块和调整模块，肩部所有结构全部置于肩部底板(8)之上，在肩部底板(8)两侧分别设置肩部滑轨支架(3)支撑并固定肩部滑轨(2)，调整支架(6)横跨肩部滑轨(2)，与肩部底板(8)固连；肩部滑块(1)内有直线轴承，套于肩部滑轨(2)上；肩部滑块(1)共有四个，左侧两个与左肩(4)相连，右侧两个与右肩(9)相连，每侧的两个肩部滑块(1)置于肩部滑轨支架两侧；肩部调整螺栓(5)贯穿肩部的中间调整块并穿过肩部调整支架(6)；肩部滑块分别与左肩和右肩相连，肩部调整螺栓(5)贯穿肩部的左肩和右肩的调整块，并与肩部调整支架螺纹连接。
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