CN104908060A - 五自由度并串联仿生肩关节 - Google Patents

Abstract

一种五自由度并串联仿生肩关节，它的2-PUS+U二自由度并联机构包括仿生机架、中间动平台及其之间的S型连杆和两条结构相同的运动支链，每条运动支链依次由直线导轨移动副、主动滑块、虎克铰、从动杆和球面副组成；3-RRR三自由度球面并联机构包括中间动平台、三条转动支链和末端动平台；具有大工作空间的球面铰链包括支撑杆、双耳支架、球头、U型拨叉、中间支承辊、中空输出杆及销轴；偏置输出单元包括输出杆和偏置输出杆。本发明可实现偏置输出杆的五自由度运动，在结构、运动和功能上最大限度接近人体肩关节的实际状态。

Description

五自由度并串联仿生肩关节

技术领域

本发明涉及人形机器人领域，特别是并串联仿生肩关节。

背景技术

作为机器人技术领域最活跃的分支之一，人形机器人的发展水平是国家高科技综合实力的重要标志。目前，以实现类人的一般性(机动、操作)功能为目标的研究已经告一段落，今后，人形机器人的研究将进入到全面仿生新阶段，主要集中在结构仿生、功能仿生、外在特征和智能仿生。机械本体是构成人形机器人的基本框架，直接决定着人形机器人的性能，制约着未来人形机器人控制与智能化发展的潜力，是设计人形机器人的首要工作。而在人形机器人机械本体中，人形机器人的各个关节是最为关键的部分。现有各类人形机器人关节机构多为串联构型，即两个或三个单转动副串联、双球铰串联等。串联构型关节机构虽然具有无耦合，控制比较容易的特点，但是，也无法避免驱动能力低、刚度小等缺点。

由人体生理学可知，人体所有关节的运动均为肌肉群并联驱动。因此，根据仿生原理和人体关节结构、运动特性，将并联机构作为人形机器人关节的原型机构，从结构组成和功能原理上讲，更加符合人体关节客观实际，是实现人形机器人关节全面仿生的可行的研究方向。

到目前为止，并联机构在人形机器人肩关节中的应用还非常有限。公开号为CN102166754A的中国专利提出一种可用于人形机器人的三支链两自由度肩关节机构，该并联机构能实现二维转动，此肩关节机构的实际运动特性并不符合人体肩关节的运动特性。公开号为CN203449323U的中国专利提出一种具有中心球面副的大工作空间球面并联仿生肩关节，可以实现三维转动运动。2005年，日本东京大学设计的3自由度仿生肩关节(the Cybernetic Shoulder)，考虑了人体的肩胛骨支架对大臂运动的作用，但是，它的工作空间中心位于人体的侧面，这与人体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是空闲的，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。

现有的几种人形机器人并联仿生肩关节均为三个自由度，只是考虑到了肱骨相对于肩胛骨关节盂的三自由度运动，而实际上，人体肩关节的运动(肱骨相对于胸骨的运动)为五自由度运动。所以说，现有的人形机器人并联仿生肩关节在结构形式、运动特性上仿生水平较低，与人体肩关节的功能特性有较大的差距。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构形式、运动特性与人体肩关节高度相似的五自由度并串联仿生肩关节。

本发明主要是以人体肩关节的结构形式，运动特性为基准，将并联机构引入到人形机器人关节中，从仿生学(结构仿生、运动仿生)角度出发，设计完成五自由度并串联仿生肩关节。

本发明的技术方案如下：

本发明包括：2-PUS+U二自由度并联机构、3-RRR三自由度球面并联机构、具有大工作空间的球面铰链和偏置输出单元。

所述2-PUS+U二自由度并联机构包括仿生机架、中间动平台、S型连杆、水平运动支链和竖直运动支链，其中，S型连杆的一端通过虎克铰与仿生机架连接，其另一端与中间动平台固连；水平运动支链和竖直运动支链结构相同，每条运动支链的直线导轨移动副与仿生机架固连，主动滑块设在直线导轨移动副的丝杠上，该主动滑块通过虎克铰与从动杆的一端连接，该从动杆的另一端通过球面副与中间动平台连接，直线导轨移动副为机构的驱动副，水平运动支链的直线导轨移动副与仿生机架水平连接，竖直运动支链的直线导轨移动副与仿生机架垂直连接；

所述3-RRR三自由度球面并联机构包括上述中间动平台、末端动平台以及连接这两个平台的结构相同的三条转动支链，三条转动支链与中间动平台和末端动平台的连接点均呈三角形布置，在每条转动支链中，下弧形连杆的一端通过转动副与中间动平台连接，该下弧形连杆的另一端通过转动副与上弧形连杆的一端连接，该上弧形连杆的另一端通过转动副与末端动平台连接，这三条支链的9个转动副的轴线汇交于空间一点(3-RRR三自由度球面并联机构的转动中心)，末端动平台的中心处设有方形通孔；

所述具有大工作空间的球面铰链包括支撑杆、双耳支架、球头、中空输出杆、中间支承辊、U型拨叉及销轴，其中，支撑杆的一端与上述中间动平台固连，该支撑杆的轴线过中间动平台中心点并且与中间动平台垂直，该支撑杆的另一端与球头在球心点对心固定；双耳支架的中心位置设有圆柱型通孔，其轴线与支撑杆轴线重合，并过球头球心，双耳支架可绕支撑杆轴线转动(上部轴向定位)；U型拨叉为半圆弧形杆，与上述双耳支架两端的支耳同宽，其两端均通过销轴与双耳支架的支耳内侧连接，U型拨叉可绕销轴往复摆动，两销轴所在的公共轴线过球头球心，且与支撑杆轴线垂直；中空输出杆中间设有长方形通孔，该通孔轴线垂直于中空输出杆轴线，所述中空输出杆中间的长方形通孔内设有中间支承辊，该中间支承辊与中空输出杆通过销轴连接，该中间支承辊的轴线垂直于通孔轴线和中空输出杆轴线，中空输出杆可绕其自身轴线自由转动；上述呈半圆弧形的U型拨叉穿过中空输出杆中间的方形通孔，中间支承辊与U型拨叉的圆弧内表面接触，并且两者轴线平行实现反向滚动支撑；中空输出杆通孔上部留有适当空间，当中空输出杆摆动至极限位置时，恰好套在双耳支架外侧，使输出杆摆动空间更大；上述中空输出杆的一端穿过上述末端动平台中心的方形通孔，该中空输出杆的另一端与球窝固连，上述球头置于活动球窝中，球心重合构成球面副，且球心与3-RRR三自由度球面并联机构的转动中心重合。

所述偏置输出单元包括上述具有大工作空间的球面铰链中的中空输出杆和偏置输出杆，上述中空输出杆穿过末端动平台的中心处的方形通孔与偏置输出杆固连，中空输出杆轴线与偏置输出杆轴线相交，夹角为45度。

所述2-PUS+U二自由度并联机构中的水平运动支链的直线导轨水平布置，与仿生机架矢状面的夹角为25度；竖直运动支链的直线导轨竖直布置，其对称平面在仿生机架的冠状面内。

结构仿生方面，仿生机架相当于人体躯干；S型连杆、中间动平台相当于人体锁骨、肩胛骨；具有大工作空间的球面铰链、偏置输出杆相当于人体肩关节的关节盂和肱骨；初始位姿时，球面铰链支撑杆轴线的方位与人体肩关节关节盂球窝中性线的方位一致；偏置输出单元可以增大机构的输出空间、改变空间的形状，使机构的工作空间完全覆盖人体大臂的运动范围。

运动仿生方面，在2-PUS+U二自由度并联机构的水平运动支链中，从动杆的左端与滑块以虎克铰连接，右端与中间动平台以球面副连接，在电机的驱动下，丝杠带动滑块直线移动，实现中间动平台的前后摆动，相当于人体肩胛骨的外展-内收运动。在2-PUS+U二自由度并联机构中的竖直运动支链中，从动杆的下端与滑块以虎克铰连接，上端与中间动平台以球面副连接，在电机的驱动下，丝杠带动滑块直线移动，实现中间动平台的上下摆动，相当于人体肩胛骨的上提-下抑运动。两条运动支链共同实现了人体背部肌肉、胸大肌和腹外斜肌的驱动功能。在中间动平台(3-RRR三自由度球面并联机构下平台)上的三个电机的驱动下，球面铰链的中空输出杆跟随末端动平台(3-RRR三自由度球面并联机构上平台)实现三自由度转动，3-RRR三自由度球面并联机构的三支链实现了人体大臂肌肉群的驱动功能。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

在结构、运动和功能上最大限度接近人体肩关节的实际状态，并且高过约束、静刚度大、工作空间大。

附图说明

图1为本发明立体结构示意简图；

图2为本发明2-PUS+U二自由度并联机构的运动支链结构示意简图；

图3为本发明具有大工作空间的球面铰链结构示意简图；

图4为本发明的固定坐标系示意简图。

图中，1-仿生机架、2-S型连杆、3-中间动平台、4-直线导轨移动副、5-主动滑块、6(6＇)-虎克铰、7-从动杆、8-球面副、9(9＇、9＂)三条转动支链、10-末端动平台、11-支撑杆、12-双耳支架、13-球头、14-U型拨叉、15-中间支承辊、16-中空输出杆、17(17＇)-销轴、18-偏置输出杆。

具体实施方式

在图1所示的五自由度并串联仿生肩关节示意图中，2-PUS+U二自由度并联机构中的S型连杆2的一端通过虎克铰6＇与仿生机架1连接，其另一端与中间动平台3固连；水平运动支链和竖直运动支链结构相同，如图2所示，每条运动支链的直线导轨移动副4与仿生机架固连，主动滑块5设在直线导轨移动副的丝杠上，该主动滑块通过虎克铰6与从动杆7的一端连接，该从动杆的另一端通过球面副8与中间动平台连接，直线导轨移动副为机构的驱动副，水平运动支链的直线导轨移动副与仿生机架水平连接，竖直运动支链的直线导轨移动副与仿生机架垂直连接；

3-RRR三自由度球面并联机构中结构相同的三条转动支链9、9＇、9＂连接中间动平台3和末端动平台10，三条转动支链与中间动平台和末端动平台的连接点均呈三角形布置，在每条转动支链中，下弧形连杆的一端通过转动副与中间动平台连接，该下弧形连杆的另一端通过转动副与上弧形连杆的一端连接，该上弧形连杆的另一端通过转动副与末端动平台连接，这三条支链的9个转动副的轴线汇交于空间一点(3-RRR三自由度球面并联机构的转动中心)，末端动平台的中心处设有方形通孔；

如图3所示，具有大工作空间的球面铰链中的支撑杆11的下端与上述中间动平台固连，该支撑杆的轴线过中间动平台中心点与中间动平台垂直，该支撑杆的上端与球头13在球心点处对心固定；双耳支架12的中心处设有圆柱型通孔，通孔轴线与支撑杆轴线重合，并过球头球心，双耳支架可绕支撑杆轴线转动；U型拨叉14为半圆弧形杆，与上述双耳支架两端的支耳同宽，其两端均通过销轴17、17＇与双耳支架的支耳内侧连接，U型拨叉可绕销轴往复摆动，两销轴所在的公共轴线过球头球心，且与支撑杆轴线垂直；中空输出杆16中间设有长方形通孔，该通孔轴线垂直于中空输出杆轴线，中空输出杆中间的长方形通孔内设有中间支承辊15，该中间支承辊与中空输出杆通过销轴连接，该中间支承辊的轴线垂直于通孔轴线和中空输出杆轴线，且可绕其自身轴线自由转动；上述呈半圆弧形的U型拨叉穿过中空输出杆中间的长方形通孔，中间支承辊与U型拨叉的圆弧内表面接触，并且两者轴线平行实现反向滚动支撑；上述中空输出杆的一端穿过上述末端动平台中心的方形通孔，其另一端与活动球窝固连，上述球头置于活动球窝中，球心重合构成球面副，且球心与3-RRR三自由度球面并联机构的转动中心重合。

所述偏置输出单元包括上述具有大工作空间的球面铰链中的中空输出杆和偏置输出杆，上述穿过末端动平台中心处方形通孔的中空输出杆与偏置输出杆18固连，中空输出杆轴线与偏置输出杆轴线相交，夹角为45度。

如图4所示，仿生机架的矢状面、冠状面和人体的矢状面、冠状面分别重合，仿生机架的水平面与人体水平面平行。z轴为仿生机架的冠状面和矢状面的交线，向上为正方向；y轴为仿生机架的水平面和矢状面的交线，向前(人体正面)为正方向；x轴为仿生机架的水平面和冠状面的交线，正方向由右手螺旋法则确定，原点为三平面交点。

Claims (2)

1.一种五自由度并串联仿生肩关节，它包括2-PUS+U二自由度并联机构、3-RRR三自由度球面并联机构、具有大工作空间的球面铰链和偏置输出单元，其特征在于：所述2-PUS+U二自由度并联机构中的S型连杆的一端通过虎克铰与仿生机架连接，其另一端与中间动平台固连；水平运动支链和竖直运动支链结构相同，每条运动支链的直线导轨移动副与仿生机架固连，主动滑块设在直线导轨移动副的丝杠上，该主动滑块通过虎克铰与从动杆的一端连接，该从动杆的另一端通过球面副与中间动平台连接，直线导轨移动副为机构的驱动副；

所述3-RRR三自由度球面并联机构中结构相同的三条转动支链连接中间动平台和末端动平台，三条转动支链与中间动平台和末端动平台的连接点均呈三角形布置，在每条转动支链中，下弧形连杆的一端通过转动副与中间动平台连接，该下弧形连杆的另一端通过转动副与上弧形连杆的一端连接，该上弧形连杆的另一端通过转动副与末端动平台连接，这三条支链的9个转动副的轴线汇交于空间一点，末端动平台的中心处设有方形通孔；

所述具有大工作空间的球面铰链中的支撑杆的一端与上述中间动平台固连，该支撑杆的轴线过中间动平台中心点并且与中间动平台垂直，双耳支架可绕支撑杆轴线转动；U型拨叉为半圆弧形杆，与上述双耳支架两端的支耳同宽，其两端均通过销轴与双耳支架的支耳内侧连接，U型拨叉可绕销轴往复摆动，两销轴所在的公共轴线过球头球心，且与支撑杆轴线垂直；中空输出杆中间设有长方形通孔，该通孔轴线垂直于中空输出杆轴线，所述中空输出杆中间的长方形通孔内设有中间支承辊，该中间支承辊与中空输出杆通过销轴连接，该中间支承辊的轴线垂直于通孔轴线和中空输出杆轴线，中空输出杆可绕其自身轴线自由转动；上述呈半圆弧形的U型拨叉穿过中空输出杆中间的方形通孔，中间支承辊与U型拨叉的圆弧内表面接触，并且两者轴线平行实现反向滚动支撑；中空输出杆通孔上部留有空间，当中空输出杆摆动至极限位置时，恰好套在双耳支架外侧，使输出杆摆动空间更大；所述中空输出杆的一端与穿过上述末端动平台中心的方形通孔，该中空输出杆的另一端与球窝固连，上述球头置于活动球窝中，球心重合构成球面副，且球心与3-RRR三自由度球面并联机构的转动中心重合；

所述偏置输出单元包括上述具有大工作空间的球面铰链中的中空输出杆和偏置输出杆，上述穿过末端动平台中心处方形通孔的中空输出杆与偏置输出杆固连，中空输出杆轴线与偏置输出杆轴线相交，夹角为45度。

2.根据权利要求1所述的五自由度并串联仿生肩关节，其特征在于：所述2-PUS+U二自由度并联机构中的水平运动支链的直线导轨水平布置，与仿生机架矢状面的夹角为25度；竖直运动支链的直线导轨竖直布置，其对称平面在仿生机架的冠状面内。