CN104999472A - 肩胛骨联动的混联型五自由度仿生肩关节 - Google Patents

Abstract

一种肩胛骨联动的混联型五自由度仿生肩关节，它的RPRS+U二自由度串联机构中的S型连杆连接仿生机架和中间动平台；RPRS运动支链中的输出轴连接仿生机架与直线导轨，主动滑块设在直线导轨的丝杠上，该主动滑块与从动杆连接，该从动杆与中间动平台连接；3-RRR三自由度球面并联机构中结构相同的三条转动支链连接中间动平台和末端动平台；具有大工作空间的球面铰链连接中间动平台和偏置输出单元，它包括支撑杆，双耳支架，球头，活动球窝，输出杆，旋转支架，支撑销轴，支撑辊，U形拨叉和销轴；偏置输出单元为偏置输出杆。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

肩胛骨联动的混联型五自由度仿生肩关节

技术领域

本发明涉及人形机器人关节领域，特别是混联仿生肩关节。

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一个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础框架，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、控制比较容易的优点，但是，其无法避免驱动能力低、刚度小的缺点。

并联机构具有动态性能好、刚度大等特点，同时，由人体生理学可知，人体关节的运动为肌肉群并联驱动。因此，根据仿生原理和人体关节结构、运动特性，将并联机构引入到人形机器人关节机构中，更加符合人体关节的实际情况。

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肩胛骨联动的混联型五自由度仿生肩关节。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、串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，设计完成肩胛骨联动的五自由度混联仿生肩关节。

本发明的技术方案如下：

本发明包括：RPRS+U二自由度串联机构、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RPRS+U二自由度串联机构包括仿生机架、中间动平台、S型连杆、RPRS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，该S型连杆的另一端与中间动平台固连；RPRS运动支链中的输出轴一端通过主动转动副与仿生机架连接，该输出轴的另一端与直线导轨固连，驱动主动转动副的电机与仿生 机架固连；主动滑块设在上述直线导轨的丝杠上，该主动滑块通过转动副与从动杆连接，该从动杆通过球面副与中间动平台连接。

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、活动球窝、输出杆、旋转支架、支撑销轴、支撑辊、U形拨叉及销轴。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与中间动平台垂直，该支撑杆的另一端与双耳支架固联为一体，球头固定在双耳支架的中心处，并与支撑杆在球心点对心固定；U形拨叉为半圆弧形柱面组合体，并沿圆周方向平面开有径向内外通透的封闭长槽，该U形拨叉与双耳支架两端的支耳同宽，其两端通过销轴与双耳支架的支耳内侧连接，U形拨叉可绕装在双耳支架两侧的销轴往复摆动，两销轴所在的公共轴线过球头球心；输出杆为圆柱体，圆柱体的直径为上述U形拨叉的封闭长槽的径向宽度，该输出杆的一端与活动球窝固连，且输出杆轴线与活动球窝回转轴线重合，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；上述输出杆为阶梯形轴，中间设有轴向定位台阶，旋转支架为回转体，其上设有中心圆柱形通孔，在该旋转架两侧分别设有一个支撑销轴，一对支撑辊分别安装在上述两个支撑销轴上，该一对支撑辊所在的公共轴线与输出杆轴线垂直， 支撑辊可相对输出杆转动；旋转支架连同装在其上的支撑销轴、支撑辊一起套装在输出杆的轴向定位台阶上，旋转支架与输出杆能够相对转动，输出杆穿过封闭长槽并可在封闭长槽内往复摆动，上述输出杆的另一端为棱柱型杆，穿过上述末端动平台中心的方孔，与末端动平台以棱柱形式移动副连接；旋转支架上的支撑辊与U形拨叉圆弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉圆柱面的轴线平行，以实现支撑。

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输出杆和偏置输出杆，上述穿过末端动平台的中心处方形通孔的输出杆与偏置输出杆固连，输出杆轴线与偏置输出杆轴线相交，呈45度夹角。

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(直线导轨水平，主动滑块的行程为最大行程的一半)时，球面铰链支撑杆轴线与人体肩关节关节盂球窝中性线重合；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RPRS运动支链中，直线导轨与主动转动副的输出轴固连，在电机的驱动下，输出轴带动直线导轨绕主动转动副的轴线转动；主动滑块与直线导轨以移动副连接，在电机的驱动下，丝杠带动滑块直线移动；从动杆的左端与滑块以转动副连接，右端与中间动平台以球面副连接。S型连杆的左端与仿生机架以虎克铰连接，右端与中间动平台固连。所以，在两个电机的驱动下，中间动平台可以实现上下摆动、前后摆动，分别相当于人体肩胛骨的上提-下抑运动、外展-内收运动。RPRS运动支链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：

结构形式、运动特性与人体肩关节高度相似，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为本发明的结构示意简图；

图2为本发明RPRS运动支链的结构示意简图；

图3为本发明具有大工作空间的球面铰链的结构示意简图；

图4为本发明的固定坐标系示意图。

图中，1-仿生机架、2-虎克铰、3-S型连杆、4-中间动平台、5-主动转动副、6-输出轴、7-直线导轨、8-主动滑块、9-转动副、10-从动杆、11-球面副、12(12＇、12＂)-三条转动支链、13-末端动平台、14-支撑杆、15-双耳支架、16-球头、17-活动球窝、18-输出杆、19-旋转支架、20(20＇)-支撑销轴、21(21＇)-支撑辊、22-U形拨叉、23(23＇)-销轴、24-偏置输出杆。

具体实施方式：

在图1所示的肩胛骨联动的混联型五自由度仿生肩关节示意图中，本发明主要由四部分组成：RPRS+U二自由度串联机构、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RPRS+U二自由度串联机构中的S型连杆3的一端通过虎克铰2与仿生机架1连接，该S型连杆的另一端与 中间动平台4固连，如图2所示，RPRS运动支链中的输出轴6一端通过主动转动副5与仿生机架连接，该输出轴的另一端与直线导轨7固连，驱动主动转动副的电机与仿生机架固连；主动滑块8设在上述直线导轨的丝杠上，该主动滑块通过转动副9与从动杆10连接，该从动杆通过球面副11与中间动平台连接。

3-RRR三自由度球面并联机构中结构相同的三条转动支链12、12＇、12＂连接中间动平台和末端动平台13，三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，所述具有大工作空间的球面铰链中的支撑杆14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，该支撑杆的上端与双耳支架15固联为一体，球头16固定在双耳支架的中心处，并与支撑杆在球心点对心固定；U形拨叉22为半圆弧形柱面组合体，并沿圆周方向平面开有径向内外通透的封闭长槽，该U形拨叉与双耳支架两端的支耳同宽，其两端通过销轴23、23＇与双耳支架的支耳内侧连接，U形拨叉可绕装在双耳支架两侧的销轴往复摆动，两销轴所在的公共轴线过球头球心；输出杆18为圆柱体，圆柱体的直径为上述U形拨叉的封闭长槽的径向宽度，该输出杆的一端与活动球窝17固连，且输出杆轴线与活动球窝回转轴线重合，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；上述输出杆为阶梯形轴，中间设有轴向定位台阶，旋转支架19为回转体，其上设有中心圆柱形通孔，在该旋转架两侧分别设有一个支撑销 轴20、20＇，一对支撑辊21、21＇分别安装在上述两个支撑销轴上，该一对支撑辊所在的公共轴线与输出杆轴线垂直，支撑辊可相对输出杆转动；旋转支架连同装在其上的支撑销轴、支撑辊一起套装在输出杆的轴向定位台阶上，旋转支架与输出杆能够相对转动；输出杆穿过封闭长槽并可在封闭长槽内往复摆动，上述输出杆的另一端为棱柱型杆，穿过上述末端动平台中心的方孔，与末端动平台以棱柱形式移动副连接；旋转支架上的支撑辊与U形拨叉圆弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉圆柱面的轴线平行，以实现支撑。

所述偏置输出单元由上述具有大工作空间的球面铰链中的输出杆和偏置输出杆24组成，上述穿过末端动平台的中心处方形通孔的输出杆与偏置输出杆固连，输出杆轴线与偏置输出杆轴线相交，呈45度夹角。

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，并且主动转动副的轴线在仿生机架的水平面内。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 (1)

1.一种肩胛骨联动的混联型五自由度仿生肩关节，它包括RPRS+U二自由度串联机构、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RPRS+U二自由度串联机构中的S型连杆的一端通过虎克铰与仿生机架连接，该S型连杆的另一端与中间动平台固连；RPRS运动支链中的输出轴一端通过主动转动副与仿生机架连接，该输出轴的另一端与直线导轨固连，驱动主动转动副的电机与仿生机架固连；主动滑块设在上述直线导轨的丝杠上，该主动滑块通过转动副与从动杆连接，该从动杆通过球面副与中间动平台连接；

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，上述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与中间动平台垂直，该支撑杆的另一端与双耳支架固联为一体，球头固定在双耳支架的中心处，并与支撑杆在球心点对心固定；U形拨叉为半圆弧形柱面组合体，并沿圆周方向平面开有径向内外通透的封闭长槽，该U形拨叉与双耳支架两端的支耳同宽，其两端通过销轴与双耳支架的支耳内侧连接，U形拨叉可绕装在双耳支架两侧的销轴往复摆动，两销轴所在的公共轴线过球头球心；输出杆为圆柱体，圆柱体的直径为上述U形拨叉的封闭长槽的径向宽度，该输出杆的一端与活动球窝固连，且输出杆轴线与活动球窝回转轴线重合，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；上述输出杆为阶梯形轴，中间设有轴向定位台阶，旋转支架为回转体，其上设有中心圆柱形通孔，在该旋转架两侧分别设有一个支撑销轴，一对支撑辊分别安装在上述两个支撑销轴上，该一对支撑辊所在的公共轴线与输出杆轴线垂直，支撑辊可相对输出杆转动；旋转支架连同装在其上的支撑销轴、支撑辊一起套装在输出杆的轴向定位台阶上，旋转支架与输出杆能够相对转动，输出杆穿过封闭长槽并可在封闭长槽内往复摆动，上述输出杆的另一端为棱柱型杆，穿过上述末端动平台中心的方孔，与末端动平台以棱柱形式移动副连接；旋转支架上的支撑辊与U形拨叉圆弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉圆柱面的轴线平行，以实现支撑；

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输出杆和偏置输出杆，上述穿过末端动平台的中心处方形通孔的输出杆与偏置输出杆固连，输出杆轴线与偏置输出杆轴线相交，呈45度夹角。