CN105619390A - 十自由度机器人的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十自由度机器人(100)的制造方法，其中所述十自由度机器人(100)包括：头部(51)；左立臂(55)和右立臂；左手臂和右手臂；左脚臂和右脚臂；以及多个关节(1-10)，所述多个关节(1-10)为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度，所述制造方法包括：设计十自由度机器人(100)的部件；制作十自由度机器人(100)的部件；以及组装十自由度机器人(100)的部件。本发明提供了一种简单且易于实现、有效实现成本控制、并且适于在教学中应用的十自由度机器人的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及人形机器人技术领域，更具体地，涉及一种十自由度机器人的制造方法。
背景技术
机器人是一种自动执行工作的机器装置，它可以接受人类指挥，或者可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术指定的原则行动，通常执行协助或取代人类工作的工作，例如生产作业、建筑业或者危险的工作。
机器人，特别是人形机器人一直是玩具开发领域的热门产品，其天然地成为儿童、青少年喜爱的玩具。另一方面，在青少年教育领域，机器人可以作为一种教学用具，通过实物演示的方式传授有关机械、电子方面的科学知识，还可以以机器人为基础开设手工实习类的实操课程，教授机器人的工作原理和制作过程，通过该课程一方面可以普及科学知识，一方面能够锻炼学员的实际动手能力，实践证明这样的课程具有较好的社会接受度。本发明的设计人具有机械自动化研发的经验，并且从事教育事业多年，越来越意识到机器人是一种很好的寓教于乐的载体，应当充分发挥其教育、娱乐作用，本发明正是基于这样的背景展开的。
现有的人形机器人一般通过模制后再连接获得，在完成人形机器人的设计后，根据人形机器人的零部件构造制作专用模具，通过模具加工得到具体的零部件，然后将各个零部件进行组装，该组装一般是通过铆接、螺纹连接、胶接等方式实现的。然而，人形机器人的零部件结构异常复杂，零部件数量多，这造成为此设计的专用模具数量庞大、结构复杂，由此导致模具成本高昂，投入成本少则十万多则上百万；而且，模具加工的制作过程复杂、加工周期较长。因而这种人形机器人的制作方法并不是一种灵活而易于实现的制作方法，对于依托机器人为主体的教育行业，所需的机器人数量为几十、几百或几千，这样数量级的需求不足以支撑高昂的开发制作成本，因而需要一种较为简单易于实现的人形机器人的制造方法。
经过在机器人领域的长期研究，申请人发现现有的人形机器人在稳定性和灵活性方面缺少优化，导致其或者在稳定性方面、或者在灵活性方面存在缺陷。例如，市面上出售有十八自由度的机器人，其具有较高的灵活性，可以实现复杂的动作，然而为实现十八自由度，这种机器人无论在机械结构上还是电子电路上都有着非常复杂的设计，这导致成本较高，并不适宜作为教学用人形机器人使用。此外，也存在有结构简单的人形机器人，但是其无法实现动作编写，灵活性较差。
人形机器人的稳定性(例如行走稳定性)是实现复杂动作的基础，然而保证足够的力学稳定性却是人形机器人设计较难的课题，例如在国际机器人大赛这样高水平的比赛中，也经常见到机器人自行滑倒的场景，由此可见，高稳定性的机器人结构一直是人们所追求的目标。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种人形机器人的总体制造方法，其能够以简单且易于实现的方式获得人形机器人。
本发明的另一目的是提供一种有效实现成本控制的人形机器人的制造方法。
本发明的再一目的是提供一种适于在教学中应用的十自由度机器人的制造方法。
本发明的又一目的是提供一种十自由度机器人的制造方法，通过该方法能够获得灵活性和稳定性都得到改善和优化的十自由度机器人。
为实现上述目的，本发明提供了一种十自由度机器人的制造方法，其中所述十自由度机器人包括：
头部；
左立臂和右立臂；
左手臂和右手臂；
左脚臂和右脚臂；以及
多个关节，所述多个关节为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度，
所述制造方法包括：
设计十自由度机器人的部件；
制作十自由度机器人的部件；以及
组装十自由度机器人的部件。
根据本发明的一个优选实施例，设计十自由度机器人的部件的步骤包括：根据十自由度机器人的每一个部件的形状，将十自由度机器人的每一个部件设计成由多个片状件构成；在每一个片状件上设计拼插特征，所述拼插特征包括凸片或凹槽，其中凹槽用于接纳片状件或片状件上的凸片；将所有片状件布局在二维平面上，对每一个片状件进行优化，并优化片状件在二维平面上的布局；制作十自由度机器人的部件的步骤包括：提供平面拼插母板，根据片状件在二维平面上的布局，采用线切割的方式一次切割所有片状件，得到多个二维拼插件；组装十自由度机器人的部件的步骤包括：组装二维拼插件得到每一个部件；组装每一个部件得到十自由度机器人。
根据本发明的一个优选实施例，设计十自由度机器人的部件的步骤采用计算机辅助工具实现。
根据本发明的一个优选实施例，在设计十自由度机器人的部件的步骤中，在每一个片状件上设计拼插特征包括设计用于十自由度机器人的部件内的片状件之间的连接的拼插特征和设计用于十自由度机器人的部件之间的连接的拼插特征。
根据本发明的一个优选实施例，在设计十自由度机器人的部件的步骤中，对每一个片状件进行优化包括对片状件的形状进行微调以使片状件之间具有互补的形状，从而实现片状件在二维平面上的布局最小化。
根据本发明的一个优选实施例，在设计十自由度机器人的部件的步骤中，优化片状件在二维平面上的布局包括调整片状件之间在二维平面上的相对位置关系的步骤。
根据本发明的一个优选实施例，所述制造方法还包括组装十自由度机器人的多个关节，所述多个关节通过铆接连接到二维拼插件上。
根据本发明的一个优选实施例，所述制造方法还包括组装电源、控制电路板和导线，其中所述多个关节中的每个均包括电机，其中电源与电机之间、控制电路板与电机之间、以及电源与控制电路板之间均通过导线连接，并且其中所述控制电路板设置在所述十自由度机器人的背侧上。
根据本发明的一个优选实施例，所述平面拼插母板选用厚度为2mm、材料为ABS塑料的板材。
根据本发明的一个优选实施例，所述计算机辅助工具具体采用PRO-E软件。
本发明采用一种新的制造方法用于制造较为基础的人形机器人，有效解决人形机器人成本高、机械系统稳定性差、普适性低、制造成本高、制造过程复杂等缺点，在机器人的制造上，首先采用一定面积的平板，通过激光线切割，形成二维拼插件，再通过简单的平面拼插，形成机器人的基本结构件。最后安装上机器人控制系统，完成机器人所有组成部分。具体地，本发明具有如下优点：
1、更少的制造成本
本发明(优化的人形十自由度机器人的制造方法)设计了更为低成本的机器人制造方法，制造机器人无需首次成本(比如开模具)，可以随时修改设计而后进行重新加工。
该优势使得机器人在初期研发减少了投入和生产成本，有利于人形机器人学习及普及。
2、更短的制造周期
本发明(优化的人形十自由度机器人的制造方法)在整体的方法设计上，采用简单线切割加平面连接方式成形，成形一台机器人只需15分钟，该优势缩短了机器人在制造过程中的生产周期，有利于促进机器人的研发进度。
综合上述优点可见，本发明适于在教学应用和玩具市场中普及。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的十自由度机器人的立体结构图；
图2为示出根据本发明的实施例的十自由度机器人的每个自由度的示意图；
图3为根据本发明的实施例的十自由度机器人的侧视图；
图4为根据本发明的实施例的十自由度机器人的立体结构图，其中示出了十自由度机器人的主要部件；
图5为示出根据本发明的实施例的十自由度机器人的结构布局的示意图；
图6示出根据本发明的实施例的十自由度机器人的制造方法的过程；
图7为图6中的平面拼插母板的示意图；
图8为图6中的部分组装的十自由度机器人的示意图；
图9为图6中的组装后的十自由度机器人的示意图；以及
图10为根据本发明的实施例的十自由度机器人的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
在本文中，自由度为机械系统已有术语，其表示：根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目(亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目)，称为机构自由度，其数目常以F表示。运动副为已有术语，其表示：两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接。
下面首先介绍根据本发明的实施例的十自由度机器人，根据本发明总体上的发明构思，如图4所示，提供了一种十自由度机器人100，所述十自由度机器人100包括：头部51；左立臂55和右立臂；左手臂和右手臂；左脚臂和右脚臂；以及多个关节1-10，所述多个关节1-10为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度。
如图1-3所示，在图示的实施例中，所述多个关节1-10包括且仅包括十个关节1-10，分别为右手臂肩关节1、左手臂肩关节2、右手臂腕关节3、左手臂腕关节4、右脚臂膝关节5、左脚臂膝关节6、右脚臂第一踝关节7、左脚臂第一踝关节8、右脚臂第二踝关节9和左脚臂第二踝关节10；其中所述左手臂包括左上手臂53和左下手臂54，并且所述右手臂包括右上手臂和右下手臂；所述左脚臂包括左L形构件56和左脚板57，并且所述右脚臂包括右L形构件和右脚板；所述右上手臂通过右手臂肩关节1与右立臂的上端枢转连接，所述左上手臂53通过左手臂肩关节2与左立臂55的上端枢转连接；所述右下手臂通过右手臂腕关节3与右上手臂枢转连接，所述左下手臂54通过左手臂腕关节4与左上手臂53枢转连接；所述右L形构件的上端通过右脚臂膝关节5与右立臂的下端枢转连接，所述左L形构件56的上端通过左脚臂膝关节6与左立臂55的下端枢转连接；所述右脚板通过右脚臂第一踝关节7和右脚臂第二踝关节9与右L形构件的下端枢转连接，以便为右脚板提供两个方向上的枢转自由度，所述左脚板57通过左脚臂第一踝关节8和左脚臂第二踝关节10与左L形构件56的下端枢转连接，以便为左脚板57提供两个方向上的枢转自由度。
对于本发明的优化人形机器人系统，全身采用10自由度设计(脚部采用6自由度，手部采用4自由度)。
通过关节的机械布局试验和实物样机试验，根据本发明的实施例的十自由度机器人在满足下述位置关系时具有较好的稳定性，如图5所示：所述十自由度机器人100呈左右对称结构，其中：
a-左手臂腕关节中心到机器人中心面的距离；
b-左手臂肩关节末端到机器人中心面的距离；
c-左手臂肩关节中心到左脚臂膝关节中心的距离；
d-左脚臂膝关节末端到机器人中心面的距离；
e-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的第一边长；
f-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的第二边长；
g-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的夹角，
所述十自由度机器人100的结构布局如下：
a：c＝0.43-0.63；
b：c＝1.05-1.25；
d：c＝1.10-1.30；
e：c＝0.20-0.30；
f：c＝0.35-0.45；以及
g＝100-120度。
在优选的实施例中，所述十自由度机器人100的结构布局如下：
a：c＝0.53；
b：c＝1.15；
d：c＝1.20；
e：c＝0.25；
f：c＝0.40；以及
g＝110度。
在本发明的实施例中，所述十自由度机器人100还包括电源(未示出)、控制电路板61和导线(未示出)，并且所述十个关节1-10中的每个均包括电机，其中电源与电机之间、控制电路板61与电机之间、以及电源与控制电路板61之间均通过导线连接，并且其中所述控制电路板61设置在所述十自由度机器人100的背侧上。
在优选的实施例中，如图4所示，所述电机容纳在左立臂55、右立臂、左手臂、右手臂、左脚臂或右脚臂中。所述头部51、左立臂55、右立臂、左上手臂53、左下手臂54、右上手臂、右下手臂、左L形构件56、右L形构件、左脚板57和右脚板均由平板拼插块通过拼插形成。
在进一步优选的实施例中，如图3所示，所述左立臂55和右立臂均为L形构件，并且所述左立臂55和右立臂的L形构件的长边与短边之间的夹角在100-120度范围内。左立臂55、右立臂的L形构件在下端与左脚臂、右脚臂的L形构件结合，左立臂55、右立臂的L形构件呈正“L”形，左脚臂、右脚臂的L形构件呈倒“L”形，使得结合后的机器人整体呈近似“S”形，其中心被约束在“S”形内部，从而为机器人提供稳定的支撑。
在进一步优选的实施例中，如图4所示，所述左脚板57和右脚板均为方块状板。方块状板为机器人提供稳定的支撑。
在进一步优选的实施例中，如图4所示，所述十自由度机器人100还包括一个或多个前胸板52，所述一个或多个前胸板52设置在左立臂55和右立臂前侧并且覆盖左立臂55和右立臂。
本发明(优化人形机器人系统)的系统方案适用于在前述比例区间内的任意大小的人形机器人系统，例如，可以设计成高为30cm的机器人，也可以设计成高为1.5m的机器人，本发明并不对此加以限制。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种十自由度机器人的制造方法，下面参考附图6-10介绍十自由度机器人的制造方法：
根据本发明的实施例的十自由度机器人100的制造方法，其中所述十自由度机器人100包括：头部51；左立臂55和右立臂；左手臂和右手臂；左脚臂和右脚臂；以及多个关节1-10，所述多个关节1-10为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度。需要说明的是，本发明的十自由度机器人可以为前述任一实施例的十自由度机器人。所述制造方法包括：设计十自由度机器人100的部件；制作十自由度机器人100的部件；以及组装十自由度机器人100的部件。
在所述制造方法中，设计十自由度机器人100的部件的步骤包括：根据十自由度机器人100的每一个部件的形状，将十自由度机器人100的每一个部件设计成由多个片状件构成；在每一个片状件上设计拼插特征，所述拼插特征包括凸片或凹槽，其中凹槽用于接纳片状件或片状件上的凸片；将所有片状件布局在二维平面上，对每一个片状件进行优化，并优化片状件在二维平面上的布局。
进一步地，在设计十自由度机器人100的部件的步骤之后，制作十自由度机器人100的部件的步骤包括：提供平面拼插母板200，优选地平面拼插母板200选用厚度为2mm、材料为ABS塑料的板材，根据片状件在二维平面上的布局，采用线切割的方式一次切割所有片状件，得到多个二维拼插件201。进一步地，组装十自由度机器人100的部件的步骤包括：组装二维拼插件得到每一个部件；组装每一个部件得到十自由度机器人100。
根据本发明的制造方法，十自由度机器人的制造采用拼插方法进行，避免了使用模具制造所带来的成本高、周期长、制作过程复杂的问题，在机器人教学应用中，可以在短时间(几堂课)内完成机器人的制造，适合小规模、低成本的制造。所述制造方法包括有机械设计、激光线切割、电子控制知识，通过该制造方法能够开发理工思维，提高动手能力。
在优选的实施例中，设计十自由度机器人100的部件的步骤采用计算机辅助工具实现，所述计算机辅助工具具体采用PRO-E软件。
在进一步优选的实施例中，在设计十自由度机器人100的部件的步骤中，在每一个片状件上设计拼插特征包括设计用于十自由度机器人100的部件内的片状件之间的连接的拼插特征和设计用于十自由度机器人100的部件之间的连接的拼插特征；在设计十自由度机器人100的部件的步骤中，对每一个片状件进行优化包括对片状件的形状进行微调以使片状件之间具有互补的形状，从而实现片状件在二维平面上的布局最小化；在设计十自由度机器人100的部件的步骤中，优化片状件在二维平面上的布局包括调整片状件之间在二维平面上的相对位置关系的步骤。
此外，所述制造方法还包括组装十自由度机器人100的多个关节1-10，所述多个关节1-10通过铆接连接到二维拼插件201上。进一步地，所述制造方法还包括组装电源、控制电路板61和导线，其中所述多个关节1-10中的每个均包括电机，其中电源与电机之间、控制电路板61与电机之间、以及电源与控制电路板61之间均通过导线连接，并且其中所述控制电路板61设置在所述十自由度机器人100的背侧上。
为提高设计效率，优化片状件在二维平面上的布局还包括将所有片状件按照面积大小排序，将面积大的片状件优先布置在二维平面的中心，从所述中心向外周依次布置面积逐渐减小的片状件。最终所形成的带有所有片状件的二维平面的形状为圆形或正方形，相应地，所述平面拼插母板为圆形或正方形。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。
附图标记列表：
1右手臂肩关节
2左手臂肩关节
3右手臂腕关节
4左手臂腕关节
5右脚臂膝关节
6左脚臂膝关节
7右脚臂第一踝关节
8左脚臂第一踝关节
9右脚臂第二踝关节
10左脚臂第二踝关节
51头部
52前胸板
53左上手臂
54左下手臂
55左立臂
56左L形构件
57左脚板
61控制电路板
62右脚臂第一踝关节电机盒
100十自由度机器人
200平面拼插母板
201二维拼插件
a左(右)手臂腕关节中心到机器人中心面的距离
b左(右)手臂肩关节末端到机器人中心面的距离
c左(右)手臂肩关节中心到左(右)脚臂膝关节中心的距离
d左(右)脚臂膝关节末端到机器人中心面的距离
e连接左(右)脚臂膝关节与左(右)脚臂踝关节的L形构件的第一边长
f连接左(右)脚臂膝关节与左(右)脚臂踝关节的L形构件的第二边长
g连接左(右)脚臂膝关节与左(右)脚臂踝关节的L形构件的夹角。
Claims (10)
1.一种十自由度机器人(100)的制造方法，其中所述十自由度机器人(100)包括：
头部(51)；
左立臂(55)和右立臂；
左手臂和右手臂；
左脚臂和右脚臂；以及
多个关节(1-10)，所述多个关节(1-10)为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度，
其特征在于，所述制造方法包括：
设计十自由度机器人(100)的部件；
制作十自由度机器人(100)的部件；以及
组装十自由度机器人(100)的部件。
2.根据权利要求1所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
设计十自由度机器人(100)的部件的步骤包括：
根据十自由度机器人(100)的每一个部件的形状，将十自由度机器人(100)的每一个部件设计成由多个片状件构成；
在每一个片状件上设计拼插特征，所述拼插特征包括凸片或凹槽，其中凹槽用于接纳片状件或片状件上的凸片；
将所有片状件布局在二维平面上，对每一个片状件进行优化，并优化片状件在二维平面上的布局；
制作十自由度机器人(100)的部件的步骤包括：
提供平面拼插母板(200)，根据片状件在二维平面上的布局，采用线切割的方式一次切割所有片状件，得到多个二维拼插件(201)；
组装十自由度机器人(100)的部件的步骤包括：
组装二维拼插件得到每一个部件；
组装每一个部件得到十自由度机器人(100)。
3.根据权利要求2所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
设计十自由度机器人(100)的部件的步骤采用计算机辅助工具实现。
4.根据权利要求3所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
在设计十自由度机器人(100)的部件的步骤中，在每一个片状件上设计拼插特征包括设计用于十自由度机器人(100)的部件内的片状件之间的连接的拼插特征和设计用于十自由度机器人(100)的部件之间的连接的拼插特征。
5.根据权利要求4所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
在设计十自由度机器人(100)的部件的步骤中，对每一个片状件进行优化包括对片状件的形状进行微调以使片状件之间具有互补的形状，从而实现片状件在二维平面上的布局最小化。
6.根据权利要求5所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
在设计十自由度机器人(100)的部件的步骤中，优化片状件在二维平面上的布局包括调整片状件之间在二维平面上的相对位置关系的步骤。
7.根据权利要求6所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
所述制造方法还包括组装十自由度机器人(100)的多个关节(1-10)，所述多个关节(1-10)通过铆接连接到二维拼插件(201)上。
8.根据权利要求7所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
所述制造方法还包括组装电源、控制电路板(61)和导线，其中所述多个关节(1-10)中的每个均包括电机，其中电源与电机之间、控制电路板(61)与电机之间、以及电源与控制电路板(61)之间均通过导线连接，并且其中所述控制电路板(61)设置在所述十自由度机器人(100)的背侧上。
9.根据权利要求8所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
所述平面拼插母板(200)选用厚度为2mm、材料为ABS塑料的板材。
10.根据权利要求3-9所述的十自由度机器人(100)的制造方法，其特征在于：
所述计算机辅助工具具体采用PRO-E软件。
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