CN107000219A - 对人类特点的机器人的组装的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对人形机型机器人的组装的改进，该机器人包括两个元件，和绕着轴线连接这两个元件的具有至少一个旋转自由度的关节，关节能被安装和拆卸从而连接和分开所述两个元件。根据本发明，机器人进一步包括：具体圆形截面的盒(30)，其固定到所述两个元件中的第一元件上并且沿着与关节的旋转轴线基本平行的轴线(35)延伸；和具有两个端(36,37)的缆线，两个端中的第一端(36)连接至第一元件，而第二端(37)连接至第二元件。缆线绕着盒(30)的轴线(35)部分卷绕在盒(30)中并且从盒(30)伸出到达其第二端(37)。在两个元件的分开构造和两个元件的接合构造之间，缆线的弹性使得其能卷绕在盒(30)中。通过首先在缆线(30)的两端连接缆线(30)，随后机械地安装所述关节完成机器人的组装。

Description

对人类特点的机器人的组装的改进
技术领域
本发明涉及对人形机型的机器人的组装的改进。
背景技术
从机器人具有人类的外观和功能(例如头部，躯干，两臂，两只手，两条腿或两只脚)的某些属性的时刻起，机器人可以被定性为人形机。一些只具有身体顶部的机器人也可以被认为是人形机类型。存在能够在设有轮子的平台上行走或来回移动，并能用四肢或用头做出姿势的人形机机器人。他们能够执行的姿势的复杂性在不断增加。
为了做到这一点，机器人包括许多相互铰接的元件。在机械方面，关节包括多个自由度；并且需要在不同的铰接元件之间传递信号和动力。换言之，当组装机器人时，有必要将机器人的不同元件机械地连在一起并将它们连接，从而传输操作机器人所必需的信号和动力。信号和动力可以呈现不同的形式，例如电的、光学的或液压的。
已知，在组装机器人时，在其它连接之前首先进行机械装配。该顺序能够限制待连接的缆线的长度。尽管如此，该组装方法仍有一些缺点，如在机械装配之后为了触及连接件而要求连接件具有良好的可及性的事实。由于不期望的运动或由于可能会损坏连接元件的外部因素，因而在机器人使用期间该可及性使得缆线和连接件更容易受到损坏。在缆线连接之后应当要确保对它们的保护。然而，这会产生增加了机器人复杂性的额外的机械部件。
发明内容
本发明的主要目的在于通过在机械组装关节之前为机器人的关节提供缆线连接而缓解上述缺点。这使得能够保护关节内部的缆线和连接件。
为此，本发明的目的为一种组装人形机型机器人的方法，所述机器人包括：
·两个元件；
·绕着轴线连接所述两个元件的具有至少一个旋转自由度的关节，所述关节能被安装和拆卸以接合和分开所述两个元件；
·具体圆形截面的盒，所述盒固定到所述两个元件中的第一元件上并且沿着与所述关节的旋转轴线基本平行的轴线延伸；
·具有两个端的缆线，所述两个端中的第一端连接至所述第一元件，第二端连接至第二元件，
所述缆线绕着所述盒的轴线部分地卷绕在所述盒中并且从所述盒伸出到达其第二端，在所述两个元件的分开构造和所述两个元件的接合构造之间，所述缆线的弹性使得其能卷绕在所述盒中，所述方法的特征在于其依次顺序地包括以下操作：
·将所述缆线在其两端处分别连接至所述两个元件中的第一元件和第二元件，
·机械地安装所述关节。
本发明能在通过关节将所述两个元件接合起来之前连接缆线。这使得能对分开的两个元件进行操作测试，例如电的操作测试。
借助人形机型机器人的头部和躯干的关节描述本发明。当然也能为机器人的其它所有关节实施本发明，例如将臂连接至躯干的肩部关节、将前臂连接至臂的肘关节、将腿连接至躯干的臀关节等等。
本发明尤其涉及联结机器人的两个元件的不同类型的两种连接，其中一种为机械的连接。许多机器人为了它们的致动器，尤其是关节的致动器使用电能，并且为了例如通过联接至任何类型的传感器的电子板执行的驱动、为了实现与机器人的外部的联结以及驱动致动器而使用电能。电力和电信号需要穿过机器人的不同关节。在所描述的实施例中，颈部的关节通过柔性缆线将躯干机械地和电力地连接至头部。当然除电能之外也能用其它形式的能量实施本发明，或者用其它形式的能量以代替电能实施本发明。明显地，能通过缆线传递动力和/或液压或光学信号。换言之，缆线包括至少一个电和/或光学和/或液压的传导体。
附图说明
在阅读通过示例方式给出的一个实施例的详细描述的情况下，会更好地理解本发明，且其他优势也变得清楚，这些描述在附图中示出，其中：
图1a和图1b示出可以执行本发明的机器人的两个示例；
图2以纵分面中的横截面示出图1b中机器人的头部和躯干；
图3示出其中部分地卷绕能够连接机器人的头部和躯干的缆线的盒；
图4示出未卷绕的缆线；
图5a至图5d示出组装机器人的头部和躯干的几个步骤。
为了清楚起见，在不同的附图中相同元件采用相同的附图标记。
具体实施方式
图1a和图1b示出了由阿尔德巴兰机器人TM(ALDEBARAN ROBOTICSTM)公司研发的人形机型机器人的两个示例。图1a中示出的人形机机器人10包括头部1、躯干2、两个手臂3、两只手4、两条腿5以及两只脚6。图1b中示出的人形机机器人10’包括头部1、躯干2、两个手臂3、两只手4以及裙状部7。这两个机器人包括多个关节，允许机器人的不同肢体的相对运动，从而复制人类的形态及其运动。机器人10和10’例如包括位于躯干2和每个手臂3之间的关节11。形成机器人的肩膀的关节11围绕两条旋转轴线作动，以使得其能够以人类肩膀可能移动的方式相对于躯干2移动手臂3。
人形机型机器人10也包括移动机器人的腿并复制行走运动的多个关节，尤其是，在躯干和每条大腿之间如同臀部的关节、在大腿和小腿之间如同膝盖的关节、以及小腿和脚之间如同踝的关节。可进行多种形式的机动化关节，根据一个或多个旋转自由度驱动一个肢体的运动。
人形机型机器人10’具有不同的体系结构。为了提高机器人的稳定性并降低其重心，机器人不包括任何腿而具有裙状部7，裙状部7在其基座处包括能够到处移动机器人的三脚架14。裙状部7也包括能在小腿7a和大腿7b之间类似于膝关节的第一关节12。如同臀部的第二关节13将躯干2和大腿7b联接在一起。这两个关节12和13是绕着旋转轴线机动的枢转联接。关节12的旋转轴线Xa和关节13的旋转轴线Xb基本上平行于联接机器人两肩膀的轴线，使其能够向前或者向后倾斜机器人。
图2在纵分面中的横截面中示出图1b的机器人10’的头部1和躯干2。头部1和躯干2通过形成具有三个旋转自由度的关节的颈部20联接。首先，此处的关注点在于，颈部20绕着轴线21与机器人的纵分面成直角而进行的转动，也即与图2的平面成直角。颈部20允许头部1相对于躯干2进行转动。在图2中，头部1在其角度范围的端点中的一个端点的附近。
头部1的转动可以通过能使颈部20的关节机动化的致动器来实现，或通过外部动作实现，例如当外力施加到头部1时或者在头部1的快速运动中利用惯性驱动后者(即头部)。
图3示出了其中部分卷绕有缆线31的盒30。例如通过借助两个突耳32和33进行的夹持将盒30固定到头部1。也能使用任何其它可拆卸的固定装置将盒30固定到头部1上，例如通过螺钉。盒30具有以与图3的平面成直角的轴线35为中心的圆形截面。一旦完成关节的组装，轴线35将平行于颈部20的旋转轴线21。
缆线31具有两端36和37。第一端36通过连接件38连接至头部1，第二端37通过连接件39连接至躯干2。缆线31在盒30中从其第一端36开始绕着盒13的轴线35部分卷绕。缆线31从盒30伸出到达其第二端37。
盒30包括缆线31穿过的孔40。缆线31从孔40开始并且至少在其伸出盒30的延伸部的一部分上遵循与轴线35成直角的直线方向41。为了便于从盒30中引出缆线，孔40具有基本上与缆线31伸出盒30的方向41成直角的截面42。
缆线31在盒30中绕着其第一端36被卷绕。以螺旋的方式绕着第一端36进行卷绕，直至缆线31通过孔40从盒30引出。
缆线31能将头部1与躯干2电联接在一起。借助本发明，可在关节的电联接之后进行关节的机械安装。限定了关节的两种机械构造，一种称作分开构造，其中头部1和躯干2彼此相隔一定距离并且在它们之间具有六个自由度，另一种称作接合构造，其中关节20是可操作的。换言之，在接合构造中，关节被机械地连接，并且头部1和躯干2在它们之间具有由关节限定的自由度的数量，即至少一个旋转自由度。在这两种构造之间，缆线31或多或少地卷绕到盒30中。更具体而言，在分开构造中，缆线31比在接合构造中卷绕的少。借助缆线31的弹性实现了缆线的卷绕和解绕。更具体而言，能沿着方向41拉动缆线31的端37从而从盒30部分解绕缆线31。在解绕期间，缆线31在盒30中形成的不同卷趋于朝着盒30的轴线收紧。解绕能使连接件39远离盒30从而便于其连接处于分开构造中。
当释放缆线31上通过其端37产生的拉力时，缆线31借助其弹性自然地卷绕到盒30中。缆线31的卷会增大它们的曲率半径。缆线的弹性会增大其曲率半径。
图4示出了能在本发明中实施的具有扁平区段的缆线31的示例。图4中，缆线31在导入盒30之前显示为完全未卷绕的。未卷绕的缆线31在图3的平面中延伸。为了确保电连接，可以柔性印制电路的形式生产缆线31。传导体例如由蚀刻在塑料支承(如聚酰亚胺)上的铜制成。缆线31主要在方向41上延伸。扁平区段限定成与方向41成直角，并且在图4的平面中延伸。在端36处，为了便于盒30外的连接件38的连接，缆线31可被弯曲。在所示的示例中，缆线31在端36附近在缆线31的部分43上遵循与方向41成直角的方向42。
换言之，缆线31包括与其扁平区段成直角延伸的至少一个传导件，即平行于方向41。弯曲至少一个传导件以允许缆线31在其第一端36处从盒30引出。
盒30可包括连接件38能固定到其上的中央芯45。当在盒30中安装缆线31时，连接件38相对于中央芯45(如果存在中央芯45)或相对于盒30的中心保持在固定位置，随后绕着缆线31的端36螺旋地卷绕缆线31，接着通过孔40导出缆线。缆线31的在端36附近的弯曲部分43便于在卷绕期间将缆线31保持在盒30中。
缆线31在盒30中被放置就位之前具有在方向41上自然延伸的直线部分47，即没有外应力。就是该部分绕着端36卷绕。一般而言，缆线31具有能在没有应力的情况下直线延伸的部分47。该直线部分47在盒30中卷绕。
缆线31的扁平区段全部沿着缆线31卷绕在盒30中的部分延伸。缆线31的扁平区段沿着与盒30的轴线35平行的轴线延伸。
扁平缆线很好地适合于具有一个旋转自由度的关节20。在上述接合构造中，即当关节是可操作时，缆线在其位于盒30外的部分中能绕着与盒30的轴线35平行的轴线容易地弯曲，即绕着关节20的旋转轴线弯曲。如果需要头部1以两个或三个旋转自由度相对于躯干2铰接，那么能够通过将它们与每个自由度之间的中间部串联在一起而使这些自由度断开。如此处所述，能以每个自由度将盒30和缆线31联接起来。这使得能够相互独立地连接或分开关节的每个部分。也能提供具有盒30和缆线31的单一自由度。为了其它一个或多个自由度，能够提供不存在分离可能的卷缆(cabling)，例如以本申请人公司的名称所提交的专利申请WO 2010/057950中所描述的，其通过引用并入本申请。
可替换地，缆线31可具有圆形区段。相对具有扁平区段的缆线而言，具有圆形区段的缆线具有能在没有应力的情况下沿着方向41直线延伸的部分。该直线部分在盒30中卷绕。具有圆形区段的缆线能在其位于盒30外的部分中按照与轴线41成直角的两条轴线弯曲，并且可能绕着轴线41扭曲。具有圆形区段的缆线非常适合于具有数个自由度的关节，缆线31的第一端36联接到第一元件上，即所描述示例中的头部1，而缆线31的第二端37联接到第二元件上，即所描述示例中的躯干2。
图5a至图5d示出了组装头部1和躯干2的几个步骤。为了进行组装，已经移除了形成机器人皮肤的任何罩。对于头部1和躯干2，头部和躯干内部的结构基本上不同。在躯干2中，辨认出关节20。图5a中，缆线31连接到躯干2上，并且盒30紧邻躯干定位。在图5b的位置中，拉动盒30使其远离躯干2，并使其更靠近头部1。通过拉动盒30，缆线31从盒30部分地解绕。在图5c的位置，盒30被固定到头部1上，并且在头部1中进行缆线31的连接。在图5c的位置，关节20没有被机械地放置就位，但能使头部1相对于躯干2电气运行，缆线31将两个元件1和2连接在一起。这在机器人的完整组装之前能够执行正确操作的电气测试。在电连接之后并在关节20的机械安装之前，两个元件在它们相对于彼此的运动中保持六个自由度。所连接的缆线31的存在引起了在两个元件1和2相对于彼此的运动中的唯一限制。缆线31的柔性允许两个元件1和2相对于彼此的相对运动。
在图5d的位置，使头部1更靠近躯干2以实现关节20的机械安装。在使头部1相对于身体集合在一起的过程中，缆线31借助其弹性卷绕在盒30中。更具体而言，机械安装关节的操作依次按顺序地包括两个步骤：
·将两个元件1和2集合在一起，在集合在一起的过程中，缆线31借助其弹性卷绕在盒30中；
·机械地附接两个元件1和2。
以两个依次的操作进行的该组装方法首先包括进行电气连接，接着进行关节的机械连接，该方法使得能够保护关节20的电气连接。一旦完成关节20的机械组装，这些连接就不明显了。完全在关节内部保护这些连接和实现这些连接的缆线31。
首先通过机械拆下关节20接着电气断开缆线31完成关节的拆除。只要关节20是组装好的，就不能断开缆线31。

Claims (12)

1.一种用于组装人形机型机器人(10,10’)的方法，所述人形机型机器人包括：
·两个元件(1,2)；
·具有绕着轴线(21)连接所述两个元件(1,2)的至少一个旋转自由度的关节(20)，所述关节能被安装和拆卸以接合和分开所述两个元件(1,2)；
·具体圆形截面的盒(30)，所述盒固定到所述两个元件中的第一元件(1)并且沿着与所述关节(20)的旋转轴线(21)基本平行的轴线(35)延伸；
·具有两个端(36,37)的缆线(31)，所述两个端中的第一端(36)连接至所述第一元件(1)，并且第二端(37)连接至第二元件(2)，
所述缆线(31)绕着所述盒(30)的轴线(35)部分地卷绕在所述盒(30)中并且从所述盒(30)伸出到达其第二端(37)，在所述两个元件(1,2)的分开构造和所述两个元件(1,2)的接合构造之间，所述缆线(31)的弹性允许其被卷绕在所述盒(30)中，所述方法的特征在于，所述方法依次顺序地包括以下操作：
·将所述缆线(31)在其两端(36,37)处分别连接至所述两个元件(1,2)中的第一元件和第二元件，
·机械地安装所述关节(20)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械地安装所述关节的操作依次顺序地包括两个步骤：
·将所述两个元件(1,2)集合在一起，在所述集合在一起过程中，所述缆线(31)由于其弹性而被卷绕在所述盒(30)中；
·机械地附接所述两个元件(1,2)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)具有能在没有应力的情况下直线地延伸的部分(47)，并且在所述两个元件(1,2)集合在一起的过程中，所述直线部分(47)被卷绕在所述盒(30)中。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)具有扁平区段，所述扁平区段全部沿着所述缆线的被卷绕在所述盒(30)中的部分，并且所述扁平区段沿着与所述盒(30)的所述轴线(35)平行的轴线延伸。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)包括与所述扁平区段成直角延伸的至少一个传导体，并且所述至少一个传导件被弯曲以允许所述缆线(31)在所述缆线(31)的第一端(36)处从所述盒中引出。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述关节(20)在安装之后具有数个旋转自由度，并且所述缆线(31)具有圆形区段。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)绕着其第一端(36)被卷绕在所述盒(30)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述盒(30)包括由所述缆线(31)穿过的孔(41)，所述孔(40)具有的截面(42)与所述缆线(31)延伸出所述盒(30)的方向(41)基本上成直角。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)包括至少一个电传导体。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)包括至少一个光传导体。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述缆线(31)包括至少一个液压传导体。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一元件为所述机器人(10,10’)的头部(1)，并且所述第二元件为所述机器人(10,10’)的躯干(2)。
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