CN107972063A - 一种电机驱动的仿人型机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电机驱动的仿人型机器人，以蜗轮蜗杆减速电机和丝杠减速电机驱动肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节的运动，具有完全模拟人运动的功能。所设计的电机驱动的仿人型机器人肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节分别具有3、2、2、3、3、2、2个自由度，同时可以实现尺骨、腓骨的环转运动，本发明以蜗轮蜗杆减速电机和丝杠减速电机驱动，具有结构紧凑、承载能力强、可以自锁的特点，可用于教学和演示。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种电机驱动的仿人型机器人。
背景技术
研究外观与人类相类似，替代人类完成各种工作，并且为人类服务是人类的梦想之一。中国专利201610740813.3提出一种电机驱动的仿人上肢，电机通过齿轮减速，在承载较大载荷时会被倒拖，因此其承载能力有限。中国专利201420512561.5提出一种电机驱动的仿人下肢，并不能模拟踝关节的环转运动。因此有必要设计一款能够具有较大载荷的仿人型机器人。
发明内容
针对上述现有的技术缺陷，本发明提供了一种电机驱动的仿人型机器人，本发明结构紧凑、承载能力强、可以自锁。具体技术方案如下：
一种电机驱动的仿人型机器人，其特征在于，其包括胸部、上肢和下肢，
所述的胸部包括胸部固定件1、胸部连接件、丝杠减速电机、腰部固定件25，所述的胸部固定件1与上肢固定连接，与所述的胸部连接件可转动连接，所述的胸部连接件、丝杠减速电机、腰部固定件依次连接连接；
所述的上肢包括左上肢和右上肢，所述的右上肢和左上肢的结构相同，且两者沿所述的胸部对称布置；
所述的左上肢包括肱骨7、尺骨11、手16，所述的肱骨7与所述的胸部固定件1之间通过第一转动机构连接，所述的肱骨7和尺骨11之间通过第二转动机构连接，所述的尺骨11和手16之间通过第三转动机构连接；
所述的第一转动机构包括电机一2、肩部连接件一3、电机二4、肩部连接件二5、电机三6，所述的电机一2与所述的胸部固定件1、肩部连接件一3相连，实现所述的肱骨7相对于所述的胸部沿Y方向的转动；所述的电机二4与所述的肩部连接件一3、肩部连接件二5连接，实现所述的肱骨7相对于所述的胸部沿X方向的转动；所述的电机三6与所述的肩部连接件二5、肱骨7连接，实现所述的肱骨7相对于所述的胸部沿Z方向的转动；
所述的第二转动机构包括电机四8、肘关节连接件9、电机五10，所述的电机四8与所述的肱骨7、肘关节连接件9连接，实现所述的尺骨11相对于所述的肱骨7沿Y方向的转动；所述的电机五10与所述的肘关节连接件9、电机五10连接，实现所述的尺骨11相对于所述的肱骨7沿Z方向的转动；
所述的第三转动机构包括电机六12、腕关节连接件一13、电机七14、腕关节连接件二15，所述的电机六12与所述的尺骨11、腕关节连接件一13连接，实现所述的手16沿X方向的转动；所述的电机七14与所述的腕关节连接件一13、腕关节连接件二15连接，所述的腕关节连接件二15与手16连接，实现所述的手16沿Z方向的转动；
所述的下肢包括左下肢和右下肢，所述的右下肢和左下肢的结构相同，且两者沿所述的胸部对称布置；
所述的左下肢包括股骨35、腓骨39、脚44，所述的股骨35与所述的腰部固定件25之间通过第四转动机构连接，所述的股骨35与腓骨39之间通过第五转动机构连接，所述的腓骨39与所述的脚44之间通过第六转动机构连接；
所述的第四转动机构包括电机八30、髋关节连接件一31、电机九32、髋关节连接件二33、电机十34，所述的电机八34与所述的腰部固定件25、髋关节连接件一31连接，实现所述的股骨35相对于胸部沿Z方向的转动；所述的电机九32与所述的髋关节连接件一31、髋关节连接件二33连接，实现所述的股骨35相对于胸部沿Y方向的转动；所述的电机十34与髋关节连接件二33、股骨35连接，实现所述的股骨35相对于胸部沿X方向的转动；
所述的第五转动机构包括电机十一36、膝关节连接件37、电机十二38，所述的电机十一36与所述的股骨35、膝关节连接件37连接，实现所述的腓骨39相对于股骨35沿Z方向的转动；所述的电机十二38与膝关节连接件37、腓骨39连接，实现所述的腓骨39相对于股骨35沿Y方向的转动；
所述的第六转动机构包括电机十三40、踝关节连接件一41、电机十四42、踝关节连接件二43，所述的电机十三40与腓骨39、踝关节连接件一41连接，实现所述的脚44沿Y方向的转动；所述的电机十四42与踝关节连接件一41、踝关节连接件二43连接，踝关节连接件二43与所述的脚44连接，实现所述的脚44沿X方向的转动。
进一步地，所述的电机一至电机十四均为蜗轮蜗杆减速电机。
进一步地，所述的丝杠减速电机和胸部连接件的数量均为3个以上，且所述的丝杠减速电机的齿轮减速箱与所述的腰部固定件25固定连接，丝杆与所述的胸部连接件连接。
进一步地，所述的肩部连接件一、肘关节连接件、腕关节连接件、髋关节连接件、膝关节连接件、踝关节连接件均为L型板件。
进一步地，所述的第一转动机构中，电机一2的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的胸部固定件1上，电机一2的轴与肩部连接件一3的一端固定连接，电机二4的蜗轮蜗杆减速箱固定在肩部连接件一3的另一端，轴与所述的肩部连接件二5的一端固定连接，电机三6的蜗轮蜗杆减速箱固定在肩部连接件二5的另一端，轴与所述的肱骨7固定连接；
所述的第二转动机构中，电机四8的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的肱骨7的底部，轴与肘关节连接件9的一端固定连接，电机五10的蜗轮蜗杆减速箱固定在肘关节连接件9的另一端，轴与所述的尺骨11固定连接；
所述的第三转动机构中，电机六12的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的尺骨11上，轴与所述的腕关节连接件一13的一端固定连接，电机七14的蜗轮蜗杆减速箱固定在腕关节连接件一13的另一端，轴与腕关节连接件二15固定连接，腕关节连接件二15的另一端与所述的手16固定连接；
所述的第四转动机构中，电机八30的蜗轮蜗杆减速箱固定在腰部固定件25上，轴与髋关节连接件一31的一端固定连接，电机九32的蜗轮蜗杆减速箱固定在髋关节连接件一31的另一端，轴与髋关节连接件二33的一端固定连接，电机十34的蜗轮蜗杆减速箱固定在髋关节连接件二33的另一端，轴与所述的股骨35固定连接；
所述的第五转动机构中，电机十一36的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的股骨35的底部，轴与膝关节连接件37的一端固定连接，电机十二38的蜗轮蜗杆减速箱固定在膝关节连接件37的另一端，轴与所述的腓骨39固定连接；
所述的第六转动机构中，电机十三40的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的腓骨39的底部，轴与踝关节连接件一41的一端固定连接，电机十四42的蜗轮蜗杆减速箱固定在踝关节连接件一41的另一端，轴与踝关节连接件二43的一端固定连接，踝关节连接件二43的另一端与所述的脚44固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明利用蜗轮蜗杆减速电机驱动，可以实现关节的自锁，同时蜗轮蜗杆可以承受较大的负载；
2.本发明利用丝杠减速电机并联与球铰结合，可以同时实现腰关节的直线运动和多个方向的旋转运动；
3.本发明肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节分别具有3、2、2、3、3、2、2个自由度，可以实现尺骨、腓骨的环转，可以形象地模拟人可以实现的各种动作，有助于了解人体运动中各关节的作用。
附图说明
图1是电机驱动的仿人型机器人总体机械结构示意图；
图2是电机驱动的仿人型机器人左上肢机械结构示意图；
图3为第一、第二和第三转动机构的局部结构示意图；
图4是电机驱动的仿人型机器人腰关节机械结构示意图；
图5是电机驱动的仿人型机器人下肢机械结构示意图；
图6是蜗轮蜗杆减速电机结构示意图；
图7是丝杠减速电机结构示意图。
图中：胸部固定件1、蜗轮蜗杆减速电机一2、肩部连接件一3、蜗轮蜗杆减速电机二4、肩部连接件二5、蜗轮蜗杆减速电机三6、肱骨7、蜗轮蜗杆减速电机四8、肘关节连接件9、蜗轮蜗杆减速电机五10、尺骨11、蜗轮蜗杆减速电机六12、腕关节连接件一13、蜗轮蜗杆减速电机七14、腕关节连接件二15、手16、球铰一17、球铰二18、球铰三19、球铰四20、胸部连接件一21、胸部连接件二22、胸部连接件三23、胸部连接件四24、腰部固定件25、丝杠减速电机一26、丝杠减速电机二27、丝杠减速电机三28、丝杠减速电机四29、蜗轮蜗杆减速电机八30、髋关节连接件一31、蜗轮蜗杆减速电机九32、髋关节连接件二33、蜗轮蜗杆减速电机十34、股骨35、蜗轮蜗杆减速电机十一36、膝关节连接件37、蜗轮蜗杆减速电机十二38、腓骨39、蜗轮蜗杆减速电机十三40、踝关节连接件一41、蜗轮蜗杆减速电机十四42、踝关节连接件二43、脚44。
具体实施方式
如图1-7所示，一种电机驱动的新型仿人型机器人系统包括：胸部固定件1、蜗轮蜗杆减速电机一2、肩部连接件一3、蜗轮蜗杆减速电机二4、肩部连接件二5、蜗轮蜗杆减速电机三6、肱骨7、蜗轮蜗杆减速电机四8、肘关节连接件9、蜗轮蜗杆减速电机五10、尺骨11、蜗轮蜗杆减速电机六12、腕关节连接件一13、蜗轮蜗杆减速电机七14、腕关节连接件二15、手16、球铰一17、球铰二18、球铰三19、球铰四20、胸部连接件一21、胸部连接件二22、胸部连接件三23、胸部连接件四24、腰部固定件25、丝杠减速电机一26、丝杠减速电机二27、丝杠减速电机三28、丝杠减速电机四29、蜗轮蜗杆减速电机八30、髋关节连接件一31、蜗轮蜗杆减速电机九32、髋关节连接件二33、蜗轮蜗杆减速电机十34、股骨35、蜗轮蜗杆减速电机十一36、膝关节连接件37、蜗轮蜗杆减速电机十二38、腓骨39、蜗轮蜗杆减速电机十三40、踝关节连接件一41、蜗轮蜗杆减速电机十四42、踝关节连接件二43、脚44。
其中，以左上肢为例，如图2-3所示，图3(a)为第一转动机构的结构示意图，蜗轮蜗杆减速电机一2的蜗轮蜗杆减速箱与胸部固定件1固定连接，肩部连接件一3的一端与蜗轮蜗杆减速电机一2的轴固定连接，肩部连接件一3的另一端与蜗轮蜗杆减速电机二4的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，肩部连接件二5的一端与蜗轮蜗杆减速电机二4的轴固定连接，肩部连接件二5的另一端与蜗轮蜗杆减速电机三6的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，蜗轮蜗杆减速电机三6的轴与肱骨7固定连接，通过控制蜗轮蜗杆减速电机一2、蜗轮蜗杆减速电机二4、蜗轮蜗杆减速电机三6分别驱动肱骨7实现环转、收展、屈伸的运动；
如图3(b)所示，为第二转动机构的结构示意图，蜗轮蜗杆减速电机四8的蜗轮蜗杆减速箱与肱骨7固定连接，肘关节连接件9两端分别与蜗轮蜗杆减速电机四8的轴、蜗轮蜗杆减速电机五10的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，尺骨11与蜗轮蜗杆减速电机五10的轴固定连接，通过控制蜗轮蜗杆减速电机四8、蜗轮蜗杆减速电机五10可以实现尺骨11的环转和屈伸；
如图3(c)所示，为第三转动机构的结构示意图，蜗轮蜗杆减速电机六12的蜗轮蜗杆减速箱与尺骨11固定连接，腕关节连接件一13的两端分别与蜗轮蜗杆减速电机六12的轴、蜗轮蜗杆减速电机七14的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，腕关节连接件二15的两端分别与蜗轮蜗杆减速电机七14的轴、手16固定连接，通过控制蜗轮蜗杆减速电机六12、蜗轮蜗杆减速电机七14可以实现腕关节的屈伸、收展。
胸部固定件1与胸部连接件一21、胸部连接件二22、胸部连接件三23、胸部连接件四24分别通过球铰一17、球铰二18、球铰三19、球铰四20连接，胸部连接件一21、胸部连接件二22、胸部连接件三23、胸部连接件四24分别与丝杠减速电机一26、丝杠减速电机二27、丝杠减速电机三28、丝杠减速电机四29的丝杠连接，丝杠减速电机一26、丝杠减速电机二27、丝杠减速电机三28、丝杠减速电机四29的齿轮减速箱均固定连接在腰部固定件25上。通过控制丝杠减速电机一26、丝杠减速电机二27、丝杠减速电机三28、丝杠减速电机四29的正反转，可以实现胸部固定件1在竖直方向的移动以及收展和屈伸。
以右下肢为例，蜗轮蜗杆减速电机八30的蜗轮蜗杆减速箱与腰部固定件25固定连接，髋关节连接件一31的两端分别与蜗轮蜗杆减速电机八30的轴、蜗轮蜗杆减速电机九32的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，髋关节连接件二33的两端分别与蜗轮蜗杆减速电机九32的轴、蜗轮蜗杆减速电机十34的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，股骨35与蜗轮蜗杆减速电机十34的轴固定连接，通过控制蜗轮蜗杆减速电机八30、蜗轮蜗杆减速电机九32、蜗轮蜗杆减速电机十34可以实现髋关节的环转、屈伸、收展运动；
蜗轮蜗杆减速电机十一36的蜗轮蜗杆减速箱与股骨35固定连接，膝关节连接件37两端分别与蜗轮蜗杆减速电机十一36的轴、蜗轮蜗杆减速电机十二38的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，腓骨39与蜗轮蜗杆减速电机十二38的轴固定连接，通过控制蜗轮蜗杆减速电机十一36、蜗轮蜗杆减速电机十二38可以实现腓骨39的环转、屈伸运动；
蜗轮蜗杆减速电机十三40的蜗轮蜗杆减速箱与腓骨39固定连接，踝关节连接件一41两端分别与蜗轮蜗杆减速电机十三40的轴、蜗轮蜗杆减速电机十四42的蜗轮蜗杆减速箱固定连接，踝关节连接件二43的两端分别与蜗轮蜗杆减速电机十四42的轴、脚44固定连接，通过控制蜗轮蜗杆减速电机十三40、蜗轮蜗杆减速电机十四42可以实现脚44的屈伸、收展运动。
本发明，通过控制各关节的电机，实现电机驱动仿人机器人位姿的控制，可以动态形象的模拟人的动作，并且在电机的同轴安装角度传感器，可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他电机驱动仿人型机器人无法比拟的优势。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种电机驱动的仿人型机器人，其特征在于，其包括胸部、上肢和下肢，
所述的胸部包括胸部固定件(1)、胸部连接件、丝杠减速电机、腰部固定件(25)，所述的胸部固定件(1)与上肢固定连接，与所述的胸部连接件可转动连接，所述的胸部连接件、丝杠减速电机、腰部固定件依次连接连接；
所述的上肢包括左上肢和右上肢，所述的右上肢和左上肢的结构相同，且两者沿所述的胸部对称布置；
所述的左上肢包括肱骨(7)、尺骨(11)、手(16)，所述的肱骨(7)与所述的胸部固定件(1)之间通过第一转动机构连接，所述的肱骨(7)和尺骨(11)之间通过第二转动机构连接，所述的尺骨(11)和手(16)之间通过第三转动机构连接；
所述的第一转动机构包括电机一(2)、肩部连接件一(3)、电机二(4)、肩部连接件二(5)、电机三(6)，所述的电机一(2)与所述的胸部固定件(1)、肩部连接件一(3)相连，实现所述的肱骨(7)相对于所述的胸部沿Y方向的转动；所述的电机二(4)与所述的肩部连接件一(3)、肩部连接件二(5)连接，实现所述的肱骨(7)相对于所述的胸部沿X方向的转动；所述的电机三(6)与所述的肩部连接件二(5)、肱骨(7)连接，实现所述的肱骨(7)相对于所述的胸部沿Z方向的转动；
所述的第二转动机构包括电机四(8)、肘关节连接件(9)、电机五(10)，所述的电机四(8)与所述的肱骨(7)、肘关节连接件(9)连接，实现所述的尺骨(11)相对于所述的肱骨(7)沿Y方向的转动；所述的电机五(10)与所述的肘关节连接件(9)、电机五(10)连接，实现所述的尺骨(11)相对于所述的肱骨(7)沿Z方向的转动；
所述的第三转动机构包括电机六(12)、腕关节连接件一(13)、电机七(14)、腕关节连接件二(15)，所述的电机六(12)与所述的尺骨(11)、腕关节连接件一(13)连接，实现所述的手(16)沿X方向的转动；所述的电机七(14)与所述的腕关节连接件一(13)、腕关节连接件二(15)连接，所述的腕关节连接件二(15)与手(16)连接，实现所述的手(16)沿Z方向的转动；
所述的下肢包括左下肢和右下肢，所述的右下肢和左下肢的结构相同，且两者沿所述的胸部对称布置；
所述的左下肢包括股骨(35)、腓骨(39)、脚(44)，所述的股骨(35)与所述的腰部固定件(25)之间通过第四转动机构连接，所述的股骨(35)与腓骨(39)之间通过第五转动机构连接，所述的腓骨(39)与所述的脚(44)之间通过第六转动机构连接；
所述的第四转动机构包括电机八(30)、髋关节连接件一(31)、电机九(32)、髋关节连接件二(33)、电机十(34)，所述的电机八(34)与所述的腰部固定件(25)、髋关节连接件一(31)连接，实现所述的股骨(35)相对于胸部沿Z方向的转动；所述的电机九(32)与所述的髋关节连接件一(31)、髋关节连接件二(33)连接，实现所述的股骨(35)相对于胸部沿Y方向的转动；所述的电机十(34)与髋关节连接件二(33)、股骨(35)连接，实现所述的股骨(35)相对于胸部沿X方向的转动；
所述的第五转动机构包括电机十一(36)、膝关节连接件(37)、电机十二(38)，所述的电机十一(36)与所述的股骨(35)、膝关节连接件(37)连接，实现所述的腓骨(39)相对于股骨(35)沿Z方向的转动；所述的电机十二(38)与膝关节连接件(37)、腓骨(39)连接，实现所述的腓骨(39)相对于股骨(35)沿Y方向的转动；
所述的第六转动机构包括电机十三(40)、踝关节连接件一(41)、电机十四(42)、踝关节连接件二(43)，所述的电机十三(40)与腓骨(39)、踝关节连接件一(41)连接，实现所述的脚(44)沿Y方向的转动；所述的电机十四(42)与踝关节连接件一(41)、踝关节连接件二(43)连接，踝关节连接件二(43)与所述的脚(44)连接，实现所述的脚(44)沿X方向的转动。
2.根据权利要求1所述的电机，所述的电机一至电机十四均为蜗轮蜗杆减速电机。
3.根据权利要求1所述的电机驱动的仿人型机器人，所述的丝杠减速电机和胸部连接件的数量均为3个以上，且所述的丝杠减速电机的齿轮减速箱与所述的腰部固定件(25)固定连接，丝杆与所述的胸部连接件连接。
4.根据权利要求1所述的电机驱动的仿人型机器人，所述的肩部连接件一、肘关节连接件、腕关节连接件、髋关节连接件、膝关节连接件、踝关节连接件均为L型板件。
5.根据权利要求4所述的电机驱动的仿人型机器人，其特征在于，
所述的第一转动机构中，电机一(2)的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的胸部固定件(1)上，电机一(2)的轴与肩部连接件一(3)的一端固定连接，电机二(4)的蜗轮蜗杆减速箱固定在肩部连接件一(3)的另一端，轴与所述的肩部连接件二(5)的一端固定连接，电机三(6)的蜗轮蜗杆减速箱固定在肩部连接件二(5)的另一端，轴与所述的肱骨(7)固定连接；
所述的第二转动机构中，电机四(8)的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的肱骨(7)的底部，轴与肘关节连接件(9)的一端固定连接，电机五(10)的蜗轮蜗杆减速箱固定在肘关节连接件(9)的另一端，轴与所述的尺骨(11)固定连接；
所述的第三转动机构中，电机六(12)的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的尺骨(11)上，轴与所述的腕关节连接件一(13)的一端固定连接，电机七(14)的蜗轮蜗杆减速箱固定在腕关节连接件一(13)的另一端，轴与腕关节连接件二(15)固定连接，腕关节连接件二(15)的另一端与所述的手(16)固定连接；
所述的第四转动机构中，电机八(30)的蜗轮蜗杆减速箱固定在腰部固定件(25)上，轴与髋关节连接件一(31)的一端固定连接，电机九(32)的蜗轮蜗杆减速箱固定在髋关节连接件一(31)的另一端，轴与髋关节连接件二(33)的一端固定连接，电机十(34)的蜗轮蜗杆减速箱固定在髋关节连接件二(33)的另一端，轴与所述的股骨(35)固定连接；
所述的第五转动机构中，电机十一(36)的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的股骨(35)的底部，轴与膝关节连接件(37)的一端固定连接，电机十二(38)的蜗轮蜗杆减速箱固定在膝关节连接件(37)的另一端，轴与所述的腓骨(39)固定连接；
所述的第六转动机构中，电机十三(40)的蜗轮蜗杆减速箱固定在所述的腓骨(39)的底部，轴与踝关节连接件一(41)的一端固定连接，电机十四(42)的蜗轮蜗杆减速箱固定在踝关节连接件一(41)的另一端，轴与踝关节连接件二(43)的一端固定连接，踝关节连接件二(43)的另一端与所述的脚(44)固定连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 314033 2 building, Photovoltaic Science Park, 1288 Kang He road, Xiuzhou District, Jiaxing, Zhejiang. Applicant after: JIAXING University Address before: 314033 Yuexiu South Road, Jiaxing, Jiaxing, Zhejiang Applicant before: Jiaxing University |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jiang Feilong Inventor after: Zhou Li Inventor after: Dai Ting Inventor after: Shen Jianying Inventor after: Yang Lina Inventor after: Zhang Haijun Inventor after: Yin Xiaoliang Inventor after: Zhu Haibin Inventor after: Zhu Helei Inventor after: Qian Cheng Inventor after: Song Yulai Inventor after: Liu Ruiying Inventor after: Chen Cheng Inventor before: Jiang Feilong Inventor before: Zhang Haijun |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180501 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |