CN108888929B - 一种辅助篮球投掷的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一款辅助篮球投掷的机器人，其特征在于：手部机构、肘部机构、肩部机构伸出端通过凸轮锁紧机构，仿照人体手臂顺次连接成左手部分与右手部分，并分别连接在腰部机构的背板连杆上，腰部机构再经弹簧缓冲机构连接在底盘机构外壳向上伸出的杆上。绳索一端固定在第一线轴上，穿出机壳、穿过背板后，再穿入机壳，另一端固定在第二线轴上。第一线轴固定在由腰部电机带动的蜗轮蜗杆减速器输出端上。第二线轴与扭簧非固定端相连，两者共轴。第一线轴、第二线轴两者轴线平行。本发明创造了篮球发球机器人人机合作的新形式，可用于医用复建及体育训练，也可用于娱乐表演。
Description
技术领域
本发明是一种运用于医疗及体育行业，可辅助运动员或者自主投射篮球的机器人，属于机器人结构设计领域。
背景技术
随着中国经济迅速发展，综合国力日益增强，体育事业被人们越发重视起来，尤其是身为五大球之一但一直处于追赶世界水平的篮球事业。现如今培养一名优秀的篮球运动员十分不易，而篮球又是一项非常容易在比赛中负伤的运动，本发明就是以提供一种可以帮助篮球运动员复健的设备为目的而设计的。本发明从其独特的理念出发，创造了篮球发球机器人人机合作的新形式，一定程度上填补了投射机器人类型的空缺。
发明内容
本发明为一种篮球运动员专用的穿戴式医用复健机器人，主要由外骨骼机械臂和运动机构两部分组成，由一竖直的机架将二者连接起来。它的主要功能为辅助篮球运动员进行投掷及接传球训练。既可为负伤后需要复健的专业篮球运动员服务，也可为动作不规范的篮球运动员纠正技术动作、调节投射姿态。通过安装配件也可进行自主投篮。本发明的投射功能通过外骨骼机械臂完成，它通过重复正确的投射运动来帮助运动员复健或者矫正动作。该外骨骼机械臂共有五个自由度，分别在肩、肘、腕处有2、1、2个自由度，模拟人体实际结构。除此之外手部还通过5根细杆，控制手指运动。同时为保证机体重量尽量不影响运动员，我们在躯干部分采用了可以将驱动后置的索驱动。本发明的运动机构为一个U型移动底盘，配有三个全向轮。可以让腿部不便利的运动员坐在支架上的小座板时，随着它在篮球场馆内移动。而对于可以站立的运动员来说，这一机构解决了外骨骼机械臂在场内搬运的问题。
一种辅助篮球投掷的机器人，其特征在于，包括手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)、腰部机构(4)及底盘机构(5)；手部机构(1)由手指部分(38)、手掌部分(39)、手腕部分(40)顺次连接；手指部分(38)由：指尖套(41)、第一指节(42)、第二关节舵机(12)、第二指节(43)、手指第一关节舵机(11)、手指根部舵机(10)顺次连接而成；其中第二关节舵机(12)控制第一指节(42)运动，手指第一关节舵机(11)、手指根部舵机(10)控制第二指节(43)运动；手指根部舵机(10)放置在手掌前机壳(44)内，从而将手指部分(38)固定在手掌部分(39)上；手掌部分(39)由：手掌前机壳(44)、两根机壳连接杆、手腕部两个舵机与手掌后机壳(46)组成；两根机壳连接杆一左一右将手掌前机壳(44)与手掌后机壳(46)连接起来，手腕部两个舵机放置在手掌后机壳(46)中，手掌后机壳(46)再与手腕外机壳(47)连接起来；手腕部分(40)由：手腕外机壳(47)、手腕部舵机(8)与花键(9)组成；手腕部舵机(8)与花键(9)置于手腕外机壳(47)内部，整个手部机构(1)通过手腕外机壳(47)与肘部机构(2)相连；肘部机构(2)、肩部机构(3)共包含三级舵机传动机构：第三级舵机传动机构(13)属于肘部机构(2)，第一级舵机传动机构(6)与第二级舵机传动机构(7)属于肩部机构(3)；手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)仿照人体手臂顺次连接成左手部分与右手部分，并分别连接在腰部机构(4)的背板连杆上(28)，腰部机构再经弹簧缓冲机构(15)连接在底盘机构外壳(30)向上伸出的杆上；绳索(19)一端固定在第一线轴(18)上，穿出机壳(29)、穿过背板(20)后，再穿入机壳(29)，另一端固定在第二线轴(21)上；第一线轴(18)固定在由腰部电机(16)带动的蜗轮蜗杆减速器(17)输出端上；第二线轴(21)与扭簧(22)非固定端相连，两者共轴；第一线轴(18)、第二线轴(21)两者轴线平行。
机器人无人穿戴自主投掷篮球时，由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)三部分完成投射；首先第一级舵机传动机构(6)与第二级舵机传动机构(7)同时运动，机器人手臂转向停在侧面的配套篮球车(31)取球，使机器人左右手分别处于篮球两侧；同时手腕部舵机(8)工作，通过花键(9)带动手腕旋转，手心正对篮球球心；然后手指根部舵机(10)旋转，带动五指分开，手指第一关节舵机(11)与第二关节舵机(12)配合运动，使机器人左右手共同协作夹取篮球，随后左右两肩部机构差速运动，两手保持持球姿势一同移动至身体正前方；此时第三级舵机传动机构(13)与第一级舵机传动机构(6)同时运动，将机器人手臂折叠；手腕部舵机(8)与手腕部两个舵机(14)同时运动，从双手持球姿势转变为一手持球，一手扶球的专业投篮姿势；投射时第三级舵机传动机构(13)与第一级舵机传动机构(6)同时运动，机器人手臂打开，随后手腕部两个舵机(14)运动，模拟手腕甩动，将球拨出。
当有人穿戴机器人投掷篮球时，由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)、腰部机构(4)四部分完成投射，其中前三个机构运动原理同无人穿戴时一样；腰部机构(4)在拾取篮球至运动员手臂到达预备投篮姿势的过程中保持不动，依靠下部弹簧缓冲机构(15)满足运动时上下窜动；在前三个机构投射篮球过程中，腰部电机(16)启动通过蜗轮蜗杆减速器(17)带动第一线轴(18)旋转，收紧绳索(19)将背板(20)拽直，同时带动第二线轴(21)转动从而带动扭簧(22)转动并储存能量；借此来模拟人体实际投篮时屈身再伸直的过程；完成投掷后腰部电机(16)反向旋转，施放绳索(19)，扭簧(22)释放能量并带动第二线轴(21)旋转，将绳索收回，背板返回微微弯曲的状态。
进一步，机器人的自主移动由三个全向轮实现，该种全向轮既可以轴向转动，也可以通过橡胶滚子(26)轴向移动，三个全向轮间120度分布，每个全向轮都有其独立的轮电机(27)；通过三个全向轮差速旋转，实现机器人的直线行走、侧向平移及原地360度旋转的功能。
进一步，舵机传动机构由下级杆件(32)、舵盘(33)、舵机(34)、舵机架(35)、上级杆件(36)、凸轮锁紧机构(37)六个零件组成，每级舵机传动机构只有上级杆件与下级杆件形状不同；下级杆件(32)通过螺栓与舵盘(33)连接，舵盘(33)与舵机(34)相连，舵机(34)再通过舵机架(35)固定在上级杆件(36)上；舵机传动机构通过凸轮锁紧机构(37)连接在上一级舵机传动机构的下级杆件上。
篮球投掷机器人设计有如下几个特点：
1.此机器人适用范围广，即可用于医用复建及体育训练，也可用于娱乐表演。
2.应用扭簧储能原理，减小一定能耗。
3.采用全向轮，运动平稳同时具有一定灵活性可以满足在篮球场内任意方向移动。
4.拥有配套篮球车，方便使用。
附图说明
图1为篮球投掷机器人的整体外形示意图
图2为篮球投掷机器人的部分机构内部结构示意图
图3为篮球投掷机器人的肩部结构示意图
图4为篮球投掷机器人的肘部结构示意图
图5为篮球投掷机器人的手部示意图
图6为篮球投掷机器人的手部-手腕示意图
图7为篮球投掷机器人的手部-手指示意图
图8a为篮球投掷机器人的腰部机构外部结构示意图之一
图8b为篮球投掷机器人的腰部机构外部结构示意图之二
图9为篮球投掷机器人的弹簧减震结构示意图
图10为篮球投掷机器人的底盘结构示意图图11为篮球投掷机器人的全向轮传动机构示意图
图12为篮球投掷机器人的配套篮球车示意图
图13为篮球投掷机器人的舵机传动机构示意图
具体实施方式
机器人的整体外形如图1所示，部分内部结构如图2所示，其主要由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)、腰部机构(4)及底盘机构(5)五大部分组成。手部机构(1)由手指部分(38)、手掌部分(39)、手腕部分(40)顺次连接。手指部分(38)由：指尖套(41)、第一指节(42)、第二关节舵机(12)、第二指节(43)、手指第一关节舵机(11)、手指根部舵机(10)顺次连接而成。其中第二关节舵机(12)控制第一指节(42)运动，手指第一关节舵机(11)、手指根部舵机(10)控制第二指节(43)运动。手指根部舵机(10)放置在手掌前机壳(44)内，从而将手指部分(38)固定在手掌部分(39)上。手掌部分(39)由：手掌前机壳(44)、机壳连接杆(45)、手腕部两个舵机(14)与手掌后机壳(46)组成。两根机壳连接杆(45)一左一右将手掌前机壳(44)与手掌后机壳(46)连接起来，手腕部两个舵机(14)放置在手掌后机壳(46)中，手掌后机壳(46)再与手腕外机壳(47)连接起来。手腕部分(40)由：手腕外机壳(47)、手腕部舵机(8)与花键(9)组成。手腕部舵机(8)与花键(9)置于手腕部舵机(8)内部，整个手部机构(1)通过手腕外机壳(47)与肘部机构(2)相连。肘部机构(2)、肩部机构(3)共包含三级舵机传动机构：第三级舵机传动机构(13)属于肘部机构(2)，第一级舵机传动机构(6)与第二级舵机传动机构(7)属于肩部机构(3)。舵机传动机构基本结构(如图13所示)由下级杆件(32)、舵盘(33)、舵机(34)、舵机架(35)、上级杆件(36)、凸轮锁紧机构(37)七个零件组成，每级舵机传动机构只有上级杆件与下级杆件形状不同。下级杆件(32)通过螺栓与舵盘(33)连接，舵盘(33)与舵机(34)相连，舵机(34)再通过舵机架(35)固定在上级杆件(36)上，整个舵机传动机构通过凸轮锁紧机构(37)连接在上一级舵机传动机构的下级杆件上。手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)仿照人体手臂顺次连接成左手部分与右手部分，并分别连接在腰部机构(4)的背板连杆上(28)，腰部机构再经弹簧缓冲机构(15)连接在底盘机构外壳(30)向上伸出的杆上。其中腰部机构(4)又分为与人体接触的背板区与封装在机壳(29)内的驱动区，两区前后相邻。绳索(19)一端固定在第一线轴(18)上，穿出机壳(29)、穿过背板(20)后，再穿入机壳(29)，另一端固定在第二线轴(21)上。第一线轴(18)固定在由腰部电机(16)带动的蜗轮蜗杆减速器(17)输出端上。第二线轴(21)与扭簧(22)非固定端相连，两者共轴。第一线轴(18)、第二线轴(21)两者轴线平行。
机器人无人穿戴自主投掷篮球时，由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)三部分完成投射。首先第一级舵机传动机构(6)与第二级舵机传动机构(7)同时运动，机器人手臂转向停在侧面的配套篮球车(31)取球，使机器人左右手分别处于篮球两侧。同时手腕部舵机(8)工作，通过花键(9)带动手腕旋转，手心正对篮球球心。然后手指根部舵机(10)旋转，带动五指分开，手指第一关节舵机(11)与第二关节舵机(12)配合运动，使机器人左右手共同协作夹取篮球，随后左右两肩部机构差速运动，两手保持持球姿势一同移动至身体正前方。此时第三级舵机传动机构(13)与第一级舵机传动机构(6)同时运动，将机器人手臂折叠。手腕部舵机(8)与手腕部两个舵机(14)同时运动，从双手持球姿势转变为一手持球，一手扶球的专业投篮姿势。投射时第舵机传动机构(13)与第一级舵机传动机构(6)同时运动，机器人手臂打开，随后腕部两个舵机(14)运动，模拟手腕甩动，将球拨出。
当有人穿戴机器人投掷篮球时，由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)、腰部机构(4)四部分完成投射，其中前三个机构运动原理同无人穿戴时一样。腰部机构(4)在拾取篮球至运动员手臂到达预备投篮姿势的过程中保持不动，依靠下部弹簧缓冲机构(15)满足运动时上下窜动。在前三个机构投射篮球过程中，腰部电机(16)启动通过蜗轮蜗杆减速器(17)带动第一线轴(18)旋转，收紧绳索(19)将背板(20)拽直，同时带动第二线轴(21)转动从而带动扭簧(22)转动并储存能量。借此来模拟人体实际投篮时屈身再伸直的过程。完成投掷后腰部电机(16)反向旋转，施放绳索(19)，扭簧(22)释放能量并带动第二线轴(21)旋转，将绳索收回，背板返回微微弯曲的状态。
机器人的自主移动由三个全向轮(23、24、25)实现，该种全向轮既可以轴向转动，也可以通过橡胶滚子(26)轴向移动，三个全向轮间120度分布，每个全向轮都有其独立的轮电机(27)。通过三个全向轮差速旋转，实现机器人的直线行走、侧向平移及原地360度旋转的功能。
Claims (5)
1.一种辅助篮球投掷的机器人，其特征在于，包括手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)、腰部机构(4)及底盘机构(5)；手部机构(1)由手指部分(38)、手掌部分(39)、手腕部分(40)顺次连接；手指部分(38)由：指尖套(41)、第一指节(42)、第二关节舵机(12)、第二指节(43)、手指第一关节舵机(11)、手指根部舵机(10)顺次连接而成；其中第二关节舵机(12)控制第一指节(42)运动，手指第一关节舵机(11)、手指根部舵机(10)控制第二指节(43)运动；手指根部舵机(10)放置在手掌前机壳(44)内，从而将手指部分(38)固定在手掌部分(39)上；手掌部分(39)由：手掌前机壳(44)、两根机壳连接杆、手腕部两个舵机与手掌后机壳(46)组成；两根机壳连接杆一左一右将手掌前机壳(44)与手掌后机壳(46)连接起来，手腕部两个舵机放置在手掌后机壳(46)中，手掌后机壳(46)再与手腕外机壳(47)连接起来；手腕部分(40)由：手腕外机壳(47)、手腕部舵机(8)与花键(9)组成；手腕部舵机(8)与花键(9)置于手腕外机壳(47)内部，整个手部机构(1)通过手腕外机壳(47)与肘部机构(2)相连；肘部机构(2)、肩部机构(3)共包含三级舵机传动机构：第三级舵机传动机构(13)属于肘部机构(2)，第一级舵机传动机构(6)与第二级舵机传动机构(7)属于肩部机构(3)；手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)仿照人体手臂顺次连接成左手部分与右手部分，并分别连接在腰部机构(4)的背板连杆上(28)，腰部机构再经弹簧缓冲机构(15)连接在底盘机构外壳(30)向上伸出的杆上；绳索(19)一端固定在第一线轴(18)上，穿出机壳(29)、穿过背板(20)后，再穿入机壳(29)，另一端固定在第二线轴(21)上；第一线轴(18)固定在由腰部电机(16)带动的蜗轮蜗杆减速器(17)输出端上；第二线轴(21)与扭簧(22)非固定端相连，两者共轴；第一线轴(18)、第二线轴(21)两者轴线平行。
2.根据权利要求1所述的一种辅助篮球投掷的机器人，其特征在于，机器人无人穿戴自主投掷篮球时，由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)三部分完成投射；首先第一级舵机传动机构(6)与第二级舵机传动机构(7)同时运动，机器人手臂转向停在侧面的配套篮球车(31)取球，使机器人左右手分别处于篮球两侧；同时手腕部舵机(8)工作，通过花键(9)带动手腕旋转，手心正对篮球球心；然后手指根部舵机(10)旋转，带动五指分开，手指第一关节舵机(11)与第二关节舵机(12)配合运动，使机器人左右手共同协作夹取篮球，随后左右两肩部机构差速运动，两手保持持球姿势一同移动至身体正前方；此时第三级舵机传动机构(13)与第一级舵机传动机构(6)同时运动，将机器人手臂折叠；手腕部舵机(8)与手腕部两个舵机(14)同时运动，从双手持球姿势转变为一手持球，一手扶球的专业投篮姿势；投射时第三级舵机传动机构(13)与第一级舵机传动机构(6)同时运动，机器人手臂打开，随后手腕部两个舵机(14)运动，模拟手腕甩动，将球拨出。
3.根据权利要求1所述的一种辅助篮球投掷的机器人，其特征在于，当有人穿戴机器人投掷篮球时，由手部机构(1)、肘部机构(2)、肩部机构(3)、腰部机构(4)四部分完成投射，其中前三个机构运动原理同无人穿戴时一样；腰部机构(4)在拾取篮球至运动员手臂到达预备投篮姿势的过程中保持不动，依靠下部弹簧缓冲机构(15)满足运动时上下窜动；在前三个机构投射篮球过程中，腰部电机(16)启动通过蜗轮蜗杆减速器(17)带动第一线轴(18)旋转，收紧绳索(19)将背板(20)拽直，同时带动第二线轴(21)转动从而带动扭簧(22)转动并储存能量；借此来模拟人体实际投篮时屈身再伸直的过程；完成投掷后腰部电机(16)反向旋转，施放绳索(19)，扭簧(22)释放能量并带动第二线轴(21)旋转，将绳索收回，背板返回微微弯曲的状态。
4.根据权利要求1所述的一种辅助篮球投掷的机器人，其特征在于，机器人的自主移动由三个全向轮实现，该种全向轮既可以轴向转动，也可以通过橡胶滚子(26)轴向移动，三个全向轮间120度分布，每个全向轮都有其独立的轮电机(27)；通过三个全向轮差速旋转，实现机器人的直线行走、侧向平移及原地360度旋转的功能。
5.根据权利要求1所述的一种辅助篮球投掷的机器人，其特征在于，舵机传动机构由下级杆件(32)、舵盘(33)、舵机(34)、舵机架(35)、上级杆件(36)、凸轮锁紧机构(37)六个零件组成，每级舵机传动机构只有上级杆件与下级杆件形状不同；下级杆件(32)通过螺栓与舵盘(33)连接，舵盘(33)与舵机(34)相连，舵机(34)再通过舵机架(35)固定在上级杆件(36)上；舵机传动机构通过凸轮锁紧机构(37)连接在上一级舵机传动机构的下级杆件上。
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2018
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