CN112606035A - 一种三自由度机器人颈部装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种三自由度机器人颈部装置及工作方法，属于机器人颈部控制技术领域。本发明提供一种高自由度、高刚度、灵活度高的并联型的机器人颈部装置及工作方法。三自由度机器人颈部装置，电机固定于下平台上，电机的驱动轴与第一连杆的一端固定，第一连杆的另一端与第二连杆的一端转动连接，第二连杆的另一端与上平台转动连接，控制系统与传动组双向连接，机器人头部设置于上平台上。三自由度机器人颈部装置的工作方法，实时读取传动组的当前角度信息；处理器识别当前机器人头部的状态；电机根据目标驱动指令进行相对应的转动，从而使机器人头部跟随上平台的动作而动作；直至当前角度信息与目标角度信息一致。本发明主要用于控制机器人头部。
Description
技术领域
本发明属于机器人颈部控制技术领域，具体涉及一种三自由度机器人颈部装置及工作方法。
背景技术
当前市面上的人形机器人颈部自由度普遍较低，一般为一个自由度，也存在有2个以上自由度的颈部结构，但大部分采用串联机构导致机器人头部刚度和动态性能较差。随着人形机器人技术的发展，传统的机器人颈部结构刚度低，灵活性差的缺点越来越明显。
因此，就需要一种高自由度、高刚度、灵活度高的并联型的机器人颈部装置及工作方法。
发明内容
本发明针对现有的机器人颈部自由度低、刚度和动态性能差、灵活度差的缺陷，提供一种高自由度、高刚度、灵活度高的并联型的机器人颈部装置及工作方法。
本发明的技术方案如下：
本发明所涉及的一种三自由度机器人颈部装置，它包括下平台、传动组、上平台、控制系统和机器人头部，所述传动组包括电机、第一连杆和第二连杆，所述电机固定于下平台上，所述电机的驱动轴与第一连杆的一端固定，所述第一连杆的另一端与第二连杆的一端转动连接，所述第二连杆的另一端与上平台转动连接，所述控制系统与传动组双向连接，所述机器人头部设置于上平台上。
进一步地：所述控制系统包括一号编码器、二号编码器和处理器，所述一号编码器设置于第一连杆与第二连杆的连接处，所述二号编码器设置于第二连杆与上平台的连接处，所述一号编码器和二号编码器的输出端与处理器的输入端连接，所述处理器的输出端与电机连接。
进一步地：所述第一连杆与第二连杆之间采用转动副转动连接，所述第二连杆与上平台之间采用转动副转动连接，所述一号编码器和二号编码器的输入端分别与转动副连接。
进一步地：所述传动组的数量至少为三组，所述一号编码器和二号编码器的数量与传动组的数量相适应。
进一步地：所述传动组均匀分布在所述上平台上。
进一步地：所述第一连杆与电机的驱动轴之间采用键槽固定。
进一步地：它还包括第三连杆，所述第三连杆的一端固定于上平台的下端，所述第三连杆的另一端与第二连杆转动连接。
本发明所述的一种三自由度机器人颈部装置的工作方法，它包括以下步骤：
S1、一号编码器和二号编码器实时读取传动组的当前角度信息；
S2、处理器将所述角度信息与初始状态的角度信息进行比较，从而识别当前机器人头部的状态；
S3、所述处理器根据目标动作指令生成传动组的目标角度信息和电机的目标驱动指令；
S4、所述电机根据目标驱动指令进行相对应的转动，从而带动第一连杆绕电机的驱动轴转动，第二连杆在第一连杆的带动下拉动上平台，从而使机器人头部跟随上平台的动作而动作；
S5、重复S4，直至一号编码器和二号编码器检测到传动组的当前角度信息与目标角度信息一致，即机器人头部完成目标指令。
进一步地：所述第二连杆在第一连杆的带动下拉动第三连杆，所述一号编码器和二号编码器实时检测当前角度信息，所述当前角度信息包括第二连杆与第一连杆的夹角角度和第二连杆与第三连杆的夹角角度。
本发明的有益效果是：
本发明所涉及的一种机器人颈部装置及工作方法，首先解决机器人颈部结构因自由度单一导致灵活性差的问题，将机器人颈部自由度提高到3个自由度，可以实现绕空间坐标系xyz三轴的旋转运动，从而使机器人头部可以做更复杂的动作，如转头、摇头，抬头，点头等。其次要解决传统串联机构导致机器人颈部结构刚度低问题，利用并联机构结构紧凑，刚度高，承载能力大的特点设计并联三自由度机器人颈部装置，可以将负载分布到三个不同的支链上从而极大地提高了颈部结构的刚度。
附图说明
图1为三自由度机器人颈部装置的示意图；
图2为机器人头部示意图；
图3为电机与主动连杆的连接示意图；
图4为机器人在X轴自由度上的动态示意图，其中A1为-45°，A2为0°， A3为+45°；
图5为机器人在Y轴自由度上的动态示意图，其中B1为-45°，B2为0°， B3为+45°；
图6为机器人在Z轴自由度上的动态示意图，其中C1为-45°，C2为0°， C3为+45°；
图7为控制系统的控制信号示意图；
图8为控制系统的控制原理示例图；
图中，1为下平台、2为电机、3为主动连杆、4为从动连杆、5为上平台、 6为一号编码器、7为二号编码器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
结合图1、图2和图3说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种三自由度机器人颈部装置，它包括下平台1、传动组、上平台5、控制系统和机器人头部，所述传动组包括电机2、第一连杆3和第二连杆4，所述电机2固定于下平台1上，所述电机2的驱动轴与第一连杆3的一端固定，所述第一连杆 3的另一端与第二连杆4的一端转动连接，所述第二连杆4的另一端与上平台5 转动连接，所述控制系统与传动组双向连接，所述机器人头部设置于上平台5 上。所述控制系统包括一号编码器6、二号编码器7和处理器，所述一号编码器 6设置于第一连杆3与第二连杆4的连接处，所述二号编码器7设置于第二连杆 4与上平台5的连接处，所述一号编码器6和二号编码器7的输出端与处理器的输入端连接，所述处理器的输出端与电机2连接。如此设置的目的是：三自由度机器人颈部装置的结构如图1所示，其中机器人头部固定在上平台5上，使机器人头部随着上平台5运动，其中电机2固定在下平台1上，电机2的输出轴与第一连杆3首端固定在一起，第一连杆3可以随着电机2的旋转而旋转，机器人头部固连在上平台1上，电机2可以驱动第一连杆3绕电机输出轴旋转。
实施例2
结合实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种三自由度机器人颈部装置，所述第一连杆3与第二连杆4之间采用转动副转动连接，所述第二连杆4与上平台5之间采用转动副转动连接，所述一号编码器6和二号编码器7的输入端分别与转动副连接。所述传动组的数量至少为三组，所述一号编码器6和二号编码器7的数量与传动组的数量相适应。所述传动组均匀分布在所述上平台5上。如此设置的目的是：第一连杆3末端与第二连杆4首端通过转动副连接，在转动副上设有一号编码器6，可以实时监测第一连杆3相对第二连杆 4的角度，第二连杆4末端与上平台通过转动副连接并设有二号编码器7可以实时监测第二连杆4相对于上平台1的角度，上述部件组成一条支链，整个结构至少包括三条相同的支链。
实施例3
结合实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种三自由度机器人颈部装置，所述第一连杆3与电机2的驱动轴之间采用键槽固定。如此设置的目的是：如图2所示：第一连杆3与电机2之间通过键槽固定在一起，从而使第一连杆3在电机2的带动下旋转。
实施例4
结合实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种三自由度机器人颈部装置，它还包括第三连杆，所述第三连杆的一端固定于上平台5 的下端，所述第三连杆的另一端与第二连杆4转动连接。如此设置的目的是：第三连杆
实施例5
结合实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种三自由度机器人颈部装置的工作方法，它包括以下步骤：
S1、一号编码器6和二号编码器7实时读取传动组的当前角度信息；
S2、处理器将所述角度信息与初始状态的角度信息进行比较，从而识别当前机器人头部的状态；
S3、所述处理器根据目标动作指令生成传动组的目标角度信息和电机2的目标驱动指令；
S4、所述电机2根据目标驱动指令进行相对应的转动，从而带动第一连杆3 绕电机2的驱动轴转动，第二连杆4在第一连杆3的带动下拉动上平台5，从而使机器人头部跟随上平台5的动作而动作；
S5、重复S1，直至一号编码器6和二号编码器7检测到传动组的当前角度信息与目标角度信息一致，即机器人头部完成目标指令。
实施例6
结合图4-图8和实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种三自由度机器人颈部装置的工作方法，所述第二连杆4在第一连杆3的带动下拉动第三连杆，所述一号编码器6和二号编码器7实时检测当前角度信息，所述当前角度信息包括第二连杆4与第一连杆3的夹角角度和第二连杆4与第三连杆的夹角角度。电机原始状态下各连杆之间的角度值如下：
工作方法：
所述三自由度机器人颈部装置可实现的头部运动有：沿x轴摇头,沿y轴摇头(点头)，沿z轴摇头。
沿z轴摇头：
执行沿z轴摇头指令时，驱动三个电机旋转使得机器人头部实现相应的运动，执行过程如图4所示A1->A2->A3。
沿y轴摇头(点头)：
执行沿y轴摇头指令时，驱动三个电机旋转使得机器人头部实现相应的运动，执行过程如图5所示B1->B2->B3。
沿x轴摇头：
执行沿x轴摇头指令时，驱动三个电机旋转使得机器人头部实现相应的运动，执行过程如图6所示C1->C2->C3。
控制流程如图7所示，首先设置需要头部运动的角度，由控制器达到每个电机2的旋转角度。例如，设置头部绕y轴旋转-15度，控制器驱动电机2达到设定角度。
Claims (9)
1.一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，它包括下平台(1)、传动组、上平台(5)、控制系统和机器人头部，所述传动组包括电机(2)、第一连杆(3)和第二连杆(4)，所述电机(2)固定于下平台(1)上，所述电机(2)的驱动轴与第一连杆(3)的一端固定，所述第一连杆(3)的另一端与第二连杆(4)的一端转动连接，所述第二连杆(4)的另一端与上平台(5)转动连接，所述控制系统与传动组双向连接，所述机器人头部设置于上平台(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，所述控制系统包括一号编码器(6)、二号编码器(7)和处理器，所述一号编码器(6)设置于第一连杆(3)与第二连杆(4)的连接处，所述二号编码器(7)设置于第二连杆(4)与上平台(5)的连接处，所述一号编码器(6)和二号编码器(7)的输出端与处理器的输入端连接，所述处理器的输出端与电机(2)连接。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，所述第一连杆(3)与第二连杆(4)之间采用转动副转动连接，所述第二连杆(4)与上平台(5)之间采用转动副转动连接，所述一号编码器(6)和二号编码器(7)的输入端分别与转动副连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，所述传动组的数量至少为三组，所述一号编码器(6)和二号编码器(7)的数量与传动组的数量相适应。
5.根据权利要求4所述的一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，所述传动组均匀分布在所述上平台(5)上。
6.根据权利要求1所述的一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，所述第一连杆(3)与电机(2)的驱动轴之间采用键槽固定。
7.根据权利要求1所述的一种三自由度机器人颈部装置，其特征在于，它还包括第三连杆，所述第三连杆的一端固定于上平台(5)的下端，所述第三连杆的另一端与第二连杆(4)转动连接。
8.一种三自由度机器人颈部装置的工作方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1、一号编码器(6)和二号编码器(7)实时读取传动组的当前角度信息；
S2、处理器将所述角度信息与初始状态的角度信息进行比较，从而识别当前机器人头部的状态；
S3、所述处理器根据目标动作指令生成传动组的目标角度信息和电机(2)的目标驱动指令；
S4、所述电机(2)根据目标驱动指令进行相对应的转动，从而带动第一连杆(3)绕电机(2)的驱动轴转动，第二连杆(4)在第一连杆(3)的带动下拉动上平台(5)，从而使机器人头部跟随上平台(5)的动作而动作；
S5、重复S1，直至一号编码器(6)和二号编码器(7)检测到传动组的当前角度信息与目标角度信息一致，即机器人头部完成目标指令。
9.根据权利要求8所述的一种三自由度机器人颈部装置的工作方法，其特征在于，所述第二连杆(4)在第一连杆(3)的带动下拉动第三连杆，所述一号编码器(6)和二号编码器(7)实时检测当前角度信息，所述当前角度信息包括第二连杆(4)与第一连杆(3)的夹角角度和第二连杆(4)与第三连杆的夹角角度。
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| CN202011211452.6A CN112606035A (zh) | 2020-11-03 | 2020-11-03 | 一种三自由度机器人颈部装置及工作方法 |
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| CN (1) | CN112606035A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115256450A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-01 | 中国地质大学（武汉） | 一种单连杆柔性关节机械臂系统 |
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2020
- 2020-11-03 CN CN202011211452.6A patent/CN112606035A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN115256450A (zh) * | 2022-07-15 | 2022-11-01 | 中国地质大学（武汉） | 一种单连杆柔性关节机械臂系统 |
| CN115256450B (zh) * | 2022-07-15 | 2024-04-09 | 中国地质大学（武汉） | 一种单连杆柔性关节机械臂系统 |
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