CN112659100A

CN112659100A - 一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节

Info

Publication number: CN112659100A
Application number: CN202011289446.2A
Authority: CN
Inventors: 周玉林; 褚宏鹏; 祁柏
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: CN112659100B

Abstract

本发明公开了一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，其由四组三自由度并联机构单元叠加而成，所述并联机构单元包括柔性定平台、柔性共用平台、柔性动平台及其中间连接机构。所述连接机构包括：三根周向均匀分布的柔性约束分支、中心刚性分支、三组周向均匀分布的人造肌肉；在每个柔性平台上还嵌有应变片以得到力学信息。本发明不仅包含了传统并联机构的优点，进一步地，由于柔性机构和软体人造肌肉的应用使得仿生腰关节更接近人体构造且集运动、力感知功能与一体。

Description

一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节

技术领域

本发明涉及一种仿人机器人技术领域，具体涉及一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节。

背景技术

人体的腰关节主要作用是连接下肢与躯干，其功能不单是提供转动自由度，还能感受躯干与下肢之间的力。对于仿生机器人来说，采用串联机构虽然有较大的工作空间，但其往往存在累计误差高、负载能力差等问题，因此并联机构成为了腰关节仿生的首选，经过对现有相关技术文献检索发现,发明专利：CN101695838A中提出了一种三转一移的并联机构，相比其他串联机构的确降低了累计误差、提高了负载能力；发明专利：CN108393872A中提出了一种并联单元耦联机构，增加了机构灵活性以及工作空间。但上述机器人关节均为刚性关节，与刚柔软耦合、运动感知一体的人体腰关节在结构和性能上还有一定的差距。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，该机器人腰关节包括四个并联机构单元，四个并联机构单元由下至上分别为第一并联单元、第二并联单元、第三并联单元、第四并联单元；第一并联机构单元底部设置柔性定平台，所示第一并联机构单元和第二并联机构单元之间通过柔性共用平台a衔接，第二并联机构单元上端和第三并联机构单元下端之间通过柔性共用平台b衔接，所述第三并联机构单元上端和第四并联机构单元下端之间通过柔性共用平台c衔接，所述第四并联机构单元上端设置有柔性动平台，腰关节中上下相邻的两个平台之间设置有柔性约束分支、刚性中心分支、人造肌肉，人造肌肉设置于上下相邻两个平台之间，呈X型沿周向均匀分布。

本发明技术方案的进一步改进在于：柔性定平台包括三个相同的定平台力感应分支，定平台力感应分支的支体内镶嵌应变片a，三个定平台力感应分支一端通过柔性铰链相互连接，每两个定平台力感应分支之间夹角为120°，三个定平台力感应分支形成三棱锥状，另一端通过铰链分别与转接平台连接；柔性动平台与柔性定平台结构相同。

本发明技术方案的进一步改进在于：柔性共用平台a包括三组相同的力感应分支组，力感应分支组包括两个共平台力感应分支，两个共平台力感应分支之间通过柔性铰链连接，力感应分支组上下两端分别与其他两组力感应分支组的上下两端通过铰链连接在柔性共用平台a上端和下端，柔性共用平台a上端和下端之间通过弹簧连接，力感应分支组相互间隔120°，形成纺锤状；共平台力感应分支的支体内镶嵌应变片b；所述柔性共用平台b、柔性共用平台c的结构与柔性共用平台a结构相同。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述刚性中心分支包括设置在柔性定平台和柔性共用平台a之间的第一刚性中心分支、设置在共用平台a和柔性共用平台b之间的第二刚性中心分支、设置在柔性共用平台b和柔性共用平台c之间的第三刚性中心分支、设置在共用平台c和柔性动平台d之间的第四刚性中心分支；第一刚性中心分支包括第一连杆、第二连杆，所述第一连杆一端与第二连杆一端通过第一刚性转动副连接，所述第一连杆通过第一虎克铰链与柔性定平台连接，第二连杆通过第二虎克铰与柔性共用平台a连接；所述第二刚性中心分支、第三刚性中心分支、第四刚性中心分支结构均与第一刚性中心分支结构相同。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述柔性约束分支包括设置在柔性定平台和柔性共用平台a之间的第一柔性约束分支、设置在共用平台a和柔性共用平台b之间的第二柔性约束分支、设置在柔性共用平台b和柔性共用平台c之间的第三柔性约束分支、设置在共用平台c和柔性动平台d之间的第三柔性约束分支；所述第一柔性约束分支设置在柔性定平台和柔性共用平台a之间，所述第一柔性约束分支包括第一约束连杆，所述第一约束连杆通过第一约束转动副连接于柔性定平台，所述第一约束连杆通过第二约束转动副连接第二约束连杆连接，所述第二约束连杆通过第三转动副连接于柔性共用平台a，第二柔性约束分支、第三柔性约束分支、第三柔性约束分支的结构均与第一柔性约束分支结构相同。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

多并联机构组合的方式结合弹簧使腰关节具有灵活性，刚性中心分支加固使其腰间盘在机器人耦合中具有坚固性，采用人造肌肉交叉排布的方式使腰关节具有拟真性，应用前景更好。

附图说明

图1为整体结构立体示意图；

图2为第一并联单元立体示意图；

图3为第二并联单元立体示意图；

图4为柔性定平台立体示意图；

图5为柔性共用平台立体示意图；

图6为刚性中心分支立体装配局部示意图；

其中，010、柔性定平台，011、定平台力感应分支，012、应变片a，013、转接平台，014、柔性铰链，020、柔性共用平台a，021、共平台力感应分支，022、应变片b，023、弹簧，024、柔性铰链，030、柔性共用平台b，040、柔性共平台c，050、柔性动平台，060、第一柔性约束分支，061、第一约束转动副，062、第一约束连杆，063、第二约束转动副，064、第二约束连杆，065、第三转动副，070、第二柔性约束分支，080、第三柔性约束分支，090、第四柔性约束分支，100、第一刚性中心分支，101、第一虎克铰链，102、第一连杆,103、第一刚性转动副，104、第二连杆，105、第二虎克铰，110、第二刚性中心分支，120、第三刚性中心分支，130、第三刚性中心分支，140、人造肌肉a，150、人造肌肉b，160、人造肌肉c，170、人造肌肉d。

具体实施方式

一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，该机器人腰关节包括四个并联机构单元，四个并联机构单元由下至上分别为第一并联单元、第二并联单元、第三并联单元、第四并联单元；第一并联机构单元底部设置柔性定平台010作为腰关节的固定支撑，第一并联机构单元和第二并联机构单元之间通过柔性共用平台a衔接，第二并联机构单元上端和第三并联机构单元下端之间通过柔性共用平台b衔接，第三并联机构单元上端和第四并联机构单元下端之间通过柔性共用平台c，第四并联机构单元上端设置有柔性动平台050。

其中，柔性定平台010包括三个相同的定平台力感应分支011，定平台力感应分支011的支体内镶嵌应变片a，应变片a用于测量力感应分支011受应力；三个定平台力感应分支011一端通过柔性铰链014相互连接，每两个定平台力感应分支011之间夹角为120°，三个定平台力感应分支011形成三棱锥状，另一端通过铰链分别与转接平台013连接；柔性动平台050与柔性定平台010的结构相同，柔性共用平台a包括三组相同的力感应分支组，力感应分支组包括两个共平台力感应分支021，两个共平台力感应分支021之间通过柔性铰链024连接，力感应分支组上下两端分别与其他两组力感应分支组的上下两端通过铰链连接在柔性共用平台a上端和下端，柔性共用平台a上端和下端之间通过弹簧023连接，力感应分支组相互间隔120°，形成纺锤状，纺锤状结构利于腰关节的受力均衡，使机器腰关节更坚固；共平台力感应分支021的支体内镶嵌应变片b；柔性共用平台b、柔性共用平台c的结构与柔性共用平台a结构相同。腰关节中上下相邻的两个平台之间设置有柔性约束分支、刚性中心分支、人造肌肉，所述人造肌肉设置于上下相邻两个平台之间，呈X型沿周向均匀分布；刚性中心分支包括设置在柔性定平台010和柔性共用平台a之间的第一刚性中心分支100、设置在共用平台a和柔性共用平台b之间的第二刚性中心分支110、设置在柔性共用平台b和柔性共用平台c之间的第三刚性中心分支120、设置在共用平台c和柔性动平台d之间的第四刚性中心分支130，第二刚性中心分支110、第三刚性中心分支120、第四刚性中心分支130结构均与第一刚性中心分支100结构相同；柔性约束分支包括设置在柔性定平台010和柔性共用平台a之间的第一柔性约束分支060、设置在共用平台a和柔性共用平台b之间的第二柔性约束分支070、设置在柔性共用平台b和柔性共用平台c之间的第三柔性约束分支080、设置在共用平台c和柔性动平台d之间的第三柔性约束分支090；第二柔性约束分支070、第三柔性约束分支080、第三柔性约束分支090的结构均与第一柔性约束分支060结构相同。

柔性定平台010与相邻的柔性共用平台020通过三根周向均匀分布的柔性约束分支060、刚性中心分支100、三组人造肌肉140连接，刚性中心分支设置在上下相邻两个平台之间，第一刚性中心分支100包括第一连杆102、第二连杆104，所述第一连杆102一端与第二连杆104一端通过第一刚性转动副103连接，所述第一连杆102通过第一虎克铰链101与柔性定平台010连接，第二连杆104通过第二虎克铰105与柔性共用平台a连接；第一柔性约束分支060设置在柔性定平台010和柔性共用平台a之间，第一柔性约束分支060包括第一约束连杆062，第一约束连杆062通过第一约束转动副061连接于柔性定平台010，所述第一约束连杆062通过第二约束转动副063连接第二约束连杆064连接，所述第二约束连杆064通过第三转动副065连接于柔性共用平台a。

Claims

1.一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，其特征在于：该机器人腰关节包括四个并联机构单元，所述四个并联机构单元由下至上分别为第一并联单元、第二并联单元、第三并联单元、第四并联单元；所述第一并联机构单元底部设置柔性定平台（010），所示第一并联机构单元和第二并联机构单元之间通过柔性共用平台a（020）衔接，所述第二并联机构单元上端和第三并联机构单元下端之间通过柔性共用平台b（030）衔接，所述第三并联机构单元上端和第四并联机构单元下端之间通过柔性共用平台c（040）衔接，所述第四并联机构单元上端设置有柔性动平台（050），所述腰关节中上下相邻的两个平台之间设置有柔性约束分支、刚性中心分支、人造肌肉，所述人造肌肉设置于上下相邻两个平台之间，呈X型沿周向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，其特征在于：所述柔性定平台（010）包括三个相同的定平台力感应分支（011），所述定平台力感应分支（011）的支体内镶嵌应变片a（012），所述三个定平台力感应分支（011）一端通过柔性铰链（014）相互连接，每两个定平台力感应分支（011）之间夹角为120°，三个定平台力感应分支（011）形成三棱锥状，另一端通过铰链分别与转接平台（013）连接；所述柔性动平台（050）与柔性定平台（010）结构相同。

3.根据权利要求1所述的一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，其特征在于：所述柔性共用平台a（020）包括三组相同的力感应分支组，所述力感应分支组包括两个共平台力感应分支（021），所述两个共平台力感应分支（021）之间通过柔性铰链（024）连接，所述力感应分支组上下两端分别与其他两组力感应分支组的上下两端通过铰链连接在柔性共用平台a（020）上端和下端，所述柔性共用平台a（020）上端和下端之间通过弹簧（023）连接，所述力感应分支组相互间隔120°，形成纺锤状；所述共平台力感应分支（021）的支体内镶嵌应变片b（022）；所述柔性共用平台b（030）、柔性共用平台c（040）的结构与柔性共用平台a（020）结构相同。

4.根据权利要求1所述的一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，其特征在于：所述刚性中心分支包括设置在柔性定平台（010）和柔性共用平台a（020）之间的第一刚性中心分支（100）、设置在共用平台a（020）和柔性共用平台b（030）之间的第二刚性中心分支（110）、设置在柔性共用平台b（030）和柔性共用平台c（040）之间的第三刚性中心分支（120）、设置在共用平台c（040）和柔性动平台d（030）之间的第四刚性中心分支（130）；第一刚性中心分支（100）包括第一连杆（102）、第二连杆（104），所述第一连杆（102）一端与第二连杆（104）一端通过第一刚性转动副（103）连接，所述第一连杆（102）通过第一虎克铰链（101）与柔性定平台（010）连接，第二连杆（104）通过第二虎克铰（105）与柔性共用平台a（020）连接；所述第二刚性中心分支（110）、第三刚性中心分支（120）、第四刚性中心分支（130）结构均与第一刚性中心分支（100）结构相同。

5.根据权利要求1所述的一种局部三自由度刚柔软耦合仿生机器人腰关节，其特征在于：所述柔性约束分支包括设置在柔性定平台（010）和柔性共用平台a（020）之间的第一柔性约束分支（060）、设置在共用平台a（020）和柔性共用平台b（030）之间的第二柔性约束分支（070）、设置在柔性共用平台b（030）和柔性共用平台c（040）之间的第三柔性约束分支（080）、设置在共用平台c（040）和柔性动平台d（030）之间的第三柔性约束分支（090）；所述第一柔性约束分支（060）设置在柔性定平台（010）和柔性共用平台a（020）之间，所述第一柔性约束分支（060）包括第一约束连杆(062)，所述第一约束连杆（062）通过第一约束转动副（061）连接于柔性定平台（010），所述第一约束连杆（062）通过第二约束转动副（063）连接第二约束连杆(064)连接，所述第二约束连杆（064）通过第三转动副（065）连接于柔性共用平台a（020），第二柔性约束分支（070）、第三柔性约束分支（080）、第三柔性约束分支（090）的结构均与第一柔性约束分支（060）结构相同。