CN202507280U

CN202507280U - 仿人机器人

Info

Publication number: CN202507280U
Application number: CN2011205069452U
Authority: CN
Inventors: 肖南峰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2021-12-08

Abstract

本实用新型涉及一种仿人机器人，包括可旋转的两眼运动系统，用于完成目标识别和障碍避免作业；一双五指形仿人机械手，用于完成抓、握、推、拉、插、按、剪、切、敲、打作业；二足步行机构，用于支撑所述的仿人机器人在地面上稳定地行走；所述的仿人机器人可用于代替人在繁重、危险、恶劣或一般的环境下完成各种复杂的作业。

Description

仿人机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，具体涉及用于代替人完成各种作业的仿人机器人。

背景技术

现有的仿人机器人两眼运动系统主要包括两种类型。第一类是以“Pin-Hole”模型为基础，其缺陷是在每次作业之前，必须完成非常繁琐的摄像机校正，并且也无法同时实现两个摄像机的协调运动和作业。第二类是计算三维空间中被注视对象进入摄像机的光通量等浓淡及距离图像信息，从而来观察和认识被注视对象。但是，这种方法极易受到来自环境的各种干扰影响，很难在动态环境下实时地应用，而且两个摄像机的协调运动问题也无法有效地实现。

工业机械手在发达国家的工厂和企业中，被广泛地用来代替人完成各类简单和重复性的工作。对于一些需要灵巧的人手及其手腕和手臂才能完成的抓、握、推、拉、插、按、剪、切、敲、打等作业而言，工业机械手就显得无能为力。而现有的五指形仿人机械手存在以下问题: 1) 仿人机械手大多是采用基于腱的传动方式和仿效人手的驱动原理。但是由于腱的刚度、机械特性、数量以及在手指中的路径设计等，会造成驱动系统滞后、腱不稳定或者损坏；2) 仿人机械手研究没有或很少涉及到手及其手腕和手臂协调控制方法，也没有根据来自作业对象的接触力/力矩反馈对手及其手腕和手臂的惯性、粘性、刚性参数作有效和合理地调节，以适应不同的作业对象和作业环境的需要。

由于仿人机器人二足步行机构是一种非线性不稳定系统，它在步行中要承受许多由接触环境而引起的限制。现有仿人机器人的二足步行所存在的最主要问题是不考虑，或仅只考虑脚掌上几个触觉点的触觉力影响，因而当行走地面的动力学模型未知的情况下很难控制仿人机器人行走。

综上所述，现有的仿人机器人不能完全具备人的基本机能，不能完全代替人在繁重、危险、恶劣或一般的环境下完成各种复杂的作业。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种仿人机器人，具有人的基本机能，它可以代替人完成各种作业。例如，在机械制造、化工生产、核电维修、军事战斗、医疗手术、抢险救灾、设备安装、科学考察、家务劳动、患者看护、教育娱乐等场合下，所述的仿人机器人能够进行目标识别和障碍避免等作业，在地面上行走到工作场所，并用其双手和双手腕及双手臂相互协作完成抓、握、推、拉、插、按、剪、切、敲、打等各种作业，具体技术方案如下。

一种仿人机器人，其包括：

——可旋转的两眼运动系统，用于完成目标识别和障碍避免作业；

—— 一双五指形仿人机械手；

——二足步行机构，用于支撑所述的仿人机器人在地面上行走。

上述的仿人机器人中，所述可旋转的两眼运动系统包括二个摄像机和分别用于控制摄像机上、下、左、右及旋转运动的五个直流伺服电机。

上述的仿人机器人中，所述每一只五指形仿人机械手均包括拇指、食指、中指、无名指、小拇指和手掌。

上述的仿人机器人中，所述每一个手指均包含3个用于弯曲功能的直流伺服电机和1个用于旋转弯曲功能的直流伺服电机，手掌只有1个用于弯曲功能的直流伺服电机。

上述的仿人机器人中，所述一只五指形仿人机械手的手掌及其五个手指共包括21个基本关节，21个基本关节由21个直流伺服电机来控制。

上述的仿人机器人中，所述二足步行机构包括一个腰部和一双脚；所述的腰部有3个关节，这3个关节对应于二足步行机构在前后、左右、上下这3个方向运动所需要的3个自由度；所述的一双脚共12个自由度，所述的每一只脚有6个关节，其中3个关节对应于一只脚在前后、左右、上下这3个方向运动所需要的3个自由度，另外3个关节对应于一只脚在大腿旋转、小腿摆动、脚腕扭动所需要的3个自由度；腰部和一双脚共有15个关节。

上述的仿人机器人中，所述一双脚的根部安装有2个六自由度的力和力矩传感器，用于检测环境反作用力和力矩。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型采用可旋转的两眼运动系统，具有上、下、左、右运动和旋转功能，可以实现多方位的目标识别、障碍避免作业。本实用新型采用的五指形仿人机械手的每一个手指均包含3个用于弯曲功能的直流伺服电机和1个用于旋转弯曲功能的直流伺服电机，手掌只有1个用于弯曲功能的直流伺服电机。一只五指形仿人机械手的手掌及其五个手指共包括21个基本关节，21个基本关节由21个直流伺服电机来控制。通过该机械手和相关算法可以实现抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打作业。本实用新型采用的二足步行机构包括一个腰部和一双脚腰部和一双脚共有15个关节，且脚的根部安装有2个六自由度的力和力矩传感器，可以实现仿人机器人的稳定步行控制。

附图说明

图1是实施方式中的仿人机器人示意图。

图2是实施方式中的仿人机器人两眼的输入和输出视觉控制信号原理图。

图3 是实施方式中的五指形仿人机械手设计图。

具体实施方式

以上内容对本领域技术人员来说已经足够清楚明确，以下再结合附图对本实用新型的实施作进一步说明，但本实用新型的实施不限于此。

如图1，仿人机器人包括：可旋转两眼运动系统1，五指形仿人机械左手1-1，左手腕和手臂1-3，五指形仿人机械右手1-2，右手腕和手臂1-4，二足步行机构（左腿）1-5，二足步行机构（右腿）1-6。各部分更详细说明如下：

——可旋转的两眼运动系统，用于完成目标识别、障碍避免作业；由二个摄像机、五个直流伺服电机构成，二个摄像机相当于人的二个眼球，具有上、下、左、右运动和旋转功能；可旋转的两眼运动系统的设计包括：

1) 与两眼运动控制关联的物理模型。根据两眼运动控制关联的数学模型，对人类两眼的视觉控制信号进行分析，找出两眼视轴回转角，视标位置以及视网膜误差之间的关系，确定了两眼的视觉控制信号流，如图2所示，为仿人机器人两眼的输入和输出视觉控制信号原理图，图中包括左水平半规管201、左眼球202、右眼球203、中轴线205和目标206，其中φ、φ_r、φ_l表示角度，ω、ω_r、ω_l表示转速。

2) 与两眼运动控制关联的控制方法。根据两眼的视觉控制信号流，确定两眼运动，再确定该系统框图中各环节的传递函数，进而确定了两眼运动的控制方法；

3) 将两眼运动和视觉处理及控制软件安装于所述的带有一双五指形机械手及其手腕和手臂的仿人机器人的头内部，让它在动态环境中完成目标识别、障碍避免等作业。

—— 一双五指形仿人机械手，用于完成抓、握、捏、夹、推、拉、插、按、剪、切、敲、打作业；其手掌及其五个手指共包括21个关节，一双手有21×2=42个自由度、一双手臂和一双手腕有7×2=14个自由度。如图3所示，五指形仿人机械手包括食指3-1，中指3-2，无名指3-3，小手指3-4，拇指3-5，手掌3-6，前后转动关节3-7，左右转动关节3-8。五指形仿人机械手的设计包括：

1）五指形仿人机械手的构造，以人的手指和手掌的解剖学研究成果为基础，确定了五指形仿人机械手的关节设置、几何尺寸；

2）一双具有5个手指及手掌的仿人机械手；按照确定好的五指形仿人机械手的关节设置和几何尺寸，用小型直流伺服电机作为各个关节的驱动机构。在各个小型直流伺服电机上安装测量关节角度的光电编码器；

3）五指形仿人机械手的运动学和动力学数学模型；采用五指形仿人机械手的前向运动学和动力学来计算各手指及手掌的关节角轨迹。

4）五指形仿人机械手的协调控制算法；根据五指形仿人机械手的协调控制特征和运动学及动力学方程，导入小领域控制点，计算和导出控制各关节运动的关节角和角速度的目标值，实现了对五指形仿人机械手各手指及手掌的协调控制。

——二足步行机构，用于支撑所述的仿人机器人在地面上行走；由腰部和一双脚构成，共有15个关节，腰部三个自由度、一双脚共十二个自由度；二个六自由度的力和力矩传感器安装于所述一双脚的根部，用于检测环境反作用力和力矩；二足步行机构的设计包括：

1) 仿人机器人脚掌反力及反力矩鲁捧控制方法；为了实现具有76个关节（头部5个、腰部3个、双手21×2=42个、双手臂和双手腕7×2=14个、双脚6×2=12个）的仿人机器人的二足步行鲁捧伺服控制，首先建立一个和人一样具有76个关节的仿人机器人的前向及逆向运动学和动力学数学模型。在这些模型的基础上，设计一个能在仿人机器人的惯量波动下工作的鲁捧伺服控制器。并通过计算仿人机器人的惯性矩阵，得到仿人机器人关节空间上统一的鲁棒伺服控制器；

2) 考虑脚掌的反力及反力矩等物理限制的姿势控制方法；为了控制仿人机器人二足与地面环境的接触力，仿人器人每个脚的控制采用基于位置和力的混合控制方式。用基于均方差最小的最优力分配方法来实现仿人机器人的姿势控制。在由于仿人机器人的步行速度变快的情况下，前向惯量增大的同时对其进行补偿控制；

3) 仿人机器人双脚交换实时重心追迹控制方法；在单脚或双脚支撑阶段，用姿势控制器来稳定仿人机器人。为了实现稳定地步行，仿人机器人的双脚必须周期性地着地。采用离散化倒置摆模型来计算仿人机器人的脚掌着地点，以实现对任意轨迹的零转矩点跟踪控制，也即在每个采样周期离散化倒置摆模型，以得到在接触地面上仿人机器人的稳定步行控制算法；

4) 用76个直流伺服电机、两个6自由度的力和力矩传感器、高性能计算机等来实现一个和人一样具有76个关节的仿人机器人及其控制系统。

本实施方式的仿人机器人高度等于所述二足步行机构高度加上所述的两眼运动系统高度和所述的腰部高度，为1.5米，体重60公斤、两肩之间的距离为0.45米，步行速度大于2.0公里小时。

仿人机器人可旋转的两眼运动系统中，二个眼球距离设定为75毫米，从眼球到颈的回转轴之间的距离定为85毫米。仿人机器人的一双五指形仿人机械手的外形尺寸为450×200毫米²，重量为1.5公斤。

Claims

1.一种仿人机器人，其特征在于包括：

—— 一双五指形仿人机械手；

2.根据权利要求1所述的仿人机器人，其特征在于所述可旋转的两眼运动系统包括二个摄像机和分别用于控制摄像机上、下、左、右及旋转运动的五个直流伺服电机。

3.根据权利要求1所述的仿人机器人，其特征在于每一只五指形仿人机械手均包括拇指、食指、中指、无名指、小拇指和手掌。

4.根据权利要求3所述的仿人机器人，其特征在于每一个手指均包含3个用于弯曲功能的直流伺服电机和1个用于旋转弯曲功能的直流伺服电机，手掌只有1个用于弯曲功能的直流伺服电机。

5.根据权利要求3所述的仿人机器人，其特征在于所述一只五指形仿人机械手的手掌及其五个手指共包括21个基本关节，21个基本关节由21个直流伺服电机来控制。

6.根据权利要求3所述的仿人机器人，其特征在于所述二足步行机构包括一个腰部和一双脚；所述的腰部有3个关节，这3个关节对应于二足步行机构在前后、左右、上下这3个方向运动所需要的3个自由度；所述的一双脚共12个自由度，所述的每一只脚有6个关节，其中3个关节对应于一只脚在前后、左右、上下这3个方向运动所需要的3个自由度，另外3个关节对应于一只脚在大腿旋转、小腿摆动、脚腕扭动所需要的3个自由度；腰部和一双脚共有15个关节。

7.根据权利要求3所述的仿人机器人，其特征在于所述一双脚的根部安装有2个六自由度的力和力矩传感器，用于检测环境反作用力和力矩。