專利名稱：一種串聯(lián)人形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種串聯(lián)人形機(jī)器人。
技術(shù)背景隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人形機(jī)器人已經(jīng)逐漸成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重 點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)。在人形機(jī)器人平臺上開展的科學(xué)研究種類也趨于多樣性，其 中最基本也最重要的當(dāng)屬機(jī)器人的電機(jī)控制及步態(tài)規(guī)劃。在串聯(lián)機(jī)器人方面，日本Honda公司經(jīng)過21年的研究，不斷更新?lián)Q代，最終推出了機(jī)器人ASIMO。 該機(jī)器人全身采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，每條腿包含6個自由度，可以完成行走、轉(zhuǎn) 彎以及上下樓梯等動作。但ASIMO的總重超過50kg,而且數(shù)據(jù)表明，多數(shù)身 高高于一米的人形機(jī)器人，其總重都要超過50kg，這對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的承載能 力無疑提出了很高的要求，給電機(jī)控制帶來了一定的難度，甚至在操作不恰當(dāng) 時很容易造成電機(jī)燒毀的嚴(yán)重后果。目前絕大多數(shù)人形機(jī)器人在關(guān)節(jié)驅(qū)動方面 采取的辦法是大功率伺服電機(jī)配帶諧波齒輪減速系統(tǒng)，這種解決方法無疑帶來 了成本高，重量大，操作不方便等問題。除此之外，人形機(jī)器人另一種常見的功能失效模式是零件或設(shè)備機(jī)械破損， 這方面尤以機(jī)器人頭部最為常見。因?yàn)闄C(jī)器人在行走或運(yùn)動過程中，頭部與地 面距離最遠(yuǎn)，如果發(fā)生摔倒或與其它物體碰撞，多數(shù)情況下沖擊速度最快，沖 擊力最大的部位是機(jī)器人頭部。為降低因此而帶來的損害，研究人員通常的解 決方法是在機(jī)器人身上安裝傾角計(jì)、加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器以實(shí)時的監(jiān)測 機(jī)器人的姿態(tài)變化，如檢測到即將摔倒，及時通過發(fā)出相應(yīng)的動作命令來改變 機(jī)器人的動作和姿態(tài)以調(diào)整避免摔倒，或?qū)⑺さ购罂赡茉斐傻膿p失降低。但這 種依賴于傳感器電路或軟件程序的解決方法必然達(dá)不到機(jī)器人操作的可靠性要 求，電路和程序任何一方出現(xiàn)問題都可能會造成機(jī)器人摔倒后發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。 因此，即便有這一層防護(hù)，研究人員還是應(yīng)該尋求來源于機(jī)械方面的最可靠的 保障。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的多自由度人形機(jī)器人開發(fā)成本高、重量大、操作不方便等 問題，以及避免由于摔倒或碰撞造成機(jī)器人損壞等情況的發(fā)生，本發(fā)明提供一 種新型的具有頭部緩沖機(jī)構(gòu)的輕質(zhì)量串聯(lián)人形機(jī)器人。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的串聯(lián)人形機(jī) 器人全身分為軀干、頭部和四肢，由19個自由度組成，其中頭部l個自由度，手臂3個自由度，腿部6個自由度。其中腿部的髖關(guān)節(jié)為正交三自由度關(guān)節(jié)，腿部的踝關(guān)節(jié)和手臂的肩關(guān)節(jié)均為正交兩自由度關(guān)節(jié)，所有自由度均采用數(shù)字 伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人全身19個自由度全部采用體積小，重量輕，自身帶多級齒輪減速機(jī) 構(gòu)的數(shù)字伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其輸出轉(zhuǎn)盤直接連接被數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動的運(yùn)動部 件。與電機(jī)及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤固定的連接件全部采用鋁合金材料加工，并在其上 適當(dāng)打孔去掉對零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度沒有貢獻(xiàn)的材料，以最大程度地減輕零件 重量。機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)件，如機(jī)器人脊椎、大臂、小臂、大腿和小腿，均采 用中空的碳纖維圓管設(shè)計(jì)。該復(fù)合材料具體高強(qiáng)度、低密度的機(jī)械特性，在本 發(fā)明的特定應(yīng)用場合中可以替代金屬材料。圓管的橫截面尺寸參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè) 計(jì)，使管子在強(qiáng)度和重量兩方面均達(dá)到理想要求。為避免由于沖擊造成零件沿 碳纖維管軸向移動或繞碳纖維管轉(zhuǎn)動，設(shè)計(jì)采用平行雙管式結(jié)構(gòu)，并將雙管的 兩端分別插入一個金屬撓性件，再用螺釘帶動撓性件變形，使其夾緊碳纖維管 起到固定和加強(qiáng)的作用。機(jī)器人的頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有彈簧緩沖裝置，正常情況下，頭部在兩根拉力彈 簧的拉力作用下穩(wěn)定保持在初始限位位置上。當(dāng)機(jī)器人遇到碰撞或摔倒情況， 頭部受到向后的沖擊力時，整體頭部結(jié)構(gòu)可以繞緩沖裝置上的轉(zhuǎn)軸向后轉(zhuǎn)動，同時進(jìn)一步拉長拉力彈簧，使其儲存能量并減小頭部機(jī)構(gòu)振蕩；當(dāng)作用于機(jī)器 人頭部的外力撤消時，拉力彈簧恢復(fù)形狀，釋放能量，將頭部轉(zhuǎn)回原來正常的 限位位置并保持穩(wěn)定。本發(fā)明與現(xiàn)在技術(shù)相比有益效果如下該機(jī)器人在保證高強(qiáng)度以及多關(guān)節(jié)運(yùn)動靈活性的前提下，采用了體積小、 重量輕、并自帶減速齒輪的數(shù)字伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)自由度的驅(qū)動方式，并大量 采用了具有高強(qiáng)度、低密度的碳纖維管作為結(jié)構(gòu)件，并對金屬零件的形狀禾口質(zhì) 量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而極大程度的減輕了機(jī)器人整體的重量，提高機(jī)器人的 運(yùn)動靈活性和操作性，減小結(jié)構(gòu)部件對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載，從而降低機(jī)器人 電機(jī)控制和步態(tài)規(guī)劃的難度。機(jī)器人頭部優(yōu)選采用了緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效 的降低由于外界環(huán)境變化對機(jī)器人頭部機(jī)械零件及內(nèi)部視覺傳感器造成的損 害，有效避免機(jī)器人在摔倒或碰撞時發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，從而提高機(jī)器人運(yùn)動能力 及可靠性。此外，研究人員還可以方便的通過調(diào)整碳纖維管的長度來改變機(jī)器 人的整體尺寸，以進(jìn)行不同需求的實(shí)驗(yàn)研究。


圖1為本發(fā)明的機(jī)器人整體示意圖。圖2和圖3為本發(fā)明的碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明的機(jī)器人軀干示意圖。圖5為本發(fā)明的機(jī)器人手臂示意圖。圖6為本發(fā)明的機(jī)器人腿部示意圖。圖7和圖8為本發(fā)明的機(jī)器人頭部示意圖。圖中l(wèi)-碳纖維管；2-金屬撓性件；3-尼龍塞；4-撓性件夾緊螺釘；5-軀 干碳纖維管；6-頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)輸出盤連接件；7-肩關(guān)節(jié)前擺電機(jī)座；8-肩關(guān)節(jié) 前擺電機(jī)；9-軀干結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件；lO-連接件；ll-髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)；12-髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn) 電機(jī)座；13-肩關(guān)節(jié)前擺電機(jī)連輸出盤接件；14-肩關(guān)節(jié)側(cè)擺電機(jī)；15-肩關(guān)節(jié)側(cè) 擺電機(jī)座；16-大臂碳纖維管；17-肘(膝)關(guān)節(jié)前擺電機(jī)輸出盤連接件；18-肘 關(guān)節(jié)前擺電機(jī)；19-肘(膝)關(guān)節(jié)前擺電機(jī)座；20-小臂碳纖維管；21-髖(踝) 關(guān)節(jié)側(cè)擺電機(jī)輸出盤連接件；22-髖關(guān)節(jié)側(cè)擺電機(jī)；23-髖(踝)關(guān)節(jié)電機(jī)結(jié)合件；24-髖關(guān)節(jié)前擺電機(jī)；25-髖(踝)關(guān)節(jié)被動轉(zhuǎn)盤；26-髖(踝)關(guān)節(jié)被動轉(zhuǎn)盤固 定座；27-髖(踝)關(guān)節(jié)前擺電機(jī)輸出盤連接件；28-大腿碳纖維管；29-膝關(guān)節(jié) 前擺電機(jī)；30-小腿碳纖維管；31踝關(guān)節(jié)前擺電機(jī)；32-踝關(guān)節(jié)側(cè)擺電機(jī)；33-腳 底板；34-頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)；35-頭部蓋板；36-頭部蓋板前端支撐件；37-頭部蓋 板后端支撐件；38-拉力彈簧；39-頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)座；40-頭部被動轉(zhuǎn)盤；41-攝 像頭外殼。
具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明的機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)器人整體可分為四大部分，分 別為軀干、頭部、手臂和腿，其中手臂和腿均為左右對稱結(jié)構(gòu)。機(jī)器人全身共 有.19個自由度，分布在以下幾個運(yùn)動關(guān)節(jié)頸關(guān)節(jié)l個扭轉(zhuǎn)(Yaw)自由度； 肩關(guān)節(jié)l個前擺(Pitch)自由度，l個側(cè)擺(Roll)自由度，兩自由度正交于一點(diǎn)； 肘關(guān)節(jié)l個前擺自由度；髖關(guān)節(jié)l個扭轉(zhuǎn)自由度，l個側(cè)擺自由度，l個前擺自 由度，三自由度正交于一點(diǎn)；膝關(guān)節(jié)l個前擺自由度；踝關(guān)節(jié)l個前擺自由度， l個側(cè)擺自由度，兩自由度正交于l點(diǎn)。機(jī)器人總高833mm，肩寬291mm，臂 長366mm，腿長462mm，總重4.1kg，其中包含金屬和碳纖維在內(nèi)的所有零件 總重僅為1.8kg。以下為各部分的具體實(shí)施方式
。圖2所示為本發(fā)明的碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)。采用兩根等長的碳纖維管平 行放置，兩端分別套一個金屬撓性件2，在每根碳纖維管的端頭塞入一個尼龍塞 3起支持和加強(qiáng)作用，尼龍塞中間留有圓孔以備碳纖維管內(nèi)部走機(jī)器人電源線和 信號線，最后用螺釘4擰入金屬撓性件2使其將碳纖維雙管夾緊固定。撓性件2 的兩個側(cè)面各有一個凸臺和四個螺紋孔，用于連接其它零件。金屬撓性件的示 意圖見圖3。圖4所示為本發(fā)明的機(jī)器人軀干結(jié)構(gòu)。脊椎由碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)5構(gòu) 成，兩端的金屬撓性件分別與電機(jī)座金屬件7、 12連接，7用于固定肩關(guān)節(jié)前擺 電機(jī)8， 12用于固定髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)11。在雙管5的中間另外穿有一個撓性件 2，四個鈑金件9的一端均固定在該撓性件上，另一端分別連接一個電機(jī)，從而
將軀干由懸臂式結(jié)構(gòu)改為類似桁架式結(jié)構(gòu)，大大提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)整體的可靠性。由于兩肩關(guān)節(jié)前擺電機(jī)8的間距不同于兩髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)11的間 距，故設(shè)計(jì)連接件10使上下間距相同，以保證四個鈑金件9具有可互換性。全 部金屬件均打孔去掉對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無貢獻(xiàn)的材料，減輕零件重量。電機(jī)8和11的 輸出轉(zhuǎn)盤分別連接手臂和腿。圖5所示為本發(fā)明的機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)(左臂)。金屬件13與軀干內(nèi)肩關(guān)節(jié) 前擺電機(jī)8的輸出轉(zhuǎn)盤連接，當(dāng)電機(jī)8工作時，金屬件13帶動整個手臂向前后 擺動。同時該金屬件13還夾緊固定肩關(guān)節(jié)側(cè)擺電機(jī)14的輸出轉(zhuǎn)盤，使電機(jī)14 本身可以帶動手臂向內(nèi)外擺動。機(jī)器人大臂由碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)16構(gòu)成， 其上端通過一對金屬件15與側(cè)擺電機(jī)14固定，下端通過一對金屬件17與肘關(guān) 節(jié)前擺電機(jī)18的輸出轉(zhuǎn)盤固定。機(jī)器人小臂由碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)20構(gòu)成， 其上端通過一對金屬件19與肘關(guān)節(jié)前擺電機(jī)18固定。當(dāng)電機(jī)18工作時，其本 身可以帶動小臂彎曲或伸直。圖6所示為本發(fā)明的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)(左腿)。金屬件21與軀干內(nèi)髖關(guān)節(jié) 扭轉(zhuǎn)電機(jī)ll的輸出轉(zhuǎn)盤連接，當(dāng)電機(jī)ll工作時，金屬件21帶動整個腿部向內(nèi) 外扭轉(zhuǎn)。髖關(guān)節(jié)側(cè)擺電機(jī)22與前擺電機(jī)24通過一對金屬件23固定在一起。一 個被動轉(zhuǎn)盤25通過軸承及相關(guān)零件連接在金屬件26上，可以相對它自由轉(zhuǎn)動。 金屬件26固定在髖關(guān)節(jié)前擺電機(jī)24上，進(jìn)而由22， 23， 24， 25， 26構(gòu)成前擺 與側(cè)擺相結(jié)合的電機(jī)整體，再配合髖關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)11，可以實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)三軸正 交聯(lián)動。側(cè)擺電機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤連接金屬件21，前擺電機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤連接一對金屬件 27。金屬件27的下端連接碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)28，構(gòu)成機(jī)器人的大腿結(jié)構(gòu)。 管28下端的金屬撓性件2通過一對金屬件17與膝關(guān)節(jié)前擺電機(jī)29的輸出轉(zhuǎn)盤 固定。機(jī)器人小腿由碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)30構(gòu)成，其上端的金屬撓性件2通 過一對金屬件19與膝關(guān)節(jié)電機(jī)前擺29固定，下端與的金屬撓性件2通過一對 金屬件27與踝關(guān)節(jié)前擺電機(jī)31的輸出轉(zhuǎn)盤固定。踝關(guān)節(jié)前擺電機(jī)31及側(cè)擺電 機(jī)32的連接方法與髖關(guān)節(jié)相同，因此可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)兩軸正交聯(lián)動。踝關(guān)節(jié)金
屬件21下面連接機(jī)器人的腳底板金屬件33。于是機(jī)器人整條腿具有六個自由度， 為髖關(guān)節(jié)前擺、側(cè)擺、扭轉(zhuǎn)正交三自由度，膝關(guān)節(jié)前擺自由度和踝關(guān)節(jié)前擺、 側(cè)擺正交二自由度。圖8所示為本發(fā)明的機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)。頸關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)電機(jī)34的輸出轉(zhuǎn)盤與軀 干內(nèi)金屬件6固定，當(dāng)電機(jī)34工作時，電機(jī)本身可以帶動整個頭部進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。 一對鈑金件39固定在電機(jī)34的兩側(cè)， 一對被動轉(zhuǎn)盤40分別通過軸承及相關(guān)零 件連接在上述一對鈑金件39上，可以相對它們自由轉(zhuǎn)動。機(jī)器人的頭部外殼由 一對鈑金件35構(gòu)成，其間夾緊固定著鈑金件36、 37和41，從而形成整體頭部 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的鈑金件35與上述被動轉(zhuǎn)盤40固定，并可以隨轉(zhuǎn)盤40同步轉(zhuǎn)動。 在上述鈑金件37與一對鈑金件39之間固定兩根拉力彈簧38，在彈簧的拉力作 用下，整體頭部結(jié)構(gòu)隨被動轉(zhuǎn)盤40相對固定件39具有向下的轉(zhuǎn)動趨勢，并最 終穩(wěn)定保持在機(jī)械限位位置，該位置為鈑金件35與39的折彎邊相互接觸的位 置，即圖中42所示圓圈處。當(dāng)機(jī)器人遇到摔倒或碰撞，頭部受到向后的沖擊力 時，整體頭部結(jié)構(gòu)會隨轉(zhuǎn)盤40繞其轉(zhuǎn)軸向后轉(zhuǎn)動，此時兩根拉力彈簧38被拉 伸，儲存能量并減輕振蕩；當(dāng)外力撤消時，在彈簧38的拉力作用下，頭部再次 回到初始限位位置。該頭部的彈簧緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效降低由于外界環(huán)境變 化對機(jī)器人頭部機(jī)械零件及內(nèi)部視覺傳感器造成的損害。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于全身分為軀干、頭部和四肢，由19個自由度組成，其中頭部1個自由度，手臂3個自由度，腿部6個自由度，其中腿部的髖關(guān)節(jié)為正交三自由度關(guān)節(jié)，腿部的踝關(guān)節(jié)和手臂的肩關(guān)節(jié)均為正交兩自由度關(guān)節(jié)，所有自由度均采用數(shù)字伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于所述數(shù)字伺服電 機(jī)具有多級齒輪減速機(jī)構(gòu)，輸出軸具有轉(zhuǎn)角限位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于機(jī)器人的零件采 用鋁合金或碳纖維，其中與電機(jī)及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)盤固定的連接件采用鋁合金，機(jī) 器人本身的結(jié)構(gòu)件采用碳纖維。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于軀干采用 桁架結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于脊椎和四肢均采用了碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于頭部采用拉力彈簧設(shè)計(jì)緩沖裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的串聯(lián)人形機(jī)器人，其特征在于控制系統(tǒng)和姿態(tài)傳感器固定于機(jī)器人背后，視覺傳感器安裝在機(jī)器人頭部，電池固定在 機(jī)器人腳底板上表面。
全文摘要
一種串聯(lián)人形機(jī)器人，屬于機(jī)器人領(lǐng)域。本發(fā)明采用了數(shù)字伺服電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置；用碳纖維材料設(shè)計(jì)出碳纖維平行雙管式結(jié)構(gòu)，并用于脊椎、大臂、小臂、大腿和小腿等結(jié)構(gòu)件；采用類似桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軀干，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性；利用拉力彈簧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出頭部緩沖裝置，增強(qiáng)頭部抗沖擊性；最 終實(shí)現(xiàn)了一種尺寸大、質(zhì)量輕、運(yùn)動靈活性強(qiáng)、并具有頭部緩沖機(jī)構(gòu)的19自由度串聯(lián)人形機(jī)器人。本發(fā)明解決了以往人形機(jī)器人由于自身結(jié)構(gòu)過重所導(dǎo)致的電機(jī)負(fù)載大、控制困難大、且易燒毀等問題，并且對于機(jī)器人摔倒或碰撞情況下的頭部保護(hù)提出了有效的解決方案。
文檔編號A63H3/00GK101116970SQ20071012070
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者宇 劉, 石宗英, 趙明國 申請人:清華大學(xué)