一種伸縮驅(qū)動的仿人機(jī)器人的仿生腰部機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿人機(jī)器人，具體涉及一種伸縮驅(qū)動的仿人機(jī)器人的仿生腰部機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]仿人機(jī)器人是與人類最接近的一種機(jī)器人，和其他構(gòu)形的機(jī)器人相比，仿人機(jī)器人在外形上更加友好，同時能方便地使用為人類發(fā)明設(shè)計(jì)的各種工具，更容易適應(yīng)人類生活環(huán)境。隨著科技的發(fā)展，人們對智能機(jī)器人的需求日益增長。仿人機(jī)器人具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003]仿人機(jī)器人具有人類外形特征，在設(shè)計(jì)上對空間尺寸提出了更高要求，空間尺寸應(yīng)盡量小、緊湊。同時由于元器件的限制，仿人機(jī)器人對重量有嚴(yán)格的要求，質(zhì)量的增加對元器件帶來很大的負(fù)擔(dān)。此外，輕便的機(jī)器人有利于提高機(jī)器人的運(yùn)動靈活性。因此，輕量化是仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要原則。
[0004]與人類相似，仿人機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)是機(jī)器人上身和下肢連接的重要環(huán)節(jié)。腰關(guān)節(jié)承受著上身的重量，同時還需要克服上身不平衡帶來的對機(jī)器人穩(wěn)定性的影響。腰關(guān)節(jié)的運(yùn)動能力對機(jī)器人的功能也起著重要的作用。因此，仿人機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)應(yīng)輕量化，具有較好的剛性和承載能力、穩(wěn)定性好。
[0005]迄今為止，大多數(shù)的仿人機(jī)器人腰部關(guān)節(jié)采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)方式，如中國專利CN101579860A公開了一種仿人機(jī)器人的雙T型腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，采用電機(jī)和諧波減速器作為關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置，采用雙T型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度。此方式存在以下幾個缺點(diǎn):
[0006]I)電機(jī)的負(fù)荷較大。對于串聯(lián)驅(qū)動，由于前一個機(jī)構(gòu)的輸出為后一個機(jī)構(gòu)的輸入，使得其中一個方向的驅(qū)動電機(jī)和傳動鏈成為另一個電機(jī)的負(fù)載，增加了電機(jī)的負(fù)荷。
[0007]2)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量較大。由于關(guān)節(jié)需要有電機(jī)、諧波減速器、結(jié)構(gòu)件和配套的軸承等一系列零件，因此整個腰部的質(zhì)量偏大。
[0008]也有一些仿人機(jī)器人腰部采用并聯(lián)差分機(jī)構(gòu)，如中國專利CN1454752A公開了一種仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)，采用兩個差動輪系封閉傳動，一個差動輪系存在兩個自由度，兩個差動輪系傳動封閉后，系統(tǒng)仍存在兩個自由度。該機(jī)構(gòu)采用兩個電機(jī)驅(qū)動、差動輪系進(jìn)行傳動，通過改變齒輪的嚙合方式，實(shí)現(xiàn)腰部的俯仰和側(cè)傾兩個方向的運(yùn)動。但是，由于應(yīng)用了較多的齒輪系，使得整個機(jī)構(gòu)復(fù)雜，并增加了腰部的重量，而仿人機(jī)器人對質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，不符合輕量化的原則。
[0009]針對目前仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)較復(fù)雜、質(zhì)量較重的問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一個具有結(jié)構(gòu)簡單、輕量化的腰關(guān)節(jié)。針對目前仿人機(jī)器人腰部電機(jī)負(fù)荷較大、帶載能力較差的問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一個輸入功率小、帶載能力更好的腰關(guān)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供了一種輕量化、電機(jī)功耗小、帶載能力好的仿人機(jī)器人腰部機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)基于仿生學(xué)原理，通過對人類肌肉-韌帶拉伸收縮運(yùn)動研宄，發(fā)現(xiàn)肌肉-韌帶的拉伸收縮運(yùn)動直接引發(fā)人類的動作，并具有多處肌肉-韌帶協(xié)同作用的特點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明的所述的仿人機(jī)器人的仿生腰部機(jī)構(gòu)，其包括直線驅(qū)動輸入模塊、俯仰偏轉(zhuǎn)輸出模塊、支撐連接結(jié)構(gòu)；所述直線驅(qū)動輸入模塊形成并聯(lián)差分機(jī)構(gòu)。
[0012]根據(jù)上述的仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述直線驅(qū)動輸入模塊為直線伸縮驅(qū)動裝置。
[0013]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述直線驅(qū)動輸入模塊包括兩個并聯(lián)的直線伸縮驅(qū)動裝置。
[0014]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述直線伸縮驅(qū)動裝置是獨(dú)立驅(qū)動的。
[0015]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述直線伸縮驅(qū)動裝置在空間上相對于所述仿人機(jī)器人的垂直軸傾斜且對稱分布。
[0016]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述直線伸縮驅(qū)動裝置可以是電動推桿、液壓桿或氣動推桿。
[0017]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述的仿生腰部機(jī)構(gòu)還具有控制裝置，所述直線伸縮驅(qū)動裝置通過所述控制裝置進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動的控制。
[0018]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述直線伸縮驅(qū)動裝置的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為俯仰偏轉(zhuǎn)輸出模塊的轉(zhuǎn)動進(jìn)行輸出，從而所述俯仰偏轉(zhuǎn)輸出模塊具有兩個被動的自由度。
[0019]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述的仿生腰部機(jī)構(gòu)還具有腰部平臺、胸腔平臺，所述直線伸縮驅(qū)動裝置的兩端通過萬向節(jié)、關(guān)節(jié)軸承和球窩關(guān)節(jié)中的一種分別與腰部平臺、胸腔平臺連接，從而使所述直線伸縮驅(qū)動裝置能在空間范圍內(nèi)自由運(yùn)動。
[0020]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，每個所述萬向節(jié)包括兩個U形架、一個十字軸、軸承，其中一個U形架固定，另一個活動的U形架與所述直線伸縮驅(qū)動裝置連接，能實(shí)現(xiàn)兩個自由度的轉(zhuǎn)動。
[0021]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，在所述腰部平臺、胸腔平臺的安裝每個所述萬向節(jié)的位置開有一個圓孔，所述圓孔的下面開有一個矩形槽，所述萬向節(jié)中的用于固定的U形架固定在所述矩形槽上，另一個活動的U形架通過所述十字軸與所述固定的U形架連接，所述活動的U形架和所述十字軸之間通過軸承進(jìn)行配合。
[0022]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述活動的U形架和所述直線伸縮驅(qū)動裝置的電動推桿通過螺紋進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了直線伸縮驅(qū)動裝置相對于腰部平臺、胸腔平臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動。
[0023]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述的仿生腰部機(jī)構(gòu)還具有腰部平臺、胸腔平臺，所述俯仰偏轉(zhuǎn)輸出模塊與支撐連接結(jié)構(gòu)連接于腰部平臺和胸腔平臺之間。
[0024]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述俯仰偏轉(zhuǎn)輸出模塊包括偏轉(zhuǎn)軸、俯仰軸。
[0025]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述支撐連接結(jié)構(gòu)包括U形架。
[0026]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述偏轉(zhuǎn)軸下端與腰部平臺通過軸承連接，軸承外圈與腰部平臺配合，軸承內(nèi)圈與偏轉(zhuǎn)軸配合；偏轉(zhuǎn)軸上端與U形架通過軸承連接，軸承外圈與U形架配合，軸承內(nèi)圈與偏轉(zhuǎn)軸配合。
[0027]根據(jù)上述的任一仿生腰部機(jī)構(gòu)，其中，所述俯仰軸與U形架和胸腔平臺連接，胸腔平臺下部的U形架上安裝有軸承，實(shí)現(xiàn)對俯仰軸的支持和轉(zhuǎn)動。
[0028]一種仿人機(jī)器人，其具有腰部平臺、胸腔平臺，其特征在于:還包括上述任一所述的仿生腰部機(jī)構(gòu)；所述的仿生腰部機(jī)構(gòu)位于仿人機(jī)器人的腰部平臺、胸腔平臺之間，所述胸腔平臺連接手臂和頭部，所述腰部平臺向下與腿部相連。
[0029]本發(fā)明使用兩個直線伸縮驅(qū)動裝置作為動力源，該直線伸縮驅(qū)動裝置的兩端采用萬向節(jié)連接，其中一端連接在腰部平臺上，另一端連接在胸腔平臺上。萬向節(jié)具有兩個方向的自由度，使得直線伸縮驅(qū)動裝置能進(jìn)行較大范圍的空間運(yùn)動。兩個直線伸縮驅(qū)動裝置是獨(dú)立驅(qū)動的，在兩個驅(qū)動裝置的共同作用下，驅(qū)動輸出軸運(yùn)動，屬于并聯(lián)差分機(jī)構(gòu)，具有以下的特點(diǎn):
[0030]I)由于本發(fā)明采用兩個直線伸縮驅(qū)動裝置作為輸入，減少了諧波減速器和齒輪系等零件，結(jié)構(gòu)件上也更簡單，降低了整個機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，符合輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
[0031]2)由于本發(fā)明采用雙執(zhí)行器協(xié)作的方式，具有雙電機(jī)驅(qū)動單方向運(yùn)動的特點(diǎn)，在同等規(guī)格下單軸的輸出能力更強(qiáng)，從而降低了電機(jī)功率，減少了仿人機(jī)器人的電源消耗，并提高了帶載能力。
[0032]3)本發(fā)明的腰部機(jī)構(gòu)除了中間的桿件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐外，還有兩個直線伸縮驅(qū)動裝置形成了空間的三角形結(jié)構(gòu)，提高了整個腰部機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了剛性和承載能力。
[0033]本發(fā)明采用兩直線伸縮驅(qū)動