[發(fā)明專利]具有偏置輸出的3自由度球面并聯(lián)仿生肩關(guān)節(jié)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810055021.8
• 申請日: 2008-05-29
• 公開（公告）號: CN101301755A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周玉林;高峰
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00
• 代理公司: 秦皇島市維信專利事務(wù)所
• 代理人: 鄂長林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有偏置輸出的3自由度球面并聯(lián)仿生肩關(guān)節(jié)，屬于機(jī)構(gòu)學(xué)或人形機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，人們已經(jīng)開發(fā)出大量的各種人形機(jī)器人：如日本早稻田大學(xué)的WABIAN-R系列、日本本田發(fā)動機(jī)公司P系列、日本索尼公司的娛樂型機(jī)器人SDR-4X、美國麻省理工學(xué)院人工智能實驗室研制的COG、歐洲的Chalmers大學(xué)的Elvis、德國Karlsruhe大學(xué)的ARMAR、德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)的Johnnie、西澳大利亞大學(xué)和簡單低成本兩足機(jī)器人Jack、法國的人形機(jī)器人ROBIAN、北京理工大學(xué)BHR-I等等。

考察現(xiàn)有的人形機(jī)器人后發(fā)現(xiàn)，除個別例如ROBIAN外，其本體構(gòu)型幾乎都是串聯(lián)的構(gòu)型。即機(jī)器人多自由關(guān)節(jié)為多個單轉(zhuǎn)動副串聯(lián)構(gòu)成。

串聯(lián)構(gòu)型在控制上比較容易實現(xiàn)，而且結(jié)構(gòu)簡單，但存在著嚴(yán)重缺陷：下級驅(qū)動器的重量成了上級驅(qū)動器的負(fù)載，從而降低了驅(qū)動能力；對多轉(zhuǎn)動副組合的關(guān)節(jié)如肩、髖關(guān)節(jié)，其運動功能只在3個特定的方向(驅(qū)動器軸線)與人相當(dāng)，而在其余方向上出現(xiàn)明顯分解動作，其靈活性、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，與人有相當(dāng)大差距；多轉(zhuǎn)動副串聯(lián)關(guān)節(jié)占用空間尺寸較大而且剛度小；肢體功能不完全，對合理補(bǔ)償運動、調(diào)節(jié)機(jī)器人平衡，完成姿態(tài)變換及保證機(jī)器人的操作穩(wěn)定等功能均不理想。

日本東京大學(xué)Masafumi?OKADA、Yoshihiko?NAKAMURA等人設(shè)計的3自由度仿生肩關(guān)節(jié)(the?Cybernetic?Shoulder)，如圖11所示。它考慮了人體的肩甲骨支架對大臂運動的作用，它不屬于球面機(jī)構(gòu)或并聯(lián)機(jī)構(gòu)，大臂工作空間較大接近半球，但是，它的工作空間中心位于人體的側(cè)面，這與人的大臂運動的實際情況不符，其中位于人體冠狀面后部的近一半工作空間的是空閑、而人體冠狀面前部大臂內(nèi)收擺動超過90度的區(qū)域又無法實現(xiàn)。肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作空間與人的大臂運動空間對應(yīng)區(qū)域錯位。

由于國內(nèi)外現(xiàn)有仿人形機(jī)器人的構(gòu)型類型主要為單一的串聯(lián)形式，有限的幾種并聯(lián)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能、技術(shù)指標(biāo)不理想，在形式和功能上仿生水平較低，與人的實際要求有較大的差距，不能完全滿足實際需要。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有人形機(jī)器人仿生肩關(guān)節(jié)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種具有偏置輸出的3自由度球面并聯(lián)仿生肩關(guān)節(jié)，該肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、驅(qū)動器并聯(lián)設(shè)置在機(jī)體上，減輕了肢體負(fù)荷，提高了肢體驅(qū)動能力。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：將并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入到人形機(jī)器人關(guān)節(jié)中，提出了具有中心球面鉸鏈的、偏置輸出的3自由度球面并聯(lián)仿生肩關(guān)節(jié)。

從仿生學(xué)角度，即以人體的構(gòu)型為基準(zhǔn)，從結(jié)構(gòu)仿生、運動仿生、功能仿生出發(fā)，以主動3自由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為人體肩關(guān)節(jié)原型機(jī)構(gòu)，其三支鏈實現(xiàn)人的大臂肌肉群的驅(qū)動功能；引入中心球面副支撐在機(jī)構(gòu)的動、靜平臺之間，相當(dāng)于人體的肱骨頭與關(guān)節(jié)盂的作用，同時，起到卸載、提高靜剛度的作用；機(jī)構(gòu)的輸出采用偏置方式代表人體的肱骨體，以增大機(jī)構(gòu)的輸出空間、改變空間的形狀。選擇確定機(jī)構(gòu)在人體中的位置、姿態(tài)使輸出空間的形狀、位置覆蓋人大臂的實際運動范圍。

用3自由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)3-RRR(或3-RRS、2-RRR+RRS)代替人體的肩關(guān)節(jié)(見圖10)。三個輸入驅(qū)動器通過三個支鏈共同驅(qū)動動平臺實現(xiàn)3個自由度轉(zhuǎn)動，其作用相當(dāng)于人大臂的肌肉群功能，動平臺中心處引出輸出桿相當(dāng)于人的肱骨體。