五自由度并串聯仿生肩關節的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及人形機器人領域，特別是并串聯仿生肩關節。
【背景技術】
[0002]作為機器人技術領域最活躍的分支之一，人形機器人的發展水平是國家高科技綜合實力的重要標志。目前，以實現類人的一般性(機動、操作)功能為目標的研宄已經告一段落，今后，人形機器人的研宄將進入到全面仿生新階段，主要集中在結構仿生、功能仿生、外在特征和智能仿生。機械本體是構成人形機器人的基本框架，直接決定著人形機器人的性能，制約著未來人形機器人控制與智能化發展的潛力，是設計人形機器人的首要工作。而在人形機器人機械本體中，人形機器人的各個關節是最為關鍵的部分。現有各類人形機器人關節機構多為串聯構型，即兩個或三個單轉動副串聯、雙球鉸串聯等。串聯構型關節機構雖然具有無耦合，控制比較容易的特點，但是，也無法避免驅動能力低、剛度小等缺點。
[0003]由人體生理學可知，人體所有關節的運動均為肌肉群并聯驅動。因此，根據仿生原理和人體關節結構、運動特性，將并聯機構作為人形機器人關節的原型機構，從結構組成和功能原理上講，更加符合人體關節客觀實際，是實現人形機器人關節全面仿生的可行的研宄方向。
[0004]到目前為止，并聯機構在人形機器人肩關節中的應用還非常有限。公開號為CN102166754A的中國專利提出一種可用于人形機器人的三支鏈兩自由度肩關節機構，該并聯機構能實現二維轉動，此肩關節機構的實際運動特性并不符合人體肩關節的運動特性。公開號為CN203449323U的中國專利提出一種具有中心球面副的大工作空間球面并聯仿生肩關節，可以實現三維轉動運動。2005年，日本東京大學設計的3自由度仿生肩關節(theCybernetic Shoulder)，考慮了人體的肩胛骨支架對大臂運動的作用，但是，它的工作空間中心位于人體的側面，這與人體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是空閑的，而人體冠狀面前部大臂內收擺動超過90度的區域又無法實現。
[0005]現有的幾種人形機器人并聯仿生肩關節均為三個自由度，只是考慮到了肱骨相對于肩胛骨關節盂的三自由度運動，而實際上，人體肩關節的運動(肱骨相對于胸骨的運動)為五自由度運動。所以說，現有的人形機器人并聯仿生肩關節在結構形式、運動特性上仿生水平較低，與人體肩關節的功能特性有較大的差距。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種結構形式、運動特性與人體肩關節高度相似的五自由度并串聯仿生肩關節。
[0007]本發明主要是以人體肩關節的結構形式，運動特性為基準，將并聯機構引入到人形機器人關節中，從仿生學(結構仿生、運動仿生)角度出發，設計完成五自由度并串聯仿生肩關節。
[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]本發明包括:2_PUS+U 二自由度并聯機構、3-RRR三自由度球面并聯機構、具有大工作空間的球面鉸鏈和偏置輸出單元。
[0010]所述2-PUS+U 二自由度并聯機構包括仿生機架、中間動平臺、S型連桿、水平運動支鏈和豎直運動支鏈，其中，S型連桿的一端通過虎克鉸與仿生機架連接，其另一端與中間動平臺固連；水平運動支鏈和豎直運動支鏈結構相同，每條運動支鏈的直線導軌移動副與仿生機架固連，主動滑塊設在直線導軌移動副的絲杠上，該主動滑塊通過虎克鉸與從動桿的一端連接，該從動桿的另一端通過球面副與中間動平臺連接，直線導軌移動副為機構的驅動副，水平運動支鏈的直線導軌移動副與仿生機架水平連接，豎直運動支鏈的直線導軌移動副與仿生機架垂直連接；
[0011]所述3-RRR三自由度球面并聯機構包括上述中間動平臺、末端動平臺以及連接這兩個平臺的結構相同的三條轉動支鏈，三條轉動支鏈與中間動平臺和末端動平臺的連接點均呈三角形布置，在每條轉動支鏈中，下弧形連桿的一端通過轉動副與中間動平臺連接，該下弧形連桿的另一端通過轉動副與上弧形連桿的一端連接，該上弧形連桿的另一端通過轉動副與末端動平臺連接，這三條支鏈的9個轉動副的軸線匯交于空間一點(3-RRR三自由度球面并聯機構的轉動中心)，末端動平臺的中心處設有方形通孔；
[0012]所述具有大工作空間的球面鉸鏈包括支撐桿、雙耳支架、球頭、中空輸出桿、中間支承輥、U型撥叉及銷軸，其中，支撐桿的一端與上述中間動平臺固連，該支撐桿的軸線過中間動平臺中心點并且與中間動平臺垂直，該支撐桿的另一端與球頭在球心點對心固定；雙耳支架的中心位置設有圓柱型通孔，其軸線與支撐桿軸線重合，并過球頭球心，雙耳支架可繞支撐桿軸線轉動(上部軸向定位)；U型撥叉為半圓弧形桿，與上述雙耳支架兩端的支耳同寬，其兩端均通過銷軸與雙耳支架的支耳內側連接，U型撥叉可繞銷軸往復擺動，兩銷軸所在的公共軸線過球頭球心，且與支撐桿軸線垂直；中空輸出桿中間設有長方形通孔，該通孔軸線垂直于中空輸出桿軸線，所述中空輸出桿中間的長方形通孔內設有中間支承輥，該中間支承輥與中空輸出桿通過銷軸連接，該中間支承輥的軸線垂直于通孔軸線和中空輸出桿軸線，中空輸出桿可繞其自身軸線自由轉動；上述呈半圓弧形的U型撥叉穿過中空輸出桿中間的方形通孔，中間支承輥與U型撥叉的圓弧內表面接觸，并且兩者軸線平行實現反向滾動支撐；中空輸出桿通孔上部留有適當空間，當中空輸出桿擺動至極限位置時，恰好套在雙耳支架外側，使輸出桿擺動空間更大；上述中空輸出桿的一端穿過上述末端動平臺中心的方形通孔，該中空輸出桿的另一端與球窩固連，上述球頭置于活動球窩中，球心重合構成球面副，且球心與3-RRR三自由度球面并聯機構的轉動中心重合。
[0013]所述偏置輸出單元包括上述具有大工作空間的球面鉸鏈中的中空輸出桿和偏置輸出桿，上述中空輸出桿穿過末端動平臺的中心處的方形通孔與偏置輸出桿固連，中空輸出桿軸線與偏置輸出桿軸線相交，夾角為45度。
[0014]所述2-PUS+U 二自由度并聯機構中的水平運動支鏈的直線導軌水平布置，與仿生機架矢狀面的夾角為25度；豎直運動支鏈的直線導軌豎直布置，其對稱平面在仿生機架的冠狀面內。
[0015]結構仿生方面，仿生機架相當于人體軀干；S型連桿、中間動平臺相當于人體鎖骨、肩胛骨；具有大工作空間的球面鉸鏈、偏置輸出桿相當于人體肩關節的關節盂和肱骨；初始位姿時，球面鉸鏈支撐桿軸線的方位與人體肩關節關節盂球窩中性線的方位一致；偏置輸出單元可以增大機構的輸出空間、改變空間的形狀，使機構的工作空間完全覆蓋人體大臂的運動范圍。
[0016]運動仿生方面，在2-PUS+U 二自由度并聯機構的水平運動支鏈中，從動桿的左端與滑塊以虎克鉸連接，右端與中間動平臺以球面副連接，在電機的驅動下，絲杠帶動滑塊直線移動，實現中間動平臺的前后擺動，相當于人體肩胛骨的外展-內收運動。在2-PUS+U二自由度并聯機構中的豎直運動支鏈中，從動桿的下端與滑塊以虎克鉸連接，上端與中間動平臺以球面副連接，在電機的驅動下，絲杠帶動滑塊直線移動，實現中間動平臺的上下擺動，相當于人體肩胛骨的上提-下抑運動。兩條運動支鏈共同實現了人體背部肌肉、胸大肌和腹外斜肌的驅動功能。在中間動平臺(3-RRR三自由度球面并聯機構下平臺)上的三個電機的驅動下，球面鉸鏈的中空輸出桿跟隨末端動平臺(3-RRR三自由度球面并聯機構上平臺)實現三自由度轉動，3-RRR三自由度球面并聯機構的三支鏈實現了人體大臂肌肉群的驅動功能。
[0017]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0018]在結構、運動和功能上最大限度接近人體肩關節的實際狀態，并且