[发明专利]具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联人形 机器人仿生髋关节，属于机构学或人形机器人领域。

背景技术

目前，在全世界范围内，人们已经开发出大量的各种人形机器人：如 日本早稻田大学的WABIAN-R系列、日本本田发动机公司P3、日本索尼公 司的娱乐型机器人SDR-4X、北京理工大学BHR-I、美国麻省理工学院人工 智能实验室研制的COG、欧洲的Chalmers大学的Elvis、德国Karlsruhe大 学的ARMAR、西澳大利亚大学和简单低成本两足机器人Jack、德国慕尼 黑技术大学的Johnnie等等。

考察现有的人形机器人发现，其本体构型几乎都是串联的构型。即机 器人多自由关节为多个单转动副串联构成。

这种串联构型在控制上比较容易实现，而且结构简单，但存在着严重 缺陷：下级驱动器的重量成了上级驱动器的负载，从而降低了驱动能力； 对多转动副组合关节如肩、髋关节，其运动功能只在3个特定的方向(驱动 器轴线)与人相当，而在其余方向上出现明显分解动作，其灵活性、准确性 及稳定性，与人有较大差距；多转动副串联关节占用空间尺寸较大而且刚度 小；肢体功能不完全，对合理补偿运动、调节机器人平衡、完成姿态变换及 保证机器人的操作稳定等功能均不理想。

法国Ramzi Sellaouti，B.Mohamed等人，提出了一种并联关节机构图 13所示。被用于人形机器人ROBIAN的髋关节。实现了三自由度转动，但该 机构工作空间小、结构过于复杂。

国内外现有仿人形机器人的构型主要为单一的串联形式，有限的几种 并联关节结构复杂、性能、技术指标不理想，在形式和功能上仿生水平较 低，与人的实际要求有较大的差距，不能完全满足实际需要。

发明内容

为了克服现有的人形机器人髋关节存在的不足，本发明提供一种具有偏 置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节，该发明结构简单、紧 凑，驱动器并联设置在机体上，减轻了肢体负荷，提高了肢体驱动能力和 操作能力，并使肢体的运动更加快速、灵活和平滑连续。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：以人体关节构型为基准， 从结构仿生、运动仿生和功能仿生角度出发，以主动3自由度球面并联机构代 替人体髋关节，以三个支链实现人腿肌肉群的驱动功能；植入中心球面副支撑 在机构的动、静平台之间，相当于人体的股骨头与髋臼窝构成髋关节，同时， 起到卸载和提高刚度的作用；机构的输出采用偏置方式代表人体的股骨腿杆， 以增大机构的输出空间和改变空间的形状。选择确定机构在人体中的位置、姿 态，使其输出空间的形状、位置完全覆盖人股骨腿杆的实际运动范围。

人体的髋关节是典型的球面副结构，以3自由度球面并联机构3-RRR (或3-RRS、2-RRR+RRS)为髋关节原型机构，3个输入驱动通过3个支 链共同驱动动平台实现3个自由度转动，3个支链的共同驱动作用取代人腿 的肌肉群，动平台中心处引出输出杆相当于人的腿杆见图8。