[发明专利]一种绳索远程驱动控制的仿人机器人

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器人科学领域，特别涉及一种绳索远程驱动控制的仿人机器人系统。

背景技术

仿生机器人是仿生学和机器人学的综合，它的研究集中了生物、机械、电子电气、传感器、控制技术和计算机等多门科学。人类肢体的运动仿生作为仿人机器人研究的一个重要内容，在现有的研究中极少考虑运动噪声问题，目前大部分仿人机器人肢体的多自由度的运动是通过嵌入电机驱动串联机构实现，每个电机单独负责一个自由度的运动，其结构简单且易于控制，然而缺点是其在运动过程中会引入很大的噪声。研究低运动噪声的仿人机器人是该科学领域进一步发展的本质需求，且具有重要的现实意义。例如为了研究如何提高具有复杂噪音的特殊现场情境下（生化试验、战争和诸如地震后的抢险救灾等）人们的通讯质量，使用的仿人机器人系统必须具有极低的运动噪声。

通过将发声元件安装在一个隔音箱中，通过绳索远程驱动机器人系统，可实现机器人的低噪声运动仿生。由于所设计机器人系统中采用柔性绳索进行远程驱动，其建模和仿生运动的控制实现具有一定的挑战性。

由于绳索只能产生单方向的拉力而不能产生推力，因此对于具有n个自由度的绳索驱动机器人一般至少需要n + 1根驱动绳索。Ming等最早将绳索驱动并联装置分为两大类。第一类称为完全约束的定位装置(CRPM)，这类系统驱动绳索的数目大于系统的自由度，可直接通过对绳索的控制保证系统的刚性。第二类称为非完全约束的定位装置(IRPM)，这类系统中驱动绳索的数目不大于系统的自由度，装置本身不能保证其刚性，需通过外力来保证所有驱动绳索的张紧状态，常用的外力为自然力重力和浮力，也有人为创造的脊柱支撑力。后来，人们又从CRPM中分离出冗余约束的定位装置(RRPM)，即对于n个系统自由度至少配备了n+2根驱动绳索的机器人系统，从而CRPM特指通过n+1绳索驱动n个自由度的绳索机器人系统。

针对实际应用已有大量的绳索驱动机器人问世。串联式绳索驱动机器人研究相对集中，主要在仿生手臂方面，Vishalini在其论文中调研了经典的绳索驱动仿人手指，国内北航和天大等单位对于绳索驱动的机器人手/臂的研究也取得了一定成果。相对于串联绳索驱动机器人，并联绳索驱动机器人的研究内容比较丰富，研究成果也较多。例如，早期的绳索驱动吊车RoboCrane，目前在体育赛事转播上大量使用的SkyCam，我国正在研制的超大射天望远镜 FAST500系统，高速机械手WARP等。绳索驱动并联机器人研究内容主要包括运动学和工作空间的分析、系统的动力学与控制问题和绳索的干涉问题等。

发明内容

本发明的目的是提供一种绳索驱动的低运动噪声仿人机器人，同时将对绳索驱动机器人技术有所拓展和促进。

    本发明的技术方案如下：一种绳索远程驱动控制的仿人机器人，包括躯干、左臂、右臂、腰部、底座、外部驱动器和计算机控制系统，其中：

外部驱动器与右臂、左臂、腰部、底座通过驱动绳索相连，外部驱动器与计算机控制系统之间通过数据线相连，右臂、左臂、腰部、底座装有角度传感器，这些角度传感器通过数据线与计算机控制系统相连；在绳索的驱动下，左臂和右臂可以分别作两个自由度的运动，腰部可以作三个自由度的运动，底座可以做三个自由度的运动。

右臂包括上臂、前臂、肘部转轴、绳索固定器、绳索固定管、扭簧、肘部驱动绳索、肩部转轴、肩部滑轮和肩部驱动绳索；前臂通过肘部转轴与上臂相连，上臂通过肩部转轴与机器人的躯干相连，前臂与上臂之间可绕肘部转轴转动，上臂与躯干之间可绕肩部转轴转动；绳索固定器固定在前臂的上方，绳索固定管固定在上臂的前方，肘部驱动绳索的一端与绳索固定器相连，另一端经过绳索固定管穿入线管中，并与外部驱动器相连；当外部驱动器拉紧肘部驱动绳索时，前臂绕肘部转轴向上转动，当移去外力作用时，在扭簧的作用下，前臂绕肘部转轴向反方向转动；肩部滑轮与肩部转轴相连，肩部驱动绳索挂在肩部滑轮上，两端分别与外部驱动器相连，当外部驱动器拉紧肩部驱动绳索时，可带动肩部滑轮转动；肩部滑轮通过肩部转轴从而带动机器人的上臂转动，通过控制肩部驱动绳索，可实现机器人上臂的前后摆动。