[发明专利]一种仿人机器人的上身实验平台

说明书

技术领域

本发明属于仿人机器人领域，涉及一种从腰部到肩部的仿人机器人实验平台，主要用于机器人仿人运动的验证，包括从腰部结构到肩部结构，其特征是：具有三个自由度，包括腰部的左右旋转；腰部的前后俯仰，其中腰部的前后俯仰与胸部的小幅度向前弯曲通过一套特制传动系统关联，保证特定的传动比；肩部宽度是可调整的。

技术背景

在机器人领域，人机交互和人机协同是未来的发展方向。人机交互与人际协同过程中要求机器人的行为能够被人预知，且其行为动作不会让人产生压抑恐惧的不舒适感，此外，也需要机器人的工作行为与人相仿。腰部到颈部是人体的重要组成部分，它承受着机械臂的质量，大多数仿人机器人需要克服其平衡问题，所以大多没有腰部，例如日本的ASIMO，韩国的KHR-3只有腰部的一个偏转。此外，现有仿人机械人从腰部到颈部之间为刚性连接，不能弯曲，与现在的仿人机器人的理论研究有一定偏差，不能实现仿人机器人的理论验证。

发明内容

本发明的目的是充分考虑人体结构，提出一种用于验证仿人机器人理论研究的实验平台。

本发明的仿人机器人上身实验平台包括左右旋转的腰部、上躯干和可调整宽度的肩部。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

腰部通过腰部底板与上躯干底端固定相连，上躯干顶端通过肩部底板与肩部固定连接。

腰部具有左右旋转功能。腰部左右旋转结构包括第二电机、联轴器、腰部旋转轴、旋转支架和推力轴承。旋转支架分为上下两层，中间用立柱支撑。第二电机固定于旋转支架的下层中心位置，旋转支架上层设置推力轴承，并第二电机置于中心轴线。推力轴承上圈嵌于腰部底板，与腰部旋转轴过盈配合，推力轴承下圈嵌于旋转支架，与腰部旋转轴间隙配合，这样推力轴承承担来自腰部以上所有结构的重量。腰部旋转轴与第二电机通过联轴器连接。旋转支架固定，第二电机旋转即可带动上躯干左右旋转，即实现腰部的左右转动。

上躯干底部可向前俯仰，上躯干上部可向前弯曲，两处旋转的角度具有特定关系。

上躯干结构包括：上躯干支架、第一横板和第二横板成井字型连接，构成上躯干下部框架，由上躯干下部框架的底端与腰俯仰轴连接，使上躯干下部框架可以绕腰俯仰轴转动。上躯干框架顶端与胸椎轴支架固定连接，胸椎轴支架支撑胸椎轴，胸椎轴与胸椎框架连接，胸椎框架可以绕胸椎轴自由转动。

上躯干底部可以实现向前的俯仰，由第一电机提供动力，通过一对齿轮实现上躯干的向前俯仰。由于上躯干需要支撑较大的重量且具有自重，在腰部俯仰轴处设置了腰弹簧阻尼系统。腰弹簧阻尼系统由腰阻尼连杆、腰阻尼滑块、腰阻尼弹簧和腰阻尼滑轨构成。腰阻尼滑轨与腰部底板固定连接，腰阻尼弹簧一端与腰阻尼滑块连接，一端与腰阻尼滑轨连接，并套在腰阻尼滑轨上，腰阻尼连杆一端与腰阻尼滑块铰接，一端与上躯干支架铰接。由弹簧提供一部分上躯干向前弯曲时的阻力和上躯干恢复直立时的回复力，以减轻驱动电机的负载。

上躯干的上部可以实现向前的弯曲，即胸椎的向前弯曲。由于上躯干上部和肩部重量较大，使得第一电机的负载过大，因此，设置一套应用曲柄滑块原理的弹簧阻尼系统，即胸椎弹簧阻尼系统。胸椎弹簧阻尼系统由胸椎阻尼连杆、胸椎阻尼滑块、胸椎阻尼弹簧和胸椎阻尼滑轨构成。胸椎阻尼滑轨置于上躯干支架外侧，胸椎阻尼弹簧一端与胸椎阻尼滑块连接，一端与胸椎阻尼滑轨连接，并套在胸椎阻尼滑轨上，胸椎阻尼连杆一端与胸椎阻尼滑块铰接，一端与胸椎框架铰接。由弹簧提供上躯干上部向前俯仰时的阻尼。

胸椎的向前弯曲角度与上躯干下部的俯仰角度相互耦合，具体的传动比通过人体运动捕捉实验确定为：

θ₁＝6·θ₂

其中，θ₁为胸椎的弯曲角度，θ₂为上躯干上部的俯仰角度。这种特定的耦合角度通过齿轮组传递，腰俯仰轴的旋转通过第二下锥齿轮和第二上锥齿轮传递到第二竖轴，第二竖轴通过第一小直齿轮和第一大直齿轮带动第一竖轴，第一竖轴通过第一下锥齿轮和第一上锥齿轮带动胸椎轴，从而实现上躯干上部向前的小幅度弯曲。

肩部可以调整宽度，以适应不同肩宽的人。肩部所有结构全部放在肩部底板上，滑轨由肩部的滑轨支架支撑，置于肩部底板，左肩和右肩分别与滑块固连，左肩和右肩各在一侧带有调整块，调整块上有螺纹孔，在肩部底板中间位置设置调整支架，调整支架两侧也具有螺纹孔，螺纹孔位置与调整块上的螺纹孔同轴线，调整螺栓贯穿调整块和调整支架。通过手动旋转调整螺栓，带动滑块沿滑轨自由移动，达到调整肩宽的目的。