一種仿人機器人的上身實驗平臺的制作方法
【專利摘要】一種仿人機器人的上身實驗平臺，屬于機器人應用【技術領域】。主要用于機器人仿人運動的驗證。本發明充分考慮人體結構，提出了包括以下功能的仿人機器人實驗平臺：左右旋轉的腰部、上軀干和可調整寬度的肩部。腰部的左右旋轉直接通過步進電機驅動，結構簡單易于實現。以人體的運動捕捉系統的實現數據為基礎，提煉出腰部前后俯仰角度和胸椎彎曲角度的關系，并通過一套齒輪組實現腰部旋轉角度和胸椎彎曲角度的特定關系。這樣，使本發明更加接近人體結構，能夠更加準確的驗證人的運動狀態。同時在腰部前后俯仰軸和胸椎彎曲軸上設置了適合本發明的阻尼系統，降低了驅動電機的負載。本發明的肩寬是可調節的，大大提高了對不同肩寬的人的適用性。
【專利說明】一種仿人機器人的上身實驗平臺
【技術領域】
[0001]本發明屬于仿人機器人領域，涉及一種從腰部到肩部的仿人機器人實驗平臺，主要用于機器人仿人運動的驗證，包括從腰部結構到肩部結構，其特征是:具有三個自由度，包括腰部的左右旋轉；腰部的前后俯仰，其中腰部的前后俯仰與胸部的小幅度向前彎曲通過一套特制傳動系統關聯，保證特定的傳動比；肩部寬度是可調整的。
技術背景
[0002]在機器人領域，人機交互和人機協同是未來的發展方向。人機交互與人際協同過程中要求機器人的行為能夠被人預知，且其行為動作不會讓人產生壓抑恐懼的不舒適感，此外，也需要機器人的工作行為與人相仿。腰部到頸部是人體的重要組成部分，它承受著機械臂的質量，大多數仿人機器人需要克服其平衡問題，所以大多沒有腰部，例如日本的ASIM0，韓國的KHR-3只有腰部的一個偏轉。此外，現有仿人機械人從腰部到頸部之間為剛性連接，不能彎曲，與現在的仿人機器人的理論研究有一定偏差，不能實現仿人機器人的理論驗證。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是充分考慮人體結構，提出一種用于驗證仿人機器人理論研究的實驗平臺。
[0004]本發明的仿人機器人上身實驗平臺包括左右旋轉的腰部、上軀干和可調整寬度的肩部。為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0005]腰部通過腰部底板與上軀干底端固定相連，上軀干頂端通過肩部底板與肩部固定連接。
[0006]腰部具有左右旋轉功能。腰部左右旋轉結構包括第二電機、聯軸器、腰部旋轉軸、旋轉支架和推力軸承。旋轉支架分為上下兩層，中間用立柱支撐。第二電機固定于旋轉支架的下層中心位置，旋轉支架上層設置推力軸承，并第二電機置于中心軸線。推力軸承上圈嵌于腰部底板，與腰部旋轉軸過盈配合，推力軸承下圈嵌于旋轉支架，與腰部旋轉軸間隙配合，這樣推力軸承承擔來自腰部以上所有結構的重量。腰部旋轉軸與第二電機通過聯軸器連接。旋轉支架固定，第二電機旋轉即可帶動上軀干左右旋轉，即實現腰部的左右轉動。
[0007]上軀干底部可向前俯仰，上軀干上部可向前彎曲，兩處旋轉的角度具有特定關系。
[0008]上軀干結構包括:上軀干支架、第一橫板和第二橫板成井字型連接，構成上軀干下部框架，由上軀干下部框架的底端與腰俯仰軸連接，使上軀干下部框架可以繞腰俯仰軸轉動。上軀干框架頂端與胸椎軸支架固定連接，胸椎軸支架支撐胸椎軸，胸椎軸與胸椎框架連接，胸椎框架可以繞胸椎軸自由轉動。
[0009]上軀干底部可以實現向前的俯仰，由第一電機提供動力，通過一對齒輪實現上軀干的向前俯仰。由于上軀干需要支撐較大的重量且具有自重，在腰部俯仰軸處設置了腰彈簧阻尼系統。腰彈簧阻尼系統由腰阻尼連桿、腰阻尼滑塊、腰阻尼彈簧和腰阻尼滑軌構成。腰阻尼滑軌與腰部底板固定連接，腰阻尼彈簧一端與腰阻尼滑塊連接，一端與腰阻尼滑軌連接，并套在腰阻尼滑軌上，腰阻尼連桿一端與腰阻尼滑塊鉸接，一端與上軀干支架鉸接。由彈簧提供一部分上軀干向前彎曲時的阻力和上軀干恢復直立時的回復力，以減輕驅動電機的負載。
[0010]上軀干的上部可以實現向前的彎曲，即胸椎的向前彎曲。由于上軀干上部和肩部重量較大，使得第一電機的負載過大，因此，設置一套應用曲柄滑塊原理的彈簧阻尼系統，即胸椎彈簧阻尼系統。胸椎彈簧阻尼系統由胸椎阻尼連桿、胸椎阻尼滑塊、胸椎阻尼彈簧和胸椎阻尼滑軌構成。胸椎阻尼滑軌置于上軀干支架外側，胸椎阻尼彈簧一端與胸椎阻尼滑塊連接，一端與胸椎阻尼滑軌連接，并套在胸椎阻尼滑軌上，胸椎阻尼連桿一端與胸椎阻尼滑塊鉸接，一端與胸椎框架鉸接。由彈簧提供上軀干上部向前俯仰時的阻尼。
[0011]胸椎的向前彎曲角度與上軀干下部的俯仰角度相互耦合，具體的傳動比通過人體運動捕捉實驗確定為:
[0012]Θ J = 6.Θ 2
[0013]其中，Q1為胸椎的彎曲角度，θ2為上軀干上部的俯仰角度。這種特定的耦合角度通過齒輪組傳遞，腰俯仰軸的旋轉通過第二下錐齒輪和第二上錐齒輪傳遞到第二豎軸，第二豎軸通過第一小直齒輪和第一大直齒輪帶動第一豎軸，第一豎軸通過第一下錐齒輪和第一上錐齒輪帶動胸椎軸，從而實現上軀干上部向前的小幅度彎曲。
[0014]肩部可以調整寬度，以適應不同肩寬的人。肩部所有結構全部放在肩部底板上，滑軌由肩部的滑軌支架支撐，置于肩部底板，左肩和右肩分別與滑塊固連，左肩和右肩各在一側帶有調整塊，調整塊上有螺紋孔，在肩部底板中間位置設置調整支架，調整支架兩側也具有螺紋孔，螺紋孔位置與調整塊上的螺紋孔同軸線，調整螺栓貫穿調整塊和調整支架。通過手動旋轉調整螺栓，帶動滑塊沿滑軌自由移動，達到調整肩寬的目的。
[0015]本發明通過充分考慮人體結構，實現了一種仿人機器人的上身實驗平臺，包括腰部、上軀干和肩部三部分。通過電機直接驅動腰部的左右旋轉，簡化了腰部的復雜程度；以人體運動捕捉系統的實驗數據為基礎，提煉出腰部前后俯仰角度和胸椎彎曲角度的關系，通過一套齒輪組實現腰部旋轉角度和胸椎彎曲角度的耦合，在腰部俯仰軸和胸椎軸上設置了適合本發明的阻尼系統，降低了驅動電機的負載，使電機的選型更加豐富，進一步降低了成本；通過滑軌、滑塊和調整模塊實現了肩寬的可調，大大提高了本發明對于不同肩寬的人的適用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明整體軸測圖；
[0017]圖2為本發明腰部剖視圖；
[0018]圖3為本發明上軀干軸測圖；
[0019]圖4為本發明肩部軸測圖；
[0020]圖中:1、肩部滑塊，2、肩部滑軌，3、肩部滑軌支架，4、左肩，5、左肩調整螺栓，6、調整支架，7、第一下錐齒輪，8、肩部底板，9、右肩，10、右肩調整螺栓，11、胸椎阻尼軸，12、胸椎框架，13、胸椎軸，14、胸椎軸支架，15、胸椎阻尼連桿，16、胸椎阻尼滑塊，17、胸椎阻尼彈簧，18、橫板連接塊，19、胸椎阻尼滑軌，20、上軀干支架，21、第二豎軸，22、腰俯仰軸支架，23、腰阻尼連桿，24、腰阻尼滑塊，25、腰阻尼彈簧，26、腰阻尼滑軌，27、腰部底板，28、腰俯仰軸，29、第二下錐齒輪,30、第二上錐齒輪,31、第一電機,32、第二前直齒輪,33、第二后直齒輪，34、第二橫板,35、第一小直齒輪,36、第一大直齒輪,37、第一豎軸,38、第一橫板,39、第一上錐齒輪，40、第二電機，41、聯軸器，42、腰部旋轉軸，43、旋轉支架，44、推力軸承。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明的進行詳細說明。
[0022]參照附圖，本發明的結構包括腰部、上軀干和肩部三部分。
[0023]腰部結構如圖2所示，由第二電機40、聯軸器41、腰部旋轉軸42、旋轉支架43和推力軸承44構成。旋轉支架43分為上下兩層，中間用立柱支撐。第二電機40固定于旋轉支架43的下層中心位置，旋轉支架43上層設置推力軸承44，并第二電機40置于中心軸線。推力軸承44上圈嵌于腰部底板27，與腰部旋轉軸42過盈配合，推力軸承44下圈嵌于旋轉支架43，與腰部旋轉軸42間隙配合，這樣推力軸承44承擔來自腰部以上所有結構的重量。腰部旋轉軸42與第二電機40通過聯軸器41連接。旋轉支架43固定，第二電機40旋轉即可帶動上軀干左右旋轉，即實現腰部的左右轉動。
[0024]上軀干如圖3所示，實現的功能分為兩部分:上軀干的前后俯仰和胸椎的向前彎曲，且上軀干的前后俯仰的角度和胸椎向前彎曲的角度相互耦合，成一定比例關系。腰俯仰軸28由腰俯仰軸支架22兩端支撐安裝于腰部底板27，上軀干支架20、第一橫板38和第二橫板34成井字型連接，構成上軀干下部框架。
[0025]上軀干下部框架的底端與腰俯仰軸28連接，上軀干下部框架可以繞腰俯仰軸28轉動。上軀干下部框架繞腰俯仰軸28轉動過程中，由于上軀干質量產生過大的力矩，使驅動電機的負載過大，分別在腰俯仰軸28兩側設置了腰彈簧阻尼系統，腰彈簧阻尼系統由腰阻尼連桿23、腰阻尼滑塊24、腰阻尼彈簧25和腰阻尼滑軌26構成，腰阻尼滑軌26與腰部底板27固定連接，腰阻尼彈簧25 —端與腰阻尼滑塊24連接，一端與腰阻尼滑軌26連接，并套在腰阻尼滑軌26上，腰阻尼連桿23 —端與腰阻尼滑塊24鉸接，一端與上軀干支架20鉸接。當上軀干向前俯仰時，滑塊前移擠壓彈簧，彈簧提供阻力，減輕驅動電機的負載。
[0026]上軀干框架頂端與胸椎軸支架14固定連接，胸椎軸支架14支撐胸椎軸13，胸椎軸13與胸椎框架12連接，胸椎框架12可以繞胸椎軸13自由轉動。胸椎框架12及其以上結構在轉動過程中，同樣對驅動電機產生較大負載，所以在胸椎軸13兩端分別設置了胸椎彈簧阻尼系統，胸椎彈簧阻尼系統由胸椎阻尼連桿15、胸椎阻尼滑塊16、胸椎阻尼彈簧17和胸椎阻尼滑軌19構成，胸椎阻尼滑軌19置于上軀干支架20外側，胸椎阻尼彈簧17 —端與胸椎阻尼滑塊16連接，一端與胸椎阻尼滑軌19連接，并套在胸椎阻尼滑軌19上，胸椎阻尼連桿15 —端與胸椎阻尼滑塊16鉸接，一端與胸椎框架12鉸接。當胸椎框架及其以上結構向前俯仰時，滑塊下移擠壓彈簧，彈簧提供阻力，減輕驅動電機的負載。
[0027]腰部向前俯仰角度和胸椎彎曲角度的耦合通過一套齒輪組實現。第二前直齒輪32安裝于電機軸，第二后直齒輪33與第二下錐齒輪29同軸安裝于腰俯仰軸28，第二上錐齒輪30與第一小直齒輪35同軸安裝于第二豎軸21,第二豎軸21通過第一橫板38和第二橫板34固定，第一大直齒輪36與第一下錐齒輪7同軸安裝于第一豎軸37，第一豎軸37通過第一橫板38和第二橫板34固定,第一上錐齒輪39安裝于胸椎軸13。動力由第一電機31輸出，第二前直齒輪32與第二后直齒輪33嚙合，帶動同軸的第二下錐齒輪29，第二下錐齒輪29與第二上錐齒輪30嚙合，帶動同軸的第一小直齒輪35，第一小直齒輪35與第一大直齒輪36嚙合，帶動同軸的第一下錐齒輪7，第一下錐齒輪7與第一上錐齒輪39嚙合，帶動胸椎軸13轉動，實現腰部旋轉角度和胸椎彎曲角度的耦合。其中第二前直齒輪32與第二后直齒輪33傳動比為1:1,第二下錐齒輪29與第二上錐齒輪的傳動比為2:3,第一小直齒輪35與第一大直齒輪36的傳動比為1:3,第一下錐齒輪7與第一上錐齒輪39的傳動比為3:4。
[0028]肩部如圖4所示。肩部所有結構全部置于肩部底板8之上，在肩部底板8兩邊分別設置肩部滑軌支架3，肩部滑軌支架3外側與肩部底板8側面對齊固定。肩部滑軌2由肩部滑軌支架3支撐，由緊定螺釘固定，與底板8中間對齊。調整支架6橫跨肩部滑軌2，并與肩部底板8固連。肩部滑塊I內有直線軸承，套于肩部滑軌2上。肩部滑塊I共有四個，左側兩個與左肩4相連，右側兩個與右肩9相連，每側的兩個肩部滑塊I置于肩部滑軌支架兩偵牝其中左肩中間和右肩中間的調整塊上的螺紋孔與調整支架上的螺紋孔同軸心。肩部調整螺栓5旋入左肩中間調整塊的螺紋孔并穿過肩部調整支架6的螺紋孔，右肩同理。通過肩部調整螺栓5的旋入和旋出調節肩寬。
【權利要求】
1.一種用于機器人仿人運動的仿人機器人的上身實驗平臺，其特征在于:由腰部、上軀干和肩部三部分構成。其中:腰部通過腰部底板與上軀干底端固定相連，上軀干頂端通過肩部底板與肩部固定連接； 腰部具有左右旋轉功能。腰部左右旋轉結構包括第二電機(40)、聯軸器(41)、腰部旋轉軸(42)、旋轉支架(43)和推力軸承。旋轉支架(43)分為上下兩層，中間用立柱支撐。第二電機(40)固定于旋轉支架(43)的下層中心位置，旋轉支架(43)上層設置推力軸承，第二電機(40)置于旋轉支架(43)的中心軸線上；推力軸承上圈嵌于腰部底板，與腰部旋轉軸(42)過盈配合，推力軸承下圈嵌于旋轉支架(43)，與腰部旋轉軸(42)間隙配合，這樣推力軸承承擔來自腰部以上所有結構的重量。腰部旋轉軸(42)與第二電機(40)通過聯軸器(41)連接；旋轉支架(43)固定，第二電機(40)旋轉即可帶動上軀干左右旋轉，即實現腰部的左右轉動； 所述上軀干結構包括: 上軀干支架(20)、第一橫板(38)和第二橫板(34)成井字型連接，構成上軀干下部框架。上軀干下部框架的底端與腰俯仰軸(28)連接，使上軀干下部框架可以繞腰俯仰軸(28)轉動。上軀干框架頂端與胸椎軸支架(14)固定連接，胸椎軸支架(14)支撐胸椎軸(13)，胸椎軸(13)與胸椎框架(12)連接；胸椎框架(12)可以繞胸椎軸(13)自由轉動； 腰彈簧阻尼系統由腰阻尼連桿(23)、腰阻尼滑塊(24)、腰阻尼彈簧(25)和腰阻尼滑軌(26)構成。腰阻尼滑軌(26)與腰部底板(27)固定連接，腰阻尼彈簧(25) —端與腰阻尼滑塊(24)連接，一端與腰阻尼滑軌(26)連接，并套在腰阻尼滑軌(26)上，腰阻尼連桿(23)一端與腰阻尼滑塊(24)鉸接，一端與上軀干支架(20)鉸接； 胸椎彈簧阻尼系統由胸椎阻尼連桿(15)、胸椎阻尼滑塊(16)、胸椎阻尼彈簧(17)和胸椎阻尼滑軌(19)構成。胸椎阻尼滑軌(19)置于上軀干支架(20)外側，胸椎阻尼彈簧(17)一端與胸椎阻尼滑塊(16)連接，一端與胸椎阻尼滑軌(19)連接，并套在胸椎阻尼滑軌(19)上，胸椎阻尼連桿(15) —端與胸椎阻尼滑塊(16)鉸接，一端與胸椎框架(12)鉸接；在上軀干向前俯仰時，上軀干下部的俯仰角度與胸椎的彎曲角度相互耦合；
θ I = 6.θ 2 其中，Q1為胸椎的彎曲角度，θ2為上軀干上部的俯仰角度；腰部向前俯仰角度和胸椎彎曲角度的耦合通過一套齒輪組實現。腰俯仰軸(28)的旋轉通過第二下錐齒輪(29)和第二上錐齒輪(30)傳遞到第二豎軸(21)，第二豎軸(21)通過第一小直齒輪(35)和第一大直齒輪(36)帶動第一豎軸(37)，第一豎軸(37)通過第一下錐齒輪(7)和第一上錐齒輪(39)帶動胸椎軸(13)，從而實現上軀干上部向前的的小幅度彎曲。其中第二前直齒輪(32)與第二后直齒輪(33)傳動比為1:1,第二下錐齒輪(29)與第二上錐齒輪的傳動比為2:3,第一小直齒輪(35)與第一大直齒輪(36)的傳動比為1:3,第一下錐齒輪(7)與第一上錐齒輪(39)的傳動比為3:4 ； 所述肩部結構，包括肩部滑軌、肩部滑塊和調整模塊，肩部所有結構全部置于肩部底板(8)之上，在肩部底板(8)兩側分別設置肩部滑軌支架(3)支撐并固定肩部滑軌(2)，調整支架(6)橫跨肩部滑軌(2)，與肩部底板(8)固連。肩部滑塊(I)內有直線軸承，套于肩部滑軌⑵上；肩部滑塊⑴共有四個，左側兩個與左肩⑷相連，右側兩個與右肩(9)相連，每側的兩個肩部滑塊(I)置于肩部滑軌支架兩側。肩部調整螺栓(5)貫穿肩部的中間調整塊并穿過肩部調整支架(6);肩部滑塊分別與左肩和右肩相連，肩部調整螺栓(5)貫穿肩部的左肩和右肩的調整塊，并與肩部調整支架螺紋連接。
【文檔編號】G01M99/00GK104390796SQ201410527721
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】郭興偉, 趙京 申請人:北京工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
