[发明专利]基于并联机构的机器人构件、优化设计方法及机器人

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人构件、优化设计的方法及其包含该机器人构件的机器人，特别是涉及一种基于并联机构的机器人构件、该机器人构件的优化设计方法以及采用该构件的并联机构机器人。

背景技术

随着科学技术的不断发展，机器人已经逐渐成为机器人研究领域的重点，难点和热点。在机器人平台上开展的科学研究种类也趋于多样性，其中最基本也是最重要的当属机器人的步态规划和运动控制。由于串联机构在机构学和实际应用中都是一种的成熟的理论，其正逆运动学运算，动力学分析方法，由于串联机构的运动过程中不同构件之间的耦合性小，奇异分析容易，运动空间计算方便，因此现在的机器人基本上都是采用串联机构来组成机器人的各个部分。在串联机器人实际应用反面，日本HONDA公司经过多年研究，不断更新换代，最终推出了机器人ASIMO。该机器人全身采用串联机构形式，包括头、体和四肢三大部分。其中头具有2DOF，手臂具有5DOF，条腿包含6个DOF，由于采用了新的步态规划方法，其运动更加灵活，可以完成行走，转弯已经上下楼梯等动作，比较灵活的模仿人的行走步伐，人体各个部分的运动形式。日本的索尼公司研制的SDR系列机器人以娱乐为目的，目前已经开发处SDR-3X、SDR-4X机器人该机器人结构和ASIMO相似，叶是有头、体和四肢组成，知识头部具有4DOF。日本的早稻田大学、东京大学等研制的人形机器也都采用了类似的结构。国内的一些单位，如国防科大、哈尔滨工业大学和清华大学，研制的机器人也采用了串联机构。

由于串联机构只能实现平面运动形式，如果完成空间的运动输出，必须搭配各个构件之间的运动形式才能够实现，而且串联机构运动形式单一，比如平面四杆机构的运动输出形式只有十四种，这些运动形式均为平面的一些不相互联系的点或者线，不能实现空间的运动输出，且这些运动形式中排除奇异点的影响，可能使机器人的运动输出成为一些孤单的点。串联机构运动过程的稳定性由各个构件串联结果组成，是误差的叠加组成，必然对机器人运动过程的稳定性产生影响，更增加了设计的难度与运动时控制的难度。现在出现的机器人一般采用单开链机构，其运动的稳定性更增加了控制的难度，且其运动的输出对电机的依赖性很大。

并联机构是一种利用构件的耦合来完成运动的构件组成形式，不仅承载量大，结构紧凑，运动过程稳定，而且输出运动空间为面或者体，这就为各个应用场合提供的丰富的选择。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中机器人运动空间有限、控制复杂和稳定性差的缺陷，提供一种基于并联机构的机器人构件、优化设计方法及其机器人。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种基于并联机构的机器人构件，其特点在于，其至少包括两个并联机构，相邻的并联机构间用输出转换器连接，每个并联机构都具有一静平台和一相对该静平台运动的动平台，其中一个并联机构的静平台活动连接若干电机。

其中，该静平台和动平台均包括若干连接杆和运动副。

其中，该运动副和电机为轴套连接，皮带连接或齿轮连接。

其中，该输出转换器为球面副。

其中，该并联机构的动平台作为输出部件。

一种并联机构机器人，其特点在于，该并联机构机器人采用上述的基于并联机构的机器人构件。

其中，该并联机构机器人的头部，胸部，上臂，小臂，大腿，小腿，手以及足均采用并联机构作为执行部件。

其中，该并联机构机器人的头部与胸部，胸部与上臂，上臂与小臂，小臂与手，胸部与大腿，大腿与小腿以及小腿与足部均采用球面副连接。

一种基于并联机构的机器人构件的优化分析方法，其特点在于，其包括如下步骤：

逆运动学分析，对初选并联机构进行优化分析；

正运动学分析，对上述步骤中的分析结果进行验证和调试。

其中，该机器人构件的正、逆运动学计算方法采用遗传算法、矢面法或者离散法进行计算；动力学计算方法采用拉格朗日第二运动方程或者牛顿-欧拉法建立动力学方程，求解动力学方程采用离散法或者龙格-库塔法。

其中，该机器人构件的控制算法采用遗传算法、自适应算法、神经网络或者PID算法的闭环控制或者采用局部闭环控制。

其中，该逆运动学分析还包括如下步骤：

T₁、机器人构件步长与步态规划；

T₂、该构件的初始选型；

T₃、在软件中导入逆运动学计算方法的子程序进行计算；