[发明专利]一种基于3-RRR球面并联机构的人形机器人腰关节

说明书

一种基于3‑RRR球面并联机构的人形机器人腰关节，其由奇数个结构相同的并联机构单元对称耦联而成，所述并联机构单元包括定平台、共用平台、末端平台以及连接每两个平台的三条结构相同且沿周向均布的的RRR串联支链，每条支链包括主动杆、从动杆和直齿锥齿轮，相邻的两个并联机构单元中的前级并联机构单元的动平台和后级并联机构单元的定平台共用一个平台，前级机构单元全部构件与后级机构单元全部构件在任何瞬时都关于共用平台对称，增设单自由度传动机构将前级机构单元的从动杆的角度变化等量转化为后级机构单元的主动杆的角度变化。本发明能够实现倍数叠加、工作空间放大、运动灵活、与人体腰椎多节段联动的运动特点几乎完全吻合。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种人形机器人腰关节。

背景技术

“人机共融”是人形机器人发展的目标，指引着该领域的研究方向。尽管现有人形机器人的外形和功能越来越像人，但全都存在动作僵硬的明显缺陷。现有人形机器人腰关节仿生水平严重滞后于其他仿生关节，木桶效应明显。

在关节仿生领域，由于人体踝关节、髋关节、肘关节、腕关节、指关节均属于球形关节，很容易在机构学上实现相同的运动特征，研究也相对成熟。但是，不同于其他人体运动关节，腰关节并非是一个绕着某一转动中心的球形关节，而是具有联动运动性质和多级运动叠加的多关节构成的节段，在人体关节中活动度最高。此外，人体的腰部不仅起到连接上下肢体的作用，在人类从事各项运动时还能调节重心，参与平衡的控制，因此，腰对人体运动的作用是显而易见的。一旦机器人的腰关节也和人体腰部类似，它将不仅具有稳定的步态，还能够完成灵活的运动和柔韧姿态。李艳杰在《仿人机器人发展现状及其腰关节的作用》中以及吴伟国在《类人机器人腰部关节平衡作用研究与仿真》中均对此进行了研究，证实了仿生腰关节的重要意义。

然而，当前还没有真正意义上实现这一运动特征的机构。尽管串联机构可以通过很多个转动副的叠加实现这一运动特征，但必须为每个转动自由度搭配相应的驱动单元，在整体重量上以及动力和能效上，几乎不具备实用价值。而对于传统的并联机构而言，又几乎找不到一个工作空间能与之匹配的机构。因此，必须打破常规，利用二者的优势，并加以互补，设计出兼具转动可叠加，且具有超大工作空间的，尽可能少的驱动单元数量的机构，实现对人体腰部的高度仿生。

发明内容

本发明为解决公知技术中，现有人形机器人腰关节仿生水平严重偏低的问题，提供一种能够实现倍数叠加、工作空间放大、运动灵活、与人体腰椎多节段联动的运动特点几乎完全吻合的基于3-RRR球面并联机构的人形机器人腰关节。

本发明由奇数个结构相同的并联机构单元对称耦联而成，所述并联机构单元为具有三个转动自由度的并联机构，其包括定平台、共用平台一或共用平台二、末端平台以及连接每两个平台的三条结构相同且沿周向均布的的RRR串联支链，每条所述RRR串联支链包括主动杆、从动杆和直齿锥齿轮，其中第一个并联机构单元的主动杆的一端通过转动副与定平台连接，主动杆的另一端通过转动副与从动杆的一端连接，从动杆的另一端与直齿锥齿轮固连，并通过转动副与共用平台连接；相邻的并联机构单元的主动杆的一端与另一个直齿锥齿轮固连，并通过转动副与上述共用平台连接，并且两个直齿锥齿相啮合，主动杆的另一端通过转动副与从动杆的一端连接，从动杆的另一端与直齿锥齿轮固连，并通过转动副与另一个共用平台连接；根据需要设置多个相邻的并联机构单元；最末端的一个并联机构单元的主动杆的一端与另一个直齿锥齿轮连接，并通过转动副和共用平台连接，主动杆的另一端通过转动副与从动杆的一端连接，从动杆的另一端通过转动副与末端平台连接；在同一个并联机构单元中共包含9个转动副，它们轴线交于一点；相邻的两个并联机构单元中，按照运动输出方向分为前级机构单元和后级机构单元；所述对称耦联，一方面，前级机构单元全部构件与后级机构单元全部构件在任意瞬时都关于共用平台对称，另一方面，通过在前级机构单元的从动杆和后级机构单元的主动杆间增设单自由度传动机构实现运动在并联机构单元之间传递，所述单自由度传动机构可以将前级机构单元的从动杆的角度变化等量转化为后级机构单元的主动杆的角度变化。