专利名称：一种串联人形机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人领域，尤其涉及一种串联人形机器人。
技术背景随着科学技术的不断发展，人形机器人已经逐渐成为机器人研究领域的重 点、难点和热点。在人形机器人平台上开展的科学研究种类也趋于多样性，其 中最基本也最重要的当属机器人的电机控制及步态规划。在串联机器人方面，日本Honda公司经过21年的研究，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，每条腿包含6个自由度，可以完成行走、转 弯以及上下楼梯等动作。但ASIMO的总重超过50kg,而且数据表明，多数身 高高于一米的人形机器人，其总重都要超过50kg，这对关节驱动电机的承载能 力无疑提出了很高的要求，给电机控制带来了一定的难度，甚至在操作不恰当 时很容易造成电机烧毁的严重后果。目前绝大多数人形机器人在关节驱动方面 采取的办法是大功率伺服电机配带谐波齿轮减速系统，这种解决方法无疑带来 了成本高，重量大，操作不方便等问题。除此之外，人形机器人另一种常见的功能失效模式是零件或设备机械破损， 这方面尤以机器人头部最为常见。因为机器人在行走或运动过程中，头部与地 面距离最远，如果发生摔倒或与其它物体碰撞，多数情况下冲击速度最快，冲 击力最大的部位是机器人头部。为降低因此而带来的损害，研究人员通常的解 决方法是在机器人身上安装倾角计、加速度计、陀螺仪等传感器以实时的监测 机器人的姿态变化，如检测到即将摔倒，及时通过发出相应的动作命令来改变 机器人的动作和姿态以调整避免摔倒，或将摔倒后可能造成的损失降低。但这 种依赖于传感器电路或软件程序的解决方法必然达不到机器人操作的可靠性要 求，电路和程序任何一方出现问题都可能会造成机器人摔倒后发生严重损坏。 因此，即便有这一层防护，研究人员还是应该寻求来源于机械方面的最可靠的 保障。 发明内容为了克服现有的多自由度人形机器人开发成本高、重量大、操作不方便等 问题，以及避免由于摔倒或碰撞造成机器人损坏等情况的发生，本发明提供一 种新型的具有头部缓冲机构的轻质量串联人形机器人。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下本发明提供的串联人形机 器人全身分为躯干、头部和四肢，由19个自由度组成，其中头部l个自由度，手臂3个自由度，腿部6个自由度。其中腿部的髋关节为正交三自由度关节，腿部的踝关节和手臂的肩关节均为正交两自由度关节，所有自由度均采用数字 伺服电机来实现。机器人全身19个自由度全部采用体积小，重量轻，自身带多级齿轮减速机 构的数字伺服电机来实现，其输出转盘直接连接被数字伺服电机驱动的运动部 件。与电机及电机输出转盘固定的连接件全部采用铝合金材料加工，并在其上 适当打孔去掉对零件结构强度和刚度没有贡献的材料，以最大程度地减轻零件 重量。机器人本身的结构件，如机器人脊椎、大臂、小臂、大腿和小腿，均采 用中空的碳纤维圆管设计。该复合材料具体高强度、低密度的机械特性，在本 发明的特定应用场合中可以替代金属材料。圆管的横截面尺寸参数经过优化设 计，使管子在强度和重量两方面均达到理想要求。为避免由于冲击造成零件沿 碳纤维管轴向移动或绕碳纤维管转动，设计采用平行双管式结构，并将双管的 两端分别插入一个金属挠性件，再用螺钉带动挠性件变形，使其夹紧碳纤维管 起到固定和加强的作用。机器人的头部机构设计有弹簧缓冲装置，正常情况下，头部在两根拉力弹 簧的拉力作用下稳定保持在初始限位位置上。当机器人遇到碰撞或摔倒情况， 头部受到向后的冲击力时，整体头部结构可以绕缓冲装置上的转轴向后转动，同时进一步拉长拉力弹簧，使其储存能量并减小头部机构振荡；当作用于机器 人头部的外力撤消时，拉力弹簧恢复形状，释放能量，将头部转回原来正常的 限位位置并保持稳定。本发明与现在技术相比有益效果如下该机器人在保证高强度以及多关节运动灵活性的前提下，采用了体积小、 重量轻、并自带减速齿轮的数字伺服电机作为关节自由度的驱动方式，并大量 采用了具有高强度、低密度的碳纤维管作为结构件，并对金属零件的形状禾口质 量进行了优化设计，从而极大程度的减轻了机器人整体的重量，提高机器人的 运动灵活性和操作性，减小结构部件对关节驱动电机的负载，从而降低机器人 电机控制和步态规划的难度。机器人头部优选采用了缓冲机构设计，可以有效 的降低由于外界环境变化对机器人头部机械零件及内部视觉传感器造成的损 害，有效避免机器人在摔倒或碰撞时发生严重损坏，从而提高机器人运动能力 及可靠性。此外，研究人员还可以方便的通过调整碳纤维管的长度来改变机器 人的整体尺寸，以进行不同需求的实验研究。
图1为本发明的机器人整体示意图。图2和图3为本发明的碳纤维平行双管式结构。图4为本发明的机器人躯干示意图。图5为本发明的机器人手臂示意图。图6为本发明的机器人腿部示意图。图7和图8为本发明的机器人头部示意图。图中l-碳纤维管；2-金属挠性件；3-尼龙塞；4-挠性件夹紧螺钉；5-躯 干碳纤维管；6-颈关节扭转电机输出盘连接件；7-肩关节前摆电机座；8-肩关节 前摆电机；9-躯干结构加强件；lO-连接件；ll-髋关节扭转电机；12-髋关节扭转 电机座；13-肩关节前摆电机连输出盘接件；14-肩关节侧摆电机；15-肩关节侧 摆电机座；16-大臂碳纤维管；17-肘(膝)关节前摆电机输出盘连接件；18-肘 关节前摆电机；19-肘(膝)关节前摆电机座；20-小臂碳纤维管；21-髋(踝) 关节侧摆电机输出盘连接件；22-髋关节侧摆电机；23-髋(踝)关节电机结合件；24-髋关节前摆电机；25-髋(踝)关节被动转盘；26-髋(踝)关节被动转盘固 定座；27-髋(踝)关节前摆电机输出盘连接件；28-大腿碳纤维管；29-膝关节 前摆电机；30-小腿碳纤维管；31踝关节前摆电机；32-踝关节侧摆电机；33-脚 底板；34-颈关节扭转电机；35-头部盖板；36-头部盖板前端支撑件；37-头部盖 板后端支撑件；38-拉力弹簧；39-颈关节扭转电机座；40-头部被动转盘；41-摄 像头外壳。
具体实施方式
图1为本发明的机器人整体结构示意图。机器人整体可分为四大部分，分 别为躯干、头部、手臂和腿，其中手臂和腿均为左右对称结构。机器人全身共 有.19个自由度，分布在以下几个运动关节颈关节l个扭转(Yaw)自由度； 肩关节l个前摆(Pitch)自由度，l个侧摆(Roll)自由度，两自由度正交于一点； 肘关节l个前摆自由度；髋关节l个扭转自由度，l个侧摆自由度，l个前摆自 由度，三自由度正交于一点；膝关节l个前摆自由度；踝关节l个前摆自由度， l个侧摆自由度，两自由度正交于l点。机器人总高833mm，肩宽291mm，臂 长366mm，腿长462mm，总重4.1kg，其中包含金属和碳纤维在内的所有零件 总重仅为1.8kg。以下为各部分的具体实施方式
。图2所示为本发明的碳纤维平行双管式结构。采用两根等长的碳纤维管平 行放置，两端分别套一个金属挠性件2，在每根碳纤维管的端头塞入一个尼龙塞 3起支持和加强作用，尼龙塞中间留有圆孔以备碳纤维管内部走机器人电源线和 信号线，最后用螺钉4拧入金属挠性件2使其将碳纤维双管夹紧固定。挠性件2 的两个侧面各有一个凸台和四个螺纹孔，用于连接其它零件。金属挠性件的示 意图见图3。图4所示为本发明的机器人躯干结构。脊椎由碳纤维平行双管式结构5构 成，两端的金属挠性件分别与电机座金属件7、 12连接，7用于固定肩关节前摆 电机8， 12用于固定髋关节扭转电机11。在双管5的中间另外穿有一个挠性件 2，四个钣金件9的一端均固定在该挠性件上，另一端分别连接一个电机，从而
将躯干由悬臂式结构改为类似桁架式结构，大大提高了结构强度，增强机构整体的可靠性。由于两肩关节前摆电机8的间距不同于两髋关节扭转电机11的间 距，故设计连接件10使上下间距相同，以保证四个钣金件9具有可互换性。全 部金属件均打孔去掉对结构强度无贡献的材料，减轻零件重量。电机8和11的 输出转盘分别连接手臂和腿。图5所示为本发明的机器人手臂结构(左臂)。金属件13与躯干内肩关节 前摆电机8的输出转盘连接，当电机8工作时，金属件13带动整个手臂向前后 摆动。同时该金属件13还夹紧固定肩关节侧摆电机14的输出转盘，使电机14 本身可以带动手臂向内外摆动。机器人大臂由碳纤维平行双管式结构16构成， 其上端通过一对金属件15与侧摆电机14固定，下端通过一对金属件17与肘关 节前摆电机18的输出转盘固定。机器人小臂由碳纤维平行双管式结构20构成， 其上端通过一对金属件19与肘关节前摆电机18固定。当电机18工作时，其本 身可以带动小臂弯曲或伸直。图6所示为本发明的机器人腿部结构(左腿)。金属件21与躯干内髋关节 扭转电机ll的输出转盘连接，当电机ll工作时，金属件21带动整个腿部向内 外扭转。髋关节侧摆电机22与前摆电机24通过一对金属件23固定在一起。一 个被动转盘25通过轴承及相关零件连接在金属件26上，可以相对它自由转动。 金属件26固定在髋关节前摆电机24上，进而由22， 23， 24， 25， 26构成前摆 与侧摆相结合的电机整体，再配合髋关节扭转电机11，可以实现髋关节三轴正 交联动。侧摆电机输出转盘连接金属件21，前摆电机输出转盘连接一对金属件 27。金属件27的下端连接碳纤维平行双管式结构28，构成机器人的大腿结构。 管28下端的金属挠性件2通过一对金属件17与膝关节前摆电机29的输出转盘 固定。机器人小腿由碳纤维平行双管式结构30构成，其上端的金属挠性件2通 过一对金属件19与膝关节电机前摆29固定，下端与的金属挠性件2通过一对 金属件27与踝关节前摆电机31的输出转盘固定。踝关节前摆电机31及侧摆电 机32的连接方法与髋关节相同，因此可以实现踝关节两轴正交联动。踝关节金
属件21下面连接机器人的脚底板金属件33。于是机器人整条腿具有六个自由度， 为髋关节前摆、侧摆、扭转正交三自由度，膝关节前摆自由度和踝关节前摆、 侧摆正交二自由度。图8所示为本发明的机器人头部结构。颈关节扭转电机34的输出转盘与躯 干内金属件6固定，当电机34工作时，电机本身可以带动整个头部进行扭转。 一对钣金件39固定在电机34的两侧， 一对被动转盘40分别通过轴承及相关零 件连接在上述一对钣金件39上，可以相对它们自由转动。机器人的头部外壳由 一对钣金件35构成，其间夹紧固定着钣金件36、 37和41，从而形成整体头部 结构。该结构的钣金件35与上述被动转盘40固定，并可以随转盘40同步转动。 在上述钣金件37与一对钣金件39之间固定两根拉力弹簧38，在弹簧的拉力作 用下，整体头部结构随被动转盘40相对固定件39具有向下的转动趋势，并最 终稳定保持在机械限位位置，该位置为钣金件35与39的折弯边相互接触的位 置，即图中42所示圆圈处。当机器人遇到摔倒或碰撞，头部受到向后的冲击力 时，整体头部结构会随转盘40绕其转轴向后转动，此时两根拉力弹簧38被拉 伸，储存能量并减轻振荡；当外力撤消时，在弹簧38的拉力作用下，头部再次 回到初始限位位置。该头部的弹簧缓冲机构设计可以有效降低由于外界环境变 化对机器人头部机械零件及内部视觉传感器造成的损害。
权利要求
1.一种串联人形机器人，其特征在于全身分为躯干、头部和四肢，由19个自由度组成，其中头部1个自由度，手臂3个自由度，腿部6个自由度，其中腿部的髋关节为正交三自由度关节，腿部的踝关节和手臂的肩关节均为正交两自由度关节，所有自由度均采用数字伺服电机来实现。
2. 根据权利要求1所述的串联人形机器人，其特征在于所述数字伺服电 机具有多级齿轮减速机构，输出轴具有转角限位。
3. 根据权利要求1所述的串联人形机器人，其特征在于机器人的零件采 用铝合金或碳纤维，其中与电机及电机输出转盘固定的连接件采用铝合金，机 器人本身的结构件采用碳纤维。
4. 根据权利要求1、 2或3所述的串联人形机器人，其特征在于躯干采用 桁架结构。
5. 根据权利要求1、 2或3所述的串联人形机器人，其特征在于脊椎和四肢均采用了碳纤维平行双管式结构。
6. 根据权利要求1、 2或3所述的串联人形机器人，其特征在于头部采用拉力弹簧设计缓冲装置。
7. 根据权利要求1、 2或3所述的串联人形机器人，其特征在于控制系统和姿态传感器固定于机器人背后，视觉传感器安装在机器人头部，电池固定在 机器人脚底板上表面。
全文摘要
一种串联人形机器人，属于机器人领域。本发明采用了数字伺服电机作为关节驱动装置；用碳纤维材料设计出碳纤维平行双管式结构，并用于脊椎、大臂、小臂、大腿和小腿等结构件；采用类似桁架式结构设计躯干，提高结构强度和稳定性；利用拉力弹簧机构设计出头部缓冲装置，增强头部抗冲击性；最 终实现了一种尺寸大、质量轻、运动灵活性强、并具有头部缓冲机构的19自由度串联人形机器人。本发明解决了以往人形机器人由于自身结构过重所导致的电机负载大、控制困难大、且易烧毁等问题，并且对于机器人摔倒或碰撞情况下的头部保护提出了有效的解决方案。
文档编号A63H3/00GK101116970SQ20071012070
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者宇 刘, 石宗英, 赵明国 申请人:清华大学