机器人及其颈部机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种机器人及其颈部机构，所述颈部机构包括一上板、一下板、一万向节和位于所述万向节两侧的两连杆机构，所述万向节两端分别连接上板和下板，所述连杆机构包括一伸缩装置，所述伸缩装置用于驱动所述连杆机构上下伸缩，所述伸缩装置上端往远离所述万向节方向斜向上延伸形成一上推杆，下端往远离所述万向节方向斜向下延伸形成一下推杆，所述上推杆与所述上板连接，所述下推杆与所述下板连接。从而一方面减小了机器人颈部的径向尺寸；另一方面，由于颈部机构两端还伸入头部和身体，所以可利用一部分头部和身体的空间，来使得连杆机构两端能尽可能的径向延伸来增大力臂，从而减少了整体的功率密度要求及机构的实际间隙，降低了成本。
【专利说明】机器人及其颈部机构【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人【技术领域】，尤其是涉及一种机器人及其颈部机构。
【背景技术】
[0002]对于人形机器人，其颈部需要具备三自由度的运动，并且机器人颈部空间有限，使得其结构必须尽量紧凑，特别是径向尺寸需尽量细小。
[0003]申请号为201310198652.6的专利文件公开了一种机器人的颈部机构，其电机采用方形电机，布局在旋转中心万向节旁边，整个结构显得比较臃肿，如果要把这样一个布局的机构完全放入机器人颈部，会使得机器人颈部比较粗大，使得机器人人体比例失调，影响美观。
[0004]如果把机构等比缩小后再放入颈部，又会导致机构力臂相对头部尺寸太短，引起一系列问题。首先，在作用力方面，需要更大的作用力才能驱动负载，因此需要增加电机功率密度；其次，在刚度方面，电机所需的保持力也将被放大，各组件的弹性形变也被放大，最终表现为刚度较低；另外，在间隙方面，同样被较小的力臂所放大，需要较高的加工和装配精度才能满足要求。最终导致成本增加。
[0005]总之，由于机器人颈部空间较狭窄，现有的机器人颈部机构，要么让机器人颈部设计得较粗，牺牲人体比例的协调性和机器人的美观性来降低成本；要么通过增加运动机构的功率密度和加工精度来保持机器人人体比例的协调。二者不可兼得。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于提供一种机器人及其颈部机构，旨在保持机器人颈部比例协调的同时降低成本。
[0007]为达以上目的，本发明提出一种机器人的颈部机构，包括一上板、一下板、一万向节和位于所述万向节两侧的两连杆机构，所述万向节两端分别连接上板和下板，所述连杆机构包括一伸缩装置，所述伸缩装置用于驱动所述连杆机构上下伸缩，所述伸缩装置上端往远离所述万向节方向斜向上延伸形成一上推杆，下端往远离所述万向节方向斜向下延伸形成一下推杆，所述上推杆与所述上板连接，所述下推杆与所述下板连接。
[0008]优选地，所述上推杆和下推杆分别通过球关节与所述上板和下板活动连接。
[0009]优选地，所述上推杆和下推杆均朝向同一侧，所述伸缩装置为直线电机，所述连杆机构呈弓形。
[0010]优选地，所述颈部机构还包括一连接于所述上板的舵机。
[0011]优选地，所述连杆机构通过一弹性件连接所述万向节。
[0012]优选地，所述连杆机构通过一弹性件连接所述舵机。
[0013]优选地，所述连杆机构与所述上板的连接点和所述万向节与所述上板的连接点之间的连线，与机器人人体中心剖切面之间的夹角为Θ，且tan0=F2/Fl，其中Fl为机器人头部前后摆动时连杆机构的最大受力，F2为机器人头部左右摆动时连杆机构的最大受力。[0014]优选地，所述伸缩装置外部包覆有缓冲件。
[0015]优选地，所述缓冲件由橡胶、泡沫、海绵或棉花制作而成。
[0016]优选地，所述两连杆机构对称分布于所述万向节两侧。
[0017]优选地，所述万向节两端分别连接所述上板和下板的中部。
[0018]本发明同时提出一种机器人，包括一颈部机构，所述颈部机构包括一上板、一下板、一万向节和位于所述万向节两侧的两连杆机构，所述万向节两端分别连接上板和下板，所述连杆机构包括一伸缩装置，所述伸缩装置用于驱动所述连杆机构上下伸缩，所述伸缩装置上端往远离所述万向节方向斜向上延伸形成一上推杆，下端往远离所述万向节方向斜向下延伸形成一下推杆，所述上推杆与所述上板连接，所述下推杆与所述下板连接。
[0019]本发明所提供的一种通过采用一种中部径向尺寸小两端径向尺寸大的连杆机构，设计出了一种细长的颈部机构。一方面减小了机器人颈部的径向尺寸，满足了人体颈部比例的协调性，保证了机器人人体的美观性；另一方面，由于颈部机构两端还伸入头部和身体，所以可利用一部分头部和身体的空间，来使得连杆机构两端能尽可能的径向延伸来增大力臂，从而减少了整体的功率密度要求及机构的实际间隙，因此不需要选用成本高昂的大功率电机和高精度零件，极大的降低了成本。
[0020]而连杆机构活动连接于上下板且采用弹性件对其进行柔性约束，既能动态减少连杆机构占据的横向空间，又保证了运动的灵活性；同时连杆机构采用并联布局，通过优化计算确定连杆机构连接上下板的位置，均匀出力，进一步增加了运动机构的灵活性。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的颈部机构一实施例的立体结构示意图；
[0022]图2是本发明的颈部机构置于机器人中的示意图；
[0023]图3是图1中颈部机构的连杆机构无柔性约束时的自由转动示意图；
[0024]图4是图1中的颈部机构的后视图；
[0025]图5是图1中的颈部机构的俯视图；
[0026]图6是图1中的颈部机构前后摆动时的示意图；
[0027]图7是图1中的颈部机构左右摆动时的示意图；
[0028]图8是本发明的颈部机构的简化图；
[0029]图9是本发明的颈部机构的平面分析图。
[0030]本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。【具体实施方式】
[0031]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032]参见图1-图7所示，提出本发明的机器人的颈部机构一实施例。所述颈部机构包括一上板100、一下板200、一万向节300、一舵机500和两连杆机构400，其中下板200为伸入机器人肩部并与肩部相连的固定机架，上板100为伸入机器人头部的活动平台，两块板通过万向节300和连杆机构400连接在一起，舵机500固定连接于上板100中部。
[0033]舵机500的舵盘510与机器人头部连接，并能驱动机器人头部在水平方向旋转，实现水平方向的旋转自由度。[0034]万向节300 —端向上延伸与上板100固定连接，另一端向下延伸与下板200固定连接，优选两端分别连接上板100和下板200的中部即几何中心，万向节300约束上板100只能有前后和左右两个旋转自由度运动。
[0035]两连杆机构400呈并联状态位于万向节300两侧，优选于万向节300两侧对称分布，并尽量靠近万向节300，以减小颈部机构中部的径向尺寸。连杆机构400包括一伸缩装置410、一上推杆420和一下推杆430，伸缩装置410优选直线电机，可驱动整个连杆机构400上下伸缩，从而推动上板100前后和左右摆动，进而带动头部侧偏和俯仰两个自由度运动；上推杆420由伸缩装置410上端往远离万向节300方向斜向上延伸而形成，并与上板100连接；下推杆430由伸缩装置410下端往远离万向节300方向斜向下延伸而形成，并与下板200连接；优选上推杆420与下推杆430均朝向同一侧，从而使得连杆机构400整体呈弓形。颈部机构在机器人中放置的位置如图2所示，中间较细处刚好放置于颈部位置，上板100和下板200的径向尺寸较大，分别伸入头部和身体；由于连杆机构400整体呈弓形，巧妙绕过颈部尺寸较小的部位,使其活动范围仍在人体轮廓之内，使其更适合人体比例。
[0036]进一步地，上推杆420和下推杆430分别通过球关节600与上板100和下板200活动连接，即球关节600固定连接于上板100和下板200，上推杆420和下推杆430分别连接上板100和下板200上的球关节600，所述球关节优选轴承。从而使得连杆机构400具有如图3所示水平方向的旋转自由度，即连杆机构能绕上下板(100，200)上两个球关节600的连心线旋转。从而连杆机构400在带动头部左右和前后摆动时更加灵活，不易被卡死。
[0037]进一步地，连杆机构400的上推杆420通过一弹性件700连接舵机500，弹性件700给连杆机构400 —个柔性约束，用于约束其欠约束的旋转自由度，所述弹性件700优选弹簧。从而连杆机构400无论静止还是运动状态，弹性件700始终让连杆机构400往中间靠拢，使颈部始终保持尽可能细的尺寸。在某些实施例中，连杆机构400也可以通过一弹性件700连接万向节300，优选连接万向节300的上部。
[0038]进一步地，为了缓冲连杆机构400在运动过程中与万向节300的碰撞及减少碰撞时发出的噪声，可以在连杆机构400的伸缩装置410外部包覆缓冲件411，以起缓冲作用。所述缓冲件411可以由橡胶、泡沫、海绵、棉花等软质材料制成，优选套设I?3个橡胶圈在伸缩装置410外部。
[0039]进一步地，结合参见图5所示的颈部机构的俯视图，其中图上方为机器人头部的正前方，Y轴线为机器人人体中心剖切面的投影线，连杆机构400与上板100的连接点和万向节300与上板100的连接点之间的连线L为连杆机构400的力臂，Y轴线与连线L之间的夹角为Θ。力臂在X轴上的分力臂为LX，力臂在Y轴上的分力臂为LY，则tan Θ =LX/LY。其中分力臂LY促使机器人头部前后摆动，分力臂LX促使机器人头部左右摆动；假设促使机器人头部前后摆动时连杆机构400的最大受力为F1，促使机器人头部左右摆动时连杆机构400的最大受力为F2 ;根据杠杆原理，力臂与作用力成反比，即LX/LY=F2/F1，则tan Θ =F2/F1。因此，只要计算出机器人头部前后摆动时连杆机构400的最大受力Fl和机器人头部左右摆动时连杆机构400的最大受力F2，再根据公式tan Θ =F2/F1就能近似计算出角度Θ。然后再根据该角度Θ确定连杆机构400连接于上板100的位置，尝试设计颈部机构，观察干涉等各方面是否符合要求，最后根据实际情况修正Θ值。由于人体头部的重心位于颈部中心的前方，因此促使头部前后摆动的作用力Fl需要比使头部左右摆动的作用力F2更大，因此Θ应小于45°，从而使得头部的运动更加灵活。
[0040]如图6所示，当两个连杆机构400的伸缩装置410同时伸长或同时缩短时，颈部机构就会向前后摆动。如图7所示，当一个连杆机构400的伸缩装置410伸长，另一个连杆机构400的伸缩装置420缩短时，颈部机构就会向左右摆动。由于连杆机构400通过弹性件700连接于舵机500，因此当颈部机构如图7所示往右摆动的时候，右边的连杆机构400由于弹性件700的拉力而往左旋转靠近万向节300 ;而左边的连杆机构400由于碰到万向节300，被迫往左旋转，因此不会发生干涉。从而，本发明通过万向节300的约束和两个并联的连杆机构400的联合作用下，实现了机器人头部侧偏和俯仰两个自由度的运动；同时再通过舵机500来实现机器人头部水平方向的旋转自由度运动，最终实现了三自由度运动。
[0041]本发明中二自由度并联机构简图如图8所示。如果使用直线的连杆机构400，颈部机构中部的径向尺寸就会变得很大。而本发明中，连杆机构400的中部径向尺寸小两端径向尺寸大而使得颈部尺寸细小，连杆机构400即使布置得靠近颈部机构中心，由于连杆机构400的上下推杆(420，430)向外部延伸，因此颈部机构的实际受力点仍然在外面。由于其实际力臂为连杆机构400的上推杆420与上板100的连接点和万向节300之间的距离，本发明的连杆机构400能使力臂尽可能的长，由于上推杆420和下推杆430分别在头部和身体内部而可以径向延伸，所以其力臂甚至可以比颈部的尺寸更长。根据杠杆原理，同样力矩下，较长的力臂能减少连杆机构400的受力，并且可以缩减由于减速箱间隙、装配间隙和零件自身弹性形变产生的头部摆动空程，也就是让头部在静止时尽可能定位准确。
[0042]为说明长力臂减小实际间隙，现把三维结构简化为如图9所示的平面简图。图中中间为万向节300，左边为连杆机构400，右边为头部最大半径处(假设为鼻尖处)，顶部为上板100。虚线为由于间隙所产生的空程范围(图为夸大显示，实际上少于I毫米的间隙)，在这段范围里面，即使连杆机构400不动，上板100仍然能在这个范围内随意晃动。那么最终表现即为，头部外壳有一定的角度可以随便晃动，颈部机构无法限制它在这个小角度内的晃动。假设连杆机构装配后产生的间隙为XI，那么在头部最远端产生的间隙Χ2=(Χ1/L1)*L2。装配和连杆机构本身导致的间隙Xl是不可避免的，所以为了减少X2，那么必须尽可能增大LI，即连杆机构的力臂长度。而本发明中的连杆机构400就能实现尽可能大的力臂，因此能够减小颈部机构的实际间隙，使得头部在静止时定位更加准确。
[0043]据此，本发明的颈部机构，通过采用一种中部径向尺寸小两端径向尺寸大的连杆机构400，设计出了一种细长的颈部机构。一方面减小了机器人颈部的径向尺寸，满足了人体颈部比例的协调性，保证了机器人人体的美观性；另一方面，由于颈部机构两端还伸入头部和身体，所以可利用一部分头部和身体的空间，来使得连杆机构400两端的上下推杆(420，430)能尽可能的径向延伸来增大力臂，从而减少了整体的功率密度要求及机构的实际间隙，因此不需要选用成本高昂的大功率电机和高精度零件，极大的降低了成本。
[0044]而连杆机构400活动连接于上下板(100，200)且采用弹性件700对其进行柔性约束，既能动态减少连杆机构400占据的横向空间，又保证了运动的灵活性；同时连杆机构400采用并联布局，通过优化计算确定连杆机构400连接上下板(100，200)的位置，均匀出力，进一步增加了运动机构的灵活性。
[0045]本发明同时提出一种机器人，其包括一颈部机构，所述颈部机构包括一上板、一下板、一万向节和位于所述万向节两侧的两连杆机构，所述万向节两端分别连接上板和下板，所述连杆机构包括一伸缩装置，所述伸缩装置用于驱动所述连杆机构上下伸缩，所述伸缩装置上端往远离所述万向节方向斜向上延伸形成一上推杆，下端往远离所述万向节方向斜向下延伸形成一下推杆，所述上推杆与所述上板连接，所述下推杆与所述下板连接。本实施例中所描述的颈部机构为本发明中上述实施例所涉及的颈部机构，在此不再赘述。
[0046]本发明的机器人，通过采用一种中部径向尺寸小两端径向尺寸大的连杆机构，设计出了一种细长的颈部机构。一方面减小了机器人颈部的径向尺寸，满足了人体颈部比例的协调性，保证了机器人人体的美观性；另一方面，由于颈部机构两端还伸入头部和身体，所以可利用一部分头部和身体的空间，来使得连杆机构两端能尽可能的径向延伸来增大力臂，从而减少了整体的功率密度要求及机构的实际间隙，因此不需要选用成本高昂的大功率电机和高精度零件，极大的降低了成本。
[0047]而连杆机构活动连接于上下板且采用弹性件对其进行柔性约束，既能动态减少连杆机构占据的横向空间，又保证了运动的灵活性；同时连杆机构采用并联布局，通过优化计算确定连杆机构连接上下板的位置，均匀出力，进一步增加了运动机构的灵活性。
[0048]应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种机器人的颈部机构，包括一上板、一下板、一万向节和位于所述万向节两侧的两连杆机构，所述万向节两端分别连接上板和下板，其特征在于，所述连杆机构包括一伸缩装置，所述伸缩装置用于驱动所述连杆机构上下伸缩，所述伸缩装置上端往远离所述万向节方向斜向上延伸形成一上推杆，下端往远离所述万向节方向斜向下延伸形成一下推杆，所述上推杆与所述上板连接，所述下推杆与所述下板连接。
2.根据权利要求1所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述上推杆和下推杆分别通过球关节与所述上板和下板活动连接。
3.根据权利要求2所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述上推杆和下推杆均朝向同一侧，所述伸缩装置为直线电机，所述连杆机构呈弓形。
4.根据权利要求1所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述颈部机构还包括一连接于所述上板的舵机。
5.根据权利要求1-4任一项所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述连杆机构通过一弹性件连接所述万向节。
6.根据权利要求4所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述连杆机构通过一弹性件连接所述舵机。
7.根据权利要求1-4任一项所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述伸缩装置外部包覆有缓冲件。
8.根据权利要求1-4任一项所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述两连杆机构对称分布于所述万向节两侧。
9.根据权利要求1-4任一项所述的机器人的颈部机构，其特征在于，所述万向节两端分别连接所述上板和下板的中部。
10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的颈部机构。
【文档编号】B25J11/00GK103831828SQ201410106710
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】赵学斌, 林天麟, 钟颕光 申请人:智慧城市系统服务（中国）有限公司