一种伸缩驱动的仿人机器人的仿生腰部机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种仿人机器人，具体涉及一种伸缩驱动的仿人机器人的仿生腰部机构。
【背景技术】
[0002]仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，和其他构形的机器人相比，仿人机器人在外形上更加友好，同时能方便地使用为人类发明设计的各种工具，更容易适应人类生活环境。随着科技的发展，人们对智能机器人的需求日益增长。仿人机器人具有广阔的发展前景。
[0003]仿人机器人具有人类外形特征，在设计上对空间尺寸提出了更高要求，空间尺寸应尽量小、紧凑。同时由于元器件的限制，仿人机器人对重量有严格的要求，质量的增加对元器件带来很大的负担。此外，轻便的机器人有利于提高机器人的运动灵活性。因此，轻量化是仿人机器人设计的重要原则。
[0004]与人类相似，仿人机器人的腰关节是机器人上身和下肢连接的重要环节。腰关节承受着上身的重量，同时还需要克服上身不平衡带来的对机器人稳定性的影响。腰关节的运动能力对机器人的功能也起着重要的作用。因此，仿人机器人的腰关节应轻量化，具有较好的刚性和承载能力、稳定性好。
[0005]迄今为止，大多数的仿人机器人腰部关节采用串联机构方式，如中国专利CN101579860A公开了一种仿人机器人的双T型腰关节结构，采用电机和谐波减速器作为关节的驱动装置，采用双T型结构实现中转和俯仰两个自由度。此方式存在以下几个缺点:
[0006]I)电机的负荷较大。对于串联驱动，由于前一个机构的输出为后一个机构的输入，使得其中一个方向的驱动电机和传动链成为另一个电机的负载，增加了电机的负荷。
[0007]2)机构的质量较大。由于关节需要有电机、谐波减速器、结构件和配套的轴承等一系列零件，因此整个腰部的质量偏大。
[0008]也有一些仿人机器人腰部采用并联差分机构，如中国专利CN1454752A公开了一种仿人机器人腰部机构，采用两个差动轮系封闭传动，一个差动轮系存在两个自由度，两个差动轮系传动封闭后，系统仍存在两个自由度。该机构采用两个电机驱动、差动轮系进行传动，通过改变齿轮的啮合方式，实现腰部的俯仰和侧倾两个方向的运动。但是，由于应用了较多的齿轮系，使得整个机构复杂，并增加了腰部的重量，而仿人机器人对质量有严格的要求，不符合轻量化的原则。
[0009]针对目前仿人机器人腰部机构较复杂、质量较重的问题，本发明要设计一个具有结构简单、轻量化的腰关节。针对目前仿人机器人腰部电机负荷较大、带载能力较差的问题，本发明要设计一个输入功率小、带载能力更好的腰关节。
【发明内容】
[0010]本发明提供了一种轻量化、电机功耗小、带载能力好的仿人机器人腰部机构。该机构基于仿生学原理，通过对人类肌肉-韧带拉伸收缩运动研宄，发现肌肉-韧带的拉伸收缩运动直接引发人类的动作，并具有多处肌肉-韧带协同作用的特点。
[0011]本发明的所述的仿人机器人的仿生腰部机构，其包括直线驱动输入模块、俯仰偏转输出模块、支撑连接结构；所述直线驱动输入模块形成并联差分机构。
[0012]根据上述的仿生腰部机构，其中，所述直线驱动输入模块为直线伸缩驱动装置。
[0013]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述直线驱动输入模块包括两个并联的直线伸缩驱动装置。
[0014]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述直线伸缩驱动装置是独立驱动的。
[0015]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述直线伸缩驱动装置在空间上相对于所述仿人机器人的垂直轴倾斜且对称分布。
[0016]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述直线伸缩驱动装置可以是电动推杆、液压杆或气动推杆。
[0017]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述的仿生腰部机构还具有控制装置，所述直线伸缩驱动装置通过所述控制装置进行直线往复运动的控制。
[0018]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述直线伸缩驱动装置的直线运动转化为俯仰偏转输出模块的转动进行输出，从而所述俯仰偏转输出模块具有两个被动的自由度。
[0019]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述的仿生腰部机构还具有腰部平台、胸腔平台，所述直线伸缩驱动装置的两端通过万向节、关节轴承和球窝关节中的一种分别与腰部平台、胸腔平台连接，从而使所述直线伸缩驱动装置能在空间范围内自由运动。
[0020]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，每个所述万向节包括两个U形架、一个十字轴、轴承，其中一个U形架固定，另一个活动的U形架与所述直线伸缩驱动装置连接，能实现两个自由度的转动。
[0021]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，在所述腰部平台、胸腔平台的安装每个所述万向节的位置开有一个圆孔，所述圆孔的下面开有一个矩形槽，所述万向节中的用于固定的U形架固定在所述矩形槽上，另一个活动的U形架通过所述十字轴与所述固定的U形架连接，所述活动的U形架和所述十字轴之间通过轴承进行配合。
[0022]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述活动的U形架和所述直线伸缩驱动装置的电动推杆通过螺纹进行连接，实现了直线伸缩驱动装置相对于腰部平台、胸腔平台进行转动。
[0023]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述的仿生腰部机构还具有腰部平台、胸腔平台，所述俯仰偏转输出模块与支撑连接结构连接于腰部平台和胸腔平台之间。
[0024]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述俯仰偏转输出模块包括偏转轴、俯仰轴。
[0025]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述支撑连接结构包括U形架。
[0026]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述偏转轴下端与腰部平台通过轴承连接，轴承外圈与腰部平台配合，轴承内圈与偏转轴配合；偏转轴上端与U形架通过轴承连接，轴承外圈与U形架配合，轴承内圈与偏转轴配合。
[0027]根据上述的任一仿生腰部机构，其中，所述俯仰轴与U形架和胸腔平台连接，胸腔平台下部的U形架上安装有轴承，实现对俯仰轴的支持和转动。
[0028]一种仿人机器人，其具有腰部平台、胸腔平台，其特征在于:还包括上述任一所述的仿生腰部机构；所述的仿生腰部机构位于仿人机器人的腰部平台、胸腔平台之间，所述胸腔平台连接手臂和头部，所述腰部平台向下与腿部相连。
[0029]本发明使用两个直线伸缩驱动装置作为动力源，该直线伸缩驱动装置的两端采用万向节连接，其中一端连接在腰部平台上，另一端连接在胸腔平台上。万向节具有两个方向的自由度，使得直线伸缩驱动装置能进行较大范围的空间运动。两个直线伸缩驱动装置是独立驱动的，在两个驱动装置的共同作用下，驱动输出轴运动，属于并联差分机构，具有以下的特点:
[0030]I)由于本发明采用两个直线伸缩驱动装置作为输入，减少了谐波减速器和齿轮系等零件，结构件上也更简单，降低了整个机构的质量，符合轻量化的设计目标。
[0031]2)由于本发明采用双执行器协作的方式，具有双电机驱动单方向运动的特点，在同等规格下单轴的输出能力更强，从而降低了电机功率，减少了仿人机器人的电源消耗，并提高了带载能力。
[0032]3)本发明的腰部机构除了中间的杆件等结构进行支撑外，还有两个直线伸缩驱动装置形成了空间的三角形结构，提高了整个腰部机构的稳定性，提高了刚性和承载能力。
[0033]本发明采用两直线伸缩驱动