具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节的制作方法

专利名称：具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联人形 机器人仿生髋关节，属于机构学或人形机器人领域。
背景技术：
目前，在全世界范围内，人们已经开发出大量的各种人形机器人如 日本早稻田大学的WABIAN-R系列、日本本田发动机公司P3、日本索尼公 司的娱乐型机器人SDR-4X、北京理工大学BHR-I、美国麻省理工学院人工 智能实验室研制的COG、欧洲的Chalmers大学的Elvis、德国Karlsruhe大 学的ARMAR、西澳大利亚大学和简单低成本两足机器人Jack、德国慕尼 黑技术大学的Johnnie等等。
考察现有的人形机器人发现，其本体构型几乎都是串联的构型。即机 器人多自由关节为多个单转动副串联构成。
这种串联构型在控制上比较容易实现，而且结构简单，但存在着严重 缺陷下级驱动器的重量成了上级驱动器的负载，从而降低了驱动能力； 对多转动副组合关节如肩、髋关节，其运动功能只在3个特定的方向(驱动 器轴线)与人相当，而在其余方向上出现明显分解动作，其灵活性、准确性 及稳定性，与人有较大差距；多转动副串联关节占用空间尺寸较大而且刚度 小；肢体功能不完全，对合理补偿运动、调节机器人平衡、完成姿态变换及 保证机器人的操作稳定等功能均不理想。
法国Ramzi Sellaouti， B. Mohamed等人，提出了一种并联关节机构图 13所示。被用于人形机器人ROBIAN的髋关节。实现了三自由度转动，但该 机构工作空间小、结构过于复杂。
国内外现有仿人形机器人的构型主要为单一的串联形式，有限的几种 并联关节结构复杂、性能、技术指标不理想，在形式和功能上仿生水平较 低，与人的实际要求有较大的差距，不能完全满足实际需要。

发明内容
为了克服现有的人形机器人髋关节存在的不足，本发明提供一种具有偏 置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节，该发明结构简单、紧 凑，驱动器并联设置在机体上，减轻了肢体负荷，提高了肢体驱动能力和操作能力，并使肢体的运动更加快速、灵活和平滑连续。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是以人体关节构型为基准，
从结构仿生、运动仿生和功能仿生角度出发，以主动3自由度球面并联机构代 替人体髋关节，以三个支链实现人腿肌肉群的驱动功能；植入中心球面副支撑 在机构的动、静平台之间，相当于人体的股骨头与髋臼窝构成髋关节，同时， 起到卸载和提高刚度的作用；机构的输出采用偏置方式代表人体的股骨腿杆， 以增大机构的输出空间和改变空间的形状。选择确定机构在人体中的位置、姿 态，使其输出空间的形状、位置完全覆盖人股骨腿杆的实际运动范围。
人体的髋关节是典型的球面副结构，以3自由度球面并联机构3-RRR (或3-RRS、 2-RRR+RRS)为髋关节原型机构，3个输入驱动通过3个支 链共同驱动动平台实现3个自由度转动，3个支链的共同驱动作用取代人腿 的肌肉群，动平台中心处引出输出杆相当于人的腿杆见图8。
然而，从3自由度球面并联3-RRR (3-RRS、 2-RRR+RRS)机构的静 力学与静刚度分析中发现该类并联机构存在一些问题①作用在机构输出 杆上的复合外力中的力、力矩成分所引起的机构构件上的力、力矩是彼此 独立的、可分离的；复合外力中的力成分及其所引起的构件上的力、力矩 自始至终存在机构的运动全部过程中，构件上的力大小与外力、机构的运 动位姿有关；复合外力中的力成分不能被机构的输入力矩所平衡，即无论 该外力多大均不能改变机构的运动状态。实质上，该外力及所引起构件上 的力、力矩属于机构运动过程中寄生或附加载荷。它给机构带来许多不利 的影响，如增加构件变形、运动副的摩擦力，进而降低机构效率、机构输 出位置精度。特别对力成份占主导的外载荷其影响更加突出。另一方面， 在工程中，外力与环境有关、具有不确定性，因而，导致构件变形的不确 定或机构输出位置不确定性，给机器人操作手的控制带来困难；②机构的 整体静刚度比较小，角位移与线位移刚度不协调匹配，角位移刚度为107~8 数量级，而线位移为102数量级，机构在抵抗纯力(作用下)的线位移变形 的能力极差。③在三自由度球面并联机构的所有构型中，具有最大工作空 间("1="2=90°、 ^=60°、爲=45°)机构的两方向摆角^、 ^小于63度， 而^在士90度内时，机构是安全的、不会出现奇异。该空间称为安全良好 工作空间。
3自由度球面并联机构(作为原型机构)构件上的载荷构成不合理；机构的静刚度较小、角位移刚度虽较大、线位移刚度却极小，线位移与角位
移刚度不匹配；机构的输出工作空间较小，两方向摆角超过某一角度后机 构有奇异现象。另一方面，人腿来自于地面的反作用力，通常为人体重的 0.5 1倍，考虑动态、冲击、人的跳跃及承载等状况，最大载荷可达人体 重量2 4倍。力载荷较大、对髋关节机构变形的影响是显著的，而且这种 变形具有不确定性，给机器人的运动与控制带来困难，因此，必须对原型 机构进行以增大刚度、卸载为目标的再设计。
针对上述问题，利用3自由度球面并联机构存在公共球面约束的特征， 即所有构件均为绕球心旋转，机构的中心区域是空腔的特点。在机构的球 心点植入一个被动球面副，与球窝固联的支撑杆轴线过3自由度球面并联 机构的固定平台中心点并与固定平台固定，与球头固联输出杆的轴线过3 自由度球面机构的动平台中心，并与其固联或者以棱柱型轴向移动副P连 接。输出杆由动平台中心点穿过。这样形成了新的3自由度球面并联机构， 带有中心球面副的四支链并联球面机构3-RRR+S或3-RRR+(S-P)如图9、 图IO所示。
新的3自由度球面并联机构，保留了原机构的运动学特性，力学性能 发生了根本改变，较原机构(具有9 (或8)项过约束)增加了3或2过约 束，新机构的线位移刚度得到了极大的增加，整体静刚度也得到较大的增 加，提高了机构的输出位置精度；当输出杆受到向心的压力时，力载荷经 过动平台后被分解，将按照中心球面副分支链与球面并联机构的3个分支 链两部分的静刚度的比例分配，而球面副分支链的受压刚度远远大于原球 面机构3个分支链的线位移刚度，压力主要由中心球面副分支承担，而原 机构3个分支分得的载荷很小可以不考虑，达到完全卸载；当受到离心拉 力时，同样，力载荷将按照中心球面副分支与球面机构3个分支两部分静 刚度的比例分配，只是球面副分支的受拉刚度与原球面机构三分支的线位 移刚度相当，实现部分卸载。
新的3自由度球面并联机构的不足是中心球面副的工作空间限制了 新的3自由度球面机构的输出件的运动，使新机构的工作空间变小了。中 心球面副与3自由度球面并联机构为整体并联的新机构，它的输出工作空 间由两者空间的交集的决定。传统的球面副如图14、 15所示，其中图14 为横向剖分球窝型、图15为纵向剖分球窝型。输出杆的工作空间为锥顶半角小于60度的球缺，绕z轴旋转不受限制；3-RRR机构的输出杆工作空 间为锥顶半角小于63度的球缺，绕z轴旋转正、负90度，该空间也称 安全良好工作空间。两者空间的交集为3-RRR+S或3-RRR+(S-P)的工作空 间，即锥顶半角小于60度的球缺、绕z轴旋转正、负90度。中心球面副的空间制约了机构的工作空间，必须对中心球面副进行改进。以横向剖分球窝的球面副为原型，利用运动与约束单项分解、交叉匹 配方法，将支撑球窝与约束球窝彼此分开一定距离，支撑球窝的大小保持 不变，而约束球窝的半径增大、形成球冠形，两者之间通过两个分置在过 球心一条轴线上的销轴构成可转动连接，即使约束球窝具有相对支撑球窝 单向转动。同时限制了约束球窝的绕销轴垂直方向转动与相对支撑球窝的 中心的线位移。以约束球窝中心线与销轴的轴线所构成的平面为对称面， 在约束球窝上沿圆周方向、径向内外通透开长槽，将输出杆的运动分解成 正交的3个转动，即x、 y、 z旋转。设旋转轴y与销轴的轴线重合，输出 杆由槽中伸出(穿过)，将另一摆动(即绕x旋转)设在长槽的对称面内， 此时，输出杆便具有了绕x轴、与约束球窝一同绕销轴即y轴的两向摆动。 为消除构件硬干涉、机械加工方便，将约束球窝多余部分消(削)掉，改 成U形圆柱面组合体，即U形拨叉。最后，在输出杆与约束圆柱面之间设 置短圆柱形支撑辊，用于取代原来球头与约束球窝直接接触，限制在拉力 作用下输出杆及球头与支撑球窝的脱离见图6、 7。新型球面铰链的工作空间为绕:c轴摆动土 (65° 70°);绕y轴摆动士 (70fl 82°); Z轴的旋转不受限制，即360、至此，3-RRR+S机构的工作空间则完全表现为3-RRR的工作空间，即 锥顶半角小于63度的球缺，即两方向摆角^、 ^小于63度，而^在±90 度内。经对照发现人腿股骨的摆动空间位于人体的前下方、呈半球冠形； 而3-RRR+S机构的工作空间为全对称锥顶半角小于63度的完整球缺。因 此，机构的工作空间形状与人腿股骨的不一致而且范围小。也就是说，机 构的工作空间仍不能满足人腿运动空间的要求。还需要再次改进。为了扩大机构的工作空间、同时改变其形状。利用空间映射原理，提 出了机构输出杆偏置的设计新思想，即机构的原直输出杆在动平台以外一定距离点向任意方向偏拐，该部分称为偏置输出杆，与直输出杆的轴线夹角^称为偏摆角，偏摆角^取值范围为0 100°，整体输出杆为弯拐形，而球心与弯拐输出杆外端关节点(如膝关节)的连线为实际输出杆的位置， 该输出方式称为偏置输出。实际输出杆与直输出杆轴线夹角f称为偏置角。当直输出杆在3自由度球面并联机构的安全良好工作空间中时，机构实际 的输出杆则在更大的空间内运动，实现了所需的空间大小和形状，而且也 为安全良好工作空间。为了清楚说明空间增大原因，两个空间的映射关系，见图2、 5。 固定坐标系0-;c。;^。与下支撑杆8 (机构定平台4)固联、坐标原点 位于球心，z。为过球心与下支撑杆8轴线重合，正向向外；x。轴为过球心的 且与z。、 ^所构成的平面垂直，正方向按右手螺旋法则，由z。转到&轴确 定；y。由右手螺旋法则确定。运动坐标系(9-;c^:与圆-棱柱直输出杆12相固联，随着圆-棱柱直输 出杆12和动平台17—同运动，z轴与圆-棱柱直输出杆12的轴线重合，正 向指向外，x轴与z、 z。所构成平面垂直，正方向按右手螺旋法则z转到&确 定，y辅由右手螺旋法确定。初始位置与固定坐标系0-;c。y。z。重合，即 ;c、 > 、 z轴分别与x。、 y。、 z。轴重合。偏置坐标系0-;c,j^ :与圆-棱柱直输出杆12和偏置杆18所组成的输出 杆整体固联，两者轴线夹角^。偏置杆18 (为圆柱形)的偏折方向是任意 的，为了研究问题方便，假定圆-棱柱直输出杆12和偏置杆18所在平面与 Ozj;面重合。取OP为A轴，正向向外；x,与;c轴重合；j^轴由右手螺旋法则 确定。动坐标系0-;^的运动空间表达了原来球面机构的工作空间；而偏置坐 标系O-;c,;^的运动空间表达了新型具有中心球面铰链的偏置输出3自由度 球面并联机构的工作空间。将动坐标系绕固定坐标系的x。轴、y。轴、z。轴依次旋转，再绕动坐标系 x轴旋转得到偏置坐标系O-。将偏置坐标系O-;c,M，经动坐标系O-，，在固定坐标系0-^。z。下的 描述与偏置坐标系O-x,;^在固定坐标系0-;c。j^。下的直接描述矩阵对等， 两个空间的映射关系上式为新的具有中心球面铰链的偏置输出的3自由度球面并联机构的 工作空间。其中a、 ^、 a、 <、 r为动坐标系、偏置坐标系绕固定 坐标系的V ;v z。的转角，f为偏置角。正是偏置输出杆的轴线偏离了z轴，使得^增加f、同时释放了^，进而明显增大输出杆运动范围并改变了空间的形状。 偏置角一般取值范围考虑人体股骨的具体结构A =50 60度，则偏置角一般为f = 42 ~ 54.75° ， 取50、则新型的具有中心球面铰链的偏置输出3自由度球面并联机构的安 全良好工作空间=—13。 ~+113。 < < =-63。 ~ +63。 < =-90。 ~ +90。当选定输出杆的偏置方向、偏置角的大小后，机构的输出杆的工作空 间大小、形状及相对固定坐标系位置则完全被确定，如图11所示。最后，选择机构在髋关节参考坐标系中的位置与姿态。使输出件工作空间完全覆盖人腿的运动范围。髋关节参考坐标系0-^^^,:人体总坐标系0。-^。^。^。定义取u轴为人体的冠状面和矢状面的交线，向下为正方向；^。轴与水平面和矢状面的交线重合，向前(人体正面)为正方向；凡。轴与水平面和冠状面交线重合，正方向指向外侧，原点为三平面交点。将坐标原点平移到髋关节球心得到人腿运动的髋关节参考坐标系o;计虔/MA^if玄n —.说，'feb fe余去AlAi^玄、，在出贵A 7Tr^士B曰.；$由与人体坐标系；轴重合，方向相反；乂轴与人体坐标系^轴重合，正向相反同；两坐标系原点重合。初始状态，机构的固定坐标系0-;c。y。z。与过度坐标系0-x。3v。位姿重 合，然后，做三次旋转绕z。轴旋转y角(右腿为负、左腿正)；绕x。轴旋 转〃角(右腿为正、左腿负)；绕^轴旋转"角(左、右腿均为负)。使机构的输出杆的工作空间中心与人腿股骨的运动范围中心接近重合。考虑人体股骨在矢状面内运动范围较大，骨盆球窝的中性线向下倾斜、同时向前偏转；及机构的工作空间本身的对称性，因此，机构的固定坐标 系相对过度坐标系的位姿角取<formula>formula see original document page 10</formula>机构的工作空间同时伴随固定坐标系一起旋转，完全覆盖人腿的运动 范围见图12所示。至此， 一种完全满足要求的、高度仿生的髋关节完成。本发明的有益效果关节是人形机器人本体设计中的最重要的、关键 的部分，它的结构、性能将直接决定了机器人的性能。具有偏置输出的3 自由度球面并联人形机器人仿生髋关节，在形态、结构、运动、力学和功 能上最大限度接近人体的实际状态；具有高过约束、大刚度、大工作空间(可实现的工作空间比人腿的实际运动范围大很多)和卸载特性等优点； 该关节结构简单、紧凑、驱动器并联设置在机体上，减轻了肢体负荷，提 高了肢体驱动能力、操作能力；使肢体的运动更加快速、灵活、平滑连续， 改善肢体协调及姿态变换能力，特别是大刚度使肢体的承载能力增加、运 动稳定性提高。总之，该仿生髋关节对于提高人形机器人的机动能力、操 作能力、承载能力、运动稳定性、肢体运动的协调能力及姿态变化、运动 的控制性能有重要意义和价值。


图1是双耳支架固定型的具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器 人仿生髋关节的结构示意图；图2是直输出杆外端与动平台以棱柱形式构成移动副连接的双耳支架 固定型的具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节的结构 示意图；图3是双耳支架旋转型的具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器 人仿生髋关节的结构示意图；图4是直输出杆外端与动平台以棱柱形式构成移动副连接的双耳支架 旋转型的具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节的结构 示意图；图5是具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节的各 坐标系及相对位置示意图；图6是双耳支架固定型的具有大工作空间的中心球面铰链结构示意图；图7是双耳支架旋转型的具有大工作空间的中心球面铰链结构示意图； 图8是髋关节原型机构3自由度球面并联机构的示意图； 图9是具有中心球面副的3自由度球面四支链并联3-RRR+S机构的示 意图10是具有中心球面副的3自由度球面四支链并联3-RRR+ (S-P)机 构的示意图11是具有中心球面铰链的四支链3自由度球面并联3-RRR+S或 3-RRR+ (S-P)机构，在垂直x轴、右手螺旋方向偏置50^寸，机构输出空 间大小、形状及方位示意图12是具有中心球面铰链、偏置输出的3自由度球面并联的人形机器 人仿生髋关节的安全良好工作空间的大小、形状和方位示意图13是法国人提出的并联髋关节机构示意图14是传统球面铰链横向剖分的结构示意图15是传统球面铰链纵向剖分的结构示意图。
在上述附图中，1. U形拨叉，2.旋转支架，(3， 3').拨叉支撑销轴， 4.定平台，(5， 5'， 5").下连杆，6.球头，7.支撑半球窝，8.下i撑杆，9. 双耳支架，(10， 10'， 10").连杆销轴，(11， 11'， 11").驱动输入轴，12.圆 -棱柱直输出杆，12'.直输出杆，(13， 13').支撑辊，(14， 14').支撑销轴， (15， 15'， 15").上连杆，(16， 16'， 16").动平台销轴，17.动平台，18. 偏置输出杆，19.扁-棱柱直输出杆，19'.扁-直输出杆，20.扁-圆柱直输出杆， 21圆柱直输出杆，22-固定环，23.连接柱。
具体实施例方式
实施例l
图1是本发明公开的第一个实施例，是一种双耳支架固定型的具有偏 置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节，它由3自由度球面并 联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元组成。所述的中心球面铰链是一 种双耳支架固定型的具有大工作空间的中心球面铰链，包括双耳支架9、下 支撑杆8和U形拨叉1与双耳支架9构成转动连接的销轴(3， 30，圆柱 直输出杆21 (包括直输出杆12'的组合体)、旋转支架2、支撑销轴(14， 14')和支撑辊(13， 13')，支撑半球窝7、球头6和U形拨叉1;所述的3 自由度球面并联机构，包括定平台4，驱动输入轴(11， ll'， ll")，下连杆(5， 5'， 5〃 )，上连杆(15， 15'， 15"),上下连杆构成转动的销轴(10， 10'， 10〃 )，动平台17，动平台与上连杆上端构成转动的销轴(16， 16'， 16");所述的偏置输出单元包括圆柱直输出杆21与偏置输出杆18。其中， 3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合，中心球面铰链的 下支撑杆8轴线过3自由度球面并联机构固定平台的中心，并在外端与固 定平台固联；中心球面铰链的圆柱直输出杆21轴线过3自由度球面并联机 构动平台17的中心，并在外端与动平台17固联；拨叉支撑销轴(3， 3') 的轴线与下支撑杆8轴线所构成的平面与机构的固定坐标系的O-;c。z。平面
夹角45° (绕zo轴正向旋转)；圆柱直输出杆21穿过动平台17，与偏置输 出杆18固联，其轴线与偏置输出杆18轴线所构成的平面与0-巧3平面重合，
偏置方向为绕x轴正向按右手螺旋法则确定，圆柱直输出杆21与偏置输出 杆18轴线的夹角" =55°; 3自由度球面并联机构的固定坐标系0-;c。:^。相
对过渡坐标系(或人腿参考坐标系0-^L^)位姿角《 = 20。、 / = 15°、 ^45。；
下支撑杆8与双耳支架9固联为一体，同时与支撑半球窝7在上端处对心 固定，支撑半球窝7的回转轴线与下支撑杆8的轴线重合。旋转支架2为 回转体、中间设有圆柱形孔、前后各装支撑销轴(14， 14')，支撑辊(13， 13')则对称装在相应的两个销轴上。圆柱直输出杆21下端与球头对心固定 并置于支撑半球窝7中构成球面运动副；圆柱直输出杆21为阶梯形轴、中 间设有轴向定位台阶，旋转支架2连同装在其上支撑销轴(14， 14')上的 支撑辊(13， 13') —起套装在输出杆上，并与轴向定位台阶实现定位。U 形拨叉1为半圆形柱面组合体，两端设有销孔，它可绕装在双耳支架9两 侧的销轴(3， 3')往复摆动，两销轴所在的公共轴线为通过球心的直径， 且与下支撑杆8轴线垂直。以U形拨叉1的轴向宽度中间平面为对称面沿 圆周方向、开有径向内外通透的封闭长槽，圆柱直输出杆21的输出端由U 形拨叉l的槽中穿过，圆柱直输出杆21直径与长槽同宽，并可沿槽侧壁作 往复摆动；旋转支架2上的前后的支撑辊(13， 13')与U形拨叉1两侧圆 弧内表面接触，支撑辊的轴线与U形拨叉1圆柱面的轴线平行，以实现支 撑；驱动输入轴(11， 11'， 11")与下连杆(5， 5'， 5")下端固联、与固定 平台4在支撑点处构成转动连接后外端与减速器固接；三个支链中的构件、 动平台17的所有转动销轴的轴线交于同一点即球心，动平台中心线与销轴 (16， 16'， 16")轴线夹角45、固定平台中心线与驱动输入轴(11， ll'，11")轴线夹角60 三个支链分别与动平台、固定平台连接的支撑点之间 夹角均为12(A下连杆(5， 5'， 5")、上连杆(15， 15'， 15")对应的圆弧 中心角均为9(A上连杆(15， 15'， 15")位于动平台17外侧、位于下连杆 (5， 5', 5")的内侧，下连杆(5， 5'， 5")位于固定平台4支撑铰链点内 侧，固定平台4 一般做成内凹的，当机构运动时各构件分别在不同球面上 运动互不干涉。
当圆柱直输出杆21受到离心拉力时，力经由动平台被分解成两条路线 传递即动平台17、三支链、固定平台4及机架；由输出杆的定位台阶传 到旋转支架2、支撑辊的销轴(14， 14')、支撑辊(13， 13')、 U形拨叉1 直至双耳支架9及机架，共同完成约束作用，实现部分卸载；当圆柱直输 出杆21受到向心压力时，力经由动平台被分解成两条路线传递但是中心 球面铰链的静刚度远远大于三个支链的静刚度，因此，三支链分得的载荷 很小，主要载荷由中心球面铰链承担。实现完全卸载。偏置输出杆18、圆 柱直输出杆21、连同下端固定的球头的组合体可绕输出杆轴线旋转。
实施例2
图2为本发明公开的第二个实施例，是一种直输出杆外端与动平台以 棱柱形式构成移动副连接的、双耳支架固定型的具有偏置输出的3自由度 球面并联人形机器人仿生髋关节，它由3自由度球面并联机构、中心球面 铰链、偏置输出杆单元组成。所述的中心球面铰链是一种双耳支架固定型 的具有大工作空间的中心球面铰链，包括双耳支架9、下支撑杆8和U形 拨叉1与双耳支架9构成转动连接的销轴(3， 3')，圆-棱柱直输出杆12 (包 括直输出杆12'的组合体)、旋转支架2、支撑销轴(14， 14')和支撑辊(13， 13')，支撑半球窝7、球头6和U形拨叉1;所述的3自由度球面并联机构， 包括定平台4，驱动输入轴(11， ll'， IT),下连杆(5, 5'， 5〃 )，上连 杆(15， 15'， 15")，上下连杆构成转动的销轴(10， 10'， 10")，动平台 17，动平台17与上连杆上端构成转动的销轴(16， 16'， 16");所述的偏置 输出单元包括圆-棱柱直输出杆12与偏置输出杆18。其中，3自由度球面并 联机构的球心与中心球面铰链的球心重合，中心球面铰链的下支撑杆8轴 线过3自由度球面并联机构固定平台4的中心，并在外端与固定平台4固 联；中心球面铰链的圆-棱柱直输出杆12的轴线过3自由度球面并联机构动 平台17的中心，并在外端与动平台17以棱柱形式构成移动副连接。其它部分与实施例l相同。
实施例3
图3为本发明公开的第三个实施例，是一种双耳支架旋转型的具有偏 置输出的3自由度球面并联的人形机器人仿生髋关节。它同样由3自由度 球面并联机构、中心球面铰链、偏置输出杆单元三部分组成。所述的中心 球面铰链是一种双耳支架旋转型的具有大工作空间的中心球面铰链，包括 双耳支架9、下支撑杆8和U形拨叉1与双耳支架9构成转动连接的销轴 (3， 3')，扁-圆柱直输出杆20 (包括扁-直输出杆19'的组合体)、支撑销轴 (14， 14')和支撑辊(13， 13')，支撑半球窝7、球头6和U形拨叉1;所 述的3自由度球面并联机构，包括固定平台4，驱动输入轴(ll， ir， ir)， 下连杆(5， 5'， 5")，上连杆(15， 15'， 15")，上下连杆构成转动的销轴(10， 10'， 10〃)，动平台17，动平台17与上连杆上端构成转动的销轴(16， 16'， 16〃);所述的偏置输出单元包括扁-圆柱直输出杆20与偏置输出杆18。固 定环22由均布的3个连接柱23与固定平台4固联。其中与第一实施例的 区别是双耳支架9可以绕下支撑杆8轴线旋转(上部轴向定位)；U形拨 叉1置于双耳支架9内侧；销轴(14， 14')及支撑辊(13， 13')直接与扁 -圆柱直输出杆20安装定位，支撑销轴的轴线(14， 14')与U形拨叉1圆 柱面的轴线保持平行；输出杆穿过U形拨叉1的部分采用扁或方形截面、 并与U形拨叉1的长槽同宽；偏置输出杆18、、连同下端固定的球头的组 合体及U形拨叉1、双耳支架9可一起绕扁-圆柱直输出杆20、支撑杆8轴 线旋转。
实施例4
图4为本发明公开的第四个实施例，是一种直输出杆外端与动平台以 棱柱形式构成移动副连接的、双耳支架旋转型的具有偏置输出的3自由度 球面并联的人形机器人仿生髋关节。其中，3自由度球面并联机构的球心与 中心球面铰链的球心重合，中心球面铰链的下支撑杆8轴线过3自由度球 面并联机构固定平台4的中心，并在外端与固定平台4固联；中心球面铰 链的扁-棱柱直输出杆19的轴线过3自由度球面并联机构动平台17的中心， 并在外端与动平台17以棱柱形式构成移动副连接。其它部分与实施例3相 同。
权利要求
1. 一种具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节，由3自由度球面并联机构、中心球面铰链和偏置输出杆单元三部分组成，其特征是3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆(8)的轴线过3自由度球面并联机构固定平台(4)的中心，并在外端与固定平台(4)固联；中心球面铰链的直输出杆(12′)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(17)的中心，并在外端与动平台(17)固联或者以棱柱形式构成移动副连接；直输出杆(12′)穿过动平台(17)与偏置输出杆(18)固联，其轴线与偏置输出杆(18)轴线所构成的平面与O-zz13平面重合，偏置方向为绕x轴正向右手法则确定，两轴线夹角αh＝50～60°；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x0y0z0相对过渡坐标系的位姿角α＝18～22°、β＝12～20°、γ＝42～55°。
2. 根据权利要求1所述具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿 生髋关节，其特征是中心球面铰链的双耳支架(9)、下支撑杆(8)与支 撑半球窝(7)固联为一体，支撑球窝(7)的回转轴线与下支撑杆(8)的 轴线重合，支撑球窝(7)的球心与球面铰链的球心重合；双耳支架(9) 与U形拨叉(1)通过销轴(3， 3')构成转动连接，U形拨叉(1)装在双 耳支架(9)的外侧，销轴(3， 3')所在的轴线为通过球心的直径；支撑销 轴(14， 14')和支撑辊(13， 13')前后对称的装在旋转支架(2)上，支 撑销轴(14， 14')的轴线与旋转支架(2)的回转轴线垂直相交，旋转支架(2)连同其上的销轴(14, 14')、支撑辊(13， 13') —起套装在直输出杆 (120上，直输出杆(120下端与球头(6)对心固定并置于支撑球窝(7) 中且球心重合；U形拨叉(1)为半圆形柱面组合体，两端设有销孔，以其 轴向宽度的中间平面为对称面、沿圆周方向开出径向内外通透封闭长槽； 直输出杆(120由此封闭长槽中穿过；支撑辊(13， 13')外圆柱面与U形 拨叉(1)内表面接触，两者的轴线平行。
3. 根据权利要求1或2所述具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器 人仿生髋关节，其特征是双耳支架(9)与下支撑杆(8)轴线重合构成 转动连接；U形拨叉(1)置于双耳支架(9)内侧；支撑销轴(14， 14') 及支撑辊(13， 13')直接与直输出杆(190安装定位，支撑销轴(14, 14') 的轴线与U形拨叉(1)圆柱面的轴线保持平行；直输出杆(19')穿过U形拨叉(1)的部分为扁或方形截面并且与U形拨叉(1)的封闭长槽同宽。
4. 根据权利要求3所述具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节，其特征是所述的中心球面铰链的销轴(3， 3')的轴线与下支 撑杆(8)轴线所构成的平面与3自由度球面并联机构的固定坐标系的0-;c。z。平面夹角45°,即绕Zo轴正向右手方向旋转45。。
5. 根据权利要求3或4所述具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器 人仿生髋关节，其特征是固定环(22)由均布的3个连接柱(23)与固 定平台(4)固联。
全文摘要
本发明公开一种具有偏置输出的3自由度球面并联人形机器人仿生髋关节。其特征是3自由度球面并联机构的球心与中心球面铰链的球心重合；中心球面铰链的下支撑杆(8)轴线过3自由度球面并联机构固定平台(4)的中心，并在外端与固定平台(4)固联；中心球面铰链的直输出杆(12′)的轴线过3自由度球面并联机构动平台(17)的中心，并在外端与动平台(17)固联或以棱柱形式构成移动副连接；直输出杆(12′)穿过动平台(17)，与偏置输出杆(18)固联，其轴线与偏置输出杆(18)轴线所构成的平面与O-zz₁₃平面重合，偏置方向为绕x轴正向右手法则确定，两轴线夹角α_h＝50～60°；3自由度球面并联机构的固定坐标系O-x₀y₀z₀相对过渡坐标系的位姿角α＝18～22°、β＝12～20°、γ＝42～55°。该髋关节具有高过约束、大刚度、大工作空间和卸载功能等优点，在形态、结构、运动、力学和功能上最大限度接近人体髋关节的实际状态。
文档编号B25J17/00GK101301756SQ20081005502
公开日2008年11月12日 申请日期2008年5月29日 优先权日2008年5月29日
发明者周玉林, 峰 高 申请人:燕山大学