[发明专利]一种串联人形机器人

说明书

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。

背景技术

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。

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和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。

附图说明