[实用新型]具有中心球面副的大工作空间球面并联仿生肩关节

说明书

技术领域

本发明涉及人形机器人领域，特别是并联仿生肩关节。 

背景技术

作为机器人技术领域最活跃的分支之一，人形机器人的研究始于上世纪60年代，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志，在人类生产和生活中有着广泛的用途。目前为止，以实现类人的一般性（机动、操作）功能为目标的研究已基本告一段落，今后一个时期，人形机器人的研究将进入到全面仿生新阶段，主要集中在结构仿生、功能仿生、外在特征和智能仿生。而机构则是构成机器人的基本框架，是设计人形机器人最基本的和首要的工作。 

机械本体设计是人形机器人开发的关键和基础，直接决定着机器人的性能，制约着未来机器人控制与智能化扩展的潜力。在机器人机械本体设计中，关节的设计是其中最为重要和关键的部分。现有的各类人形机器人的机械本体（包括关节）几乎均为串联构型，而由人体生理学可知：人体中所有关节的运动均为肌肉群并联驱动。因此，根据仿生原理和人体特征要求，以并联机构作为人形机器人关节构型，符合客观实际，有可能取得与人类特征更趋于一致的效果。 

然而到目前为止，并联机构在人形机器人肩关节中的应用还非常有限。现有各类人形机器人肩关节机构多为串联构型，即两个或三个单转动副串联、双球铰串联等。串联构型的各关节间无耦合，控制比较容易，但存在驱动能力低、刚度小等不足。而以并联机构作为人形机器人关节构型，从结构组成和功能原理上讲，更加符合人体客观实际，是实现人形机器人关节仿生的一个重要且可行的研究方向。因此，许多研究人员把研究重心转向了三自由度转动并联机构，如Gosselin提出的3-RRR机构，孔宪文提出的3-RRS机构，李秦川提出的3-PCRNS机构等三自由度球面并联机构。中国专利文献（200710062552.5）提出一种可实现三维转动的肩关节并联机构，此机构均由转动副构成，且各个转动副轴线交于一点，加工精度要求高、成本大；中国实用新型专利文献（201120068695.9）提出一种人形机器人的三支链两自由度肩关节机构，该并联机构能实现二维转动，而人体肩关节是具有三维转动的球窝型关节，此肩关节机构的实际运动特性并不完全符合人类肩关节的运动特性。 

上述现有的肩关节并联机构原型结构复杂、工艺性差、承载能力低，也未能有效的解决并联机构工作空间相对较小的问题，不能满足人体肩关节的真实运动需要，难以直接应用于 肩关节仿生。 

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有并联机构肩关节存在的诸多不足，提供一种具有中心球面副的大工作空间球面并联仿生肩关节，该肩关节机构具有结构简单、工作空间大、承载能力强等优点，并能模拟人类肩关节的三维转动运动，实现人体肩关节的结构和功能仿生。 

本实用新型所采用的技术方案为：具有中心球面副的大工作空间球面并联仿生肩关节，主要由定平台、动平台及其之间的三条运动支链和一条中心支链组成。三条运动支链结构相同，每条运动支链自定平台至动平台依次均由环形导轨移动副、主动滑块、第一球面副、从动杆和第二球面副组成；主动滑块通过环形导轨移动副与定平台相连接，环形导轨移动副为机构的驱动副；主动滑块通过第一球面副与从动杆相连接；从动杆通过第二球面副与动平台相连接；中心支链自定平台至动平台依次由中心立柱、转动副、多耳基座和球面副组成。中心立柱与定平台固接；中心立柱通过转动副与多耳基座相连接，多耳基座通过中心球面副与动平台相连接；三条运动支链中的第二球面副的球心均匀分布在同一圆环上，中心球面副的球心也位于该圆环面上；三条运动支链中的第一球面副的球心位于同一圆环上；初始装配时，每条运动支链的从动杆与中心立柱空间交错。 

本实用新型的特点还在于：中心支链的多耳基座沿圆周方向均匀的开有若干圆弧形凹槽，其具体数量由机构的结构尺寸、强度及工艺要求确定；与传统球头球窝式球面副不同，构成中心球面副的多耳基座与中心立柱之间可相对转动，故在外力作用下，当动平台上构成中心球面副的球头杆接触到多耳基座上边沿时，并不像传统球面副那样发生干涉，而是多耳基座旋转，球头杆沿圆弧形凹槽继续转动，直至凹槽底部为止，进而实现动平台更大范围的转动。主动滑块可沿环形导轨绕定平台中轴线连续整周转动，即动平台可绕定平台中轴线连续转动360°。 

本实用新型的有益效果是：本肩关节机构结构对称、紧凑、承载能力强、工作空间大，有利于实现人形机器人肩关节结构和功能的仿生。 

附图说明

图1为具有中心球面副的大工作空间球面并联仿生肩关节结构示意图；