CN101695838A - 四自由度仿人机器人腰关节 - Google Patents

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高峰
杨加伦
郭为忠
赵现朝
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张勇
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Abstract

一种四自由度仿人机器人腰关节，属于仿真机器人技术领域。本发明包括：静平台、动平台、第一分支机构和三个第二分支机构，其中：动平台位于静平台的上方，第一分支机构的一端与静平台相连，另一端与动平台相连，三个第二分支机构各自的一端分别与静平台相连，各自的另一端分别与动平台相连；所述的第一分支机构包括：第一连杆和球铰，其中：第一连杆的一端与动平台相连并组成移动副，另一端与球铰相连，且该球铰与静平台活动连接；所述的第二分支机构对动平台的自由度约束为零。本发明结构简单、对加工误差敏感度低、承载能力高。

Description

四自由度仿人机器人腰关节
技术领域
本发明涉及的是一种仿人机器人技术领域的腰关节，具体是一种四自由度仿人机器人腰关节。
背景技术
人体的腰关节具有四个自由度，即绕三个不同方向的转动和沿铅垂轴方向的上下移动，为了达到逼真模拟的效果，仿人机器人的腰关节应当具有与人体腰关节类似的功能，即具有3转1移的四个自由度。采用串联机构的仿人机器人腰关节往往存在刚度低、累计误差高、负载能力差能问题，因此，目前仿人机器人的腰关节大多采用并联机构。
经过对现有相关技术文献检索发现，吴文奎等在《机械设计与研究》2008年第24卷第1期上发表了“新型四自由度并联结构腰关节的运动学分析”一文，该文介绍了一种基于4-RRR-RR型并联机构的仿人机器人的腰关节，每条支链的前三个转动副轴线相交于转动中心，后两个转动副轴线相互平行。所有的四条支链的转动中心重合，所有的后两个转动副轴线所在平面不全部平行。虽然该腰关节具有3转1移四个自由度，但其结构较复杂，所需加工精度高，对加工误差敏感，承载能力较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种四自由度仿人机器人腰关节，目标是简化腰关节机构，降低对加工误差的敏感度，提高腰关节承载能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：静平台、动平台、第一分支机构和三个第二分支机构，其中：动平台位于静平台的上方，第一分支机构的一端与静平台相连，另一端与动平台相连，三个第二分支机构各自的一端分别与静平台相连，各自的另一端分别与动平台相连；所述的第一分支机构包括：第一连杆和球铰，其中：第一连杆的一端与动平台相连并组成移动副，另一端与球铰相连，且该球铰与静平台活动连接；所述的第二分支机构对动平台的自由度约束为零。
所述的第二分支机构包括：第二连杆和第三连杆，其中：第二连杆的一端与球铰相连，且该球铰与动平台活动连接，第二连杆的另一端与球铰、虎克铰或第三连杆相连。
所述第三连杆的一端与球铰、虎克铰或第二连杆相连，另一端与球铰、虎克铰或静平台相连。
所述的第二连杆与第三连杆相连并组成移动副。
所述的第三连杆与静平台相连并组成移动副。
所述三个第二分支机构与静平台的三个连接点构成三角形，且第一分支机构与静平台的连接点位于该三角形内。
本发明由静平台、动平台、第一分支机构和三个第二分支机构组成四自由度并联机构，在第一分支机构以及三个第二分支机构的移动副作用下，动平台能够实现沿第一分支机构移动副方向的移动以及绕第一分支机构球铰的三个不同方向的转动，从而达到模拟人体腰关节运动的目的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)由于第二分支机构相对动平台的自由度约束为零，不需要各分支机构之间的转动中心重合，降低了机构的复杂度和对加工误差的敏感度；(2)本发明不存在过约束，提高了机构的负载能力。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图4是本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，实施例1包括：静平台1、动平台2、第一分支机构3和三个第二分支机构4，其中：动平台2位于静平台1的上方，第一分支机构3的一端与静平台1相连，另一端与动平台2相连，三个第二分支机构4各自的一端分别与静平台1相连，各自的另一端分别与动平台2相连；所述的第一分支机构3包括：第一连杆5和球铰6，其中：第一连杆5的一端与动平台2相连并组成移动副7，另一端与球铰6相连，且该球铰6与静平台1活动连接；所述的第二分支机构4对动平台2的自由度约束为零。
所述的第二分支机构4包括：第二连杆8和第三连杆9，其中：第二连杆8的一端与球铰6相连，且该球铰6与动平台2活动连接，第二连杆8的另一端与第三连杆9相连并组成移动副7。
所述第三连杆9的一端与第二连杆8相连，另一端与球铰6相连，且该球铰6与静平台1活动连接。
所述三个第二分支机构4与静平台1的三个连接点构成三角形，且第一分支机构3与静平台1的连接点位于该三角形内。
如图2所示，实施例2包括：静平台1、动平台2、第一分支机构3和三个第二分支机构4，其中：动平台2位于静平台1的上方，第一分支机构3的一端与静平台1相连，另一端与动平台2相连，三个第二分支机构4各自的一端分别与静平台1相连，各自的另一端分别与动平台2相连；所述的第一分支机构3包括：第一连杆5和球铰6，其中：第一连杆5的一端与动平台2相连并组成移动副7，另一端与球铰6相连，且该球铰6与静平台1活动连接；所述的第二分支机构4对动平台2的自由度约束为零。
所述的第二分支机构4包括：第二连杆8和第三连杆9，其中：第二连杆8的一端与球铰6相连，且该球铰6与动平台2活动连接，第二连杆8的另一端与球铰6相连，且该球铰6与第三连杆9相连。
所述第三连杆9的一端与球铰6相连，另一端与静平台1相连并组成移动副7。
所述三个第二分支机构4与静平台1的三个连接点构成三角形，且第一分支机构3与静平台1的连接点位于该三角形内。
如图3所示，实施例3包括：静平台1、动平台2、第一分支机构3和三个第二分支机构4，其中：动平台2位于静平台1的上方，第一分支机构3的一端与静平台1相连，另一端与动平台2相连，三个第二分支机构4各自的一端分别与静平台1相连，各自的另一端分别与动平台2相连；所述的第一分支机构3包括：第一连杆5和球铰6，其中：第一连杆5的一端与动平台2相连并组成移动副7，另一端与球铰6相连，且该球铰6与静平台1活动连接；所述的第二分支机构4对动平台2的自由度约束为零。
所述的第二分支机构4包括：第二连杆8和第三连杆9，其中：第二连杆8的一端与球铰6相连，且该球铰6与动平台2活动连接，第二连杆8的另一端与虎克铰10相连，且该虎克铰10与第三连杆9相连。
所述第三连杆9的一端与虎克铰10相连，另一端与静平台1相连并组成移动副7。
所述三个第二分支机构4与静平台1的三个连接点构成三角形，且第一分支机构3与静平台1的连接点位于该三角形内。
如图4所示，实施例4包括：静平台1、动平台2、第一分支机构3和三个第二分支机构4，其中：动平台2位于静平台1的上方，第一分支机构3的一端与静平台1相连，另一端与动平台2相连，三个第二分支机构4各自的一端分别与静平台1相连，各自的另一端分别与动平台2相连；所述的第一分支机构3包括：第一连杆5和球铰6，其中：第一连杆5的一端与动平台2相连并组成移动副7，另一端与球铰6相连，且该球铰6与静平台1活动连接；所述的第二分支机构4对动平台2的自由度约束为零。
所述的第二分支机构4包括：第二连杆8和第三连杆9，其中：第二连杆8的一端与球铰6相连，且该球铰6与动平台2活动连接，第二连杆8的另一端与第三连杆9相连并组成移动副7。
所述第三连杆9的一端与第二连杆8连，另一端与虎克铰10相连，且该虎克铰10与静平台1活动连接。
所述的三个第二分支机构4与静平台1的三个连接点构成三角形，且第一分支机构3与静平台1的连接点位于该三角形内。
上述四个实施例中，由于第二分支机构相对动平台的自由度约束为零，不需要各分支机构之间的转动中心重合，因此降低了机构的复杂度和对加工误差的敏感度，提高了机构的负载能力。

Claims (6)

1.一种四自由度仿人机器人腰关节，包括：静平台、动平台、第一分支机构和三个第二分支机构，其中：动平台位于静平台的上方，第一分支机构的一端与静平台相连，另一端与动平台相连，三个第二分支机构各自的一端分别与静平台相连，各自的另一端分别与动平台相连，其特征在于，所述的第一分支机构包括：第一连杆和球铰，其中：第一连杆的一端与动平台相连并组成移动副，另一端与球铰相连，且该球铰与静平台活动连接；所述的第二分支机构对动平台的自由度约束为零。
2.根据权利要求1所述的四自由度仿人机器人腰关节，其特征是，所述的第二分支机构包括：第二连杆和第三连杆，其中：第二连杆的一端与球铰相连，且该球铰与动平台活动连接，第二连杆的另一端与球铰、虎克铰或第三连杆相连。
3.根据权利要求2所述的四自由度仿人机器人腰关节，其特征是，第三连杆的一端与球铰、虎克铰或第二连杆相连，另一端与球铰、虎克铰或静平台相连。
4.根据权利要求2或3所述的四自由度仿人机器人腰关节，其特征是，第二连杆与第三连杆相连并组成移动副。
5.根据权利要求3所述的四自由度仿人机器人腰关节，其特征是，第三连杆与静平台相连并组成移动副。
6.根据权利要求1所述的四自由度仿人机器人腰关节，其特征是，三个第二分支机构与静平台的三个连接点构成三角形，且第一分支机构与静平台的连接点位于该三角形内。
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