CN103770116B - 一种十七自由度人形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十七自由度人形机器人，由头部、躯干和四肢构成，所述中头部有一个自由度，每个手部有三个自由度，每个腿部有五个自由度。本发明可以完成许多仿人形动作，如鞠躬敬礼、倒地起立、循迹行走、劈叉、大鹏展翅、俯卧撑和追随目标移动等动作。本发明采用了十七个双轴舵机，使其动力传输稳定，动作连贯稳定性好；在设计其部件时，充分利用了铝合金材料的特性，将固定所需的附件省略，进一步减轻机器人的自重，使机器人更稳定。本发明外观紧凑精美、高度仿人体比例、结构合理、重量轻、制作简单、舞蹈动作协调逼真、稳定性强。可应用于教学实习，也适用于一些机器人竞赛。

Description

一种十七自由度人形机器人

技术领域

本发明属于机器人技术、自动化技术领域，特别是指一种十七自由度的人形机器人。

背景技术

人形机器人是机器人技术中的最高点，它可以在高危、高温的工作环境中代替人类去完成各种工作；在导游礼仪、游乐园唱歌、表演、语音交流服务业方面有广阔的应用前景；也可广泛应用与老年人、残疾人的日常生活、康复训练以及医院的医护护理中等方面。人形机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度***，其机械结构和控制***相对复杂。对人形机器人的研究，可以归纳为对机器人的机械结构、力学、机器人运动学、动力学、视觉、语音识别、重力平衡控制、步态规划、控制理论等多学科领域的交叉研究，是一个非常理想的教学、科研实验平台。

目前的人形机器人一般比较笨重，稳定性差，而且耗资巨大。如一个能模仿人类舞蹈的人形机器人，要求能够自主追随目标，并保证机器人在动作过程中的稳定性、可靠性和具有一定的流畅性。

为使机器人高度仿人，一般来说是常用的方法是增加关节个数；为使机器人稳定运行，需要传感器***构成反馈调节，同时增大机器人重量。但是在机器人摔倒、意外掉电或发生故障时，有可能损坏零件、机构或者对电路造成破坏。为了避免上述种种不便，一般会给机器人附加过多的固定附件，引起机器人自重增加，导致其平衡性与稳定性下降，从而对机器人的固定可靠与部件精简轻巧，带来一定难度，进而影响机器人动作执行的稳定性和流畅性。

发明内容

针对上述机器人的一系列缺点，本发明的目的在于提供了一种具有双足结构的十七自由度人形机器人的机械结构，该结构通过舵机驱动十七个关节，使机器人的重心左右移动，进而实现机器人前进，还能完成鞠躬敬礼、倒地起立、大鹏展翅、劈叉及俯卧撑等复杂舞蹈动作。

实现上述发明目的技术方案是一种十七自由度人形机器人，一种十七自由度人形机器人，由头部、躯干和四肢构成，其特征在于，所述中头部有一个自由度，每个手部有三个自由度，每个腿部有五个自由度。

所述头部由一个伺服电机、头部外壳包装以及固定于上方的摄像头组成，所述腿部的胯关节和踝关节是由两个相同的U型件和伺服电机反向垂直安装组成；以及两个胸部伺服电机和两个腰部伺服电机镶嵌安装所述伺服电机为180度舵机，具有舵机齿轮减速机构，输出轴具有转角限位。

所述躯干采用两块凹形结构配合安装，刚好竖直安装两个肩部伺服电机和两个腰 部伺服电机，腰部有一个空间安装控制板，躯干支架中间部分空间恰能放置电池。凹形支架是一左右对称的凹槽式结构，凹槽式结构的左右两侧壁向外翻边并在翻边结构的上平面及前后侧面均设置了连接板以方便安装各伺服电机和连接头部。

所述腰部、肩部及脚踝部均采用U型结构连接。

膝部是由一对呈一定钝角的膝部连接片，将两个舵机非转动端固定连接而组成。

脚部舵机呈横向放置，由铝合金角件固定，旋转方向与前进方向呈垂直关系。

头部由采用铝合金将头部伺服电机包围在其中，根据人体各部分比例关系，将人形机器人头部外观做成仿人形状，该铝合金装置能有效保护头部舵机。

控制***固定与腰部空隙处，视觉摄像头安装在头部，与机器人直立时呈0~90度，能最大范围捕捉目标，电池固定在躯干中部空隙处。

手臂架的回折边的距离与舵机安装时的宽度相同。

手臂架与舵机固定，采用回折边的夹持，同时在安装孔处用螺钉固定。

本发明的17自由度人形机器人的工作原理：

本发明公开了一种17自由度的人形机器人，基本结构由头部、躯干和四肢构成，其中躯干部骨架由凹形件和凹形支架配合组装而成，以及两个胸部伺服电机和两个腰部伺服电机镶嵌安装。本发明通过摄像头采集外界的行走指示轨迹，经过控制***的处理后，驱动关节舵机，驱使机器人的重心前后、左右移动，是机器人整体沿着给定的轨迹行走；或摄像头采集周围物体的颜色、形状，与控制***给定的特定颜色、特定形状进行匹配，如果满足匹配阈值，则摄像头追随目标，同时计算机器人与目标之间的方位，驱动关节舵机，使机器人追随目标移动。

本发明的17自由度人形机器人与现有技术相比较，具有以下优点：

本发明的零件均采用铝合金制作，造价低廉，易于切割折弯加工，韧性和强度均符合韧性机器人的运动需求；本发明大量使用U型件，制作简单、安装方便；本发明手部有三个自由度，躯干部分由一个凹形件和凹形支架配合安装，整个人形机器人外观尺寸模仿人体比例，造型简洁精美，能保证一系列动作协调、稳定、优美。

本发明还能够通过摄像头采集的数据，经过控制***的处理后，可以循迹行走，或追随目标移动。在机械结构上达到优化、简洁、高度仿人体比例，同时造价低廉、稳定性好，从而更方便机器人学习者，对人形机器人进行机械***分析、力学分析，轨迹规划，学习并掌握机器人的控制***、传感***，在此基础上，机器人学习者还可以对人形机器人进行各种任务操作，如人形机器人舞蹈，人形机器人竞速，人形机器人跨越障碍等。

附图说明

图1为本发明十七自由度的人形机器人整体结构示意图；

图2为本发明十七自由度的人形机器人的膝部连接件的构示意图；

图3为本发明十七自由度的人形机器人的凹形件的构示意图；

图4为本发明十七自由度的人形机器人的凹形支架的构示意图；

图5为本发明十七自由度的人形机器人的手臂支架的构示意图。

下面是结合附图对所述的一种17自由度人形机器人进一步说明。

具体实施方式一

如图1所示为本发明公开的一种17自由度人形机器人，该***一种十七自由度人形机器人，由头部、躯干和四肢构成，所述中头部有一个自由度，每个手部有三个自由度，每个腿部有五个自由度；一种十七自由度人形机器人，一种十七自由度人形机器人，由头部、躯干和四肢构成，所述头部由一个伺服电机、头型部件2以及固定于上方的摄像头1组成；所述躯干部骨架由凹形件20和凹形支架21配合安装，中间安装两个胸部伺服电机13，两侧安装两个肩部伺服电机4，下边安装两个腰部伺服电机14，两个腰部伺服电机14的中间安装控制***15，两个胸部伺服电机13的中间安装有电池3。

所述腿部的胯关节和脚踝关节12是由两个相同的U型件和伺服电机反向垂直安装组成；所述伺服电机为180度舵机，具有舵机齿轮减速机构，输出轴具有转角限位。

腰部、肩部及脚踝部均采用U形件连接。

膝部是由一对呈钝角的膝部连接片10，见图2，将两个舵机非转动端固定连接而组成。

图3和图4分另为凹形件20和凹形支架21的结构示意图。

脚部舵机呈横向放置，由铝合金角件固定，旋转方向与前进方向呈垂直关系。

头部由采用铝合金将头部伺服电机包围在其中，根据人体各部分比例关系，将人形机器人头部外观做成仿人形状，该铝合金装置能有效保护头部舵机。

控制***15固定与腰部空隙处，视觉摄像头安装在头部，与机器人直立时呈0~90度，能最大范围捕捉目标，电池固定在躯干中部空隙处。

图5为本发明十七自由度的人形机器人的手臂支架7的构示意图，手臂支架的回折边的距离与舵机安装时的宽度相同，手臂支架与舵机固定，采用回折边的夹持，同时在安装孔处用螺钉固定。

本发明的肩部、腰部、脚踝部位的伺服电机的输出轴舵盘，均由相同尺寸的U形件固定。

本发明的U形件呈U形，封闭端可与其他U形件固定，也可通过螺钉与伺服电机输出轴舵盘固定，开放端可与双轴伺服电机通过螺钉固定，使用非常方便，其尺寸是参考伺服电机的尺寸而设计。

本发明的头部由一个伺服电机带动而转动，根据仿人特点设计出外包装铝合金外壳，可有效保护机器人头部安装的摄像头组。摄像头安装方向与人形机器人的垂直站立的方向垂直，也就是，与地面方向平行；本发明的摄像头有效拍摄角度范围为：机器人头部的垂直线为基准，上下、左右各45度内。

本发明的手臂支架7上固定伺服电机，伺服电机的活动轴与连接件相连，实现人形机器人小臂6的上下挥动；U形连接件连接大臂5的伺服电机的不活动端，形成人形机器人肘关节，实现人形机器人肘部的上下活动；大臂上的伺服电机的活动端，通过螺钉与U形件的开放端固定，实现人形机器人大臂的上下活动；与大臂连接的U形件的闭合端，与胸部伺服电机输出轴固定，实现人形机器人的胳膊转动；人形机器人肩部转动时，不与躯干支架发生干涉；腰部伺服电机14的活动轴与U形件8连接，形成了人形机器人的腿部胯关节；人形机器人的大腿采用两个U形件反向垂直安装，大腿部伺服电机9的不活动端与小腿部伺服电机16的不活动端通过膝盖连接件10链接而成，小腿伺服电机16与脚部伺服电机17通过连接件11连接。

本发明人形的脚部结构为窄足结构，脚部伺服电机17固定在其中一个两个反向固定的U形件开放端，靠重心的左右和上下移动实现前进；底板采用矩形铝合金板，以直角件18将伺服电机与底板19固定。

采用本发明上述实施例相同的相似的结构，所得到的十七自由度人形机器人，均在本发明保护范围之内。

本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上的等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种十七自由度人形机器人，由头部、躯干和四肢构成，其特征在于，所述头部有一个自由度，每个手部有三个自由度，每个腿部有五个自由度；所述躯干采用两块凹形结构配合安装，刚好竖直安装两个肩部伺服电机和两个腰部伺服电机，腰部有一个空间安装控制板，躯干支架中间部分空间恰能放置电池；躯干部骨架由凹形件和凹形支架配合安装，中间安装两个胸部伺服电机，两侧安装两个肩部伺服电机，下边安装两个腰部伺服电机，两个腰部伺服电机的中间安装控制***，两个胸部伺服电机的中间安装有电池；凹形支架是一左右对称的凹槽式结构，凹槽式结构的左右两侧壁向外翻边并在翻边结构的上平面及前后侧面均设置了连接板以方便安装各伺服电机和连接头部。

2.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：所述头部由一个伺服电机、头部外壳包装以及固定于上方的摄像头组成，所述腿部的胯关节和踝关节是由两个相同的U型件和伺服电机反向垂直安装组成；以及两个胸部伺服电机和两个腰部伺服电机镶嵌安装，所述伺服电机为180度舵机，具有舵机齿轮减速机构，输出轴具有转角限位。

3.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：腰部、肩部及脚踝部均采用U型结构连接。

4.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：膝部是由一对呈一定钝角的膝部连接片，将两个舵机非转动端固定连接而组成。

5.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：脚部舵机呈横向放置，由铝合金角件固定，旋转方向与前进方向呈垂直关系。

6.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：头部采用铝合金将头部伺服电机包围在其中，根据人体各部分比例关系，将人形机器人头部外观做成仿人形状，该铝合金装置能有效保护头部舵机。

7.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：控制***固定与腰部空隙处，视觉摄像头安装在头部，与机器人直立时呈0-90度，能最大范围捕捉目标，电池固定在躯干中部空隙处。

8.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：手臂架的回折边的距离与舵机安装时的宽度相同。

9.根据权利要求1所述的十七自由度人形机器人，其特征在于：手臂架与舵机固定，采用回折边的夹持，同时在安装孔处用螺钉固定。