CN108127640B - 一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿人轮式机器人领域，具体为一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人。该机器人包括：全方位底盘***、大俯角腰身***、仿人轻量机械臂***、胸部***、头部视觉语音***，全方位底盘***包括：减震***及运动***，大俯角腰身***包括：动力***及滑块连杆***，仿人轻量机械臂***包括：机器人运动关节模块及关节连接板，其中关节连接板根据人体肢体数据灵活定制，胸部***包括胸部旋转关节和机器人动力控制***，头部视觉语音***包括：双目摄像头、语音设备及两自由度关节。本发明简化仿人机器人的结构及重量，降低制造成本，实现根据人体肢体数据对机器人的定制，实现超55°大俯角弯腰动作，提高仿人机器人的功能适用性。
Description
技术领域
本发明涉及仿人轮式机器人领域，具体为一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人。
背景技术
现在的轮式仿人机器人基本结构类似，由轮式底盘、机械臂、头部、躯体几大部分构成，但是在腰部结构存在较大的差异，如：连杆式、蜗轮蜗杆式等等。
例如：发明专利(公开号CN 106945071 A)公开的腰部结构，使用一个电机控制一个自由度的方式实现腰部倾斜，动力电机繁多，结构及控制复杂。又如实用新型专利(公开号CN 206263988 U)采用蜗轮蜗杆的方式，实现弯腰动作，俯身角度为前倾20°、后仰40°，与机器人前倾角大于后仰角的动作需求符合度较低。
且在现有腰部结构中，腰部关节仍以独立关节的形式存在，关节协同、重心平衡问题成为限制机器人大角度俯身动作能力的重要因素，在机器人的动作过程中，弯腰动作的产生，必然伴随机器人整体重心的变化。因此，需要除腰部关节外的其他关节一起协同动作，如：髋部关节，膝部关节等，来保证整体重心不随弯腰动作产生较大偏移。而对多关节动力进行精准控制，极大增加机器人的控制难度及复杂性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，解决现有仿人机器人俯身角度较小，以及俯身动作躯体平衡需要各个关节协同动作的技术问题，简化结构，降低控制复杂性及降低成本。
本发明的技术方案如下：
一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，包括头部视觉语音***、胸部***、仿人轻量机械臂***、大俯角腰身***、全方位底盘***自上而下的组合结构；
所述头部视觉语音***包括：双目摄像头、语音设备及两自由度关节；
所述胸部***包括：胸部旋转关节和机器人动力控制***；
所述仿人轻量机械臂***包括：机器人运动关节模块及关节连接板；
所述大俯角腰身***包括：动力***及滑块连杆***；
所述全方位底盘***包括：减震***及运动***，运动***的前轮轮组和后轮轮组设置于全方位底盘***的底部，形成轮式仿人机器人。
所述大俯角腰身***的动力***，自由度数为1，并由直线电机提供动力。
所述大俯角腰身***的滑块连杆***，包括：背部联板、腿部联板、髋部关节、膝部关节、固定立板、动力***、滑道***，背部联板为连杆一，背部联板的底部与髋部关节连接，保留旋转自由度；背部联板的上部留有联接孔，与胸部旋转关节联接，联板中部与滑道***联接，保留旋转自由度；腿部联板为连杆二，腿部联板的端部分别与髋部关节、膝部关节联接，均保留旋转自由度；滑道***，滑道间板两侧分布滑道，顶端与腰部联板联接，保留旋转自由度；固定立板，底端留有与底盘对接的安装接口。
所述滑块连杆***中，滑道***与腰部联板及腿部联板构成三角形三边，滑道***在动力***作用下，长度线性变化；髋部关节相对机器人往后下方移动，机器人整体重心下移，腰部联板显示为重心下移，角度偏转。
所述机器人运动关节模块，包括：肩部pitch动力模块、模块化关节及行星减速器模块。
所述模块化关节的动力电机位于滚针轴承内圈空间，并针对于不同动力需求有通用的接口。
所述行星减速器模块的中心预留安装孔，与模块化关节联接，满足机械臂肩部动力需求。
所述关节连接板根据人体肢体数据灵活定制。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明的大角度俯身功能基于滑块连杆***实现，***的两连杆分别对应背部联板和腿部联板，构成三角形的两邻边；由直线电机控制滑块的直线运动，使三角形第三边长度线性变化，于机器人***外现为弯腰和屈膝动作。基于此***，机器人可以实现超过55°的俯身动作，且屈膝动作，使机器人弯腰动作的重心偏移得到补偿，一个动力源完成多个动力源的工作极大简化结构和控制。
2、本发明的仿人机器人，***由板材和结构件搭建，极大利用板材加工周期短的特点，各模块化关节间的关节联接板可以根据不同用户，不同使用场合灵活定制，保证其功能的适用性。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人的整体结构示意图。
图2为本发明大角度俯身动作下的整体结构图。
图3(a)-图3(b)为本发明仿人轻量机械臂***的结构图；其中，图3(a) 为整体结构，图3(b)为分解结构。
图中标号名称如下：
1000头部视觉语音***；1001两自由度关节；1002双目摄像头；1003头部音响；1101头部外壳；1102控制器后盖；
2000胸部***；2001背部动力控制器；2002胸前联板；2100胸部外壳；2200 胸部旋转关节；
3000仿人轻量机械臂***；3100机械臂外壳；3200肩部roll动力模块；3201 联接块；3202限位螺钉螺母；3203联接卡爪；3210行星减速器模块；3211模块化联接板；3212外齿圈；3213中心轮；3214行星轮；3215减速器联接板；3220 模块化关节；3221轴承外圈联块；3222模块关节滚针轴承；3223模块关节电机尾壳；3224模块关节动力电机；3225电机壳；3300肩部pitch动力模块；3301 同步带；3302动力电机；3303肩部结构板；3304小带轮；3305压紧装置；3306 联接钣金；3307大带轮；3308肩部轴；3400上臂roll动力模块；3401上臂动力电机；3402上臂电机联块；3403上臂滚针轴承；3404上臂结构件；3500下臂pitch 动力模块；3501动力输出盘；3600下臂roll动力模块；3601下臂一钣金；3602 下臂动力电机；3603下臂二钣金；3700手掌；3801上臂联接长板；3802上臂联接短板；3803上臂关节板；3804上臂联接卡爪；3805下臂短板；3806下臂长板；
4000大俯角腰身***；4100腰身***外壳；4101腰部以下***外壳；4200 连杆***；4201背部左联板；4202背部右联板；4203髋部垫块；4204髋部关节； 4205腿部右联板；4206腿部左联板；4207膝部关节；4208固定立板；4209联接板；4300滑块***；4301滑块联接块；4302双滑块；4303双滑道；4304滑道间板；4305推杆联块；4306直线推杆；
5000全方位底盘***；5100底盘外壳；5200后轮轮组；5201底盘电机轴承座；5202底盘电机；5203麦克纳姆轮；5204后轮组结构板；5300异型材结构架； 5400前轮轮组；5401减震悬挂铰链。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明，其中的pitch动力、roll动力、pitch轴、yaw 轴的含义分别是：相对上一个元件或者坐标系，俯仰摇摆为pitch轴，左右摇摆为 yaw轴，翻滚摇摆为roll轴，Pitch动力、roll动力为提供相应摇摆运动的动力。
如图1、图2、图3(a)-图3(b)所示，本发明提供一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，该轮式仿人机器人包括头部视觉语音***1000、胸部*** 2000、仿人轻量机械臂***3000、大俯角腰身***4000、全方位底盘***5000 自上而下组合结构，全方位底盘***5000的底部设有前轮轮组和后轮轮组，形成轮式仿人机器人，其具体组成和结构如下：
所述头部视觉语音***1000，用于机器人实现语音和视觉的信息获取和交互，包括两自由度关节1001、双目摄像头1002、头部音响1003以及头部外壳1101、控制器后盖1102，其中：所述两自由度关节1001，位于头部视觉语音***1000 的底部，用于头部pitch轴和yaw轴的运动，其中两自由度关节1001的底座有对接端口，用于与胸部***2000联接。所述双目摄像头1002，位于头部视觉语音***1000的前部，用于获取环境图像信息。所述头部音响1003，位于头部视觉语音***1000的两侧，用于获取环境声音信息。头部视觉语音***1000中设置控制器，用于接受分析摄像头端的视觉数据、处理声音信息。控制器后盖1102安装于头部外壳1101后部，双目摄像头1002、头部音响1003设置于控制器后盖 1102与头部外壳1101形成的保护外壳内。
所述胸部***2000，包括背部动力控制器2001、胸前联板2002、胸部外壳 2100、胸部旋转关节2200，其中：背部动力控制器2001、胸前联板2002和胸部旋转关节2200设置于胸部外壳2100内；所述背部动力控制器2001，用于控制机器人的动力控制，包括两自由度关节1001的2个动力舵机、仿人轻量机械臂*** 3000的10个动力电机、胸部旋转关节2200的1个动力电机、大俯角腰身***4000 的1个直线动力电机、全方位底盘***5000的4个动力电机。所述胸部旋转关节 2200，用于机器人胸部的旋转，胸部旋转关节2200的下端为联接端口，用于与大俯角腰身***4000联接。
所述仿人轻量机械臂***3000，包括机械臂外壳3100、机器人运动关节模块 (机器人运动关节模块包括肩部roll动力模块3200、肩部pitch动力模块3300、上臂roll动力模块3400、下臂pitch动力模块3500、下臂roll动力模块3600)、手掌3700、关节联接板(关节联接板包括上臂联接长板3801、上臂联接短板3802、上臂关节板3803、上臂联接卡爪3804、下臂短板3805、下臂长板3806)，其中：肩部roll动力模块3200输出末端为肩部pitch动力模块3300，肩部pitch动力模块3300与上臂roll动力模块3400间为上臂联接长板3801与上臂联接短板3802 联接，上臂roll动力模块3400与下臂pitch动力模块3500间为上臂关节板3803与上臂联接卡爪3804联接；下臂pitch动力模块3500与下臂roll动力模块3600 间为下臂短板3805与下臂长板3806联接；所述手掌3700，位于下臂roll动力模块3600的下底，手掌3700与下臂动力电机3602轴孔配合，采用销定位；所述机械臂外壳3100，设置于仿人轻量机械臂***3000的外部。
所述肩部roll动力模块3200，包括联接块3201、限位螺钉螺母3202、联接卡爪3203、行星减速器模块3210等，用于模块化关节3220与肩部pitch动力模块3300的联接以及机械限位。行星减速器模块3210包括模块化联接板3211、外齿圈3212、中心轮3213、行星轮3214、减速器联接板3215，其中：模块化联接板3211上的四个通孔用于与模块关节动力电机3224螺钉联接；减速器联接板 3215上的四个通孔通过螺钉与外齿圈3212联接，减速器联接板3215上的四个销轴与四个行星轮3214间隙配合，减速器联接板3215上的四个螺纹孔用于与上臂联接长板3801螺钉联接；中心轮3213位于减速器中心，与四个行星轮啮合，中心轮3213中心的D形孔与模块关节动力电机3224的D形轴过盈配合。
所述肩部pitch动力模块3300，包括同步带3301、动力电机3302、肩部结构板3303、小带轮3304、压紧装置3305、联接钣金3306、大带轮3307、肩部轴3308，其中：大带轮3307和小带轮3304齿数比为4，大带轮3307和小带轮3304中间靠同步带3301传动，靠压紧装置3305压紧；肩部轴3308的一端与大带轮3307 通过键连接和卡簧轴向限位，肩部轴3308的另一端为一过轴心的通孔，用于与限位螺钉螺母3202连接；肩部结构板3303、联接钣金3306的位置和作用分别是：肩部结构板3303用于联接动力电机3302和肩部轴3308，肩部结构板3303和联接钣金3306为仿人轻量机械臂***3000与胸部***2000联接件，共同与胸前联板2002联接。
所述上臂roll动力模块3400，包括上臂动力电机3401、上臂电机联块3402、上臂滚针轴承3403、上臂结构件3404，其中：所述上臂滚针轴承3403，内圈与上臂电机联块3402配合，外圈与上臂结构件3404配合。所述上臂电机联块3402 的两侧分别与上臂联接长板3801、上臂联接短板3802联接，上臂电机联块3402 的顶部与上臂动力电机3401连接，上臂结构件3404与上臂关节板3803联接。
所述下臂pitch动力模块3500，包括模块化关节3220和动力输出盘3501，其中：模块化关节3220包括轴承外圈联块3221、模块关节滚针轴承3222、模块关节电机尾壳3223、模块关节动力电机3224、电机壳3225，其中：模块关节动力电机3224位于电机壳3225内部，用于为关节提供动力；电机壳3225上设有螺钉孔，分别与联接卡爪3203和模块关节电机尾壳3223联接；模块关节滚针轴承3222 内圈与模块关节电机尾壳3223配合，模块关节滚针轴承3222外圈与轴承外圈联块3221配合；轴承外圈联块3221与上臂联接短板3802螺栓联接，上臂联接卡爪 3804与电机壳3225螺钉联接；轴承外圈联块3221与下臂短板3805联接，动力输出盘3501的一侧与下臂长板3806联接。
所述下臂roll动力模块3600，包括下臂一钣金3601、下臂二钣金3603、下臂动力电机3602，其中：下臂动力电机3602的外侧上下设置下臂一钣金3601与下臂二钣金3603，下臂短板3805和下臂长板3806间通过螺钉与下臂一钣金3601 和下臂二钣金3603联接。
所述大俯角腰身***4000，包括腰身***外壳4100、连杆***4200、滑块***4300，其中：所述连杆***4200，包括背部左联板4201、背部右联板4202、髋部垫块4203、髋部关节4204、腿部右联板4205、腿部左联板4206、膝部关节 4207、固定立板4208、联接板4209，背部左联板4201和背部右联板4202为连杆一，腿部右联板4205和腿部左联板4206为连杆二，连杆一和连杆二间为髋部关节4204，保留旋转自由度，背部左联板4201和背部右联板4202之间设置髋部垫块4203，通过髋部垫块4203约束背部左联板4201和背部右联板4202轴向相对位置。连杆一上端与滑块***4300的滑道间板4304铰接，连杆二下端与固定立板4208间为膝部关节4207，保留旋转自由度。另外，腰身***外壳4100为腰部以上***外壳和腰部以下***外壳4101两个部分构成，分别用于保护大俯角腰身***4000的上部和下部。
所述滑块***4300，包括滑块联接块4301、双滑块4302、双滑道4303、滑道间板4304、推杆联块4305、直线推杆4306，其中：双滑道4303固定于滑道间板4304两侧，保证直线度；双滑块4302与滑块联接块4301联接，滑块联接块 4301两侧与固定立板4208螺钉联接，双滑块4302相当于底盘固定。推杆联块4305 上部与滑道间板4304联接，推杆联块4305下部与直线推杆4306联接，直线推杆 4306为大俯身腰身***提供动力，使滑道间板4304可以沿滑道直线方向，相对底盘沿Z方向移动。
全方位底盘***5000，包括底盘外壳5100、后轮轮组5200、异型材结构架 5300、前轮轮组5400，后轮轮组5200包括底盘电机轴承座5201、底盘电机5202、麦克纳姆轮5203、后轮组结构板5204，其中：底盘电机轴承座5201分布固定于后轮组结构板5204两侧，底盘电机5202与底盘电机轴承座5201螺钉联接，麦克纳姆轮5203的法兰盘与底盘电机5202电机轴联接。所述异型材结构架5300与后轮轮组5200联接，相对固定；异型材结构架5300与前轮轮组5400通过减震悬挂铰链5401铰接，前轮轮组5400保留相对于后轮轮组5200的旋转自由度，以适应不同形的小幅起伏；另外，异型材结构架5300上部设置底盘外壳5100。
实施例结果表明，本发明的具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，有效解决机器人的大角度俯身问题，简化仿人机器人的结构及重量，降低制造成本，实现根据人体肢体数据对机器人的定制，实现超55°大俯角弯腰动作，提高仿人机器人的功能适用性，实现轻量化和低成本。
Claims (5)
1.一种具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，其特征在于，包括头部视觉语音***、胸部***、仿人轻量机械臂***、大俯角腰身***、全方位底盘***自上而下的组合结构；
所述头部视觉语音***包括：双目摄像头、语音设备及两自由度关节；
所述胸部***包括：胸部旋转关节和机器人动力控制***；
所述仿人轻量机械臂***包括：机器人运动关节模块及关节连接板；
所述大俯角腰身***包括：动力***及滑块连杆***；
所述全方位底盘***包括：减震***及运动***，运动***的前轮轮组和后轮轮组设置于全方位底盘***的底部，形成轮式仿人机器人；
所述大俯角腰身***的动力***，自由度数为1，并由直线电机提供动力；
所述大俯角腰身***的滑块连杆***，包括：背部联板、腿部联板、髋部关节、膝部关节、固定立板、动力***、滑道***，背部联板为连杆一，背部联板的底部与髋部关节连接，保留旋转自由度；背部联板的上部留有联接孔，与胸部旋转关节联接，联板中部与滑道***联接，保留旋转自由度；腿部联板为连杆二，腿部联板的端部分别与髋部关节、膝部关节联接，均保留旋转自由度；滑道***，滑道间板两侧分布滑道，顶端与腰部联板联接，保留旋转自由度；固定立板，底端留有与底盘对接的安装接口；
所述滑块连杆***中，滑道***与腰部联板及腿部联板构成三角形三边，滑道***在动力***作用下，长度线性变化；髋部关节相对机器人往后下方移动，机器人整体重心下移，腰部联板显示为重心下移，角度偏转。
2.根据权利要求1所述的具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，其特征在于，所述机器人运动关节模块，包括：肩部pitch动力模块、模块化关节及行星减速器模块。
3.根据权利要求2所述的具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，其特征在于，所述模块化关节的动力电机位于滚针轴承内圈空间，并针对于不同动力需求有通用的接口。
4.根据权利要求2所述的具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，其特征在于，所述行星减速器模块的中心预留安装孔，与模块化关节联接，满足机械臂肩部动力需求。
5.根据权利要求1所述的具大角度俯身功能的轮式仿人机器人，其特征在于，所述关节连接板根据人体肢体数据灵活定制。
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