CN110682305A - 一种仿人型机器人*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿人型机器人***，腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下端两侧分别设置下肢装置，以气缸、气动肌肉和弹簧组合体驱动仿人机器人的上肢装置、腰关节装置、下肢装置的运动，具有完全模拟人的关节运动的功能。由气缸、带轮、连接件、气动肌肉和弹簧组合体、连接板、气爪等组成。摆动气缸之间结合，摆动气缸与带传动结合，气爪驱动上肢***，气动肌肉和弹簧组合体和直线气缸驱动腰关节***，直线气缸、直线气缸与杆结构结合驱动下肢***。单上肢***、腰关节***、单下肢***分别具有5、7、12个自由度，整个机器人共计41个自由度。本发明结构紧凑、自由度多、柔顺性好的特点，可用于教学、演示展览、越障排爆。

Description

一种仿人型机器人***

技术领域

本发明涉及机器人设备技术领域，特别是一种结构紧凑、自由度多、柔顺性好的仿人型机器人***。

背景技术

随着电路集成和智能控制的迅速发展，机器人技术作为机械、电气、控制等交叉学科的综合应用，体现了一个国家的科技实力。在机器人完成基本功能的前提下，仿人型机器人为机器人技术的领域的一个分支，逐渐得到研究者的重视。

气缸以空气作为介质的执行元件，并且已经在工业领域广泛被运用。按照其运动方式，又可以分为摆动型和直线型，均可驱动机器人关节，以气缸驱动的机器人将具有较为广阔的应用前景。

目前以气缸驱动的仿人型机器人研究基本处于空白状态，除中国专利申请号201711099824.9，公告号CN107717961A仅提出一种单关节气缸驱动的仿人型机器人，中国专利申请号201810258382.6，公告号CN108453705A提出一种气缸并联均匀分布仿人型机器人。上述仿人型机器人基本实现仿人型机器人的设计，但是并没有考虑腰关节驱动上肢、下肢之间的前后、左右摆动，以及多气缸组合的关节运动，同时单纯的摆动气缸控制刚度过大，柔顺性无法得到保证，其运动空间和运动范围比较单一，不能够灵活的调整状态和柔性的适应实际的工作环境，自由度比较少。需要一种结构紧凑、自由度多、柔顺性好的仿人型机器人***。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、自由度多、柔顺性好的仿人型机器人***。

一种仿人型机器人***，包括：

腰关节装置，所述腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下端两侧分别设置下肢装置；

所述上肢装置的肩关节固定件固定在腰关节装置上，所述肩关节固定件固定第一上肢摆动气缸的缸体，所述第一上肢摆动气缸转动轴固定在第一带轮的轴心，所述第一带轮和第二带轮通过皮带连接，所述第二带轮的轴心固定在肩关节连接件上，并和肩关节固定件可转动连接，所述肩关节连接件固定到第二上肢摆动气缸的缸体，所述第二上肢摆动气缸的转动轴固定到肘关节固定件，所述肘关节固定件固定第三上肢摆动气缸的缸体，所述第三上肢摆动气缸的转动轴固定在第三带轮的轴心，所述第三带轮和第四带轮通过皮带连接，所述第四带轮的轴心同腕关节固定件固定连接，并和肘关节固定件可转动连接，所述腕关节固定件上固定气爪；

所述腰关节装置的腰关节上层板两侧分别固定上肢装置，所述腰关节上层板可转动连接至少四个气动肌肉，所述气动肌肉固定在腰关节中层板上，所述气动肌肉套有弹簧，所述腰关节中层板的左侧和腰关节左侧下层板之间可转动连接至少两个第一腰关节气缸，所述腰关节中层板的右侧和腰关节右侧下层板之间可转动连接至少两个第二腰关节气缸，所述腰关节左侧下层板和腰关节右侧下层板之间可转动连接第三腰关节气缸、第四腰关节气缸；

所述下肢装置分别固定在腰关节左侧下层板和腰关节右侧下层板上，互为镜像设置，所述下肢装置的髋关节气缸、第一支撑杆一端可转动连接到髋关节连接板，另一端可转动连接到腰关节左侧下层板或腰关节右侧下层板，所述髋关节气缸的数量至少两个，所述髋关节连接板和膝关节连接板之间可转动连接至少两个第一大腿气缸、一个第二支撑杆，所述髋关节连接板和第二支撑杆之间可转动连接第二大腿气缸，所述膝关节连接板和脚板之间可转动连接至少两个第一小腿气缸、一个第二小腿气缸。

所述肩关节固定件为中空，内侧设置第一上肢摆动气缸，外侧设置第一带轮和第二带轮，所述肩关节固定件的凹槽卡住肩关节连接件。

所述肘关节固定件为中空，内侧设置第三上肢摆动气缸，外侧设置第三带轮和第四带轮，所述肘关节固定件卡住腕关节固定件。

所述弹簧的数量为四个，中间设置一个，另外三个分布在四周。

所述第一腰关节气缸和第二腰关节气缸相互平行，所述第三腰关节气缸和第四腰关节气缸相互平行，所述第一腰关节气缸和第四腰关节气缸相互垂直。

所述第三腰关节气缸和第四腰关节气缸通过支撑板分别连接到腰关节左侧下层板、腰关节右侧下层板上。

所述髋关节气缸位于第一支撑杆的外侧。

所述第二支撑杆位于两个第一大腿气缸之间。

所述第二小腿气缸和竖直方向具有夹角。

所述第三腰关节气缸和第四腰关节气缸的缸***置相反。

本发明腰关节装置的两侧分别设置上肢装置，下端两侧分别设置下肢装置；上肢装置的肩关节固定件固定在腰关节装置上，肩关节固定件固定第一上肢摆动气缸的缸体，第一上肢摆动气缸转动轴固定在第一带轮的轴心，第一带轮和第二带轮通过皮带连接，第二带轮的轴心固定在肩关节连接件上，并和肩关节固定件可转动连接，肩关节连接件固定到第二上肢摆动气缸的缸体，第二上肢摆动气缸的转动轴固定到肘关节固定件，肘关节固定件固定第三上肢摆动气缸的缸体，第三上肢摆动气缸的转动轴固定在第三带轮的轴心，第三带轮和第四带轮通过皮带连接，第四带轮的轴心同腕关节固定件固定连接，并和肘关节固定件可转动连接，腕关节固定件上固定气爪；腰关节装置的腰关节上层板两侧分别固定上肢装置，腰关节上层板可转动连接至少四个气动肌肉，所述气动肌肉固定在腰关节中层板上，气动肌肉套有弹簧，腰关节中层板的左侧和腰关节左侧下层板之间可转动连接至少两个第一腰关节气缸，腰关节中层板的右侧和腰关节右侧下层板之间可转动连接至少两个第二腰关节气缸，腰关节左侧下层板和腰关节右侧下层板之间可转动连接第三腰关节气缸、第四腰关节气缸；下肢装置分别固定在腰关节左侧下层板和腰关节右侧下层板上，互为镜像设置，下肢装置的髋关节气缸、第一支撑杆一端可转动连接到髋关节连接板，另一端可转动连接到腰关节左侧下层板或腰关节右侧下层板，髋关节气缸的数量至少两个，髋关节连接板和膝关节连接板之间可转动连接至少两个第一大腿气缸、一个第二支撑杆，髋关节连接板和第二支撑杆之间可转动连接第二大腿气缸，膝关节连接板和脚板之间可转动连接至少两个第一小腿气缸、一个第二小腿气缸。

本发明的有益效果是：

1.利用摆动气缸、摆动气缸与皮带传动结合可以实现减震的效果，同时摆动气缸调整角度较大，各关节的摆动气缸可以以任何角度组合；

2.利用气动肌肉与弹簧结合构建气动肌肉-弹簧组合体，既可以单独作为具有一定柔性的刚性执行元件使用，又可以刚性执行元件使用，是以一种刚柔混合又可以减震的复合型执行元件；

3.单上肢***、腰关节***、单下肢***分别具有5、7、12个自由度，整个机器人共计41个自由度，可以形象地模拟人的关节可以实现的各种动作，有助于了解机器人运动过程中，气缸在不同构型的关节中所起的作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明上肢装置的结构示意图；

图3为本发明腰关节装置的结构示意图；

图4为本发明下肢装置的结构示意图；

图中：1、上肢装置，2、腰关节装置，3、下肢装置，4、肩关节固定件，5、第一上肢摆动气缸，6、第一带轮，7、第二带轮，8、肩关节连接件，9、第二上肢摆动气缸，10、肘关节固定件，11、第三上肢摆动气缸，12、第三带轮，13、第四带轮，14、腕关节固定件，15、气爪，16、腰关节上层板，17、气动肌肉，18、弹簧，19、腰关节中层板，20、第一腰关节气缸，21、第二腰关节气缸，22、第三腰关节气缸，23、第四腰关节气缸，24、腰关节左侧下层板，25、腰关节右侧下层板，26、髋关节气缸，27、第一支撑杆，28、髋关节连接板，29、第一大腿气缸，30、第二支撑杆，31、第二大腿气缸，32、膝关节连接板，33、第一小腿气缸，34、第二小腿气缸，35、脚板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

一种仿人型机器人***，包括：腰关节装置2，腰关节装置2的两侧分别设置上肢装置1，下端两侧分别设置下肢装置3；上肢装置1的肩关节固定件4固定在腰关节装置2上，肩关节固定件4固定第一上肢摆动气缸5的缸体，第一上肢摆动气缸5转动轴固定在第一带轮6的轴心，第一带轮6和第二带轮7通过皮带连接，第二带轮7的轴心固定在肩关节连接件8上，并和肩关节固定件4可转动连接，肩关节连接件8固定到第二上肢摆动气缸9的缸体，第二上肢摆动气缸9的转动轴固定到肘关节固定件10，肘关节固定件10固定第三上肢摆动气缸11的缸体，第三上肢摆动气缸11的转动轴固定在第三带轮12的轴心，第三带轮12和第四带轮13通过皮带连接，第四带轮13的轴心同腕关节固定件14固定连接，并和肘关节固定件10可转动连接，腕关节固定件14上固定气爪15；腰关节装置2的腰关节上层板16两侧分别固定上肢装置1，腰关节上层板16可转动连接至少四个气动肌肉17，气动肌肉17固定在腰关节中层板19上，气动肌肉17套有弹簧18，腰关节中层板19的左侧和腰关节左侧下层板24之间可转动连接至少两个第一腰关节气缸20，腰关节中层板19的右侧和腰关节右侧下层板25之间可转动连接至少两个第二腰关节气缸21，腰关节左侧下层板24和腰关节右侧下层板25之间可转动连接第三腰关节气缸22、第四腰关节气缸23；下肢装置3分别固定在腰关节左侧下层板24和腰关节右侧下层板25上，互为镜像设置，下肢装置3的髋关节气缸26、第一支撑杆27一端可转动连接到髋关节连接板28，另一端可转动连接到腰关节左侧下层板24或腰关节右侧下层板25，髋关节气缸26的数量至少两个，髋关节连接板28和膝关节连接板32之间可转动连接至少两个第一大腿气缸29、一个第二支撑杆30，髋关节连接板28和第二支撑杆30之间可转动连接第二大腿气缸31，膝关节连接板32和脚板35之间可转动连接至少两个第一小腿气缸33、一个第二小腿气缸34。

肩关节固定件4为中空，内侧设置第一上肢摆动气缸5，外侧设置第一带轮6和第二带轮7，肩关节固定件4的凹槽卡住肩关节连接件8。肘关节固定件10为中空，内侧设置第三上肢摆动气缸11，外侧设置第三带轮12和第四带轮13，肘关节固定件10卡住腕关节固定件14。弹簧18的数量为四个，中间设置一个，另外三个分布在四周。第一腰关节气缸20和第二腰关节气缸21相互平行，所述第三腰关节气缸22和第四腰关节气缸23相互平行，第一腰关节气缸20和第四腰关节气缸23相互垂直。第三腰关节气缸22和第四腰关节气缸23通过支撑板分别连接到腰关节左侧下层板24、腰关节右侧下层板25上。髋关节气缸26位于第一支撑杆27的外侧。第二支撑杆30位于两个第一大腿气缸29之间。第二小腿气缸34和竖直方向具有夹角。第三腰关节气缸22和第四腰关节气缸23的缸***置相反。

肩关节固定件4与腰关节上层板16固定连接。第一上肢摆动气缸5的缸体、转动轴分别与肩关节固定件4、第一带轮6固定连接，第二带轮7、肩关节连接件8均与肩关节固定件4可转动连接、并且第二带轮7、肩关节连接件8之间固定连接，第一带轮6与第二带轮7之间通过皮带传动；第二上肢摆动气缸9的缸体、转动轴分别与肩关节连接件8、肘关节固定件10固定连接，肘关节固定件10、第三上肢摆动气缸11、第三带轮12、第四带轮13、腕关节连接件14的连接方式与肩关节固定件4、第一上肢摆动气缸5、第一带轮6、第二带轮7、肩关节连接件8的连接方式相似，第三带轮12、第四带轮13所在的平面与第一带轮6、第二带轮7所在的平面可以相互垂直、平行或者以一定的角度存在；气爪15与腕关节连接件14固定连接。第一上肢摆动气缸5通过第一带轮6、第二带轮7带动肩关节连接件8、第二上肢摆动气缸9、肘关节固定件10、第三上肢摆动气缸11、第三带轮12、第四带轮13、腕关节连接件14、气爪15绕X轴转动；第二上肢摆动气缸9带动肘关节固定件10、第三上肢摆动气缸11、第三带轮12、第四带轮13、腕关节连接件14、气爪15绕Y轴转动；第三上肢摆动气缸11通过第三带轮12、第四带轮13带动腕关节连接件14、气爪15绕Z轴转动；气爪15则可以实现绕Y轴的转动和Z轴的移动夹紧动作，第三上肢摆动气缸11、气爪15转动和移动的方向随第二上肢摆动气缸9的转动而改变。

腰关节上层板16可转动连接至少四个气动肌肉17，气动肌肉17固定在腰关节中层板19上，气动肌肉17套有弹簧18，通过控制气动肌肉17和弹簧18的组合体的气动肌肉气压刚度，可以实现腰关节上层板16相对于腰关节中层板19绕X、Y方向的转动和Z方向的移动；气动肌肉17和弹簧18的组合体包括气动肌肉17、弹簧18，其中气动肌肉17在内，弹簧18在外，由气动肌肉17与弹簧18组合构成的气动肌肉17和弹簧18的组合体既可以单独作为具有一定柔性的刚性执行元件使用，又可以刚性执行元件使用，是以一种刚柔混合又可以减震的复合型执行元件。腰关节中层板19的左侧和腰关节左侧下层板24之间可转动连接至少两个第一腰关节气缸20，驱动腰关节左侧下层板24、左侧的下肢***3绕X、Y轴转动和Z方向的直线运动；腰关节中层板19的右侧和腰关节右侧下层板25之间可转动连接至少两个第二腰关节气缸21，驱动腰关节右侧下层板25、右侧的下肢***3绕X、Y轴转动和Z方向的直线运动；腰关节左侧下层板24和腰关节右侧下层板25之间可转动连接第三腰关节气缸22、第四腰关节气缸23；为保证左侧的下肢***3和右侧的下肢***3的平衡，第三腰关节气缸22和第四腰关节气缸23，平行设置，缸体和活塞杆的位置相反设置。第三腰关节气缸22和第四腰关节气缸23实现左侧的下肢***3、右侧的下肢***3绕Z轴转动。

两个髋关节气缸26和一个第一支撑杆27一端可转动连接到髋关节连接板28，另一端可转动连接到腰关节左侧下层板24或腰关节右侧下层板25，两个髋关节气缸26均与Z轴以一定的角度安装，驱动髋关节连接板28、第一大腿气缸29、第二支撑杆30、第二大腿气缸31、膝关节连接板32、第一小腿气缸33、第二小腿气缸34、脚板35绕X、Y、Z转动；髋关节连接板28和膝关节连接板32之间可转动连接至少两个第一大腿气缸29、一个第二支撑杆30，髋关节连接板28和第二支撑杆30之间可转动连接第二大腿气缸31，驱动膝关节连接板32、第一小腿气缸33、第二小腿气缸34、脚板35绕X、Y、Z转动；膝关节连接板32和脚板35之间可转动连接至少两个第一小腿气缸33、一个第二小腿气缸34。两个第一小腿气缸33、一个第二小腿气缸34。非均匀分布，在初始状态第二小腿气缸34与Z轴有一定的夹角，两个第一小腿气缸33、一个第二小腿气缸34既可以作为可以直线移动的动力元件，也可以作为固定支撑杆，驱动脚板35绕X、Y、Z转动和沿X、Y、Z方向的移动；

本发明通过控制各关节的气缸，实现仿人机器人位姿的控制，可以动态形象的模拟人关节的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他仿人机器人无法比拟的优势。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种仿人型机器人***，其特征在于，包括：

腰关节装置(2)，所述腰关节装置(2)的两侧分别设置上肢装置(1)，下端两侧分别设置下肢装置(3)；

所述上肢装置(1)的肩关节固定件(4)固定在腰关节装置(2)上，所述肩关节固定件(4)固定第一上肢摆动气缸(5)的缸体，所述第一上肢摆动气缸(5)转动轴固定在第一带轮(6)的轴心，所述第一带轮(6)和第二带轮(7)通过皮带连接，所述第二带轮(7)的轴心固定在肩关节连接件(8)上，并和肩关节固定件(4)可转动连接，所述肩关节连接件(8)固定到第二上肢摆动气缸(9)的缸体，所述第二上肢摆动气缸(9)的转动轴固定到肘关节固定件(10)，所述肘关节固定件(10)固定第三上肢摆动气缸(11)的缸体，所述第三上肢摆动气缸(11)的转动轴固定在第三带轮(12)的轴心，所述第三带轮(12)和第四带轮(13)通过皮带连接，所述第四带轮(13)的轴心同腕关节固定件(14)固定连接，并和肘关节固定件(10)可转动连接，所述腕关节固定件(14)上固定气爪(15)；

所述腰关节装置(2)的腰关节上层板(16)两侧分别固定上肢装置(1)，所述腰关节上层板(16)可转动连接至少四个气动肌肉(17)，所述气动肌肉(17)固定在腰关节中层板(19)上，所述气动肌肉(17)套有弹簧(18)，所述腰关节中层板(19)的左侧和腰关节左侧下层板(24)之间可转动连接至少两个第一腰关节气缸(20)，所述腰关节中层板(19)的右侧和腰关节右侧下层板(25)之间可转动连接至少两个第二腰关节气缸(21)，所述腰关节左侧下层板(24)和腰关节右侧下层板(25)之间可转动连接第三腰关节气缸(22)、第四腰关节气缸(23)；

所述下肢装置(3)分别固定在腰关节左侧下层板(24)和腰关节右侧下层板(25)上，互为镜像设置，所述下肢装置(3)的髋关节气缸(26)、第一支撑杆(27)一端可转动连接到髋关节连接板(28)，另一端可转动连接到腰关节左侧下层板(24)或腰关节右侧下层板(25)，所述髋关节气缸(26)的数量至少两个，所述髋关节连接板(28)和膝关节连接板(32)之间可转动连接至少两个第一大腿气缸(29)、一个第二支撑杆(30)，所述髋关节连接板(28)和第二支撑杆(30)之间可转动连接第二大腿气缸(31)，所述膝关节连接板(32)和脚板(35)之间可转动连接至少两个第一小腿气缸(33)、一个第二小腿气缸(34)。

2.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述肩关节固定件(4)为中空，内侧设置第一上肢摆动气缸(5)，外侧设置第一带轮(6)和第二带轮(7)，所述肩关节固定件(4)的凹槽卡住肩关节连接件(8)。

3.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述肘关节固定件(10)为中空，内侧设置第三上肢摆动气缸(11)，外侧设置第三带轮(12)和第四带轮(13)，所述肘关节固定件(10)卡住腕关节固定件(14)。

4.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述弹簧(18)的数量为四个，中间设置一个，另外三个分布在四周。

5.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述第三腰关节气缸(22)和第四腰关节气缸(23)通过支撑板分别连接到腰关节左侧下层板(24)、腰关节右侧下层板(25)上。

6.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述髋关节气缸(26)位于第一支撑杆(27)的外侧。

7.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述第二支撑杆(30)位于两个第一大腿气缸(29)之间。

8.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述第二小腿气缸(34)和竖直方向具有夹角。

9.根据权利要求1所述的一种仿人型机器人***，其特征在于，所述第三腰关节气缸(22)和第四腰关节气缸(23)的缸***置相反。

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