CN114800600B - 张拉整体式仿生肩关节***及其运动轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种张拉整体式仿生肩关节***及其运动轨迹规划方法，***包括底板、定平台、动平台、主动受拉单元、被动受拉绳索单元、柔性拉簧单元、多组驱动单元和控制单元。仿生肩关节构件与被动受拉绳索单元整体为Y型结构，定平台与控制单元固定在底板上，动平台与定平台之间通过主动受拉单元、被动受拉绳索单元以及柔性拉簧单元连接，控制单元通过规划运动轨迹控制多组驱动单元实现仿生肩关节的外展内收、前屈后伸及外旋内旋运动。其针对传统结构存在的质量大、结构复杂、柔顺性差等缺点，将肩关节形态结构与张拉整体结构有机融合，通过仿生映射得到兼具自适应性和灵活性的仿生肩关节***，其结构紧凑，控制方便，广泛应用于人形机器人关节。

Description

张拉整体式仿生肩关节***及其运动轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种张拉整体式仿生肩关节***及其运动轨迹规划方法。

背景技术

人形机器人是一种旨在模仿人类外观与行为的机器人，在日常生活中发挥着举足轻重的作用。另一方面，近些年，世界上因意外事故、自然灾害、先天性疾病等造成肢体残疾的人员非常多。针对这种现象，国务院采取了一系列措施发展残疾人事业，上肢假肢的研究在其中扮演着重要的角色。

由于关节直接影响人形机器人整体的运动性能，肩关节作为人体上肢运动范围最大、最灵活的关节，其直接影响上肢机器人的运动灵活性，其在机器人领域及上肢假肢领域承担着非常重要的职能。

但是，一方面，现有的仿生人形机器人关节设计大多采用刚性结构，虽然其能够还原人体上肢各关节复杂的动作，但是结构本身存在质量大、结构复杂以及特定情况下灵活性不足的缺点。

另一方面，现在的肩关节的整体结构较为复杂，整体结构冗余性较高，并且运动轨迹较为单一，不能进行更灵活的运动。

因此，基于上述现有技术中存在的缺点，急需研究一种新的仿生肩关节机构。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种张拉整体式仿生肩关节***及运动轨迹规划方法及其运动轨迹规划方法，将张拉整体结构中杆索构件的独特耦合特性映射到仿生学设计中，弥补了传统刚性仿生肩关节柔性不足、自适应性差等技术缺陷。该张拉整体仿生肩关节***将肩关节形态结构与张拉整体结构进行了有机融合，具有刚性冲击小、运动灵活、结构精巧及控制简单等优点。该仿生肩关节通过控制多组驱动单元实现人体肩关节的外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动，其运动轨迹更加多样可控，应用到假肢与机器人领域时，能够有效的帮助患者生活与劳动，从而弥补肢体残缺的影响，实用性与适用性更好。

具体地，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种张拉整体式仿生肩关节***，其包括底板、定平台、动平台、主动受拉单元、被动受拉绳索单元、柔性拉簧单元、多组驱动单元和控制单元；所述定平台、所述控制单元以及多组驱动单元均固定在所述底板上，所述动平台设置在所述定平台上方，所述动平台整体呈Y型，所述动平台与所述定平台之间通过主动受拉单元、被动受拉绳索单元以及柔性拉簧单元连接，所述驱动单元与所述控制单元通讯连接并受控于所述控制单元，控制单元通过控制多组驱动单元从而带动仿生肩关节进行外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动；

所述定平台中心设置有中间支撑杆，所述中间支撑杆的第二端连接所述动平台，所述定平台的周围设置有五个分支，五个分支分别为定平台第一分支、定平台第二分支、定平台第三分支、定平台第四分支和定平台第五分支；每一个定平台分支的端部布置有一组驱动单元；

所述动平台周围设置有三个水平分支和三个向下布置的分支，所述三个水平分支分别为动平台第一分支、动平台第二分支、动平台第三分支，所述三个向下布置的分支分别为动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支；

所述定平台为正六边形结构，定平台五个分支自所述正六边形任意五条边的中点处水平向外延伸；所述动平台的本体为等边三角形结构，所述动平台第一分支、动平台第二分支和动平台第三分支自所述等边三角形的三个顶点处水平向外延伸，所述动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支自所述等边三角形的三条边的中点处向下延伸；

所述主动受拉单元设置在所述动平台与定平台之间，所述主动受拉单元包括第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索和第五绳索，其中，所述动平台第一分支通过第一绳索和第四绳索分别与定平台第一分支及定平台第四分支连接；所述动平台第二分支通过第二绳索与定平台第二分支连接；所述动平台第三分支通过第三绳索和第五绳索分别与定平台第三分支、定平台第五分支分别连接；

所述被动受拉绳索单元设置在所述中间支撑杆与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支之间，所述被动受拉绳索单元包括第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳，所述中间支撑杆分别与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支通过第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳连接；

所述柔性拉簧单元设置在动平台与定平台之间，所述柔性拉簧单元包括第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧；第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第一端连接所述动平台的三个顶点处，第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第二端连接所述定平台；

所述控制单元包括上位机、控制器和陀螺仪，所述陀螺仪设置有传感器，所述传感器能够监测获取所述动平台姿态信息；所述上位机与控制器之间通信连接，所述控制器向所述上位机发送从所述陀螺仪的传感器接收的动平台姿态信息，所述上位机向所述控制器发送目标轨迹点，所述控制器发出指令控制对应的驱动单元，所述驱动单元驱动主动受拉单元，主动受拉单元进一步驱动被动受拉绳索单元及柔性拉簧单元控制动平台运动，从而实现外展、内收、前屈、后伸、外旋和内旋运动。

优选地，每组驱动单元均连接有一根主动受拉单元的绳索的第一端，每一根绳索的第二端经过O型圈后与所述动平台连接；在驱动单元、主动受拉单元以及O型圈共同的作用下，动平台能够模拟肩关节的动作，在做外展运动时，第二驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短，即第二绳索和第三绳索张紧，第一绳索、第四绳索和第五绳索松弛；在外展运动时，轴向的外旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索拉紧，轴向的内旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索松弛。

优选地，所述上位机与控制器的主控芯片之间采用蓝牙串口进行通信，所述上位机以数据帧的形式向主控芯片发送目标轨迹点，所述主控芯片以数据帧的形式发送从所述陀螺仪传感器上接受到的动平台的姿态信息。

优选地，第一驱动单元和第五驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元在底板上分别关于定平台中心点成中心对称布置。

优选地，所述第一绳索上端连接动平台第一分支外端，所述第一绳索下端连接定平台第一分支外端；第二绳索上端连接动平台第二分支外端，所述第二绳索下端连接定平台第二分支外端，所述第三绳索上端连接动平台第三分支外端，所述第三绳索下端连接定平台第三分支外端；所述第四绳索上端连接动平台第一分支外端，所述第四绳索下端连接定平台第四分支，所述第五绳索上端连接动平台第三分支外端，所述第五绳索下端连接定平台第五分支外端，所述第一绳索、第四绳索和第三绳索、第五绳索关于第二绳索与中间支撑杆所在平面对称。

优选地，所述第一拉簧上端连接动平台第一分支内侧，所述第一拉簧下端连接定平台第一分支内侧；第二拉簧上端连接动平台第二分支内侧，所述第二拉簧下端连接定平台第二分支内侧；第三拉簧上端连接动平台第三分支内侧，所述第三拉簧下端连接定平台第三分支内侧。

优选地，所述驱动单元包括驱动板、步进电机、联轴器、滑轮和立式轴承支架，所述步进电机通过电机支架安装在底板上，并通过联轴器连接导轮轴，所述导轮轴上安装滑轮，所述滑轮的两侧对称设置有立式轴承支架。

优选地，所述上位机设置有蓝牙发送模块，所述主控芯片设置有蓝牙接收模块，所述蓝牙接收模块采用HC-05蓝牙模块串口接收上位机的蓝牙发送模块的命令，所述上位机的控制界面包括姿态调整模块、速度调整模块、启停调整模块。

优选地，本发明另一方面还提供一种肩关节的运动轨迹规划方法，具体包括如下步骤：

S1、首先利用RPY变换对该仿生肩关节***的运动学姿态进行描述，然后对其进行位置反解，最后在已知时间约束和速度约束的条件下求解驱动的运动轨迹，在所需求解的运动轨迹中，其运动轨迹规划的路径包括三个阶段：

①第一阶段是肩关节从零位态P(0)运动到负位态P(-1)的极限值；

②第二阶段是肩关节由负位态P(0)的极限值运动到正位态P(1)的极限值；

③第三阶段是肩关节由正位态P(1)的极限值运动到零位态P(0)；

其中，零位态P(0)为肩关节正常下垂时的状态，负位态P(-1)为肩关节处于前屈、外展及外旋时的状态，正位态P(1)为肩关节处于后伸、内收及内旋时的状态；

S2、设运动方向轨迹规划函数为：

x＝A*cos(w*t+α)+B

式中，x为偏移角度轨迹，A为幅值，w为周期，t为时间，α为相位，B为上下偏移量；

S3、此目标函数需要满足的约束条件为：

a)当t＝t(0)时，x＝θ(0)；

b)当t＝t(-1)时，x＝θ(-1),v＝0；

c)当t＝t(1)时，x＝θ(1),v＝0；

其中，t(0)为运动到零位态时，t(-1)为运动到负位态时，t(1)为运动到正位态时；θ(0)为运动到零位态时的偏移角度，θ(-1)为运动到负位态时的偏移角度，θ(1)为运动到正位态时的偏移角度；v为速度；

S4、根据步骤S2的运动方向轨迹规划函数对应满足的约束条件分别求得各个方向的目标函数为：

外展或内收方向轨迹规划的目标函数为：

x₁＝-0.9262*sin(π*t/10-0.6008)-π/6；

外旋或内旋方向轨迹规划目标函数为：

x₂＝-π/4*sin(π*t/10)；

前屈或后伸方向轨迹规划目标函数为：

x₃＝1.0082*sin(π*t/10+2.9235)-5*π/72；

S5、根据步骤S4中求得的目标函数利用MATLAB模型求解出对应的数据并导入仿真模型得出仿生肩关节的轨迹方程曲线图。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明将张拉整体结构中杆索构件的独特耦合特性映射到仿生学中，将肩关节形态结构与张拉整体结构进行了有机融合，弥补了传统刚性仿生肩关节质量大、结构柔性不足以及自适应性差等技术缺陷，具有刚性冲击小、运动灵活、结构精巧、控制简单等优点，使得整个机构的结构及运动更符合肩关节的使用规律，能够更好的模拟人体肩关节的运动，满足人形机器人或者假肢的需要。

(2)本发明通过合理控制多组驱动单元并借助于绳驱动带动动平台运动，以此模拟人体肩关节的外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动，且其动平台具有较好的适应性，能够适应不同患者的运动要求，从而能够更加有效地实现患者日常生活劳动的基本动作和功能，从而弥补肢体残缺的影响，实用性与适用性更好。

(3)在控制***上，本发明通过蓝牙上位机远程控制界面控制驱动***，将目标运动轨迹下各驱动绳索的数据导入控制***进行仿生肩关节的控制，并采用陀螺仪实时采集动平台的角度变化数据，上位机直观明了、操作简单，可以适应不同年龄段和不同文化程度的患者，具有适用性广、时效性好及便捷性强等特点。

(4)本发明的运动轨迹规划方法基于时间约束和速度约束条件求解驱动的目标运动轨迹，通过合理设计零位态、负位态以及正位态的轨迹运动曲线，使得本发明所设计的仿生肩关节***实现了对人体肩关节的活动范围的轨迹跟踪，并且能够大大提高仿生肩关节在活动过程中的运动稳定性与速度平滑性，符合人体关节的运动要求，能够达到最好的仿生效果。

附图说明

图1为本发明张拉整体仿生肩关节***的整体结构图；

图2为本发明张拉整体仿生肩关节***的整体结构俯视图；

图3为本发明张拉整体仿生肩关节***的整体结构正视图；

图4为本发明张拉整体仿生肩关节***的张拉整体结构示意图；

图5为本发明张拉整体仿生肩关节***的定平台局部结构示意图；

图6为本发明张拉整体仿生肩关节***的定平台分支局部结构示意图；

图7为本发明张拉整体仿生肩关节***的动平台局部结构示意图；

图8为本发明张拉整体仿生肩关节***的动平台向下延伸分支局部结构示意图；

图9为本发明张拉整体仿生肩关节***的驱动单元局部结构示意图；

图10为本发明张拉整体仿生肩关节***的肩关节连续运动路径示意图；

图11为本发明张拉整体仿生肩关节***的肩关节机构轨迹方程曲线图；

图12为本发明张拉整体仿生肩关节***的控制流程示意图；

图13为本发明张拉整体仿生肩关节***的控制组件的结构示意图；

图14为本发明张拉整体仿生肩关节***的蓝牙远程控制上位机示意图。

图中，主要附图标记如下：

底板1、定平台2、动平台3、主动受拉单元4、被动受拉绳索单元5、柔性拉簧单元6、驱动单元7、定平台第一分支21、定平台第二分支22、定平台第三分支23、定平台第四分支24、定平台第五分支25、中间支撑杆26、动平台第一分支31、动平台第二分支32、动平台第三分支33、陀螺仪344、动平台第四分支311、动平台第五分支322、动平台第六分支333、第一绳索41、第二绳索42、第三绳索43、第四绳索44、第五绳索45、第一弹性绳51、第二弹性绳52、第三弹性绳53、第一拉簧61、第二拉簧62、第三拉簧63、第一驱动单元71、第二驱动单元72、第三驱动单元73、第四驱动单元74、第五驱动单元75、步进电机711、电机支架722、联轴器733、导轮轴744、滑轮755、立式轴承支架766、上位机81、控制器82。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明提供一种张拉整体仿生肩关节***，如图1所示，其包括底板1、定平台2、动平台3、主动受拉单元4、被动受拉绳索单元5和柔性拉簧单元6、多组驱动单元7以及控制组件。定平台2和多组驱动单元均设置在底板1上，动平台3设置在定平台2的上方，动平台3和定平台2之间借助于主动受拉单元4、被动受拉绳索单元5和柔性拉簧单元6连接。动平台3整体形状呈Y形，定平台2布置在底板1的中间位置，定平台2为六边形。定平台2和动平台3均设置有多个分支。

如图2至图5所示，定平台2中心设置有中间支撑杆26，中间支撑杆26的第二端连接动平台3，定平台2的周围设置有五个分支，五个分支分别为定平台第一分支21、定平台第二分支22、定平台第三分支23、定平台第四分支24和定平台第五分支25；每一个定平台分支的端部布置有一组驱动单元。定平台2的五个分支自正六边形任意五条边的中点处水平向外延伸。

动平台3周围设置有三个水平分支和三个向下布置的分支，三个水平分支分别为动平台第一分支31、动平台第二分支32、动平台第三分支33，三个向下布置的分支分别为动平台第四分支311、动平台第五分支322和动平台第六分支333。

动平台3的本体为等边三角形结构，动平台第一分支31、动平台第二分支32和动平台第三分支33自等边三角形的三个顶点处水平向外延伸，动平台第四分支311、动平台第五分支322和动平台第六分支333自等边三角形的三条边的中点处向下延伸。

主动受拉单元4设置在动平台3与定平台2之间，主动受拉单元4包括第一绳索41、第二绳索42、第三绳索43、第四绳索44和第五绳索45，其中，动平台第一分支31通过第一绳索41和第四绳索44分别与定平台第一分支21及定平台第四分支24连接；动平台第二分支32通过第二绳索42与定平台第二分支22连接；动平台第三分支33通过第一绳索41和第五绳索45分别与定平台第三分支23和定平台第五分支25分别连接。

被动受拉绳索单元5设置在中间支撑杆与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支之间，被动受拉绳索单元5包括第一弹性绳51、第二弹性绳52和第三弹性绳53，中间支撑杆分别与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支通过第一弹性绳51、第二弹性绳52和第三弹性绳53连接。

柔性拉簧单元6设置在动平台3与定平台2之间，柔性拉簧单元6包括第一拉簧61、第二拉簧62和第三拉簧63；第一拉簧61、第二拉簧62和第三拉簧63的第一端连接动平台3的三个顶点处，第一拉簧61、第二拉簧62和第三拉簧63的第二端连接定平台2。

每组驱动单元均连接有一根主动受拉单元的绳索的第一端，每一根绳索的第二端经过O型圈后与动平台3连接。在驱动单元、主动受拉单元以及O型圈共同的作用下，动平台3能够模拟肩关节的动作，在做外展运动时，第二驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短，即第二绳索42和第三绳索43张紧，第一绳索41、第四绳索44和第五绳索45松弛；在外展运动时，由于动平台3上部曲率半径大于下部曲率半径，动平台3节面达到最大接触，轴向的外旋运动使第一绳索41、第二绳索42和第三绳索43拉紧，轴向的内旋运动使第一绳索41、第二绳索42和第三绳索43松弛。

如图1至图4所示，动平台第一分支31、定平台第一分支21、定平台第四分支24分别通过第一绳索41和第四绳索44连接；定平台第二分支22通过第二绳索42与动平台第二分支32；动平台第三分支33与定平台第三分支23、定平台第五分支25分别通过第三绳索43和第五绳索45连接；第一拉簧61连接动平台第一分支31与定平台2；第二拉簧62连接动平台第二分支32与定平台2；第三拉簧63连接动平台第三分支33与定平台2；第一弹性绳51连接动平台第四分支311与中间支撑杆、第二弹性绳52连接动平台第五分支322与中间支撑杆、第三弹性绳53连接动平台第六分支333与中间支撑杆。

底板1上分散布置着第一驱动单元71、第二驱动单元72、第三驱动单元73、第四驱动单元74和第五驱动单元75。每个驱动单元的结构均相同，如图8所示，其包括步进电机711、电机支架722、联轴器733、导轮轴744、滑轮755和立式轴承支架766。步进电机711通过电机支架722安装在底板1上，并通过联轴器733连接导轮轴744，导轮轴744上安装滑轮755，立式轴承支架766对称布置在滑轮两边。

如图5至图9所示，定平台2与定平台各个分支、动平台3与动平台向下延伸各个分支的局部结构均通过螺栓连接的方式固定成型。

如图13所示，控制组件包括上位机81、控制器82、陀螺仪344以及电源，电源用于供电，控制器82的主控芯片设置有蓝牙接收模块，上位机81设置有蓝牙发送模块，两者之间通过串口进行数据的发送及接收。陀螺仪344设置在动平台上，陀螺仪344设置有传感器，传感器能够监测获取动平台姿态信息；上位机81与控制器82之间通信连接，控制器82向上位机发送从陀螺仪344的传感器接收的动平台姿态信息，上位机81向控制器82发送目标轨迹点，控制器82发出指令控制对应的驱动单元，驱动单元驱动主动受拉单元，主动受拉单元进一步驱动被动受拉绳索单元及柔性拉簧单元控制动平台运动，从而实现外展、内收、前屈、后伸、外旋和内旋运动。

如图10至图12所示，依据所设定的控制流程，首先需要将轨迹规划的绳索变化量数据导入控制程序中进行编译下载，然后对仿生张拉肩关节机构在各方向的运动进行试验。通过陀螺仪344实时采集动平台3实际转动角度数据，对数据进行处理后，得到动平台3实验数据曲线，其中黑色正四边形曲线代表动平台3在外展内收方向的偏移角度曲线，红色圆形曲线代表动平台3在外旋内旋方向的角度偏移曲线，蓝色三角形曲线代表动平台3在前屈后伸方向的偏移角度曲线。

使用时，将整机的控制硬件与执行元件用导线连接，从而完成控制***的整体硬件设计。其中，上位机81发出操作指令给控制器82，控制器82发送相应的脉冲信号给驱动器，驱动器把这些脉冲信号有序的分配至步进电机711的每一项上，通过五个电机的协同运作驱动仿生肩关节***完成规定动作，并在动平台3安装陀螺仪模块344对机构动作进行实时监测，在整个过程中需要一个外部稳压电源对***进行供电。

如图14所示，蓝牙远程控制上位机主要包含以下三个部分：第一部分姿态调整模块，在张拉整体仿生肩关节机构执行下一个动作时，需要将机构初始化至平衡稳定状态，然后用上位机如手机发出相应的指令使机构执行特定的目标运动；第二部分速度调整模块，这一模块通过左右调节滑动的按钮控制电机的速度，进而可以控制动平台3的动作速度；第三部分启停调整模块，这一模块包括三个按钮，分别为：启动、复位和停止。

下面对本发明的工作原理进行进一步说明：

如图4所示，本发明从人体肩关节的结构和功能要求出发，将Y形构型融入仿生关节基于张拉整体结构，建立了刚柔耦合多体肩关节映射模型，设计了张拉整体仿生肩关节机构。如图12至图14所示，在对该***进行试验前，首先对五个步进电机711单独进行检测，检测其能否正常实现正反转功能以及给予每个电机不同脉冲个数能否实现电机调速功能。在检测完毕后，需要将绳索恢复至初始长度，使样机处于初始稳定状态的位置。在检测完电机性能以及各接口接线正常后，开始对***调试，首先将程序初始化，蓝牙远程控制上位机发送命令，HC-05蓝牙模块串口接收上位机的命令，并对命令进行识别，然后张拉整体仿生肩关节***启动，在命令识别后，上位机根据串口发送的姿态数据显示动平台3的实时姿态，与此同时，陀螺仪344启动，实时检测动平台3的姿态并进行实时的记录，当动平台3的姿态运动到目标运动轨迹角度后，检测蓝牙是否连接，***自动恢复至初始稳定的姿态，等待执行下一个操作命令。

在驱动单元7、主动受拉单元4以及O型圈共同的作用下，动平台3可以模拟肩关节相应的动作，在外展运动时，第二驱动单元72和第三驱动单元73的驱动绳缩短即第二绳索42和第三绳索43带张紧，第一绳索41、第四绳索44和第五绳索45松弛；在外展运动时，韧带最为伸展，同时由于动平台3上部曲率半径大于下部，动平台3也达到最大接触，轴向的外旋运动拉紧第一绳索41、第二绳索42、第三绳索43，轴向的内旋运动使第一绳索41、第二绳索42、第三绳索43松弛；在伸展或内旋运动时，第四绳索44起主要作用；在屈曲运动时，第五绳索45起主要作用，第四绳索44和第五绳索45在***实现肩关节的动作中作驱动元素，可以防止动平台3脱位于定平台2，起到维持肩关节***稳定的作用。

本发明在对肩关节的运动进行路径规划时，具体包括如下步骤：

S1、首先利用RPY变换对该仿生肩关节***的运动学姿态进行描述，然后对其进行位置反解，最后在已知时间约束和速度约束的条件下求解驱动的运动轨迹，在所需求解的运动轨迹中，肩关节在正常情况下的运动范围为：外展70°，内收20°，外旋45°，内旋45°，前屈70°，后伸45°其路径是已知的，其运动轨迹规划的路径包括三个阶段：

①第一阶段是肩关节从零位态P(0)运动到负位态P(-1)的极限值；

②第二阶段是肩关节由负位态P(0)的极限值运动到正位态P(1)的极限值；

③第三阶段是肩关节由正位态P(1)的极限值运动到零位态P(0)；

其中，零位态P(0)为肩关节正常下垂时的状态，负位态P(-1)为肩关节处于前屈、外展及外旋时的状态，正位态P(1)为肩关节处于后伸、内收及内旋时的状态。

S2、轨迹规划目标函数的形式是一种类周期函数，而且目标函数在规定时间段内具有连续可导性。因此，为了保证仿生肩关节机构运动的平滑性，设运动方向轨迹规划函数为：

x＝A*cos(w*t+α)+B

式中，x为偏移角度轨迹，A为幅值，w为周期，t为时间，α为相位，B为上下偏移量。

S3、此目标函数需要满足的约束条件为：

a)当t＝t(0)时，x＝θ(0)；

b)当t＝t(-1)时，x＝θ(-1),v＝0；

c)当t＝t(1)时，x＝θ(1),v＝0。

其中，t(0)为运动到零位态时，t(-1)为运动到负位态时，t(1)为运动到正位态时；θ(0)为运动到零位态时的偏移角度，θ(-1)为运动到负位态时的偏移角度，θ(1)为运动到正位态时的偏移角度；v为速度。

S4、根据步骤S2的运动方向轨迹规划函数对应满足的约束条件分别求得各个方向的目标函数为：

外展或内收方向轨迹规划的目标函数为：

x₁＝-0.9262*sin(π*t/10-0.6008)-π/6；

外旋或内旋方向轨迹规划目标函数为：

x₂＝-π/4*sin(π*t/10)；

前屈或后伸方向轨迹规划目标函数为：

x₃＝1.0082*sin(π*t/10+2.9235)-5*π/72。

S5、根据步骤S4中求得的目标函数利用MATLAB模型求解出对应的数据并导入仿真模型得出仿生肩关节的轨迹方程曲线图。

具体实施例

该实施例的肩关节应用于人形机器人，具体地，本发明的实施例提供一种张拉整体仿生肩关节***，其包括底板1、定平台2、动平台3、主动受拉单元4、被动受拉绳索单元5、柔性拉簧单元6、多组驱动单元7和控制组件。仿生肩关节刚性构件与被动受拉绳索单元等效为“Y型”结构，定平台2与控制单元居中固定在底板1上，动平台3与定平台2之间通过主动受拉单元4、被动受拉绳索单元5以及柔性拉簧单元6相连，控制单元通过控制多组驱动单元7实现仿生肩关节运动。

本发明通过底板1上五个步进电机711带动绕过滑轮的主动受拉单元4来控制驱动绳索的伸缩，主动受拉单元4穿过陶瓷吊环后绕过滑轮以保证驱动方向的一致性，此时被动受拉绳索单元5与柔性拉簧单元6通过自适应变化保证动平台3的稳定性，最终通过仿生肩关节动平台3的姿态变化实现人体肩关节的外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动。

首先，程序进行初始化，并等待蓝牙远程控制上位机发送命令；然后，HC-05蓝牙模块通过串口接收上位机的命令，并对命令进行识别；其次，张拉整体仿生肩关节***将按照预设目标轨迹进行运动，与此同时，陀螺仪344实时检测动平台3的姿态并进行记录，并通过上位机显示实时姿态数据；再次，当动平台3的姿态运动到达目标运动轨迹角度后，若蓝牙依旧保持连接状态，***将自动恢复至初始稳定的姿态，并等待执行下一个操作命令。如此往复，张拉整体仿生肩关节机构将依据所设定的目标轨迹进行各个方向的运动以满足人体肩关节的运动需求。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：其包括底板、定平台、动平台、主动受拉单元、被动受拉绳索单元、柔性拉簧单元、多组驱动单元和控制单元；所述定平台、所述控制单元以及多组驱动单元均固定在所述底板上，所述动平台设置在所述定平台上方，所述动平台整体呈Y型，所述动平台与所述定平台之间通过主动受拉单元、被动受拉绳索单元以及柔性拉簧单元连接，所述驱动单元与所述控制单元通讯连接并受控于所述控制单元，控制单元通过控制多组驱动单元从而带动仿生肩关节进行外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动；

所述定平台中心设置有中间支撑杆，所述中间支撑杆的第二端连接所述动平台，所述定平台的周围设置有五个分支，五个分支分别为定平台第一分支、定平台第二分支、定平台第三分支、定平台第四分支和定平台第五分支；每一个定平台分支的端部布置有一组驱动单元；

所述动平台周围设置有三个水平分支和三个向下布置的分支，所述三个水平分支分别为动平台第一分支、动平台第二分支、动平台第三分支，所述三个向下布置的分支分别为动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支；

所述定平台为正六边形结构，定平台五个分支自所述正六边形任意五条边的中点处水平向外延伸；所述动平台的本体为等边三角形结构，所述动平台第一分支、动平台第二分支和动平台第三分支自所述等边三角形的三个顶点处水平向外延伸，所述动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支自所述等边三角形的三条边的中点处向下延伸；

所述主动受拉单元设置在所述动平台与定平台之间，所述主动受拉单元包括第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索和第五绳索，其中，所述动平台第一分支通过第一绳索和第四绳索分别与定平台第一分支及定平台第四分支连接；所述动平台第二分支通过第二绳索与定平台第二分支连接；所述动平台第三分支通过第三绳索和第五绳索分别与定平台第三分支、定平台第五分支分别连接；

所述被动受拉绳索单元设置在所述中间支撑杆与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支之间，所述被动受拉绳索单元包括第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳，所述中间支撑杆分别与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支通过第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳连接；

所述柔性拉簧单元设置在动平台与定平台之间，所述柔性拉簧单元包括第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧；第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第一端连接所述动平台的三个顶点处，第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第二端连接所述定平台；

所述控制单元包括上位机、控制器和陀螺仪，所述陀螺仪设置有传感器，所述传感器能够监测获取所述动平台姿态信息；所述上位机与控制器之间通信连接，所述控制器向所述上位机发送从所述陀螺仪的传感器接收的动平台姿态信息，所述上位机向所述控制器发送目标轨迹点，所述控制器发出指令控制对应的驱动单元，所述驱动单元驱动主动受拉单元，主动受拉单元进一步驱动被动受拉绳索单元及柔性拉簧单元控制动平台运动，从而实现外展、内收、前屈、后伸、外旋和内旋运动。

2.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：每组驱动单元均连接有一根主动受拉单元的绳索的第一端，每一根绳索的第二端经过O型圈后与所述动平台连接；在驱动单元、主动受拉单元以及O型圈共同的作用下，动平台能够模拟肩关节的动作，在做外展运动时，第二驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短，即第二绳索和第三绳索张紧，第一绳索、第四绳索和第五绳索松弛；在外展运动时，轴向的外旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索拉紧，轴向的内旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索松弛。

3.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：所述上位机与控制器的主控芯片之间采用蓝牙串口进行通信，所述上位机以数据帧的形式向主控芯片发送目标轨迹点，所述主控芯片以数据帧的形式发送从所述陀螺仪传感器上接受到的动平台的姿态信息。

4.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：第一驱动单元和第五驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元在底板上分别关于定平台中心点成中心对称布置。

5.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：所述第一绳索上端连接动平台第一分支外端，所述第一绳索下端连接定平台第一分支外端；第二绳索上端连接动平台第二分支外端，所述第二绳索下端连接定平台第二分支外端，所述第三绳索上端连接动平台第三分支外端，所述第三绳索下端连接定平台第三分支外端；所述第四绳索上端连接动平台第一分支外端，所述第四绳索下端连接定平台第四分支，所述第五绳索上端连接动平台第三分支外端，所述第五绳索下端连接定平台第五分支外端，所述第一绳索、第四绳索和第三绳索、第五绳索关于第二绳索与中间支撑杆所在平面对称。

6.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：所述第一拉簧上端连接动平台第一分支内侧，所述第一拉簧下端连接定平台第一分支内侧；第二拉簧上端连接动平台第二分支内侧，所述第二拉簧下端连接定平台第二分支内侧；第三拉簧上端连接动平台第三分支内侧，所述第三拉簧下端连接定平台第三分支内侧。

7.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：所述驱动单元包括驱动板、步进电机、联轴器、滑轮和立式轴承支架，所述步进电机通过电机支架安装在底板上，并通过联轴器连接导轮轴，所述导轮轴上安装滑轮，所述滑轮的两侧对称设置有立式轴承支架。

8.根据权利要求3所述的张拉整体式仿生肩关节***，其特征在于：所述上位机设置有蓝牙发送模块，所述主控芯片设置有蓝牙接收模块，所述蓝牙接收模块采用HC-05蓝牙模块串口接收上位机的蓝牙发送模块的命令，所述上位机的控制界面包括姿态调整模块、速度调整模块、启停调整模块。

9.一种用于权利要求1-8任一项所述张拉整体式仿生肩关节***的运动轨迹规划方法，其特征在于：

其具体包括如下步骤：

S1、首先利用RPY变换对该仿生肩关节***的运动学姿态进行描述，然后对其进行位置反解，最后在已知时间约束和速度约束的条件下求解驱动的运动轨迹，在所需求解的运动轨迹中，其运动轨迹规划的路径包括三个阶段：

①第一阶段是肩关节从零位态P(0)运动到负位态P(-1)的极限值；

②第二阶段是肩关节由负位态P(0)的极限值运动到正位态P(1)的极限值；

③第三阶段是肩关节由正位态P(1)的极限值运动到零位态P(0)；

其中，零位态P(0)为肩关节正常下垂时的状态，负位态P(-1)为肩关节处于前屈、外展及外旋时的状态，正位态P(1)为肩关节处于后伸、内收及内旋时的状态；

S2、设运动方向轨迹规划函数为：

x＝A*cos(w*t+α)+B

式中，x为偏移角度轨迹，A为幅值，w为周期，t为时间，α为相位，B为上下偏移量；

S3、此目标函数需要满足的约束条件为：

a)当t＝t(0)时，x＝θ(0)；

b)当t＝t(-1)时，x＝θ(-1),v＝0；

c)当t＝t(1)时，x＝θ(1),v＝0；

其中，t(0)为运动到零位态时，t(-1)为运动到负位态时，t(1)为运动到正位态时；θ(0)为运动到零位态时的偏移角度，θ(-1)为运动到负位态时的偏移角度，θ(1)为运动到正位态时的偏移角度；v为速度；

S4、根据步骤S2的运动方向轨迹规划函数对应满足的约束条件分别求得各个方向的目标函数为：

外展或内收方向轨迹规划的目标函数为：

x₁＝-0.9262*sin(π*t/10-0.6008)-π/6；

外旋或内旋方向轨迹规划目标函数为：

x₂＝-π/4*sin(π*t/10)；

前屈或后伸方向轨迹规划目标函数为：

x₃＝1.0082*sin(π*t/10+2.9235)-5*π/72；

S5、根据步骤S4中求得的目标函数利用MATLAB模型求解出对应的数据并导入仿真模型得出仿生肩关节的轨迹方程曲线图。