一种人形机器人腰部关节及实现方法与流程

本发明涉及一种人形机器人腰部关节及实现方法，属于机器人设计
技术领域：
。
背景技术：
：人形机器人通常具有与人类相似的弯腰功能，现有技术通常采用减速电机直驱方式，由于弯腰过程中人形机器人上半身产生的扭矩较大，因此减速电机往往需要较大功率，造成电机尺寸过大。弯腰过程中上半身重力产生的扭矩呈现非线性变化，给电机控制带来难度，失电后难以保持腰部受力平衡。现有技术中主要采用液压缸(如cn201710983981.x)、气压缸(如cn201220578545.7)、配重块(如cn201811210648.6)、拉簧(如cn201810712469.6)等方式，存在结构复杂、控制困难、平衡效果不佳、成本较高等问题。技术实现要素：本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种人形机器人腰部关节及实现方法，此腰部关节由扭矩传递机构和拉簧卸荷机构组成，由于两机构产生的扭矩相互平衡，使得人形机器人上半身可以实现实时动态平衡，有效抑制电机扭矩脉动，大幅提升动力学特性，降低控制难度，同时降低电机功率需求和能耗。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术解决方案为：一种人形机器人腰部关节，包括：扭矩传递机构(1)与拉簧卸荷机构(2)，扭矩传递机构(1)用于传递人形机器人弯腰过程中上半身重力产生的非线性时变扭矩t；拉簧卸荷机构(2)用于平衡非线性时变扭矩t；所述扭矩传递机构(1)包括：小带轮(101)、普通平键(102)、关节轴(103)、同步带(104)、大带轮(105)、端盖(106)、深沟球轴承(107)和轴向固定用螺钉(108)；所述同步带(104)将小带轮(101)和大带轮(105)连接；小带轮(101)安装在关节轴(103)上，通过普通平键(102)和在侧面安装的12个螺钉进行定位和传递扭矩；深沟球轴承(107)安装在大带轮(105)上，端盖(106)和轴向固定用螺钉(108)将深沟球轴承(107)固定夹紧；所述拉簧卸荷机构(2)包括：轴肩螺钉(201)、轴套(202)、拉簧(203)、滑块(204)和导轨(205)；所述轴肩螺钉(201)依次穿过拉簧(203)一端和轴套(202)，安装在大带轮上；拉簧(203)另一端连接滑块(204)顶部的挂钩；滑块(204)安装在导轨(205)滑槽内。所述扭矩传递机构(1)中的大带轮(105)节径为小带轮(101)节径的2倍。选择大带轮节径为小带轮节径的2倍，机器人弯腰过程中小带轮(101)转角变化为大带轮(105)转角变化的2倍，利用三角函数中二倍角的关系，消除弯腰过程中转角变化对扭矩平衡的影响。所述扭矩传递机构(1)传递人形机器人弯腰过程中上半身重力产生的非线性时变扭矩t的实现过程如下：小带轮(101)通过普通平键(102)安装在关节轴(103)上，机器人上半身通过普通平键(102)与关节轴(103)实现周向定位，通过小带轮(101)侧面安装的12个螺钉实现轴向定位；当人形机器人弯腰时会带动关节轴(103)转动，同时人形机器人弯腰会造成上半身重心的移动，则在弯腰过程中上半身重力产生非线性时变扭矩t，该非线性时变扭矩t通过普通平键(102)传递给小带轮(101)，当小带轮(101)转动时，由同步带(104)带动大带轮(105)转动，并将非线性时变扭矩t传递至大带轮(105)。所述拉簧卸荷机构(2)用于平衡非线性时变扭矩t的实现过程如下：小带轮(101)上的非线性时变扭矩t通过同步带传递至大带轮(105)，并且弯腰过程中小带轮(101)的转动通过同步带带动大带轮(105)转动；大带轮(105)的转动会使轴间螺钉(201)和轴套(202)偏离初始位置，其轨迹为一圆弧；拉簧(203)在轴间螺钉(201)的运动下拉长，由于拉簧(203)伸长变形产生的拉力为两点力，滑块(204)在导轨内水平移动始终保持拉簧(203)与导轨垂直；拉簧(203)产生拉力与伸长量成正比，同时拉簧(203)的拉力对大带轮中心轴线会产生非线性时变扭矩t′，实现拉簧(203)拉力产生的非线性时变扭矩t′与上半身重力产生的非线性时变扭矩t的实时平衡。所述人形机器人弯腰过程中上半身重力产生的非线性时变扭矩t公式如下：t＝mga·sinθ；拉簧(203)拉力产生的非线性时变扭矩k为拉簧刚度系数，b为拉簧与大带轮的联结处到大带轮中心的距离，m为人形机器人上半身的重量，a为直立时上半身重心a距离小带轮中心距离；所述簧(203)的拉力对大带轮中心轴线会产生非线性时变扭矩t′，两扭矩平衡即得到参数关系式m、a、b、k四参数如果满足此参数关系式，即实现拉簧(203)产生的非线性时变扭矩与上半身重力产生的非线性时变扭矩实时平衡，此时弯腰过程中扭矩实时动态平衡，电机输出扭矩脉动得到抑制，人形机器人腰部动力学特性大幅提升，腰部电机负载大幅度减小，腰部电机功率需求大幅降低，腰部电机尺寸相应减小，腰部结构更加紧凑。所述a、b、k三个参数的选取依据为人形机器人上半身重量m和腰部的整体结构，在人形机器人上半身结构确定时，先确定人形机器人上半身的重量m和重心到小带轮(101)中心距离a；然后选取b，b的最大尺寸小于大带轮的节径的一半，代入参数关系式计算得到k，查取机械设计手册或弹簧设计标准进一步选择k的标准值，最后将确定好的a值和确定好的k的标准值代入参数关系式计算得到b值。本发明提供的一种人形机器人腰部关节实现方法实现步骤如下：扭矩传递机构用于传递人形机器人弯腰过程中上半身重力产生的非线性时变扭矩t；拉簧卸荷机构用于平衡非线性时变扭矩t；扭矩传递机构包括大带轮、小带轮、同步带、关节轴、端盖、深沟球轴承，同步带将小带轮和大带轮连接，大带轮节径为小带轮2倍；小带轮通过侧面的安装螺钉与人形机器人上半身固定联结，当人形机器人弯腰时，带动关节轴转动，同时人形机器人弯腰会造成上半身重心的移动，则在弯腰过程中上半身重力对小带轮中心轴线产生的非线性时变扭矩t，该非线性时变扭矩t通过普通平键和在侧面安装的12个螺钉传递给小带轮，小带轮转动时，由同步带带动大带轮转动，并将非线性时变扭矩t传递至大带轮；所述拉簧卸荷机构包括拉簧、导轨、滑块、轴肩螺钉和轴套，拉簧两端挂钩分别联结于大带轮侧面的轴肩螺钉和滑块顶部的挂钩，所述滑块在大带轮下方的固定导轨中水平自由滑动，使拉簧在大带轮旋转过程中始终保持与导轨垂直；当人形机器人弯腰时小带轮转动并通过同步带带动大带轮转动，大带轮转动会使轴间螺钉和轴套偏离初始位置，拉簧在轴间螺钉的运动下拉长，由于拉簧伸长变形产生的拉力为两点力，滑块在导轨内水平移动始终保持拉簧与导轨垂直，拉簧产生拉力与伸长量成正比，同时拉簧的拉力对大带轮中心轴线会产生非线性时变扭矩t′，进而拉簧拉力产生的非线性时变扭矩t′与上半身重力产生的非线性时变扭矩t实时平衡，实现弯腰过程中上半身负载实时全卸荷。现存的四种技术的平衡方式为液压平衡、气压平衡、弹簧平衡、配重块平衡，气压和液压平衡方式主要利用压力蓄能器结合机械机构实现负载平衡，主要用于工业机器人的负荷平衡，其主要优点为可平衡较大负载、控制简单，主要缺点为结构复杂，不可以在运动过程实现负载实时全平衡。弹簧平衡方式主要利用多弹簧和连杆机构，主要用于康复机器人，负载较小，运动简单单一，但结构复杂，不便控制；配重块方式平衡主要利用滚珠丝杆和配重块去平衡，主要优点为结构简单，但空间结构较大，可承受负载有限。本发明主要基于两带轮转动角度呈现定比关系、拉簧产生拉力与伸长量成正比的特征以及受力分析中存在的三角函数二倍角公式而设计的扭矩传递结构和拉簧卸荷机构，实现人形机器人弯腰过程中实时全卸荷。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明通过扭矩传递机构和拉簧卸荷机构的设计实现人形机器人弯腰过程中实时全卸荷，能够大幅减小电机转矩脉动，改善人形机器人动力学特性，降低电机功率，降低控制难度，减少能耗，且成本较低，实现容易，适用于各种人形机器人腰部关节的设计。(2)本发明结构改进简单，是通过节径呈2倍关系的两个大小带轮可以实现转动角度成倍角关系，再结合拉簧产生拉力与伸长量成正比的特征设计出来的一种人形机器人腰部关节。该人形机器人腰部关节的特点包括：其一，结合倍角关系设计的扭矩传递机构与拉簧卸荷机构，实现了机器人上半身弯腰过程的实时动态平衡；其二，由于弯腰过程中扭矩实时动态平衡，大幅度减小了腰部电机的负载，腰部电机需求功率降低，电机尺寸相应减小，腰部结构更加紧凑；其三，由于弯腰过程中非线性时变扭矩实时动态平衡，电机输出扭矩脉动得到了抑制，机器人腰部动力学特性大幅度提升；其四，腰部结构实现容易，成本低廉。附图说明图1为本发明的结构示意图，左图为人形机器人外观图，右图为左图中间的人形机器人腰部关节的结构图；图2为本发明的卸荷原理图，左图为直立状态，右图为弯腰状态；图3为本发明结构轴测图；图4为本发明结构剖视图；图5为本发明具体实施方式的三维结构图；图6为传统直驱方案与本发明方案所需电机输出扭矩曲线。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。如图1、3、4所示，本发明的一种人形机器人腰部关节包括：扭矩传递机构1、拉簧卸荷机构2；扭矩传递机构1用于传递人形机器人弯腰过程中上半身重力产生的非线性时变扭矩t；拉簧卸荷机构2用于平衡非线性时变扭矩t。扭矩传递机构1由小带轮101、普通平键102、关节轴103、同步带104、大带轮105、端盖106、深沟球轴承107和固定用螺栓108组成；所述拉簧卸荷机构2包括：轴肩螺钉201、轴套202、拉簧203、滑块204、导轨205。轴肩螺钉201安装在大带轮105侧面所打的螺纹孔内。本发明各组成部件之间的连接关系如下所述：同步带104将小带轮101和大带轮105连接；小带轮101安装在关节轴103上，用普通平键102在两者之间传递扭矩；深沟球轴承107安装在大带轮105中心的槽内；端盖106将深沟球轴承107与大带轮105固定夹紧；整个大带轮105再通过轴向固定用螺钉108安装在人形机器人支架上；小带轮101上开有大小共12个螺纹孔，与人形机器人腰部转轴的法兰盘连接；轴肩螺钉201依次穿过拉簧203一端、轴套202然后安装在大带轮105上；拉簧203另一端连接滑块204；滑块204安装在导轨205槽内；导轨205保持水平，拉簧203保持竖直；导轨205可通过螺钉进一步固定在人形机器人支架上。本发明各组成部件之间的运动和扭矩传递关系如下所述：小带轮101通过侧面的安装螺钉与人形机器人上半身固定联结，当人形机器人弯腰时，带动关节轴103转动，同时人形机器人弯腰会造成上半身重心的移动，则在弯腰过程中上半身重力会对小带轮中心轴线产生非线性时变扭矩t，该非线性时变扭矩t通过普通平键102传递给小带轮，当小带轮101转动时，将非线性时变扭矩t传递至大带轮105，同时同步带104带动大带轮105转动，大带轮105的转动会使轴间螺钉201和轴套202偏离初始位置，其轨迹为以大带轮105轴心线为圆心的圆弧，拉簧203在轴间螺钉201的运动下拉长，由于拉簧203伸长变形产生的拉力为两点力，滑块204在导轨205内水平移动始终保持拉簧203与导轨205垂直，拉簧203产生拉力与伸长量成正比，同时拉簧203的拉力对大带轮105中心轴线会产生一非线性时变扭矩t′，进而实现拉簧203拉力产生的非线性时变扭矩t′与上半身重力产生的非线性时变扭矩t的实时平衡，实现弯腰过程中上半身负载实时全卸荷。扭矩传递机构1中的大带轮节径为小带轮2倍，当人形机器人上半身直立时拉簧卸荷机构2中拉簧处于自由长度。该人形腰部关节利用了以下所述的卸荷原理，实现了人形机器人弯腰过程中上半身重力对腰部产生的非线性时变扭矩与拉簧产生的非线性时变扭矩相互实时抵消，详细描述如下：如图2所示，假设小带轮节径为2r1，大带轮节径为2r2，且r2＝2r1，人形机器人上半身的重量为m，直立时上半身重心a距离小带轮中心的距离为a，则当人形机器人上半身弯腰一个角度θ时，上半身重力产生的非线性时变扭矩为：t＝mga·sinθ(1)由于式中的θ是时变的，因此t值为非线性时变数值，如果由电机直接驱动腰部关节，则电机需要按照上式实时输出反向扭矩，以实现腰部扭矩平衡。这就造成了电机转矩脉动，并且当人形机器人上半身重量较大时，需要较大的电机功率输出。当人形机器人上半身弯腰角度θ时，通过同步带在大、小带轮之间传递的转角变化关系为：r1θ＝r2θ2(2)其中θ2为大带轮转过的角度。由此可知通过扭矩传递机构1使得大带轮转过拉簧产生的非线性时变扭矩为：其中k为拉簧刚度系数，b为拉簧与大带轮的联结处到大带轮中心的距离。上式左边前半部分为拉簧拉力，后半部为拉簧拉力力臂，可以看到拉簧拉力、拉簧拉力力臂与人形机器人上半身弯腰角度θ的一半成正弦和余弦关系，利用三角函数二倍角公式合并之后可与(1)式中的正弦函数抵消。则当满足以下条件时，(1)式与(3式)相等：即只要根据人形机器人上半身的重量来合理确定a、b和k值即可实现拉簧产生的扭矩与上半身重力产生的扭矩实时平衡。对于a、b、k三个参数的确定进行进一步的阐述，三个参数的确定其主要依据为人形机器人上半身重量m和腰部的整体结构尺寸，在实际情况中当人形机器人上半身结构确定时，其上半身质量m和直立时上半身重心a距离小带轮中心的距离a均被确定下来，其中a值需要通过重心测量实验获得；在选择k、b参数时，应优先考虑参数b的大概范围，使其满足腰部尺寸的要求；在选取b时，b的最大尺寸应小于大带轮的节径的一半，并在参数b的范围内预选择一符合结构要求的尺寸b′,代入公式(4)计算后得到k′，查取机械设计手册在k′附近选择满足要求的k值，最后代入公式(4)重新计算得到b值，至此确定完a、b、k三个参数。如图5所示，结合给出的具体实施方式的三维图进一步描述本发明与机器人其他部件的连接关系：此人形机器人主要通过底板021固定保持平衡稳定；4040铝合金型材016通过t型螺栓018、六角法兰面螺母0.19与地脚连接件017实现紧固；而地脚连接件017通过地脚螺母020连接底板021，4040铝合金型材016末端通过六角圆柱头螺钉004连接支撑板015，进而可以支撑人形机器人的上半身；小带轮101通过侧面开的大小共12个小螺纹孔处安装的内六角圆柱头螺钉将关节轴103、腰关节011三者连接；两侧关节轴103通过双列深沟球轴承012进行支撑；双列深沟球轴承012固定在轴承座014中心的槽之中，对轴承外圈进行定位，轴向利用开槽盘头定位螺钉013对轴承内圈进行定位夹紧；两轴承座014通过六角螺栓与支撑板015固定；同步带104将小带轮101和大带轮105连接；深沟球轴承107安装在大带轮105中心的槽内；端盖106将深沟球轴承107与大带轮105固定夹紧；整个大带轮105再通过轴向；固定用螺钉108安装在4040铝合金型材016上；轴肩螺钉201依次穿过拉簧203一端、轴套202然后安装在大带轮105上；拉簧203另一端连接滑块204；滑块204安装在导轨205槽内；导轨205保持水平，拉簧203保持竖直；导轨205可通过内六角圆柱头螺钉004与角件005连接，进一步固定在铝合金型材4040016上；腰关节011通过内六角圆柱头螺钉004、t型螺母003、连接件011与4040铝合金型材009连接；4040铝合金型材009通过两角件005、内六角圆柱头螺钉004、t型螺母003与4040铝合金型材006连接；4040铝合金型材006通过内六角圆柱头螺钉001与连接圆盘002固定；右端连接圆盘002通过内六角圆柱头螺钉001连接末端胸部008。以图5所示的腰部关节为例，机器人上半身重量m＝5.2kg，经测试上半身重心到小带轮轴线的距离a＝0.32m，小带轮与大带轮选用5m齿形同步带轮，设计参数如下：槽型节距/mm齿数z节径/mm大带轮5m54095.49296748小带轮5m52047.74648374在选取b时，b的最大尺寸应小于大带轮的半径，预选40mm，代入公式(4)：解得k＝20.4n/mm，查阅《圆柱螺旋拉伸弹簧的尺寸及参数国标》gb/t2088—1997，选择以下弹簧参数：因此实际的弹簧刚度为22.3n/mm，重新代入公式(4)：解得b值为38.2mm<95.49296748/2mm，符合要求。此时当人形机器人上半身弯腰一个角度θ时，可利用公式(3)计算拉簧产生的非线性时变扭矩为：利用公式(1)计算上半身重力产生的非线性时变扭矩为：t＝mgasinθ＝5.2*9.8*0.32sinθ＝16.3sinθ可见拉簧产生的非线性时变扭矩与上半身重力产生的非线性时变扭矩实时抵消。图6给出了传统直驱方案与本发明方案所需电机输出扭矩曲线，其中采用传统直驱方案所需的电机输出扭矩可根据公式(1)计算得到，下图中给出了人形机器人从上半身直立状态到弯腰90度过程中扭矩的变化曲线，可以看出传统直驱方案所需的电机输出扭矩呈现非线性变化特征，而本发明所提方案由于拉簧产生的非线性时变扭矩与上半身重力产生的非线性时变扭矩实时抵消，因此所需电机输出扭矩为0(这里未考虑机器人弯腰时上半身产生的转动惯量以及摩擦阻力)。当前第1页1 2 3 

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