一種十七自由度人形機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種十七自由度人形機(jī)器人，由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，所述中頭部有一個自由度，每個手部有三個自由度，每個腿部有五個自由度。本實用新型可以完成許多仿人形動作，如鞠躬敬禮、倒地起立、循跡行走、劈叉、大鵬展翅、俯臥撐和追隨目標(biāo)移動等動作。本實用新型采用了十七個雙軸舵機(jī)，使其動力傳輸穩(wěn)定，動作連貫穩(wěn)定性好；在設(shè)計其部件時，充分利用了鋁合金材料的特性，將固定所需的附件省略，進(jìn)一步減輕機(jī)器人的自重，使機(jī)器人更穩(wěn)定。本實用新型外觀緊湊精美、高度仿人體比例、結(jié)構(gòu)合理、重量輕、制作簡單、舞蹈動作協(xié)調(diào)逼真、穩(wěn)定性強(qiáng)。可應(yīng)用于教學(xué)實習(xí)，也適用于一些機(jī)器人競賽。
【專利說明】一種十七自由度人形機(jī)器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于機(jī)器人技術(shù)、自動化【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是指一種十七自由度的人形機(jī)器人。

【背景技術(shù)】
[0002]人形機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的最高點，它可以在高危、高溫的工作環(huán)境中代替人類去完成各種工作；在導(dǎo)游禮儀、游樂園唱歌、表演、語音交流服務(wù)業(yè)方面有廣闊的應(yīng)用前景；也可廣泛應(yīng)用與老年人、殘疾人的日常生活、康復(fù)訓(xùn)練以及醫(yī)院的醫(yī)護(hù)護(hù)理中等方面。人形機(jī)器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相對復(fù)雜。對人形機(jī)器人的研究，可以歸納為對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、力學(xué)、機(jī)器人運動學(xué)、動力學(xué)、視覺、語音識別、重力平衡控制、步態(tài)規(guī)劃、控制理論等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉研究，是一個非常理想的教學(xué)、科研實驗平臺。
[0003]目前的人形機(jī)器人一般比較笨重，穩(wěn)定性差，而且耗資巨大。如一個能模仿人類舞蹈的人形機(jī)器人，要求能夠自主追隨目標(biāo)，并保證機(jī)器人在動作過程中的穩(wěn)定性、可靠性和具有一定的流暢性。
[0004]為使機(jī)器人高度仿人，一般來說是常用的方法是增加關(guān)節(jié)個數(shù)；為使機(jī)器人穩(wěn)定運行，需要傳感器系統(tǒng)構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)，同時增大機(jī)器人重量。但是在機(jī)器人摔倒、意外掉電或發(fā)生故障時，有可能損壞零件、機(jī)構(gòu)或者對電路造成破壞。為了避免上述種種不便，一般會給機(jī)器人附加過多的固定附件，引起機(jī)器人自重增加，導(dǎo)致其平衡性與穩(wěn)定性下降，從而對機(jī)器人的固定可靠與部件精簡輕巧，帶來一定難度，進(jìn)而影響機(jī)器人動作執(zhí)行的穩(wěn)定性和流暢性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述機(jī)器人的一系列缺點，本實用新型的目的在于提供了一種具有雙足結(jié)構(gòu)的十七自由度人形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過舵機(jī)驅(qū)動十七個關(guān)節(jié)，使機(jī)器人的重心左右移動，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)，還能完成鞠躬敬禮、倒地起立、大鵬展翅、劈叉及俯臥撐等復(fù)雜舞蹈動作。
[0006]實現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案是一種十七自由度人形機(jī)器人，一種十七自由度人形機(jī)器人，由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，其特征在于，所述中頭部有一個自由度，每個手部有三個自由度，每個腿部有五個自由度。
[0007]所述頭部由一個伺服電機(jī)、頭部外殼包裝以及固定于上方的攝像頭組成，所述腿部的胯關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)是由兩個相同的U型件和伺服電機(jī)反向垂直安裝組成；以及兩個胸部伺服電機(jī)和兩個腰部伺服電機(jī)鑲嵌安裝所述伺服電機(jī)為180度舵機(jī)，具有舵機(jī)齒輪減速機(jī)構(gòu)，輸出軸具有轉(zhuǎn)角限位。
[0008]所述軀干采用兩塊凹形結(jié)構(gòu)配合安裝，剛好豎直安裝兩個肩部伺服電機(jī)和兩個腰部伺服電機(jī)，腰部有一個空間安裝控制板，軀干支架中間部分空間恰能放置電池。
[0009]所述腰部、肩部及腳踝部均采用U型結(jié)構(gòu)連接。
[0010]膝部是由一對呈一定鈍角的膝部連接片，將兩個舵機(jī)非轉(zhuǎn)動端固定連接而組成。
[0011]腳部舵機(jī)呈橫向放置，由鋁合金角件固定，旋轉(zhuǎn)方向與前進(jìn)方向呈垂直關(guān)系。
[0012]頭部由采用鋁合金將頭部伺服電機(jī)包圍在其中，根據(jù)人體各部分比例關(guān)系，將人形機(jī)器人頭部外觀做成仿人形狀，該鋁合金裝置能有效保護(hù)頭部舵機(jī)。
[0013]控制系統(tǒng)固定與腰部空隙處，視覺攝像頭安裝在頭部，與機(jī)器人直立時呈(Γ90度，能最大范圍捕捉目標(biāo)，電池固定在軀干中部空隙處。
[0014]手臂架的回折邊的距離與舵機(jī)安裝時的寬度相同。
[0015]手臂架與舵機(jī)固定，采用回折邊的夾持，同時在安裝孔處用螺釘固定。
[0016]本實用新型的17自由度人形機(jī)器人的工作原理:
[0017]本實用新型公開了一種17自由度的人形機(jī)器人，基本結(jié)構(gòu)由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，其中軀干部骨架由凹形件和凹形支架配合組裝而成，以及兩個胸部伺服電機(jī)和兩個腰部伺服電機(jī)鑲嵌安裝。本實用新型通過攝像頭采集外界的行走指示軌跡，經(jīng)過控制系統(tǒng)的處理后，驅(qū)動關(guān)節(jié)舵機(jī)，驅(qū)使機(jī)器人的重心前后、左右移動，是機(jī)器人整體沿著給定的軌跡行走；或攝像頭采集周圍物體的顏色、形狀，與控制系統(tǒng)給定的特定顏色、特定形狀進(jìn)行匹配，如果滿足匹配閾值，則攝像頭追隨目標(biāo)，同時計算機(jī)器人與目標(biāo)之間的方位，驅(qū)動關(guān)節(jié)舵機(jī)，使機(jī)器人追隨目標(biāo)移動。
[0018]本實用新型的17自由度人形機(jī)器人與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)點:
[0019]本實用新型的零件均采用鋁合金制作，造價低廉，易于切割折彎加工，韌性和強(qiáng)度均符合韌性機(jī)器人的運動需求；本實用新型大量使用U型件，制作簡單、安裝方便；本實用新型手部有三個自由度，軀干部分由一個凹形件和凹形支架配合安裝，整個人形機(jī)器人外觀尺寸模仿人體比例，造型簡潔精美，能保證一系列動作協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、優(yōu)美。
[0020]本實用新型還能夠通過攝像頭采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制系統(tǒng)的處理后，可以循跡行走，或追隨目標(biāo)移動。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上達(dá)到優(yōu)化、簡潔、高度仿人體比例，同時造價低廉、穩(wěn)定性好，從而更方便機(jī)器人學(xué)習(xí)者，對人形機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)分析、力學(xué)分析，軌跡規(guī)劃，學(xué)習(xí)并掌握機(jī)器人的控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人學(xué)習(xí)者還可以對人形機(jī)器人進(jìn)行各種任務(wù)操作，如人形機(jī)器人舞蹈，人形機(jī)器人競速，人形機(jī)器人跨越障礙等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型十七自由度的人形機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本實用新型十七自由度的人形機(jī)器人的膝部連接件的構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本實用新型十七自由度的人形機(jī)器人的凹形件的構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為本實用新型十七自由度的人形機(jī)器人的凹形支架的構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為本實用新型十七自由度的人形機(jī)器人的手臂支架的構(gòu)示意圖。
[0026]下面是結(jié)合附圖對所述的一種17自由度人形機(jī)器人進(jìn)一步說明。
[0027]【具體實施方式】一
[0028]如圖1所示為本實用新型公開的一種17自由度人形機(jī)器人，該系統(tǒng)一種十七自由度人形機(jī)器人，由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，所述中頭部有一個自由度，每個手部有三個自由度，每個腿部有五個自由度；一種十七自由度人形機(jī)器人，一種十七自由度人形機(jī)器人，由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，所述頭部由一個伺服電機(jī)、頭型部件2以及固定于上方的攝像頭I組成；所述軀干部骨架由凹形件20和凹形支架21配合安裝，中間安裝兩個胸部伺服電機(jī)13，兩側(cè)安裝兩個肩部伺服電機(jī)4，下邊安裝兩個腰部伺服電機(jī)14，兩個腰部伺服電機(jī)14的中間安裝控制系統(tǒng)15，兩個胸部伺服電機(jī)13的中間安裝有電池3。
[0029]所述腿部的胯關(guān)節(jié)和腳踝關(guān)節(jié)12是由兩個相同的U型件和伺服電機(jī)反向垂直安裝組成；所述伺服電機(jī)為180度舵機(jī)，具有舵機(jī)齒輪減速機(jī)構(gòu)，輸出軸具有轉(zhuǎn)角限位。
[0030]腰部、肩部及腳踝部均采用U形件連接。
[0031]膝部是由一對呈鈍角的膝部連接片10，見圖2，將兩個舵機(jī)非轉(zhuǎn)動端固定連接而組成。
[0032]圖3和圖4分另為凹形件20和凹形支架21的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]腳部舵機(jī)呈橫向放置，由鋁合金角件固定，旋轉(zhuǎn)方向與前進(jìn)方向呈垂直關(guān)系。
[0034]頭部由采用鋁合金將頭部伺服電機(jī)包圍在其中，根據(jù)人體各部分比例關(guān)系，將人形機(jī)器人頭部外觀做成仿人形狀，該鋁合金裝置能有效保護(hù)頭部舵機(jī)。
[0035]控制系統(tǒng)15固定與腰部空隙處，視覺攝像頭安裝在頭部，與機(jī)器人直立時呈(Γ90度，能最大范圍捕捉目標(biāo)，電池固定在軀干中部空隙處。
[0036]圖5為本實用新型十七自由度的人形機(jī)器人的手臂支架7的構(gòu)示意圖，手臂支架的回折邊的距離與舵機(jī)安裝時的寬度相同，手臂支架與舵機(jī)固定，采用回折邊的夾持，同時在安裝孔處用螺釘固定。
[0037]本實用新型的肩部、腰部、腳踝部位的伺服電機(jī)的輸出軸舵盤，均由相同尺寸的U形件固定。
[0038]本實用新型的U形件呈U形，封閉端可與其他U形件固定，也可通過螺釘與伺服電機(jī)輸出軸舵盤固定，開放端可與雙軸伺服電機(jī)通過螺釘固定，使用非常方便，其尺寸是參考伺服電機(jī)的尺寸而設(shè)計。
[0039]本實用新型的頭部由一個伺服電機(jī)帶動而轉(zhuǎn)動，根據(jù)仿人特點設(shè)計出外包裝鋁合金外殼，可有效保護(hù)機(jī)器人頭部安裝的攝像頭組。攝像頭安裝方向與人形機(jī)器人的垂直站立的方向垂直，也就是，與地面方向平行；本實用新型的攝像頭有效拍攝角度范圍為:機(jī)器人頭部的垂直線為基準(zhǔn)，上下、左右各45度內(nèi)。
[0040]本實用新型的手臂支架7上固定伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的活動軸與連接件相連，實現(xiàn)人形機(jī)器人小臂6的上下?lián)]動；U形連接件連接大臂5的伺服電機(jī)的不活動端，形成人形機(jī)器人肘關(guān)節(jié)，實現(xiàn)人形機(jī)器人肘部的上下活動；大臂上的伺服電機(jī)的活動端，通過螺釘與U形件的開放端固定，實現(xiàn)人形機(jī)器人大臂的上下活動；與大臂連接的U形件的閉合端，與胸部伺服電機(jī)輸出軸固定，實現(xiàn)人形機(jī)器人的胳膊轉(zhuǎn)動；人形機(jī)器人肩部轉(zhuǎn)動時，不與軀干支架發(fā)生干涉；腰部伺服電機(jī)14的活動軸與U形件8連接，形成了人形機(jī)器人的腿部胯關(guān)節(jié)；人形機(jī)器人的大腿采用兩個U形件反向垂直安裝，大腿部伺服電機(jī)9的不活動端與小腿部伺服電機(jī)16的不活動端通過膝蓋連接件10鏈接而成，小腿伺服電機(jī)16與腳部伺服電機(jī)17通過連接件11連接。
[0041]本實用新型人形的腳部結(jié)構(gòu)為窄足結(jié)構(gòu)，腳部伺服電機(jī)17固定在其中一個兩個反向固定的U形件開放端，靠重心的左右和上下移動實現(xiàn)前進(jìn)；底板采用矩形鋁合金板，以直角件18將伺服電機(jī)與底板19固定。
[0042]采用本實用新型上述實施例相同的相似的結(jié)構(gòu)，所得到的十七自由度人形機(jī)器人，均在本實用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0043]本實用新型中的實施例僅用于對本實用新型進(jìn)行說明，并不構(gòu)成對權(quán)利要求范圍的限制，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以想到的其他實質(zhì)上的等同的替代，均在本實用新型保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種十七自由度人形機(jī)器人，由頭部、軀干和四肢構(gòu)成，其特征在于，所述頭部有一個自由度，每個手部有三個自由度，每個腿部有五個自由度；所述頭部由一個伺服電機(jī)、頭部外殼包裝以及固定于上方的攝像頭組成，所述腿部的胯關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)是由兩個相同的U型件和伺服電機(jī)反向垂直安裝組成；以及兩個胸部伺服電機(jī)和兩個腰部伺服電機(jī)鑲嵌安裝，所述伺服電機(jī)為180度舵機(jī)，具有舵機(jī)齒輪減速機(jī)構(gòu)，輸出軸具有轉(zhuǎn)角限位；所述軀干采用兩塊凹形結(jié)構(gòu)配合安裝，剛好豎直安裝兩個肩部伺服電機(jī)和兩個腰部伺服電機(jī)，腰部有一個空間安裝控制板，軀干支架中間部分空間恰能放置電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十七自由度人形機(jī)器人，其特征在于:腰部、肩部及腳踝部均采用U型結(jié)構(gòu)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十七自由度人形機(jī)器人，其特征在于:膝部是由一對呈一定鈍角的膝部連接片，將兩個舵機(jī)非轉(zhuǎn)動端固定連接而組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十七自由度人形機(jī)器人，其特征在于:腳部舵機(jī)呈橫向放置，由鋁合金角件固定，旋轉(zhuǎn)方向與前進(jìn)方向呈垂直關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十七自由度人形機(jī)器人，其特征在于:頭部由采用鋁合金將頭部伺服電機(jī)包圍在其中，根據(jù)人體各部分比例關(guān)系，將人形機(jī)器人頭部外觀做成仿人形狀，該鋁合金裝置能有效保護(hù)頭部舵機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十七自由度人形機(jī)器人，其特征在于:控制系統(tǒng)固定安裝在腰部空隙處，視覺攝像頭安裝在頭部，與機(jī)器人直立時呈(Γ90度，能最大范圍捕捉目標(biāo)，電池固定在軀干中部空隙處。
【文檔編號】B25J11/00GK203993890SQ201420017117
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】史穎剛, 劉利, 吳圓圓, 劉振彥, 趙洲, 錢文龍, 劉金龍, 夏海生, 魏秋旭, 賀凱, 韋智薈 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)