十自由度機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及人形機器人技術領域，更具體地，涉及一種十自由度機器人。
【背景技術】
[0002]人形機器人，又稱仿人機器人，是具有人形的機器人。1886年法國人利爾亞當將外表像人的機器起名為“安德羅丁”(android)，就是一種人形機器人。按照利爾亞當?shù)拿枋?，人形機器人由四部分組成:生命系統(tǒng)(平衡、步行、發(fā)聲、身體擺動、感覺、表情、調節(jié)運動等)；造型解質(關節(jié)能自由運動的金屬覆蓋體，一種盔甲)；肌肉(在上述盔甲上有肉體、靜脈、性別等身體的各種形態(tài))；人造皮膚(含有膚色、輪廓、頭發(fā)、視覺、牙齒、手爪等)。上述四部分涵蓋了人形機器人擬人化的四個方面。
[0003]在現(xiàn)階段，已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度擬人化的人形機器人，也出現(xiàn)了多種多樣、無窮變化的機器人。然而，經(jīng)過在機器人領域的長期研究，申請人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的人形機器人仍存在細化不足的問題，還不足以滿足所有領域對人形機器人的需求。例如，在青少年教育領域，人形機器人可以作為一種教學用具，通過實物演示的方式傳授有關機械、電子方面的科學知識，還可以以人形機器人為基礎開設手工實習類的實操課程，教授人形機器人的工作原理和制作過程，通過該課程一方面可以普及科學知識，一方面能夠鍛煉學員的實際動手能力，實踐證明這樣的課程具有較好的社會接受度。然而現(xiàn)有的人形機器人缺少針對此目的設計的人形機器人，具體地，現(xiàn)有的人形機器人在成本、穩(wěn)定性和靈活性方面缺少優(yōu)化，導致其或者在成本方面、或者在穩(wěn)定性方面、或者在靈活性方面存在缺陷。例如，市面上出售有十八自由度的機器人，其具有較高的靈活性，可以實現(xiàn)復雜的動作，然而為實現(xiàn)十八自由度，這種機器人無論在機械結構上還是電子電路上都有著非常復雜的設計，這導致成本較高，并不適宜作為教學用人形機器人使用。此外，也存在有結構簡單的人形機器人，但是其無法實現(xiàn)動作編寫，靈活性較差。
[0004]人形機器人的穩(wěn)定性(例如行走穩(wěn)定性)是實現(xiàn)復雜動作的基礎，然而保證足夠的力學穩(wěn)定性卻是人形機器人設計較難的課題，例如在國際機器人大賽這樣高水平的比賽中，也經(jīng)常見到機器人自行滑倒的場景，由此可見，高穩(wěn)定性的機器人結構一直是人們所追求的目標。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有的人形機器人或者在成本控制方面有待提高，或者靈活性較差，或者缺乏足夠的穩(wěn)定性，缺少在成本、靈活性、穩(wěn)定性方面的優(yōu)化，不適用于教學應用領域。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的是針對上述問題提供一種成本有效控制同時兼顧動作靈活性的十自由度機器人。
[0007]本實用新型的另一目的是提供一種穩(wěn)定性改善的十自由度機器人。
[0008]本實用新型的再一目的是提供一種適于教學應用的十自由度機器人。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種十自由度機器人，所述十自由度機器人包括:
[0010]頭部；
[0011]左立臂和右立臂；
[0012]左手臂和右手臂；
[0013]左腳臂和右腳臂；以及
[0014]多個關節(jié)，所述多個關節(jié)為左手臂、右手臂、左腳臂和右腳臂提供活動自由度。
[0015]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述多個關節(jié)包括且僅包括十個關節(jié)，分別為右手臂肩關節(jié)、左手臂肩關節(jié)、右手臂腕關節(jié)、左手臂腕關節(jié)、右腳臂膝關節(jié)、左腳臂膝關節(jié)、右腳臂第一踝關節(jié)、左腳臂第一踝關節(jié)、右腳臂第二踝關節(jié)和左腳臂第二踝關節(jié)；
[0016]其中所述左手臂包括左上手臂和左下手臂，并且所述右手臂包括右上手臂和右下手臂;所述左腳臂包括左L形構件和左腳板，并且所述右腳臂包括右L形構件和右腳板；
[0017]所述右上手臂通過右手臂肩關節(jié)與右立臂的上端樞轉連接，所述左上手臂通過左手臂肩關節(jié)與左立臂的上端樞轉連接;所述右下手臂通過右手臂腕關節(jié)與右上手臂樞轉連接，所述左下手臂通過左手臂腕關節(jié)與左上手臂樞轉連接;所述右L形構件的上端通過右腳臂膝關節(jié)與右立臂的下端樞轉連接，所述左L形構件的上端通過左腳臂膝關節(jié)與左立臂的下端樞轉連接;所述右腳板通過右腳臂第一踝關節(jié)和右腳臂第二踝關節(jié)與右L形構件的下端樞轉連接，以便為右腳板提供兩個方向上的樞轉自由度，所述左腳板通過左腳臂第一踝關節(jié)和左腳臂第二踝關節(jié)與左L形構件的下端樞轉連接，以便為左腳板提供兩個方向上的樞轉自由度。
[0018]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述十自由度機器人呈左右對稱結構，其中:
[0019]a為左手臂腕關節(jié)中心到機器人中心面的距離；
[0020]b為左手臂肩關節(jié)末端到機器人中心面的距離；
[0021]c為左手臂肩關節(jié)中心到左腳臂膝關節(jié)中心的距離；
[0022]d為左腳臂膝關節(jié)末端到機器人中心面的距離；
[0023]e為連接左腳臂膝關節(jié)與左腳臂踝關節(jié)的左L形構件的第一邊長；
[0024]f為連接左腳臂膝關節(jié)與左腳臂踝關節(jié)的左L形構件的第二邊長；
[0025]g為連接左腳臂膝關節(jié)與左腳臂踝關節(jié)的左L形構件的夾角，
[0026]所述十自由度機器人的結構布局如下:
[0027]a:c = 0.43-0.63；
[0028]b:c = 1.05-1.25；
[0029]d:c = 1.10-1.30；
[0030]e: c = 0.20-0.30;
[0031]f:c = 0.35-0.45;以及
[0032]g = 100_120 度。
[0033]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述十自由度機器人的結構布局如下:
[0034]a:c = 0.53；
[0035]b: c = 1.15 ；
[0036]d: c = 1.20；
[0037]e: c = 0.25 ；
[0038]f:c = 0.40;以及
[0039]g = no 度。
[0040]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述十自由度機器人還包括電源、控制電路板和導線，并且所述十個關節(jié)中的每個均包括電機，其中電源與電機之間、控制電路板與電機之間、以及電源與控制電路板之間均通過導線連接，并且其中所述控制電路板設置在所述十自由度機器人的背側上。
[0041]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述電機容納在左立臂、右立臂、左手臂、右手臂、左腳臂或右腳臂中。
[0042]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述頭部、左立臂、右立臂、左上手臂、左下手臂、右上手臂、右下手臂、左L形構件、右L形構件、左腳板和右腳板均由平板拼插塊通過拼插形成。
[0043]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述左立臂和右立臂均為L形構件，并且所述左立臂和右立臂的L形構件的長邊與短邊之間的夾角在100-120度范圍內(nèi)。
[0044]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述左腳板和右腳板均為方塊狀板。
[0045]根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述十自由度機器人還包括一個或多個前胸板，所述一個或多個前胸板設置在左立臂和右立臂前側并且覆蓋左立臂和右立臂。
[0046]本實用新型的核心在于，通過對人形機器人驅動系統(tǒng)(電機)的機械布局試驗和大量運動學仿真以及實物樣機試驗，研究出了一種優(yōu)化人形機器人系統(tǒng)，在滿足一定范圍內(nèi)的尺寸分布時，其重心分布、結構受力分布都達到了很好的效果，并且該系統(tǒng)具有非常好的自穩(wěn)定性，運動與行走特性良好，對電機的負載小。
[0047]本實用新型的優(yōu)化人形機器人系統(tǒng)，有效解決了人形機器人成本高、機械系統(tǒng)穩(wěn)定性差、普適性低、編程復雜等缺點，具體地:
[0048]1、更少的成本
[0049]本實用新型(優(yōu)化人形機器人系統(tǒng))設計了更少的自由度分布，對應于人體關鍵部位，選取手部肩關節(jié)和腕關節(jié)，腳部膝關節(jié)和踝關節(jié)共10個自由度進行設計。在該系統(tǒng)下，人形機器人所需要使用到的驅動部件(如伺服電機)僅僅需要10個單位，比起更多自由度(如18自由度)的典型設計在很大程度上減少了人形機器人的生產(chǎn)成本、部件成本，由此有利于人形機器人的批量制造與普及。
[0050]2、更高的穩(wěn)定性
[0051]本實用新型(優(yōu)化人形機器人系統(tǒng))在整體設計上，設計了僅僅10個自由度分布，同時簡化了驅動部件(如伺服電機)之間的機構連接，使得人形機器人的整體重量可以保持在較為輕便的范圍內(nèi)。比起更多自由度(如18自由度)的典型設計，本實用新型(優(yōu)化人形機器人系統(tǒng))的人形機器人整體重量的減小間接減輕了每個驅動部件(如伺服電機)的負載，提高了機器人在靜態(tài)力學、動力學運動特性方面的穩(wěn)定性。此外，通過各關節(jié)相對位置關系的合理布局以及L形構件的具體設計，重心分布和結構受力分布都達到了很好的效果，進一步提尚了穩(wěn)定性。
[0052]3、簡化編程、靈活性好
[0053]本實用新型(優(yōu)化人形機器人系統(tǒng))的人形機器人同時也具有良好的控制方法，僅僅10個自由度使得對人形機器人的編程難度大幅度下降，編程者無需對數(shù)量過多的驅動部件(如伺服電機)進行編程設計，因而減少了軟件開發(fā)成本、時間。簡化人形機器人編程難度使得人形機器人的普適性得到大幅度提高。同時適宜的自由度保證了人形機器人足夠的靈活性，編程難度降低有助于提高人形機器人的動作靈活性。
[0054]綜合上述優(yōu)點可見，本實用新型適于在教學應用和玩具市場中普及。
【附圖說明】
[0055]圖1為根據(jù)本實用新型的實施例的十自由度機器人的立體結構圖；
[0056]圖2為示出根據(jù)本實用新型的實施例的十自由度機器人的每個自由度的示意圖；
[0057]圖3為根據(jù)本實用新型的實施例的十自由度機器人的側視圖；
[0058]圖4為根據(jù)本實用新型的實施例的十自由度機器人的立體結構圖，其中示出了十自由度機器人的主要部件；以及
[0059]圖5為示出根據(jù)本實用新型的實施例的十自由度機器人的結構布局的示意圖。
【具體實施方式】
[0060]下面結合附圖詳細描述本實用新型的示例性的實施例，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。另外，在下面的詳細描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細節(jié)以提供對本披露實施例的全面理解。然而明顯地，一個或多個實施例在沒有這些具體細節(jié)的情況下也可以被實施。在其他情況下，公知的結構和裝置以圖示的方式體現(xiàn)以簡化附圖。
[0061]在本文中，自由度為機械系統(tǒng)已有術語，其表示:根據(jù)機械原理，機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目(亦即為了使機構的位置得以確定，必須給定的獨立的廣義坐標的數(shù)目)，稱為機構自由度，其數(shù)目常以F表示。運動副為已有術語，其表示:兩構件直接接觸并能產(chǎn)生相對運動的活動聯(lián)接。
[0062]根據(jù)本實用新型總體上的構思，如圖4所示，提供了一種十自由度機器人100，所述十自由度機器人100包括:頭部51;左立臂55和右立臂；左手臂和右手臂；左腳臂和右腳臂；以及多個關節(jié)1-10，所述多個關節(jié)1-10為左手臂、右手臂、左腳臂和右腳臂提供活動自由度。
[0063]如圖1-3所示，在圖示的實施例中，所述多個關節(jié)1-10包括且僅包括十個關節(jié)1-10，分別為右手臂肩關節(jié)1、左手臂肩關節(jié)2、右手臂腕關節(jié)3、左手臂腕關節(jié)4、右腳臂膝關節(jié)
5、左腳臂膝關節(jié)6、右腳臂第一踝關節(jié)7、左腳臂第一踝關節(jié)8、右腳臂第二踝關節(jié)9和左腳臂第二踝關節(jié)10;其中所述左手臂包括左上手臂53和左下手臂54，并且所述右手臂包括右上手臂和右下手臂；所述左腳臂包