本發(fā)明涉及人形機(jī)器人，具體而言，涉及一種三自由度腰部結(jié)構(gòu)及人形機(jī)器人。
背景技術(shù)：
1、隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，人形機(jī)器人在工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。腰關(guān)節(jié)作為人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心部件，其構(gòu)型設(shè)計(jì)直接影響到機(jī)器人的整體性能。
2、相關(guān)技術(shù)中，人形機(jī)器人三自由度腰構(gòu)型主要采用兩種方案：第一種是全串聯(lián)直驅(qū)結(jié)構(gòu)，即三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度（roll、pitch、yaw）全部采用串聯(lián)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)；第二種是混合結(jié)構(gòu)，其中roll（翻滾角，繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)）和pitch（俯仰角，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)）自由度通過(guò)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，yaw（偏航角，繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)）自由度仍采用串聯(lián)直驅(qū)。
3、全串聯(lián)直驅(qū)方案雖然控制簡(jiǎn)單，但會(huì)導(dǎo)致腰部結(jié)構(gòu)臃腫，且由于缺乏支撐結(jié)構(gòu)，整體剛度較差。而采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)roll和pitch自由度的方案雖然可以大幅縮減結(jié)構(gòu)體積，提高剛度，但并聯(lián)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)解算和控制復(fù)雜度顯著增加，給運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的包括提供一種三自由度腰部結(jié)構(gòu)及人形機(jī)器人，其能夠采用全串聯(lián)的形式并使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的結(jié)構(gòu)剛度。
2、本發(fā)明的實(shí)施例可以這樣實(shí)現(xiàn)：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種三自由度腰部結(jié)構(gòu)，包括第一關(guān)節(jié)安裝件和第二關(guān)節(jié)安裝件，其中：
4、所述第一關(guān)節(jié)安裝件內(nèi)設(shè)置有腰周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述腰周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出端與機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)連接，用于驅(qū)動(dòng)所述第一關(guān)節(jié)安裝件相對(duì)所述機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)；
5、所述第二關(guān)節(jié)安裝件與所述第一關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述第二關(guān)節(jié)安裝件內(nèi)設(shè)置有腰側(cè)擺關(guān)節(jié)和腰俯仰關(guān)節(jié)，所述腰側(cè)擺關(guān)節(jié)和所述腰俯仰關(guān)節(jié)沿所述腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出軸方向依次排布；所述腰側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出端通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)與所述第一關(guān)節(jié)安裝件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述第二關(guān)節(jié)安裝件相對(duì)所述第一關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)；所述腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出端與機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)連接，用于驅(qū)動(dòng)所述機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)相對(duì)所述第二關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)。
6、在可選的實(shí)施方式中，所述腰周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置在所述腰側(cè)擺關(guān)節(jié)和所述腰俯仰關(guān)節(jié)的下方中間位置。
7、在可選的實(shí)施方式中，所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄和連桿，所述腰側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出端與所述曲柄的中心位置連接，所述連桿的一端與所述曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)連接，且所述連桿與所述曲柄的連接位置與所述曲柄偏心設(shè)置，所述連桿的另一端與所述第一關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
8、在可選的實(shí)施方式中，所述曲柄的中心位置、所述連桿與所述曲柄的連接位置、所述連桿與所述第一關(guān)節(jié)安裝件的連接位置、所述第二關(guān)節(jié)安裝件與所述第一關(guān)節(jié)安裝件的連接位置的依次連線構(gòu)成平行四邊形。
9、在可選的實(shí)施方式中，還包括胸腔連接座，所述腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出端通過(guò)所述胸腔連接座與所述機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)連接。
10、在可選的實(shí)施方式中，還包括被動(dòng)支撐座，所述被動(dòng)支撐座與所述第二關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述第二關(guān)節(jié)安裝件通過(guò)所述被動(dòng)支撐座與所述機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)連接；所述胸腔連接座和所述被動(dòng)支撐座分別位于所述第二關(guān)節(jié)安裝件的兩側(cè)，所述被動(dòng)支撐座與所述第二關(guān)節(jié)安裝件的轉(zhuǎn)軸與所述腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出軸共線。
11、第二方面，本發(fā)明提供一種人形機(jī)器人，包括前述實(shí)施方式任一項(xiàng)所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)。
12、在可選的實(shí)施方式中，與所述三自由度腰部結(jié)構(gòu)連接的下肢結(jié)構(gòu)包括依次連接的髖部組件、大腿組件和小腿組件；所述髖部組件包括髖俯仰關(guān)節(jié)安裝件、髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件和髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件，其中：
13、所述髖俯仰關(guān)節(jié)安裝件內(nèi)設(shè)置有髖俯仰關(guān)節(jié)，所述髖俯仰關(guān)節(jié)的輸出端與所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件相對(duì)所述髖俯仰關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)；
14、所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件上設(shè)置有髖側(cè)擺關(guān)節(jié)，所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)和所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出軸方向依次排布；所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出端與所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件相對(duì)所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)；
15、所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件內(nèi)設(shè)置有髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出端與所述大腿組件連接，用于驅(qū)動(dòng)所述大腿組件相對(duì)所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)。
16、在可選的實(shí)施方式中，所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)和所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出軸方向，從所述髖部組件的后方到前方依次排布；所述髖俯仰關(guān)節(jié)和所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿所述髖俯仰關(guān)節(jié)的輸出軸方向，從所述髖部組件的里側(cè)到外側(cè)依次排布。
17、在可選的實(shí)施方式中，所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件還與所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
18、本發(fā)明實(shí)施例提供的三自由度腰部結(jié)構(gòu)和人形機(jī)器人的有益效果包括：
19、本發(fā)明實(shí)施例提供的三自由度腰部結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置第一關(guān)節(jié)安裝件、第二關(guān)節(jié)安裝件和機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)依次串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)部件串聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)連接。其中，通過(guò)腰側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出端通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)與第一關(guān)節(jié)安裝件連接，實(shí)現(xiàn)第二關(guān)節(jié)安裝件相對(duì)第一關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腰部側(cè)擺運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)⒀鼈?cè)擺關(guān)節(jié)集成于第二關(guān)節(jié)安裝件內(nèi)部，由內(nèi)而外驅(qū)動(dòng)第二關(guān)節(jié)安裝件運(yùn)動(dòng)，避免外置驅(qū)動(dòng)電機(jī)導(dǎo)致腰部結(jié)構(gòu)臃腫。進(jìn)一步地，腰側(cè)擺關(guān)節(jié)和腰俯仰關(guān)節(jié)沿腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出軸方向依次排布，結(jié)構(gòu)緊湊，進(jìn)一步減小了人形機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)的尺寸。本發(fā)明能夠采用全串聯(lián)的形式并使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，避免結(jié)構(gòu)臃腫，具有良好的結(jié)構(gòu)剛度，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)解算和控制較為簡(jiǎn)單，降低運(yùn)動(dòng)控制難度。
1.一種三自由度腰部結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一關(guān)節(jié)安裝件和第二關(guān)節(jié)安裝件，其中：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述腰周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置在所述腰側(cè)擺關(guān)節(jié)和所述腰俯仰關(guān)節(jié)的下方中間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄和連桿，所述腰側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出端與所述曲柄的中心位置連接，所述連桿的一端與所述曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)連接，且所述連桿與所述曲柄的連接位置與所述曲柄偏心設(shè)置，所述連桿的另一端與所述第一關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述連桿與所述曲柄的連接位置位于所述曲柄靠近所述腰俯仰關(guān)節(jié)的一端的情況下，所述曲柄的中心位置、所述連桿與所述曲柄的連接位置、所述連桿與所述第一關(guān)節(jié)安裝件的連接位置、所述第二關(guān)節(jié)安裝件與所述第一關(guān)節(jié)安裝件的連接位置的依次連線構(gòu)成平行四邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括胸腔連接座，所述腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出端通過(guò)所述胸腔連接座與所述機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括被動(dòng)支撐座，所述被動(dòng)支撐座與所述第二關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述第二關(guān)節(jié)安裝件通過(guò)所述被動(dòng)支撐座與所述機(jī)器人胸腔結(jié)構(gòu)連接；所述胸腔連接座和所述被動(dòng)支撐座分別位于所述第二關(guān)節(jié)安裝件的兩側(cè)，所述被動(dòng)支撐座與所述第二關(guān)節(jié)安裝件的轉(zhuǎn)軸與所述腰俯仰關(guān)節(jié)的輸出軸共線。
7.一種人形機(jī)器人，其特征在于，包括權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的三自由度腰部結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的人形機(jī)器人，其特征在于，與所述三自由度腰部結(jié)構(gòu)連接的下肢結(jié)構(gòu)包括依次連接的髖部組件、大腿組件和小腿組件；所述髖部組件包括髖俯仰關(guān)節(jié)安裝件、髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件和髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件，其中：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人形機(jī)器人，其特征在于，所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)和所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的輸出軸方向，從所述髖部組件的后方到前方依次排布；所述髖俯仰關(guān)節(jié)和所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿所述髖俯仰關(guān)節(jié)的輸出軸方向，從所述髖部組件的里側(cè)到外側(cè)依次排布。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人形機(jī)器人，其特征在于，所述髖側(cè)擺關(guān)節(jié)安裝件還與所述髖周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)安裝件轉(zhuǎn)動(dòng)連接。