拟人机器人的三自由度髋关节及拟人机器人制造技术

本实用新型专利技术公开了一种拟人机器人的三自由度髋关节，包括髋关节支撑架，髋关节支撑架连接Z向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架固定连接Y向末端齿轮件的支架部，髋关节支撑架的连接孔与Y向末端齿轮件的齿轮部沿Y向同轴布置；Y向末端齿轮件连接Y向旋转驱动机构；髋关节支撑架通过连接孔活动连接Y向齿轮箱体的前端，Y向末端齿轮件通过齿轮部活动连接Y向齿轮箱体的后端；Y向齿轮箱体连接X向旋转驱动机构。本实用新型专利技术所采用的髋关节具有三个旋转自由度，且三个旋转自由度的回转轴交汇于一点，能够确保机器人行走的稳定性，真正实现模仿人类的直立行走动作，从而完成人类的工作。本实用新型专利技术还公开了一种具有该三自由度髋关节的拟人机器人。

3-DOF Hip Joint and Humanoid Robot

【技术实现步骤摘要】
拟人机器人的三自由度髋关节及拟人机器人
本技术涉及一种拟人机器人的零件，具体涉及一种拟人机器人的三自由度髋关节。本技术还涉及一种具有该三自由度髋关节的拟人机器人。
技术介绍
随着技术的飞速发展，拟人机器人代表了机器人领域中的最高水平。由于拟人机器人能够模仿人类的动作，因此其可以真正代替人类去完成各种工作，如在高危、高温的工作环境中工作，以彻底改变人类的工作和生活方式。要使拟人机器人完成人类的动作，就要求拟人机器人具有人类一样灵活的关节。人体主要的大关节有髋关节、肩关节、肘关节、膝关节、踝关节等。而机器人关节的主要任务是完成旋转动作，包括如绕X轴方向的旋转，绕Y轴方向的旋转以及绕Z轴方向的旋转。现有的机器人关节的旋转动作一般采用舵机完成，舵机的优点是控制精度高，但却只具有一个自由度。而人体各关节至少有两个自由度，这就需要在同一关节处使用两个甚至三个舵机，由于舵机是独立于机器人的身体骨架的，舵机的个数增加，必然导致关节的长度增大，身体的刚度则随之变差。为保持机器人身体的稳定性，只能增大舵机的功率，舵机本身的尺寸随之增大，又进一步导致关节变得更长，身体的刚度更差。另外，常见舵机的最大旋转角度一般为180°，受限于舵机的最大旋转角度，采用舵机的机器人关节的最大旋转角度都不可能超过180°。这导致机器人关节的旋转灵活度不能满足要求。因此，采用舵机的拟人机器人只能作为玩具，不能真正完成人类的动作而代替人类去工作。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种拟人机器人的三自由度髋关节，它可以实现三个自由度的旋转运动。为解决上述技术问题，本技术拟人机器人的三自由度髋关节的技术解决方案为：包括髋关节支撑架，髋关节支撑架的顶部连接Z向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架固定连接Y向末端齿轮件的支架部，髋关节支撑架的连接孔与Y向末端齿轮件的齿轮部沿Y向同轴布置；Y向末端齿轮件连接Y向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架通过连接孔活动连接Y向齿轮箱体的前端，所述Y向末端齿轮件通过齿轮部活动连接Y向齿轮箱体的后端；所述Y向齿轮箱体连接X向旋转驱动机构。在另一实施例中，所述Z向驱动机构包括Z向旋转驱动电机、Z向齿轮组，所述髋关节支撑架的顶部固定连接Z向齿轮组的Z向末端齿轮，Z向齿轮组的输入齿轮与Z向旋转驱动电机的起步齿轮相啮合；Z向旋转驱动电机带动Z向齿轮组的Z向末端齿轮旋转，从而带动髋关节支撑架绕Z轴旋转，实现所述髋关节的Z向旋转自由度；所述Y向旋转驱动机构包括Y向旋转驱动电机、Y向齿轮组，所述Y向末端齿轮件的齿轮部与Y向齿轮组的输出齿轮相啮合，Y向齿轮组的输入齿轮与Y向旋转驱动电机的起步齿轮相啮合；Y向齿轮组及Y向旋转驱动电机设置于所述Y向齿轮箱体内；Y向旋转驱动电机带动Y向齿轮组旋转，从而能够使Y向末端齿轮件与Y向齿轮箱体绕Y轴相对旋转，实现所述髋关节的Y向旋转自由度；所述X向旋转驱动机构包括X向驱动电机、X向齿轮组，所述Y向齿轮箱体固定连接X向齿轮组的X向末端齿轮，X向齿轮组的输入齿轮与X向驱动电机的起步齿轮相啮合；X向驱动电机带动X向齿轮组的X向末端齿轮旋转，从而能够带动Y向齿轮箱体绕X轴旋转，实现所述髋关节的X向旋转自由度。在另一实施例中，所述Y向齿轮箱体的前端固定设置有Y向齿轮箱盖，Y向齿轮箱体的后端设置有Y向齿轮箱电机盖，组成Y向齿轮箱；所述髋关节支撑架和Y向末端齿轮件分别通过轴孔配合实现与Y向齿轮箱的活动连接。在另一实施例中，所述Y向末端齿轮件的齿轮部活动套设于Y向齿轮箱盖的连接轴上，实现所述轴孔配合；所述髋关节支撑架的连接孔活动套设于Y向齿轮箱电机盖的连接轴上，实现所述轴孔配合。在另一实施例中，所述Y向齿轮箱体的两侧分别形成有圆形凸台，Y向齿轮箱体通过圆形凸台固定连接X向齿轮组的X向末端齿轮；所述X向齿轮组设置于大腿齿轮箱内，大腿齿轮箱的上端开设有髋关节连接通孔，所述圆形凸台活动穿设于髋关节连接通孔内，以实现Y向齿轮箱体与大腿的活动连接。在另一实施例中，所述大腿包括并列设置的大腿齿轮箱体、大腿齿轮箱盖、大腿电子箱体、大腿电子箱体，大腿齿轮箱体与大腿齿轮箱盖固定连接，组成所述大腿齿轮箱，大腿电子箱体与大腿电子箱体固定连接，组成大腿电子箱；大腿齿轮箱体和大腿电子箱体的上端分别开设有所述髋关节连接通孔；大腿齿轮箱体和大腿电子箱体的上端分别通过所述髋关节连接通孔套设于Y向齿轮箱体两侧的圆形凸台上。在另一实施例中，所述Y向末端齿轮件的齿轮部通过关节滑环连接Y向齿轮箱盖的连接轴；和/或所述Y向齿轮箱体通过X向关节滑环连接大腿齿轮箱体和大腿电子箱体；和/或所述Z向齿轮组的Z向末端齿轮通过滚珠轴承及止推轴承连接髋关节支撑架。在另一实施例中，所述Z向齿轮组1-5由固定设置于两根齿轮轴上的四个齿轮组成，两组相互啮合的齿轮副的中心距相同，其中一根齿轮轴固定连接身体骨架，另一根齿轮轴作为Z向齿轮轴固定连接髋关节支撑架。在另一实施例中，所述Z向齿轮组设置于髋关节齿轮箱内；髋关节齿轮箱固定连接身体骨架；髋关节齿轮箱上固定设置有Z向霍尔传感器；所述Z向齿轮轴的末端固定一颗Z向磁铁，Z向霍尔传感器与Z向齿轮轴的Z向磁铁相对应，用于监测所述髋关节的Z向旋转角度；和/或所述Y向末端齿轮件上固定罩设有Y向输出齿轮盖；Y向输出齿轮盖上设置有Y向霍尔传感器；所述Y向齿轮箱盖的连接轴上镶嵌有一颗Y向磁铁，Y向磁铁与Y向霍尔传感器相对应，用于监测所述髋关节的Y向旋转角度；和/或所述Y向齿轮箱体镶嵌有一颗X向磁铁，X向磁铁与固定设置于大腿电子箱体上的X向霍尔传感器相对应，用于监测所述髋关节的X向旋转角度。本技术还提供一种具有该三自由度髋关节的拟人机器人，其技术解决方案为：包括身体骨架，身体骨架的下部固定连接右髋关节和左髋关节；右髋关节连接右大腿，左髋关节连接左大腿；所述右髋关节和左髋关节采用所述的三自由度髋关节。本技术可以达到的技术效果是：本技术所采用的髋关节具有三个旋转自由度，且三个旋转自由度的回转轴交汇于一点，不仅能够大大减小控制系统控制机器人动作的运算量，而且能够减小髋关节的尺寸，增加身体的刚度，确保机器人行走的稳定性，真正实现模仿人类的直立行走动作，从而完成人类的工作。本技术的三个旋转自由度分别由一组齿轮组带动，并且三组齿轮组采用相同的齿形参数，包括齿轮的齿数、模数、变位系数等，能够简化后期控制的运算量。具体地，三个旋转自由度仅末端齿轮的形状不同，其它零件都相同。本技术的动力源采用三颗高能量密度空心杯微电机，其中X向驱动电机和Y向驱动电机的最大输出扭矩为120g·cm，髋关节Z向驱动电机的最大输出扭矩为1000g·cm。本技术采用霍尔传感器监测各旋转自由度的旋转角度，精度可以达到0.08°。本技术结构紧凑，设计合理，由于三个旋转自由度的回转轴交于一点，能够降低后期机器人运动学的矩阵运算量，简化后期算法，有效提升运算效率。附图说明本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本技术的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本技术的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的技术构思。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本技术的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拟人机器人的三自由度髋关节，其特征在于：包括髋关节支撑架（4‑1），髋关节支撑架（4‑1）的顶部连接Z向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架（4‑1）固定连接Y向末端齿轮件（4‑3）的支架部，髋关节支撑架（4‑1）的连接孔与Y向末端齿轮件（4‑3）的齿轮部沿Y向同轴布置； Y向末端齿轮件（4‑3）连接Y向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架（4‑1）通过连接孔活动连接Y向齿轮箱体（4‑10）的前端，所述Y向末端齿轮件（4‑3）通过齿轮部活动连接Y向齿轮箱体（4‑10）的后端；所述Y向齿轮箱体（4‑10）连接X向旋转驱动机构。

【技术特征摘要】
1.一种拟人机器人的三自由度髋关节，其特征在于：包括髋关节支撑架（4-1），髋关节支撑架（4-1）的顶部连接Z向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架（4-1）固定连接Y向末端齿轮件（4-3）的支架部，髋关节支撑架（4-1）的连接孔与Y向末端齿轮件（4-3）的齿轮部沿Y向同轴布置；Y向末端齿轮件（4-3）连接Y向旋转驱动机构；所述髋关节支撑架（4-1）通过连接孔活动连接Y向齿轮箱体（4-10）的前端，所述Y向末端齿轮件（4-3）通过齿轮部活动连接Y向齿轮箱体（4-10）的后端；所述Y向齿轮箱体（4-10）连接X向旋转驱动机构。2.根据权利要求1所述的拟人机器人的三自由度髋关节，其特征在于：所述Z向驱动机构包括Z向旋转驱动电机（1-3）、Z向齿轮组（1-5），所述髋关节支撑架（4-1）的顶部固定连接Z向齿轮组（1-5）的Z向末端齿轮（1-7），Z向齿轮组（1-5）的输入齿轮与Z向旋转驱动电机（1-3）的起步齿轮相啮合；Z向旋转驱动电机（1-3）带动Z向齿轮组（1-5）的Z向末端齿轮（1-7）旋转，从而带动髋关节支撑架（4-1）绕Z轴旋转，实现所述髋关节的Z向旋转自由度；所述Y向旋转驱动机构包括Y向旋转驱动电机（4-11）、Y向齿轮组（4-9），所述Y向末端齿轮件（4-3）的齿轮部与Y向齿轮组（4-9）的输出齿轮相啮合，Y向齿轮组（4-9）的输入齿轮与Y向旋转驱动电机（4-11）的起步齿轮相啮合；Y向齿轮组（4-9）及Y向旋转驱动电机（4-11）设置于所述Y向齿轮箱体（4-10）内；Y向旋转驱动电机（4-11）带动Y向齿轮组（4-9）旋转，从而能够使Y向末端齿轮件（4-3）与Y向齿轮箱体（4-10）绕Y轴相对旋转，实现所述髋关节的Y向旋转自由度；所述X向旋转驱动机构包括X向驱动电机（5-8）、X向齿轮组（5-10），所述Y向齿轮箱体（4-10）固定连接X向齿轮组（5-10）的X向末端齿轮（5-7），X向齿轮组（5-10）的输入齿轮与X向驱动电机（5-8）的起步齿轮相啮合；X向驱动电机（5-8）带动X向齿轮组（5-10）的X向末端齿轮（5-7）旋转，从而能够带动Y向齿轮箱体（4-10）绕X轴旋转，实现所述髋关节的X向旋转自由度。3.根据权利要求1所述的拟人机器人的三自由度髋关节，其特征在于：所述Y向齿轮箱体（4-10）的前端固定设置有Y向齿轮箱盖（4-8），Y向齿轮箱体（4-10）的后端设置有Y向齿轮箱电机盖（4-12），组成Y向齿轮箱；所述髋关节支撑架（4-1）和Y向末端齿轮件（4-3）分别通过轴孔配合实现与Y向齿轮箱的活动连接。4.根据权利要求3所述的拟人机器人的三自由度髋关节，其特征在于：所述Y向末端齿轮件（4-3）的齿轮部活动套设于Y向齿轮箱盖（4-8）的连接轴上，实现所述轴孔配合；所述髋关节支撑架（4-1）的连接孔活动套设于Y向齿轮箱电机盖（4-12）的连接轴上，实现所述轴孔配合。5.根据权利要求1所述的拟人机器人的三自由度髋关节，其特征在于：所述Y向齿轮箱体（4-10）的两侧分别形成有圆形凸台（4-10-1），Y向齿轮箱体（4-10）通过圆形凸台（4-10...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖云良，夏翰煜，廖华清，雷家敏，张文，马彪，吴济雄，
申请(专利权)人：上海恒元界机器人科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31