一种基于并联结构的机器人头部运动系统技术方案

本实用新型专利技术公开的一种基于并联结构的机器人头部运动系统，包括头部底座、颈部底座；所述颈部底座上设有第一电机、第二电机、第三电机，第一电机、第二电机、第三电机的舵臂分别与第一连杆、第二连杆、第三连杆的底端转动相连，第一连杆、第二连杆、第三连杆的顶端通过第四连杆与头部转轴转动相连，所述头部转轴通过旋转电机与所述头部底座相连。本实用新型专利技术既提高了控制精度又降低了控制复杂度，可实现人体头部的转动、仰头、低头基本动作。低头基本动作。低头基本动作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于并联结构的机器人头部运动系统


[0001]本技术涉及仿人机器人
，具体涉及一种基于并联结构的机器人头部运动系统。

技术介绍

[0002]仿人机器人越来越多地应用到生活中，其结构的合理性、灵巧性也越来越受人关注。由于受目前技术限制，常用的驱动动力还是采用电机，包括脖子部分，结构和控制主要是串联和并联实现。这两种方式各有各自的优缺点：串联结构的控制算法相对简单，但存在占用空间大、负载低、累积误差大的缺点；采用并联结构的设计方案，主要是六自由度设计，精度虽然有了很大提高，但六自由度并联设计，结构复杂，控制算法复杂。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本技术提出一种基于并联结构的机器人头部运动系统，采用三自由度并联结构加一个旋转机构，既提高了控制精度又降低了控制复杂度，可实现人体头部的转动、仰头、低头基本动作。
[0004]技术方案：本技术所述基于并联结构的机器人头部运动系统，包括头部底座、颈部底座；所述颈部底座上设有第一电机、第二电机、第三电机，第一电机、第二电机、第三电机的舵臂分别与第一连杆、第二连杆、第三连杆的底端转动相连，第一连杆、第二连杆、第三连杆的顶端通过第四连杆与头部转轴转动相连，所述头部转轴通过旋转电机与所述头部底座相连。
[0005]进一步完善上述技术方案，所述第一电机、第二电机、第三电机的舵臂分别通过轴套与第一连杆、第二连杆、第三连杆的底端相连。
[0006]进一步地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的顶端分别通过轴套与头部转轴相连。
[0007]进一步地，所述头部转轴为圆盘型结构，该圆盘型结构具有两个相对平行的侧壁以及形成在两个平行侧壁之间的两个弧型侧壁，两个相对平行的侧壁分别与所述第二连杆、第三连杆相连，所述第四连杆与弧形侧壁的底端相连。
[0008]进一步地，所述头部转轴的直径小于所述头部底座、颈部底座的直径。头部转轴及与之连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆设置在头部底座、颈部底座之间，节省了整体结构空间。
[0009]进一步地，所述第一连杆通过万向节与所述第四连杆相连，所述第四连杆顶端通过螺纹柱与所述头部转轴相连。第二连杆、第三连杆、第四连杆与头部转轴的连接位置行程三角形，结构稳固，便于实现各种动作。
[0010]有益效果：与现有技术相比，本技术的优点在于：本技术采用第一连杆、第二连杆、第三连杆连接在头部转轴与颈部底座之间，第三连杆与第四连杆直连，形成三自由度并联结构加一个旋转机构，既提高了控制精度又降低了控制复杂度，可实现人体头部
的转动、仰头、低头基本动作。
附图说明
[0011]图1是本技术的结构示意图。
[0012]图2是采用本技术提供的结构进行点头动作的运动示意图。
具体实施方式
[0013]下面通过附图对本技术技术方案进行详细说明，但是本技术的保护范围不局限于所述实施例。
[0014]如图1所示的基于并联结构的机器人头部运动系统，包括颈部底座9、头部转轴11、头部底座10。在颈部底座9上安装固定有三个电机：第一电机1，第二电机2和第三电机3；每个电机上的舵臂分别通过轴套连接有连杆：第一连杆5，第二连杆6和第三连杆7。头部转轴11具有两个相对平行的侧壁及两个弧形侧壁，第二连杆6、第三连杆7顶端通过轴套分别与两个相对平行的侧壁相连，第一连杆7通过万向节与第四连杆8相连，万向节两端都有螺纹柱，分别与两个连杆连接，第四连杆8与头部底座11靠前位置通过螺纹柱固定连接。在头部转轴11与头部底座10中间安装旋转电机4驱动头部结构的旋转。这样三个连杆和一个旋转电机4提供了整个头部的4个自由度，来实现头部的基本运动。
[0015]颈部底座9坐标系为P
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XYZ，头部底座10的坐标系为P'
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X'Y'Z'。对头部的姿态控制，主要就是实现头部坐标系P'
‑
X'Y'Z'在颈部坐标系P
‑
XYZ下的坐标变化，还包括速度、加速度的控制。问题可分为正解和反解问题。正解问题是给出第一连杆5，第二连杆6和第三连杆7分别在第一电机1，第二电机2和第三电机3的驱动下的运动位移，求出P'
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X'Y'Z'在P
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XYZ坐标系下的位姿，也就是头部的姿态。反解问题也就是给定头部位姿下，求解第一连杆5，第二连杆6和第三连杆7和旋转电机4的运动。头部运动控制多数为反解问题，基本方法包括数值法和解析法，由于自由度的减少，求解的速度会有很大提高，可以用解析法直接求解。
[0016]设头部位姿为[R'、P']，R'是头部相对于颈部坐标系的姿态，P'是头部位置相对于颈部坐标系的位置变化。P'在系统初始化后是设定的值。反解主要是求解姿态控制数据，也就是在已知R'的情况下，求解4个电机运行角度。设第一连杆5，第二连杆6和第三连杆7的长度分别为L1、L2、L3，第一电机1，第二电机2和第三电机3的舵机臂长度分别为l1、l2、l3，第一电机1，第二电机2和第三电机3、旋转电机4的舵机初始角度分别为q10、q20、q30、q40。
[0017]初始时，两个坐标系原点在X方向和Y方向是重合的，x'＝y'＝0。Z方向上，z'＝L1+l10*cosq10＝L2+l20*cosq20＝L3+l30*cosq30，整理初始位置公式：x'＝0；y'＝0；
[0018]z'＝L1+l10*cos(q10)＝L2+l20*cos(q20)＝L3+l30*cos(q30)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019]初始姿态：Rx'＝0；Ry'＝0；Rz'＝q40。
[0020]在公式(1)中可得到3个方程，在已知初始位置(x'、y'、z')的情况下，即可计算出三个电机的初始角度q10、q20、q30，大大简化了计算过程。对于初始转头角度，只需要控制第4个电机的旋转角度q40，就是头部初始旋转角度。
[0021]点头动作，主要是靠第一电机1的运动来保证。如图2所示，在初始位置时第一电机的角度为θ，旋转后角度θ'。根据三角关系，可以计算出第一连杆5的Z方向的移动d。
[0022]d1＝l0*cos(θ')
‑
l0*cos(θ)
‑‑‑‑‑
第一电机舵臂l0从θ转到θ'后在y方向舵杆l0的位置变化。
[0023]d2＝l0*sin(θ)
‑
l0*sin(θ')
‑‑‑‑
第一电机舵臂l0从θ转到θ'后舵杆l0在z方向的位置变化。
[0024]‑‑‑‑‑‑‑‑‑
第一连杆L1，第一电机从θ转动θ'后在z方向上，舵杆l0带动的变化。
[0025]d＝L1
‑
d3+d2
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实际上第一连杆L1在保持与头部连接x、y方向不变的情况下，z方向的位置变化。
[0026]d就是头部在Z方向的第一连杆L1引本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于并联结构的机器人头部运动系统，包括头部底座、颈部底座；其特征在于：所述颈部底座上设有第一电机、第二电机、第三电机，第一电机、第二电机、第三电机的舵臂分别与第一连杆、第二连杆、第三连杆的底端转动相连，第一连杆、第二连杆、第三连杆的顶端通过第四连杆与头部转轴转动相连，所述头部转轴通过旋转电机与所述头部底座相连。2.根据权利要求1所述的基于并联结构的机器人头部运动系统，其特征在于：所述第一电机、第二电机、第三电机的舵臂分别通过轴套与第一连杆、第二连杆、第三连杆的底端相连。3.根据权利要求2所述的基于并联结构的机器人头部运动系统，其特征在于：所述第一连杆、第二连杆、第三连杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏宇飞，李孟伟，郑宝举，
申请(专利权)人：北京清飞科技有限公司，
类型：新型
国别省市：