张拉整体式仿生肩关节系统及其运动轨迹规划方法技术方案

本发明专利技术涉及一种张拉整体式仿生肩关节系统及其运动轨迹规划方法，系统包括底板、定平台、动平台、主动受拉单元、被动受拉绳索单元、柔性拉簧单元、多组驱动单元和控制单元。仿生肩关节构件与被动受拉绳索单元整体为Y型结构，定平台与控制单元固定在底板上，动平台与定平台之间通过主动受拉单元、被动受拉绳索单元以及柔性拉簧单元连接，控制单元通过规划运动轨迹控制多组驱动单元实现仿生肩关节的外展内收、前屈后伸及外旋内旋运动。其针对传统结构存在的质量大、结构复杂、柔顺性差等缺点，将肩关节形态结构与张拉整体结构有机融合，通过仿生映射得到兼具自适应性和灵活性的仿生肩关节系统，其结构紧凑，控制方便，广泛应用于人形机器人关节。人形机器人关节。人形机器人关节。

【技术实现步骤摘要】
张拉整体式仿生肩关节系统及其运动轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及仿生机器人领域，具体涉及一种张拉整体式仿生肩关节系统及其运动轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]人形机器人是一种旨在模仿人类外观与行为的机器人，在日常生活中发挥着举足轻重的作用，已经成为衡量一个国家综合实力水平的重要标志。另一方面，近些年，世界上因意外事故、自然灾害、先天性疾病等造成肢体残疾的人员非常多。针对这种现象，国家采取了一系列措施发展残疾人事业，上肢假肢的研究在其中扮演着重要的角色。
[0003]由于关节直接影响人形机器人整体的运动性能，肩关节作为人体上肢运动范围最大、最灵活的关节，其直接影响上肢机器人的运动灵活性，其在机器人领域及上肢假肢领域承担着非常重要的职能。
[0004]但是，一方面，现有的仿生人形机器人关节设计大多采用刚性结构，虽然其能够还原人体上肢各关节复杂的动作，但是结构本身存在质量大、结构复杂以及特定情况下灵活性不足的缺点。
[0005]另一方面，现在的肩关节的整体结构较为复杂，整体结构冗余性较高，并且运动轨迹较为单一，不能进行更灵活的运动。
[0006]因此，基于上述现有技术中存在的缺点，急需研究一种新的仿生肩关节机构。

技术实现思路

[0007]为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种张拉整体式仿生肩关节系统及运动轨迹规划方法及其运动轨迹规划方法，将张拉整体结构中杆索构件的独特耦合特性映射到仿生学设计中，弥补了传统刚性仿生肩关节柔性不足、自适应性差等技术缺陷。该张拉整体仿生肩关节系统将肩关节形态结构与张拉整体结构进行了有机融合，具有刚性冲击小、运动灵活、结构精巧及控制简单等优点。该仿生肩关节通过控制多组驱动单元实现人体肩关节的外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动，其运动轨迹更加多样可控，应用到假肢与机器人领域时，能够有效的帮助患者生活与劳动，从而弥补肢体残缺的影响，实用性与适用性更好。
[0008]具体地，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]本专利技术提供一种张拉整体式仿生肩关节系统，其包括底板、定平台、动平台、主动受拉单元、被动受拉绳索单元、柔性拉簧单元、多组驱动单元和控制单元；所述定平台、所述控制单元以及多组驱动单元均固定在所述底板上，所述动平台设置在所述定平台上方，所述动平台整体呈Y型，所述动平台与所述定平台之间通过主动受拉单元、被动受拉绳索单元以及柔性拉簧单元连接，所述驱动单元与所述控制单元通讯连接并受控于所述控制单元，控制单元通过控制多组驱动单元从而带动仿生肩关节进行外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动；
[0010]所述定平台中心设置有中间支撑杆，所述中间支撑杆的第二端连接所述动平台，所述定平台的周围设置有五个分支，五个分支分别为定平台第一分支、定平台第二分支、定平台第三分支、定平台第四分支和定平台第五分支；每一个定平台分支的端部布置有一组驱动单元；
[0011]所述动平台周围设置有三个水平分支和三个向下布置的分支，所述三个水平分支分别为动平台第一分支、动平台第二分支、动平台第三分支，所述三个向下布置的分支分别为动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支；
[0012]所述定平台为正六边形结构，定平台五个分支自所述正六边形任意五条边的中点处水平向外延伸；所述动平台的本体为等边三角形结构，所述动平台第一分支、动平台第二分支和动平台第三分支自所述等边三角形的三个顶点处水平向外延伸，所述动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支自所述等边三角形的三条边的中点处向下延伸；
[0013]所述主动受拉单元设置在所述动平台与定平台之间，所述主动受拉单元包括第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索和第五绳索，其中，所述动平台第一分支通过第一绳索和第四绳索分别与定平台第一分支及定平台第四分支连接；所述动平台第二分支通过第二绳索与定平台第二分支连接；所述动平台第三分支通过第一绳索和第五绳索分别与定平台第三分支、定平台第五分支分别连接；
[0014]所述被动受拉绳索单元设置在所述中间支撑杆与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支之间，所述被动受拉绳索单元包括第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳，所述中间支撑杆分别与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支通过第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳连接；
[0015]所述柔性拉簧单元设置在动平台与定平台之间，所述柔性拉簧单元包括第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧；第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第一端连接所述动平台的三个顶点处，第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第二端连接所述定平台；
[0016]所述控制单元包括上位机、控制器和陀螺仪，所述陀螺仪设置有传感器，所述传感器能够监测获取所述动平台姿态信息；所述上位机与控制器之间通信连接，所述控制器向所述上位机发送从所述陀螺仪的传感器接收的动平台姿态信息，所述上位机向所述控制器发送目标轨迹点，所述控制器发出指令控制对应的驱动单元，所述驱动单元驱动主动受拉单元，主动受拉单元进一步驱动被动受拉绳索单元及柔性拉簧单元控制动平台运动，从而实现外展、内收、前屈、后伸、外旋和内旋运动。
[0017]优选地，每组驱动单元均连接有一根主动受拉单元的绳索的第一端，每一根绳索的第二端经过O型圈后与所述动平台连接；在驱动单元、主动受拉单元以及O型圈共同的作用下，动平台能够模拟肩关节的动作，在做外展运动时，第二驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短，即第二绳索和第三绳索张紧，第一绳索、第四绳索和第五绳索松弛；在外展运动时，轴向的外旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索拉紧，轴向的内旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索松弛。
[0018]优选地，所述上位机与控制器的主控芯片之间采用蓝牙串口进行通信，所述上位机以数据帧的形式向主控芯片发送目标轨迹点，所述主控芯片以数据帧的形式发送从所述陀螺仪传感器上接受到的动平台的姿态信息。
[0019]优选地，第一驱动单元和第五驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元在底板上
分别关于定平台中心点成中心对称布置。
[0020]优选地，所述第一绳索上端连接动平台第一分支外端，所述第一绳索下端连接定平台第一分支外端；第二绳索上端连接动平台第二分支外端，所述第二绳索下端连接定平台第二分支外端，所述第三绳索上端连接动平台第三分支外端，所述第三绳索下端连接定平台第三分支外端；所述第四绳索上端连接动平台第一分支外端，所述第四绳索下端连接定平台第四分支，所述第五绳索上端连接动平台第三分支外端，所述第五绳索下端连接定平台第五分支外端，所述第一绳索、第四绳索和第三绳索、第五绳索关于第二绳索与中间支撑杆所在平面对称。
[0021]优选地，所述第一拉簧上端连接动平台第一分支内侧，所述第一拉簧下端连接定平台第一分支内侧；第二拉簧上端连接动平台第二分支内侧，所述第二拉簧下端连接定平台第二分支内侧；第三拉簧上端连接动平台第三分支内侧，所述第三拉簧下端连接定平台第三分支内侧。
[0022]优选地，所述驱动单元包括驱动板、步进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种张拉整体式仿生肩关节系统，其特征在于：其包括底板、定平台、动平台、主动受拉单元、被动受拉绳索单元、柔性拉簧单元、多组驱动单元和控制单元；所述定平台、所述控制单元以及多组驱动单元均固定在所述底板上，所述动平台设置在所述定平台上方，所述动平台整体呈Y型，所述动平台与所述定平台之间通过主动受拉单元、被动受拉绳索单元以及柔性拉簧单元连接，所述驱动单元与所述控制单元通讯连接并受控于所述控制单元，控制单元通过控制多组驱动单元从而带动仿生肩关节进行外展、内收、前屈、后伸、外旋及内旋运动；所述定平台中心设置有中间支撑杆，所述中间支撑杆的第二端连接所述动平台，所述定平台的周围设置有五个分支，五个分支分别为定平台第一分支、定平台第二分支、定平台第三分支、定平台第四分支和定平台第五分支；每一个定平台分支的端部布置有一组驱动单元；所述动平台周围设置有三个水平分支和三个向下布置的分支，所述三个水平分支分别为动平台第一分支、动平台第二分支、动平台第三分支，所述三个向下布置的分支分别为动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支；所述定平台为正六边形结构，定平台五个分支自所述正六边形任意五条边的中点处水平向外延伸；所述动平台的本体为等边三角形结构，所述动平台第一分支、动平台第二分支和动平台第三分支自所述等边三角形的三个顶点处水平向外延伸，所述动平台第四分支、动平台第五分支和动平台第六分支自所述等边三角形的三条边的中点处向下延伸；所述主动受拉单元设置在所述动平台与定平台之间，所述主动受拉单元包括第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索和第五绳索，其中，所述动平台第一分支通过第一绳索和第四绳索分别与定平台第一分支及定平台第四分支连接；所述动平台第二分支通过第二绳索与定平台第二分支连接；所述动平台第三分支通过第一绳索和第五绳索分别与定平台第三分支、定平台第五分支分别连接；所述被动受拉绳索单元设置在所述中间支撑杆与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支之间，所述被动受拉绳索单元包括第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳，所述中间支撑杆分别与动平台第四分支、动平台第五分支及动平台第六分支通过第一弹性绳、第二弹性绳和第三弹性绳连接；所述柔性拉簧单元设置在动平台与定平台之间，所述柔性拉簧单元包括第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧；第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第一端连接所述动平台的三个顶点处，第一拉簧、第二拉簧和第三拉簧的第二端连接所述定平台；所述控制单元包括上位机、控制器和陀螺仪，所述陀螺仪设置有传感器，所述传感器能够监测获取所述动平台姿态信息；所述上位机与控制器之间通信连接，所述控制器向所述上位机发送从所述陀螺仪的传感器接收的动平台姿态信息，所述上位机向所述控制器发送目标轨迹点，所述控制器发出指令控制对应的驱动单元，所述驱动单元驱动主动受拉单元，主动受拉单元进一步驱动被动受拉绳索单元及柔性拉簧单元控制动平台运动，从而实现外展、内收、前屈、后伸、外旋和内旋运动。2.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统，其特征在于：每组驱动单元均连接有一根主动受拉单元的绳索的第一端，每一根绳索的第二端经过O型圈后与所述动平台连接；在驱动单元、主动受拉单元以及O型圈共同的作用下，动平台能够模拟肩关节的动作，
在做外展运动时，第二驱动单元和第三驱动单元的驱动绳缩短，即第二绳索和第三绳索张紧，第一绳索、第四绳索和第五绳索松弛；在外展运动时，轴向的外旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索拉紧，轴向的内旋运动使第一绳索、第二绳索和第三绳索松弛。3.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统，其特征在于：所述上位机与控制器的主控芯片之间采用蓝牙串口进行通信，所述上位机以数据帧的形式向主控芯片发送目标轨迹点，所述主控芯片以数据帧的形式发送从所述陀螺仪传感器上接受到的动平台的姿态信息。4.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统，其特征在于：第一驱动单元和第五驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元在底板上分别关于定平台中心点成中心对称布置。5.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢文娟，曾嘉豪，古国明，杨家楠，曾达幸，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：