本发明专利技术公开了一种基于并联机构的机器人构件、优化设计方法及其机器人，该机器人构件至少包括两个并联机构，相邻的并联机构间用输出转换器连接，每个并联机构都具有一静平台和一相对该静平台运动的动平台，其中一个并联机构的静平台活动连接一电机。该并联机构机器人采用上述机器人构件，并通过逆运动学分析对初选并联机构进行优化分析和正运动学分析对上述步骤中的分析结果进行验证和调试最终确定其构件结构。通过调整并联机构的运动方式，实现机器人在运动过程中的空间运动轨迹，并通过遗传算法进行并联机构逆运动学计算和步态规划，改善人形机器人的轨迹规划和运动形式，提高机器人在运动过程中的稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机器人构件、优化设计的方法及其包含该机器人构件的 机器人，特别是涉及一种基于并联机构的机器人构件、该机器人构件的优化 设计方法以及采用该构件的并联机构机器人。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，机器人己经逐渐成为机器人研究领域的重点, 难点和热点。在机器人平台上开展的科学研究种类也趋于多样性，其中最基 本也是最重要的当属机器人的步态规划和运动控制。由于串联机构在机构学 和实际应用中都是一种的成熟的理论，其正逆运动学运算，动力学分析方法， 由于串联机构的运动过程中不同构件之间的耦合性小，奇异分析容易，运动 空间计算方便，因此现在的机器人基本上都是采用串联机构来组成机器人的各个部分。在串联机器人实际应用反面，日本HONDA公司经过多年研究， 不断更新换代，最终推出了机器人ASIMO。该机器人全身采用串联机构形 式，包括头、体和四肢三大部分。其中头具有2DOF,手臂具有5DOF,条 腿包含6个DOF，由于采用了新的步态规划方法，其运动更加灵活，可以完 成行走，转弯己经上下楼梯等动作，比较灵活的模仿人的行走步伐，人体各 个部分的运动形式。日本的索尼公司研制的SDR系列机器人以娱乐为目的， 目前已经开发处SDR-3X、 SDR-4X机器人该机器人结构和ASIMO相似，叶 是有头、体和四肢组成，知识头部具有4DOF。日本的早稻田大学、东京大 学等研制的人形机器也都采用了类似的结构。国内的一些单位，如国防科大、 哈尔滨工业大学和清华大学，研制的机器人也采用了串联机构。由于串联机构只能实现平面运动形式，如果完成空间的运动输出，必须搭配各个构件之间的运动形式才能够实现，而且串联机构运动形式单一，比 如平面四杆机构的运动输出形式只有十四种，这些运动形式均为平面的一些 不相互联系的点或者线，不能实现空间的运动输出，且这些运动形式中排除 奇异点的影响，可能使机器人的运动输出成为一些孤单的点。串联机构运动 过程的稳定性由各个构件串联结果组成，是误差的叠加组成，必然对机器人 运动过程的稳定性产生影响，更增加了设计的难度与运动时控制的难度。现 在出现的机器人一般采用单开链机构，其运动的稳定性更增加了控制的难 度，且其运动的输出对电机的依赖性很大。并联机构是一种利用构件的耦合来完成运动的构件组成形式，不仅承载 量大，结构紧凑，运动过程稳定，而且输出运动空间为面或者体，这就为各 个应用场合提供的丰富的选择。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中机器人运动空间有限、 控制复杂和稳定性差的缺陷，提供一种基于并联机构的机器人构件、优化设 计方法及其机器人。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的一种基于并联机构的机器人构件，其特点在于，其至少包括两个并联机 构，相邻的并联机构间用输出转换器连接，每个并联机构都具有一静平台和 一相对该静平台运动的动平台，其中一个并联机构的静平台活动连接若干电 机。其中，该静平台和动平台均包括若干连接杆和运动副。 其中，该运动副和电机为轴套连接，皮带连接或齿轮连接。 其中，该输出转换器为球面副。 其中，该并联机构的动平台作为输出部件。一种并联机构机器人，其特点在于，该并联机构机器人采用上述的基于5并联机构的机器人构件。其中，该并联机构机器人的头部，胸部，上臂，小臂，大腿，小腿，手 以及足均采用并联机构作为执行部件。其中，该并联机构机器人的头部与胸部，胸部与上臂，上臂与小臂，小 臂与手，胸部与大腿，大腿与小腿以及小腿与足部均采用球面副连接。一种基于并联机构的机器人构件的优化分析方法，其特点在于，其包括 如下步骤逆运动学分析，对初选并联机构进行优化分析；正运动学分析，对上述步骤中的分析结果进行验证和调试。其中，该机器人构件的正、逆运动学计算方法采用遗传算法、矢面法或 者离散法进行计算；动力学计算方法采用拉格朗日第二运动方程或者牛顿-欧拉法建立动力学方程，求解动力学方程采用离散法或者龙格-库塔法。其中，该机器人构件的控制算法采用遗传算法、自适应算法、神经网络 或者PID算法的闭环控制或者采用局部闭环控制。其中，该逆运动学分析还包括如下步骤-TV机器人构件步长与步态规划；T2、该构件的初始选型；T3、在软件中导入逆运动学计算方法的子程序进行计算；T4、对机器人构件进行优化分析。其中，上述步骤T4还包括如下步骤T41、在三维软件中建立机器人机构的参数化模型；T42、对该参数化模型进行运动学和动力学分析；T43、对该参数化模型进行结构设计。其中，该正运动学分析还包括如下步骤-S卜根据步长和步态规划对机器人构件进行零力矩点分析；S2、以动力学建模为基础，控制设计；53、 在程序中导入正运动学计算方法的子程序进行计算；54、 根据S3的计算重新规划机器人构件的步长和步态。 本专利技术的积极进步效果在于人形机器人全身运动构件采用并联机构组成，构件之间的连接采用球面副。通过调整并联机构的运动方式，实现人形 机器人在运动过程中的空间运动轨迹，并通过遗传算法进行并联机构逆运动 学计算和步态规划，改善人形机器人的轨迹规划和运动形式，提高人形机器 人在运动过程中的稳定性，且扩大了机器人各个执行部件的运动空间。附图说明图1为本专利技术中采用的一种转动副3DOF并联机构1的结构示意图。图2为本专利技术中采用的一种滑动副3DOF并联机构2的结构示意图。图3为本专利技术中采用的一种4DOF并联机构3的结构示意图。图4为本专利技术中采用的一种6DOF并联机构4的结构示意图。图5为本专利技术应用于人形机器人手臂的一应用实施例的结构示意图。图6为本专利技术中的机器人构件的优化分析方法逆运动学分析方法的流程图。图7为本专利技术中的机器人构件的优化分析方法正运动学分析方法的流程图。具体实施方式下面结合附图给出本专利技术较佳实施例，以详细说明本专利技术的技术方案。 图l-4为四种常见的并联机构，本领域技术人员亦可采用类似的并联机 构替代作为机器人构件。本实施例中以人形机器人为例来说明本专利技术的机器 人构件，该人形机器人包括作为执行部件的并联机构，该执行部件包括头部、 胸部、上臂、小臂、大腿、小腿、手部和足部；若干设置于该并联机构用于 驱动并联机构的电机；以及用于连接各个并联机构的球面副。其还包括控制人形机器人运动的控制电路，该控制电路包括电机驱动板、信号采集板和控制板。图5为采用本专利技术的人形机器人的手臂的连接关系结构示意图。图6 和图7为本专利技术中对机器人构件优化设计方法中正、逆运动分析的流程图。 接下来根据附图对本专利技术做进一步说明。图1为一转动副3DOF并联机构1的结构模式，并联机构设有一由三根 连动杆12和三组运动副13围成的静平台14，以及同样由三根运动杆和三组 运动副围成的一相对该静平台14运动的动平台11，即输出平台。特别的， 在机器人中的并联机构的静平台和动平台是相对的，可以通过布置不同的连 接方式转换动、静平台在机器人运动过程中扮演的角色。该静平台14和动 平台11的形状可以根据实际需求采用不同的形状，例如三角形，六边形等 多边形。其中，静平台14的每个运动副13都通过皮带连接一电机(图中未 示)，用于驱动该静平台U上的各个运动副13并通过该运动副13的动作将 运动通过设置于静平台11和动平台14间的三组机构链逐一传递至其动平 台，即输出本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于并联机构的机器人构件，其特征在于，其至少包括两个并联机构，相邻的并联机构间用输出转换器连接，每个并联机构都具有一静平台和一相对该静平台运动的动平台，其中一个并联机构的静平台活动连接若干电机。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭兴辉，
申请(专利权)人：上海广茂达伙伴机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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