(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104787146A (43)申请公布日2015.07.22 (21)申请号201510239336.8 (22)申请日2015.05.12 (71)申请人北京理工大学 地址100081北京市海淀区中关村南大街5 号北京理工大学 (72)发明人张伟民刘华欣佘浩田黄强 余张国陈学超陈晓鹏 (51)Int.CI. B62D57032(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图1页 (54)发明名称 种仿人机器人的抗冲击仿生串联弹性关节 (57）摘要 本发明提供了一种仿人机器人的抗冲击的仿 生串联弹性关节，其包括大臂外骨架、小臂、轴承、 串联弹性驱动器：所述大臂外骨架与所述小臂通 过所述轴承转动连接：所述串联弹性驱动器的两 端分别连接于所述大臂外骨架、所述小臂，更好地 利用了空间，同时增加了手臂运动的范围。所述串 联弹性驱动器又包括伺服电机组件、传动机构、活 塞组件。所述活塞组件压缩内部的弹簧储存弹性 势能，增加作用时间，减小冲击峰值力的破坏，保 护所述仿生串联弹性关节。 V 9V1L8LVOI NO
CN104787146A 权利要求书 1/1页 1.一种仿人机器人的抗冲击的仿生串联弹性关节，其包括大臂外骨架、小臂、轴承：所 述大臂外骨架与所述小臂通过所述轴承转动连接：其特征在于：所述仿生串联弹性关节还 具有串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器的两端分别连接于所述大臂外骨架、所述小臂。 2.根据权利要求1所述的仿生串联弹性关节，其中，所述串联弹性驱动器又包括伺服 电机组件、传动机构、活塞组件。 3.根据权利要求2所述的仿生串联弹性关节，其中，所述同服电机组件又包括伺服电 机、所述伺服电机末端的编码器、伺服电机的输出轴。 4.根据权利要求2所述的仿生串联弹性关节，其中，所述传动机构又包括减速传动装 置、第二级传动装置。 5.根据权利要求4所述的仿生串联弹性关节，其中，所述减速传动装置又包括锁紧套、 小带轮、大带轮、皮带：其中，所述伺服电机的输出轴通过所述锁紧套与所述小带轮连接，所 述小带轮与所述大带轮通过所述皮带连接。 6.根据权利要求5所述的仿生串联弹性关节，其中，所述活塞组件又包括活塞、安装在 所述活塞内的线性直线弹簧：当所述小臂受到冲击时，所述活塞压缩所述线性直线弹簧，从 而削弱尖峰冲击力，保护所述仿生串联弹性关节。 7.根据权利要求6所述的仿生串联弹性关节，其中，所述第二级传动装置又包括丝杠、 丝杠螺帽、连接件：所述大带轮与所述丝杠相连，所述丝杠螺帽通过所述连接件与所述活塞 连接，所述第二级传动装置将所述伺服电机的旋转运动变成所述连接件的直线运动，进而 带动所述小臂的运动。 8.根据权利要求7所述的仿生串联弹性关节，其中，所述连接件连接着对称的两个滑 块，所述大臂外骨架内两端对称安装有两个滑块导轨，所述滑块在所述滑块导轨的引导下 可上下运动：当所述小臂受到冲击时，所述活塞带动所述连接件，所述连接件又带动所述丝 杠螺帽运动。 9.根据权利要求1-8中任一所述的仿生串联弹性关节，其中，所述轴承处安装有一个 磁旋编码器，用于测量所述小臂相对于所述大臂外骨架转动的角度。 10.根据权利要求9所述的仿生串联弹性关节，其中，所述滑块导轨中的一个上连接有 个直线传感器用于测量所述丝杠螺帽上下的直线位移，依据所述直线传感器和磁旋编码 器所测的数据，所述仿生串联弹性关节可以算出所述线性直线弹簧的压缩量，通过所述线 性直线弹簧的劲度系数进而得到实时的驱动力，以实现对驱动所述小臂运动的所述驱动力 的精确控制。 2
CN104787146A 说明书 1/4页 一种仿人机器人的抗冲击仿生串联弹性关节 技术领域 [0001] 本发明涉及一种仿人机器人，具体涉及一种仿人机器人的抗冲击的仿生串联弹性 关节。 背景技术 [0002] 仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，和其他构形的机器人相比，仿人机器 人在外形上更加友好，同时能方便地使用为人类发明设计的各种工具，更容易适应人类生 活环境。 [0003]随着科技的发展，人们对智能机器人的需求日益增长。机器人应用于空间实验、环 境探索、抢险救灾、医疗手术、家庭服务等方面。机器人要服务于人类，必须适应人类生存环 境的复杂性和不可预估性。只有机器人能在复杂多变的环境中正常和安全的工作，才能出 色的完成任务。 [0004]为了使仿人机器人应用于各个行业，必须保证机器人在复杂环境中受到冲击后依 然能正常地工作。 [0005] 目前主要的研究工作是改善机器人的驱动系统，使其具有更强的适应性。目前的 柔性机器人系统、力控制方法、轻量化和变刚度驱动都有了很大的进展。 [0006]但是，由于上述驱动方式的驱动刚度过大，所以在人类工作生活环境中，存在着一 定的安全隐患。针对上述问题，80年代初开始，麻省理工的学者Prtt开始采用串联弹性驱 动器对步行机器人的驱动进行研究，其特点是采用液压或电机作为驱动源，在其上串联一 个弹性装置，进而实现精确的力控制，该驱动器具有低阻抗、能量密度高、力输出稳定以及 对外部载荷可以很好的缓冲等优点。 [0007] 传统的串联驱动器采用了四组并联的弹簧，每一组并联弹簧中间的导杆都要保持 平衡且这种驱动器的体积过大，不能应用于机器人的肘部。 [0008]N.G.Tsagarakis提出一种旋转方式的串联驱动器，3个弹簧呈三角形排列一个圆 周平面内，结构紧凑，由于弹簧的变形不大，运动范围受限，所以只适用于小仿人机器人。而 仿人机器人在摔倒时，手臂需要更大的运动范围。 [0009] 本发明的目的在于将仿生串联弹性关节应用在机器人摔倒时肘关节的保护，解决 传统串联驱动器过大和运动范围受到扭转弹簧变形限制问题。 发明内容 [0010]本发明提供了一种应用于仿人机器人手臂的抗冲击的串联弹性驱动器及具有该 串联弹性驱动器的仿生串联弹性关节。 [0011]本发明所述的仿人机器人的抗冲击的仿生串联弹性关节，其包括大臂外骨架、小 臂、轴承：所述大臂外骨架与所述小臂通过所述轴承转动连接：其特征在于：所述仿生串联 弹性关节还具有串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器的两端分别连接于所述大臂外骨 架、所述小臂。 3
CN104787146A 说 明书 2/4页 [0012] 根据上述的仿生串联弹性关节，其中，所述串联弹性驱动器又包括伺服电机组件、 传动机构、活塞组件。 [0013] 根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述伺服电机组件又包括伺服电机、所 述伺服电机末端的编码器、伺服电机的输出轴。 [0014] 根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述传动机构又包括减速传动装置、第 二级传动装置。 [0015]根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述减速传动装置又包括锁紧套、小带 轮、大带轮、皮带：其中，所述伺服电机的输出轴通过所述锁紧套与所述小带轮连接，所述小 带轮与所述大带轮通过所述皮带连接。 [0016]根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述活塞组件又包括活塞、安装在所述 活塞内的线性直线弹簧：当所述小臂受到冲击时，所述活塞压缩所述线性直线弹簧，从而削 弱尖峰冲击力，保护所述仿生串联弹性关节。 [0017]根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述第二级传动装置又包括丝杠、丝杠 螺帽、连接件：所述大带轮与所述丝杠相连，所述丝杠螺帽通过所述连接件与所述活塞连 接，所述第二级传动装置将所述伺服电机的旋转运动变成所述连接件的直线运动，进而带 动所述小臂的运动。 [0018] 根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述连接件连接着对称的两个滑块，所 述大臂外骨架内两端对称安装有两个滑块导轨，所述滑块在所述滑块导轨的引导下可上下 运动：当所述小臂受到冲击时，所述活塞带动所述连接件，所述连接件又带动所述丝杠螺帽 运动。 [0019] 根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述轴承处安装有一个磁旋编码器，用 于测量所述小臂相对于所述大臂外骨架转动的角度。 [0020] 根据上述的任一仿生串联弹性关节，其中，所述滑块导轨中的一个上连接有一个 直线传感器用于测量所述丝杠螺帽上下的直线位移，依据所述直线传感器和磁旋编码器所 测的数据，所述仿生串联弹性关节可以算出所述线性直线弹簧的压缩量，通过所述线性直 线弹簧的劲度系数进而得到实时的驱动力，以实现对驱动所述小臂运动的所述驱动力的精 确控制。 [0021]本发明的串联弹性驱动器具有如下技术效果： [0022]1.当仿人机器人摔倒时，肘关节部位会受到较大冲击，串联弹性驱动器用来吸收 冲击力峰值，保护肘关节的重要部位，使机器人能够正常工作。 [0023]2.将机构学与仿生原理相结合，利用串联弹性驱动器的 [0024] 机械结构特点以及人体肌肉的生物力学特征，模仿人体的肌肉收缩功能控制小臂 的运动，相对于传统圆盘式串联驱动器，增加了小臂的转动范围。 附图说明 [0025] 图1是本发明的仿生串联弹性关节的结构示意图 [0026] 图2是图1中的仿生串联弹性关节的爆炸图 具体实施方式
CN104787146A 说 明书 3/4页 [0027] 本发明是应用于机器人手臂的一种抗冲击的串联弹性驱动器。 [0028] 一种仿人机器人的抗冲击的仿生串联弹性关节，其包括大臂外骨架3、小臂14、轴 承9：所述大臂外骨架3与所述小臂14通过所述轴承9转动连接：其特征在于：所述仿生串 联弹性关节还具有串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器的两端分别连接于所述大臂外骨 架3、所述小臂14。 [0029]所述串联弹性驱动器又包括伺服电机组件、传动机构、活塞组件。 [0030] 所述伺服电机组件又包括伺服电机2、所述伺服电机2末端的编码器1、伺服电机 的输出轴。所述伺服电机2作为动力源，其末端与所述编码器1连接，并通过四个螺丝和所 述大臂外骨架3固连。 [0031] 所述传动机构又包括减速传动装置、第二级传动装置。 [0032]所述活塞组件又包括活塞12、安装在所述活塞12内的线性直线弹簧13：所述线 性直线弹簧13的两端与所述活塞12的两极限位置连接，当所述活塞12运动时，所述线性 直线弹簧13就会被压缩。所述活塞12的两端分别连接于所述大臂外骨架3、所述小臂14。 当所述小臂14受到冲击时，所述活塞12压缩所述线性直线弹簧13，从而削弱尖峰冲击力， 保护所述仿生串联弹性关节。 [0033] 所述减速传动装置又包括锁紧套4、小带轮5、大带轮6、皮带7：其中，所述伺服电 机2的输出轴通过所述锁紧套4与所述小带轮5连接，所述小带轮5与所述大带轮6通过 所述皮带7连接。 [0034]所述第二级传动装置又包括丝杠8、丝杠螺帽10、连接件11：所述大带轮6与所述 丝杠8相连，所述丝杠螺帽10通过所述连接件11与所述活塞12连接，所述第二级传动装 置将所述伺服电机2的旋转运动变成所述连接件11的直线运动，进而带动所述小臂14的 运动。所述连接件11连接着对称的两个滑块15，所述大臂外骨架3内两端对称安装有两个 滑块导轨16，所述滑块15在所述滑块导轨16的引导下可上下运动：当所述小臂14受到冲 击时，所述活塞12带动所述连接件11，所述连接件11又带动所述丝杠螺帽10运动。 [0035]所述轴承9处安装有一个磁旋编码器17，用于测量所述小臂14相对于所述大臂外 骨架3转动的角度。所述滑块导轨16中的一个上连接有一个直线传感器用于测量所述丝 杠螺帽10上下的直线位移，依据所述直线传感器和磁旋编码器17所测的数据，所述仿生串 联弹性关节可以算出所述线性直线弹簧13的压缩量，通过所述线性直线弹簧13的劲度系 数进而得到实时的驱动力，以实现对驱动所述小臂14运动的所述驱动力的精确控制。 [0036]所述同服电机2的转矩通过减速传动装置传递到所述丝杠8，再通过所述第二级 传动装置传递到所述活塞12，由所述活塞12驱动所述小臂14：因此，当所述伺服电机2输 出力时，经过两级传动带动所述小臂14的运动。所述小臂14采用了轻量化的碳纤维材质， 减小手臂的转动惯量，使机器人的小臂更加轻盈方便和更易于控制。 [0037]本发明的串联弹性驱动器增强了机器人运动的拟人化和柔顺性，连接大臂和小臂 的弹性元件串联弹性驱动器仿照人体的肌肉拉缩运动，压缩弹簧储存弹性势能，增加作用 时间，减小冲击力峰值的破坏。 [0038] 将弹性单元串联弹性驱动器单独放出来使其与大臂、小臂相连，更好地利用了空 间，同时增加了手臂运动的范围。 [0039] 以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人 5
CN104787146A 说明书 4/4页 员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。 6
CN104787146A 说明书附图 1/1页 6 7 8 15 10 12 14 图1 3 6 10 11 13 9 17 @ 14 图2