技术领域
[0001] 本
发明涉及人形
机器人技术领域，更具体地，涉及一种十自由度机器人。
背景技术
[0002] 人形机器人，又称
仿人机器人，是具有人形的机器人。1886年法国人利尔亚当将外表像人的机器起名为“安德罗丁”(android)，就是一种人形机器人。按照利尔亚当的描述，人形机器人由四部分组成：生命系统(平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等)；造型解质(关节能自由运动的金属
覆盖体，一种盔甲)；肌肉(在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态)；人造
皮肤(含有肤色、轮廓、头发、视觉、
牙齿、
手爪等)。上述四部分涵盖了人形机器人拟人化的四个方面。
[0003] 在现阶段，已经出现了不同程度拟人化的人形机器人，也出现了多种多样、无穷变化的机器人。然而，经过在机器人领域的长期研究，
申请人发现现有的人形机器人仍存在细化不足的问题，还不足以满足所有领域对人形机器人的需求。例如，在青少年教育领域，人形机器人可以作为一种教学用具，通过实物演示的方式传授有关机械、
电子方面的科学知识，还可以以人形机器人为
基础开设手工实习类的实操课程，教授人形机器人的工作原理和制作过程，通过该课程一方面可以普及科学知识，一方面能够锻炼学员的实际动手能
力，实践证明这样的课程具有较好的社会接受度。然而现有的人形机器人缺少针对此目的设计的人形机器人，具体地，现有的人形机器人在成本、
稳定性和灵活性方面缺少优化，导致其或者在成本方面、或者在稳定性方面、或者在灵活性方面存在
缺陷。例如，市面上出售有十八自由度的机器人，其具有较高的灵活性，可以实现复杂的动作，然而为实现十八自由度，这种机器人无论在机械结构上还是电子
电路上都有着非常复杂的设计，这导致成本较高，并不适宜作为教学用人形机器人使用。此外，也存在有结构简单的人形机器人，但是其无法实现动作编写，灵活性较差。
[0004] 人形机器人的稳定性(例如行走稳定性)是实现复杂动作的基础，然而保证足够的力学稳定性却是人形机器人设计较难的课题，例如在国际机器人大赛这样高
水平的比赛中，也经常见到机器人自行滑倒的场景，由此可见，高稳定性的机器人结构一直是人们所追求的目标。
[0005] 综上所述，现有的人形机器人或者在成本控制方面有待提高，或者灵活性较差，或者缺乏足够的稳定性，缺少在成本、灵活性、稳定性方面的优化，不适用于教学应用领域。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对上述问题提供一种成本有效控制同时兼顾动作灵活性的十自由度机器人。
[0007] 本发明的另一目的是提供一种稳定性改善的十自由度机器人。
[0008] 本发明的再一目的是提供一种适于教学应用的十自由度机器人。
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种十自由度机器人，所述十自由度机器人包括：
[0010] 头部；
[0011] 左立臂和右立臂；
[0012] 左手臂和右手臂；
[0013] 左脚臂和右脚臂；以及
[0014] 多个关节，所述多个关节为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度。
[0015] 根据本发明的一个优选
实施例，所述多个关节包括且仅包括十个关节，分别为右手臂肩关节、左手臂肩关节、右手臂腕关节、左手臂腕关节、右脚臂
膝关节、左脚臂膝关节、右脚臂第一踝关节、左脚臂第一踝关节、右脚臂第二踝关节和左脚臂第二踝关节；
[0016] 其中所述左手臂包括左上手臂和左下手臂，并且所述右手臂包括右上手臂和右下手臂；所述左脚臂包括左L形构件和左脚板，并且所述右脚臂包括右L形构件和右脚板；
[0017] 所述右上手臂通过右手臂肩关节与右立臂的上端枢转连接，所述左上手臂通过左手臂肩关节与左立臂的上端枢转连接；所述右下手臂通过右手 臂腕关节与右上手臂枢转连接，所述左下手臂通过左手臂腕关节与左上手臂枢转连接；所述右L形构件的上端通过右脚臂膝关节与右立臂的下端枢转连接，所述左L形构件的上端通过左脚臂膝关节与左立臂的下端枢转连接；所述右脚板通过右脚臂第一踝关节和右脚臂第二踝关节与右L形构件的下端枢转连接，以便为右脚板提供两个方向上的枢转自由度，所述左脚板通过左脚臂第一踝关节和左脚臂第二踝关节与左L形构件的下端枢转连接，以便为左脚板提供两个方向上的枢转自由度。
[0018] 根据本发明的一个优选实施例，所述十自由度机器人呈左右对称结构，其中：
[0019] a-左手臂腕关节中心到机器人中心面的距离；
[0020] b-左手臂肩关节末端到机器人中心面的距离；
[0021] c-左手臂肩关节中心到左脚臂膝关节中心的距离；
[0022] d-左脚臂膝关节末端到机器人中心面的距离；
[0023] e-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的第一边长；
[0024] f-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的第二边长；
[0025] g-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的夹
角，
[0026] 所述十自由度机器人的结构布局如下：
[0027] a：c＝0.43-0.63；
[0028] b：c＝1.05-1.25；
[0029] d：c＝1.10-1.30；
[0030] e：c＝0.20-0.30；
[0031] f：c＝0.35-0.45；以及
[0032] g＝100-120度。
[0033] 根据本发明的一个优选实施例，所述十自由度机器人的结构布局如下：
[0034] a：c＝0.53；
[0035] b：c＝1.15；
[0036] d：c＝1.20；
[0037] e：c＝0.25；
[0038] f：c＝0.40；以及
[0039] g＝110度。
[0040] 根据本发明的一个优选实施例，所述十自由度机器人还包括电源、控制
电路板和
导线，并且所述十个关节中的每个均包括
电机，其中电源与电机之间、控制电路板与电机之间、以及电源与控制电路板之间均通过导线连接，并且其中所述控制电路板设置在所述十自由度机器人的背侧上。
[0041] 根据本发明的一个优选实施例，所述电机容纳在左立臂、右立臂、左手臂、右手臂、左脚臂或右脚臂中。
[0042] 根据本发明的一个优选实施例，所述头部、左立臂、右立臂、左上手臂、左下手臂、右上手臂、右下手臂、左L形构件、右L形构件、左脚板和右脚板均由平板拼插
块通过拼插形成。
[0043] 根据本发明的一个优选实施例，所述左立臂和右立臂均为L形构件，并且所述左立臂和右立臂的L形构件的长边与短边之间的夹角在100-120度范围内。
[0044] 根据本发明的一个优选实施例，所述左脚板和右脚板均为方块状板。
[0045] 根据本发明的一个优选实施例，所述十自由度机器人还包括一个或多个前胸板，所述一个或多个前胸板设置在左立臂和右立臂前侧并且覆盖左立臂和右立臂。
[0046] 本发明的核心在于，通过对人形机器人驱动系统(电机)的机械布局试验和大量运动学仿真以及实物样机试验，研究出了一种优化人形机器人系统，在满足一定范围内的尺寸分布时，其
重心分布、结构受力分布都达到了很好的效果，并且该系统具有非常好的自稳定性，运动与行走特性良好，对电机的负载小。
[0047] 本发明的优化人形机器人系统，有效解决了人形机器人成本高、机械系统稳定性差、普适性低、编程复杂等缺点，具体地：
[0048] 1、更少的成本
[0049] 本发明(优化人形机器人系统)设计了更少的自由度分布，对应于人体关键部位，选取手部肩关节和腕关节，脚部膝关节和踝关节共10个自由度进行设计。在该系统下，人形机器人所需要使用到的驱动部件(如
伺服电机)仅仅需要10个单位，比起更多自由度(如18自由度)的典型设计在很大程度上减少了人形机器人的生产成本、部件成本，由此有利于人形机器人的批量制造与普及。
[0050] 2、更高的稳定性
[0051] 本发明(优化人形机器人系统)在整体设计上，设计了仅仅10个自由度分布，同时简化了驱动部件(如伺服电机)之间的机构连接，使得人形机器人的整体重量可以保持在较为轻便的范围内。比起更多自由度(如18自由度)的典型设计，本发明(优化人形机器人系统)的人形机器人整体重量的减小间接减轻了每个驱动部件(如伺服电机)的负载，提高了机器人在静态力学、动力学运动特性方面的稳定性。此外，通过各关节相对
位置关系的合理布局以及L形构件的具体设计，重心分布和结构受力分布都达到了很好的效果，进一步提高了稳定性。
[0052] 3、简化编程、灵活性好
[0053] 本发明(优化人形机器人系统)的人形机器人同时也具有良好的控制方法，仅仅10个自由度使得对人形机器人的编程难度大幅度下降，编程者无需对数量过多的驱动部件(如伺服电机)进行编程设计，因而减少了
软件开发成本、时间。简化人形机器人编程难度使得人形机器人的普适性得到大幅度提高。同时适宜的自由度保证了人形机器人足够的灵活性，编程难度降低有助于提高人形机器人的动作灵活性。
[0054] 综合上述优点可见，本发明适于在教学应用和玩具市场中普及。
附图说明
[0055] 图1为根据本发明的实施例的十自由度机器人的立体结构图；
[0056] 图2为示出根据本发明的实施例的十自由度机器人的每个自由度的示意图；
[0057] 图3为根据本发明的实施例的十自由度机器人的侧视图；
[0058] 图4为根据本发明的实施例的十自由度机器人的立体结构图，其中示出了十自由度机器人的主要部件；以及
[0059] 图5为示出根据本发明的实施例的十自由度机器人的结构布局的示意图。
具体实施方式
[0060] 下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
[0061] 在本文中，自由度为机械系统已有术语，其表示：根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目(亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目)，称为机构自由度，其数目常以F表示。运动副为已有术语，其表示：两构件直接
接触并能产生相对运动的活动联接。
[0062] 根据本发明总体上的发明构思，如图4所示，提供了一种十自由度机器人100，所述十自由度机器人100包括：头部51；左立臂55和右立臂；左手臂和右手臂；左脚臂和右脚臂；以及多个关节1-10，所述多个关节1-10为左手臂、右手臂、左脚臂和右脚臂提供活动自由度。
[0063] 如图1-3所示，在图示的实施例中，所述多个关节1-10包括且仅包括十个关节1-10，分别为右手臂肩关节1、左手臂肩关节2、右手臂腕关节3、左手臂腕关节4、右脚臂膝关节
5、左脚臂膝关节6、右脚臂第一踝关节7、左脚臂第一踝关节8、右脚臂第二踝关节9和左脚臂第二踝关节10；其中所述左手臂包括左上手臂53和左下手臂54，并且所述右手臂包括右上手臂和右下手臂；所述左脚臂包括左L形构件56和左脚板57，并且所述右脚臂包括右L形构件和右脚板；所述右上手臂通过右手臂肩关节1与右立臂的上端枢转连接，所述左上手臂53通过左手臂肩关节2与左立臂55的上端枢转连接；所述右下手臂通过右手臂腕关节3与右上手臂枢转连接，所述左下手臂54通过左手臂腕关节4与左上手臂53枢转连接；所述右L形构件的上端通过右脚臂膝关节5与右立臂的下端枢转连接，所述左L形构件56的上端通过左脚臂膝关节6与左立臂55的下端枢转连接；所述右脚板通过右脚臂第一踝关节7和右脚臂第二踝关节9与右L形构件的下端枢转连接，以便为右脚板提供两个方向上的枢转自由度，所述左脚板57通过左脚臂第一踝关节8和左脚臂第二踝关节10与左L形构件56的下端枢转连接，以便为左脚板57提供两个方向上的枢转自由度。
[0064] 对于本发明的优化人形机器人系统，全身采用10自由度设计(脚部采用6自由度，手部采用4自由度)。
[0065] 通过关节的机械布局试验和实物样机试验，根据本发明的实施例的十自由度机器人在满足下述位置关系时具有较好的稳定性，如图5所示：所述十自由度机器人100呈左右对称结构，其中：
[0066] a-左手臂腕关节中心到机器人中心面的距离；
[0067] b-左手臂肩关节末端到机器人中心面的距离；
[0068] c-左手臂肩关节中心到左脚臂膝关节中心的距离；
[0069] d-左脚臂膝关节末端到机器人中心面的距离；
[0070] e-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的第一边长；
[0071] f-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的第二边长；
[0072] g-连接左脚臂膝关节与左脚臂踝关节的左L形构件的夹角，
[0073] 所述十自由度机器人100的结构布局如下：
[0074] a：c＝0.43-0.63；
[0075] b：c＝1.05-1.25；
[0076] d：c＝1.10-1.30；
[0077] e：c＝0.20-0.30；
[0078] f：c＝0.35-0.45；以及
[0079] g＝100-120度。
[0080] 在优选的实施例中，所述十自由度机器人100的结构布局如下：
[0081] a：c＝0.53；
[0082] b：c＝1.15；
[0083] d：c＝1.20；
[0084] e：c＝0.25；
[0085] f：c＝0.40；以及
[0086] g＝110度。
[0087] 在本发明的实施例中，所述十自由度机器人100还包括电源(未示出)、控制电路板61和导线(未示出)，并且所述十个关节1-10中的每个均包括电机，其中电源与电机之间、控制电路板61与电机之间、以及电源与控制电路板61之间均通过导线连接，并且其中所述控制电路板61设置在所述 十自由度机器人100的背侧上。
[0088] 在优选的实施例中，如图4所示，所述电机容纳在左立臂55、右立臂、左手臂、右手臂、左脚臂或右脚臂中。所述头部51、左立臂55、右立臂、左上手臂53、左下手臂54、右上手臂、右下手臂、左L形构件56、右L形构件、左脚板57和右脚板均由平板拼插块通过拼插形成。
[0089] 在进一步优选的实施例中，如图3所示，所述左立臂55和右立臂均为L形构件，并且所述左立臂55和右立臂的L形构件的长边与短边之间的夹角在100-120度范围内。左立臂55、右立臂的L形构件在下端与左脚臂、右脚臂的L形构件结合，左立臂55、右立臂的L形构件呈正“L”形，左脚臂、右脚臂的L形构件呈倒“L”形，使得结合后的机器人整体呈近似“S”形，其中心被约束在“S”形内部，从而为机器人提供稳定的
支撑。
[0090] 在进一步优选的实施例中，如图4所示，所述左脚板57和右脚板均为方块状板。方块状板为机器人提供稳定的支撑。
[0091] 在进一步优选的实施例中，如图4所示，所述十自由度机器人100还包括一个或多个前胸板52，所述一个或多个前胸板52设置在左立臂55和右立臂前侧并且覆盖左立臂55和右立臂。
[0092] 本发明(优化人形机器人系统)的系统方案适用于在前述比例区间内的任意大小的人形机器人系统，例如，可以设计成高为30cm的机器人，也可以设计成高为1.5m的机器人，本发明并不对此加以限制。
[0093] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附
权利要求及其等同物限定。
[0094] 附图标记列表：
[0095] 1 右手臂肩关节
[0096] 2 左手臂肩关节
[0097] 3 右手臂腕关节
[0098] 4 左手臂腕关节
[0099] 5 右脚臂膝关节
[0100] 6 左脚臂膝关节
[0101] 7 右脚臂第一踝关节
[0102] 8 左脚臂第一踝关节
[0103] 9 右脚臂第二踝关节
[0104] 10 左脚臂第二踝关节
[0105] 51 头部
[0106] 52 前胸板
[0107] 53 左上手臂
[0108] 54 左下手臂
[0109] 55 左立臂
[0110] 56 左L形构件
[0111] 57 左脚板
[0112] 61 控制电路板
[0113] 62 右脚臂第一踝关节电机盒
[0114] 100 十自由度机器人
[0115] a左(右)手臂腕关节中心到机器人中心面的距离
[0116] b左(右)手臂肩关节末端到机器人中心面的距离
[0117] c左(右)手臂肩关节中心到左(右)脚臂膝关节中心的距离
[0118] d左(右)脚臂膝关节末端到机器人中心面的距离
[0119] e连接左(右)脚臂膝关节与左(右)脚臂踝关节的L形构件的第一边长
[0120] f连接左(右)脚臂膝关节与左(右)脚臂踝关节的L形构件的第二边长
[0121] g连接左(右)脚臂膝关节与左(右)脚臂踝关节的L形构件的夹角。
