球面并联的人形机器人关节构型综合、仿生设计与实验研究

Humanoid robot is one of the most active branches in the robot technology field, and the joint is the key to realize the function of the robot. Taking the shoulder, hip and ankle joint of the humanoid robot for the object, and taking the lower-mobility spherical parallel mechanism as the prototype, the project will perform the type synthesis, the performance analysis and the prototype development of the bionic joint mechanism. To solve the problems of unloading the external force and realizing balance of the stiffness, the spherical pair will be implanted to the centre of the spherical parallel mechanism imitatint that of the human joints. The project will propose the idea about the offset output of the ankle and the space mapping method to solve the small space of the parallel mechanism, and realize the the expansion and change of the shape and position of the workspace of the mechanism to make it consistent with that of the human shoulder, hip and ankle space. The project will build new configurations of spherical parallel mechanism of shoulder, hip and ankle joints with the characteristics of external force unloading, high stiffness and large orkspace. By using the analytical method, the high order hyperstaic problem will be solved. According to the conditions of the joints in the human body, the mechanical parameters of the bionic joints will be optimized, and the kinematics and dynamics performance analysis will be completed. The principle prototypes of the three class joints will be developmented, and their performances concerning kinematics, workspace and statics will be tested. Through the research work in this project, a serial of nove joints will be obtained, and a comparative system bionic method and theory will be formed, which will have important significance and application value for the development of high performance humanoid robots.

人形机器人是机器人技术领域最活跃的分支之一，关节是机器人功能实现的关键。本项目拟以人形机器人肩、髋和踝关节为对象，以少自由度球面并联机构为原型，开展仿生关节机构构型综合、机构性能分析以及仿生关节实验样机研制。模仿人类关节，将球面副植入球面并联机构球心，解决机构不平衡外力的卸载和刚度均衡问题；提出机构偏置输出思想和空间映射方法，解决并联机构空间小的问题，实现机构工作空间形状和位置的扩大、改变,使之与人类肩、髋和踝关节空间一致，构建具有外力卸载、高刚度和大工作空间的三自由度四支链、二自由度三支链球面并联肩、髋和踝关节新构型；利用解析法解决其高次超静定问题,依据关节在人体中状态,优化仿生关节机构参数、完成关节运动学和动力学性能分析；研制三种关节原理样机各一台，对其运动学、空间、力学性能进行验证。本项目将获得一组新型关节、形成较系统的仿生模式与方法,对高性能人形机器人的研发有重要的意义和应用价值。

在追求机器人与社会相融的科学目标中，如何使人形机器人更像人已成为机器人领域关键问题。关节与整体构型是其中最为重要和关键的部分，其构型与性能将直接决定机器人的整体的本质属性。本课题针对人形机器人肩、髋和踝关节核心单元进行研究，从仿生的主题视角和原则出发，将少自由度并联机构引入到人形机器人构型构建中，在满足人类关节基本要求条件下，开展了仿生关节机构构型综合、性能分析以及实验样机研制工作。. 在仿生关节机构构型综合中，提出偏置输出与空间映射的思想，有效增大和改变球面机构工作空间，突破了球面并联机构空间小的限制；提出引入中心球面支链增加虚约束方法，在不改变机构原有的运动属性条件下，解决了机构外力分流与卸载问题、实现刚度均衡化的目标；提出双并联耦合机构构型综合方法，利用并联机构输出空间并集叠加性，增大机构工作空间，从另一途径突破了并联机构工作空间小的限制。大量的研究工作形成了较系统的人形机器人关节仿生综合理论与方法，为人形机器人关节设计与开发提供了理论基础与支撑。. 利用上述理论与方法，构建并设计了结构与外观形态、工作空间、运动模式、力学属性与特征更接近人类的三大类人形机器人仿生关节新构型组。完成了人形机器人并联仿生关节组的新机构性能分析与研究。包括静力学特性、运动学、工作空间属性、动力学性能。其中利用小变形叠加原理，解决了少自由度并联机构高次超静定静力学求解困难的问题，并形成基础数据与通用方法。依据机构关节空间范围、形状与人体关节空间一致性设计原则，优化确定了仿生关节的关键结构参数与在人体构型中安装位姿参数。. 设计制造三种重要关节的样机：具有偏置输出的3-RRR-(S-P)三自由度球面仿生髋关节、具有冗余耦合支链的4-RRR//RRR-4双并联三自由度球面混联仿生肩关节样机、具有中心球面副的UP+R+S两自由度球面仿生踝关节样机。基于UMAC多轴运动控制器，设计仿生关节电器控制系统。进行系统的运动学实验，得到各仿生关节的基本运动性能。. 项目取得的成果对人形机器人技术发展、工程化研究与设计有重要的借鉴和参考意义。在资助项目执行期间，项目组在国内外发表高水平研究论文13篇，后续待发表论文4-5篇。获得国家发明专利3项，实用新型专利8项，后续待授权专利2-3项。培养年轻教师4人、硕士毕业生10名，后续在读博士1名、硕士3名。