腰臂机构优化设计

腰部运动主要有两个自由度：弯腰和转腰，弯腰的运动范围大约是0°～30°，转腰的运动范围大约是±45°，腰部自由度的实现都是由直流电动机驱动。腰部零件主要有轴承座、轴承、轴、支架和板组成，材质主要选用Q235或45号钢。腰部的实物如图2-24所示。

图2-24 腰部的实物机械结构

a）腰部正面 b）腰部侧面 c）腰部背面

1.弯腰、转腰机构的设计实现

弯腰机构由一个直流电机驱动，由于该直流电机的额定扭矩是2N·m，而根据计算整个机器人要完成0°～30°的弯腰动作需要的扭矩约为7N·m，因此采用了1∶4的齿轮减速装置来增大扭矩。轴承的选用是为了减小摩擦力和保证精度。在0°和30°两个位置由两个传感器限制弯腰的幅度，这是从电路方面做的限位，但是考虑如果电路上出现问题，有可能对机械结构造成破坏，因此还有两个机械限位零件来防止腰部转过0°～30°。

转腰机构也是由一个直流电机驱动，轴承的选用减小了摩擦力，即使再考虑转动惯量，也不需要减速即可驱动整个上身的转动。转动的范围在±45°，通过安装在底板上的传感器来控制转动的位置。同样，为防止电动机转过对机械结构的破坏，也采取了机械限位，在±45°处安装了两个限位零件。

图2-25 人体手臂关节构成简图

2.人体手臂的运动特征

研究情感机器人手臂首先需要了解人体手臂的机构特征。人体的手臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、手等几部分组成。如图2-25所示，手臂的运动是靠肩关节、肘关节和腕关节的活动以及肌肉的牵引运动共同完成的。对于人体手臂的机构学特征，在仿生学研究中存在两种观点：(www.xing528.com)

1）美国的Mark E.Rosheim将人类手臂归结为：肩关节是球窝关节（Ball-and-Socket Joint），具有三个转动自由度，能实现屈伸、外展内收、旋转（Pitch-Yaw-Roll）等运动，其运动参数是：前驱90°、后伸35°；外展90°、内收45°；内旋45°、外旋45°；肘关节属于单轴关节，具有一个自由度，能实现屈伸运动，屈伸幅度为135°，其抗拉伸能力为85～230kg；腕关节由挠腕关节和腕骨关节组成，这两个关节在结构上彼此独立但在运动中紧密相连，因此被视为一个关节，具有三自由度，手腕在Roll-Pitch-Roll和Pitch-Yaw-Roll两种机构运动模型，能实现屈伸、外展内收和旋转等运动，屈和伸幅度各为85°，外展90°、内收45°，内旋45°、外旋45°。

2）日本的远藤博史和田充雄博士则认为人体7自由度手臂是由3自由度肩关节，2自由度肘关节和2自由度腕关节组成。当然，除了上述基本自由度外，由于肌肉的牵引作用，人的手臂具有更多的自由度，因此具有高度的运动灵活性。根据中国人体测量值的有关资料表明，人体手臂的几何尺寸构成是

上肢∶身高≈0.452∶1

大臂∶小臂∶手掌≈1.42∶1.2∶0.38

从机构学原理上分析，人体手臂是一个典型的串联机构和并联机构的结合体，其中连接肩关节由六组肌肉构成，其中四组是基本驱动，构成一个驱动器冗余的三自由度并联机构，驱动肩关节的三个方向转动；腕关节的驱动肌肉为前臂肌的前群和后群，均起于挠骨和尺骨构成并联机构，实现腕部的三自由度运动；而肘关节和肩关节、腕关节一起构成串联机构形式的人体手臂；因此，人体手臂既有较大的工作空间（串联机构的优点）又具有较高的结构刚度（并联机构的优点）。人体手臂的特殊结构使手臂在运动中具有良好的动态性能。运动中手臂的刚度较小，当人体感觉到外界的干扰时，可以会迅速调整手臂的运动学、动力学状态，使操作顺利进行；而持重时手臂的刚度较大，以保持稳定的状态。

3.手臂机构的设计实现

本例中的手臂按照人体的比例和自由度配置进行设计，共有10个自由度，每只手臂各有5个自由度，分别是：肩部向前抬手臂（舵机1驱动）、大臂转动（舵机2驱动）、肩部侧向抬手臂（舵机3驱动）、肘部弯曲（舵机4驱动）、小臂转动（舵机5驱动）。手臂的三维图如图2-26所示。手臂共由10个舵机驱动，舵机全部选用HG14-M，舵机的扭矩为14kg·cm，经计算满足手臂运动到各个位置的最大扭矩。考虑减轻手臂的重量，零件所选材料均为硬铝。

图2-26 手臂的三维图