(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210669912.2 (22)申请日 2022.06.14 (71)申请人 东莞理工学院 地址 523413 广东省东莞 市松山湖大 学路1 号 (72)发明人 卢文娟　曾嘉豪　古国明　杨家楠　 曾达幸　 (74)专利代理 机构 北京孚睿湾知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11474 专利代理师 刘翠芹 (51)Int.Cl. B25J 17/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 张拉整体式仿生肩关节系统及其运动轨迹 规划方法 (57)摘要 本发明涉及一种张拉整体式仿生肩关节系 统及其运动轨迹规划方法， 系统包括底板、 定平 台、 动平台、 主动受拉单元、 被动受拉绳索单元、 柔性拉簧单元、 多组驱动单元和控制单元。 仿生 肩关节构件与被动受拉绳索单元整体为Y型结 构， 定平台与控制单元固定在底板上， 动平台与 定平台之间通过主动受拉单元、 被动受拉绳索单 元以及柔性拉簧单元连接， 控制单元通过规划运 动轨迹控制多组驱动单元实现仿生肩关节的外 展内收、 前屈后伸及外旋内旋运动。 其针对传统 结构存在的质量大、 结构复杂、 柔顺性差等缺点， 将肩关节形态结构与张拉整体结构有机融合， 通 过仿生映射得到兼具自适应性和灵活性的仿生 肩关节系统， 其结构紧凑， 控制方便， 广泛应用于 人形机器人关节。 权利要求书3页 说明书9页 附图8页 CN 114800600 A 2022.07.29 CN 114800600 A 1.一种张拉整体 式仿生肩关节系统， 其特征在于： 其包括底板、 定平台、 动平台、 主动受 拉单元、 被动受拉绳索单元、 柔性拉簧单元、 多组驱动单元和控制单元； 所述定平台、 所述控 制单元以及多组驱动单元均固定在所述底板上， 所述动平台设置在所述定平台上方， 所述 动平台整体呈Y型， 所述动平台与所述定平台之间通过主动受拉单元、 被动受拉绳索单元以 及柔性拉簧单元连接， 所述驱动单元与所述控制单元通讯连接并受控于所述控制单元， 控 制单元通过控制多组驱动单元从而带动仿生肩关节进行外展、 内收、 前屈、 后伸、 外旋及内 旋运动； 所述定平台中心设置有中间支撑杆， 所述中间支撑杆的第二端连接所述动平台， 所述 定平台的周围设置有五个分支， 五个分支分别为定平台第一分支、 定平台第二分支、 定平台 第三分支、 定平台第四分支和定平台第 五分支； 每一个定平台分支的端部布置有一组驱动 单元； 所述动平台周围设置有三个水平分支和三个向下布置的分支， 所述三个水平分支分别 为动平台第一分支、 动平台第二分支、 动平台第三分支， 所述三个向下布置的分支分别为动 平台第四分支、 动平台第五分支和动平台第六分支； 所述定平台为正六边形结构， 定平台五个分支自所述正六边形任意五条边的中点处水 平向外延伸； 所述动平台的本体为等边三角形结构， 所述动平台第一分支、 动平台第二分支 和动平台第三分支自所述等边三角形 的三个顶点处水平向外延伸， 所述动平台第四分支、 动平台第五分支和动平台第六分支自所述 等边三角形的三条边的中点处向下延伸； 所述主动受拉单元设置在所述动平台与定平台之间， 所述主动受拉单元包括第一绳 索、 第二绳索、 第三绳索、 第四绳索和第五绳索， 其中， 所述动平台第一分支 通过第一绳索和 第四绳索分别与定平台第一分支及定平台第四分支连接； 所述动平台第二分支 通过第二绳 索与定平台第二分支连接； 所述动平台第三分支 通过第一绳索和 第五绳索分别与定平台第 三分支、 定平台第五分支分别连接； 所述被动受拉绳索单元设置在所述中间支撑杆与动平台第四分支、 动平台第五分支及 动平台第六分支之间， 所述被动受拉绳索单元包括第一 弹性绳、 第二 弹性绳和 第三弹性绳， 所述中间支撑杆分别与动平台第四分支、 动平台第五分支及动平台第六分支 通过第一弹性 绳、 第二弹性绳和第三弹性绳连接； 所述柔性拉簧单元设置在动平台与定平台之间， 所述柔性拉簧单元包括第一拉簧、 第 二拉簧和第三拉簧； 第一拉簧、 第二拉簧和第三拉簧的第一端连接所述动平台的三个顶点 处， 第一拉簧、 第二拉簧和第三拉簧的第二端连接所述定平台； 所述控制单元包括上位机、 控制器和陀螺仪， 所述陀螺仪设置有传感器， 所述传感器能 够监测获取所述动平台姿态信息； 所述上位机与控制 器之间通信连接， 所述控制器向所述 上位机发送从所述陀螺仪的传感器接收的动平台姿态信息， 所述上位机向所述控制器发送 目标轨迹点， 所述控制器发出指 令控制对应的驱动单元， 所述驱动单元驱动主动受拉单元， 主动受拉单元进一步驱动被动受拉绳索单元及柔性拉簧单元控制动平台运动， 从而实现外 展、 内收、 前屈、 后伸、 外 旋和内旋运动。 2.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 每组驱动单元均连 接有一根主动受拉单元 的绳索的第一端， 每一根绳索的第二端经过O型圈后与所述动平台 连接； 在驱动单元、 主动受拉单元以及O型圈共同的作用下， 动平台能够 模拟肩关节的动作，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114800600 A 2在做外展运动时， 第二驱动单元和第三驱动单元 的驱动绳缩短， 即第二绳索和第三绳索张 紧， 第一绳索、 第四绳索和 第五绳索松弛； 在外展运动时， 轴向的外旋运动使第一绳索、 第二 绳索和第三绳索拉紧， 轴向的内旋运动使第一绳索、 第二绳索和第三绳索松弛。 3.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 所述上位机与控制 器的主控芯片之间采用蓝牙串口进行通信， 所述上位机以数据帧的形式 向主控芯片发送目 标轨迹点， 所述主控芯片以数据帧的形式发送从所述陀螺仪传感器上接受到的动平台的姿 态信息。 4.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 第 一驱动单元和第 五驱动单元、 第三驱动单元和 第四驱动单元在底板上分别关于定平台中心 点成中心对称布 置。 5.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 所述第 一绳索上端 连接动平台第一分支外端， 所述第一绳索下端连接定平台第一分支外端； 第二绳索上端连 接动平台第二分支外端， 所述第二绳索下端连接定平台第二分支外端， 所述第三绳索上端 连接动平台第三分支外端， 所述第三绳索下端连接定平台第三分支外端； 所述第四绳索上 端连接动平台第一分支外端， 所述第四绳索下端连接定平台第四分支， 所述第 五绳索上端 连接动平台第三分支外端， 所述第五绳索下端连接定平台第五分支外端， 所述第一绳索、 第 四绳索和第三绳索、 第五绳索关于第二绳索与中间支撑杆 所在平面对称。 6.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 所述第 一拉簧上端 连接动平台第一分支内侧， 所述第一拉簧下端连接定平台第一分支内侧； 第二拉簧上端连 接动平台第二分支内侧， 所述第二拉簧下端连接定平台第二分支内侧； 第三拉簧上端连接 动平台第三分支内侧， 所述第三拉簧下端连接 定平台第三分支内侧。 7.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 所述驱动单元包括 驱动板、 步进电机、 联轴器、 滑轮和立式轴承支架， 所述步进电机通过电机支架安装在底板 上， 并通过联轴器连接导轮轴， 所述导轮轴上安装滑轮， 所述滑轮的两侧对称设置有立式轴 承支架。 8.根据权利要求1所述的张拉整体式仿生肩关节系统， 其特征在于： 所述上位机设置有 蓝牙发送模块， 所述主控芯片设置有蓝牙接收模块， 所述蓝牙接收模块采用HC ‑05蓝牙模块 串口接收上位机的蓝牙发送模块的命令， 所述上位机的控制界面包括姿态调整模块、 速度 调整模块、 启停调整模块。 9.一种用于权利要求1 ‑8任一项所述张拉整体式仿生肩关节系统的运动轨迹规划方 法， 其特征在于： 其具体包括如下步骤： S1、 首先利用RPY变换对该仿生肩关节系统的运动学姿态进行描述， 然后对其进行位置 反解， 最后在已知时间约束和速度约束的条件下求解驱动的运动轨迹， 在所需求解的运动 轨迹中， 其运动轨迹规划的路径包括 三个阶段： ①第一阶段 是肩关节从零 位态P(0)运动到负位态P( ‑1)的极限值； ②第二阶段 是肩关节由负位态P(0)的极限值 运动到正 位态P(1)的极限值； ③第三阶段 是肩关节由正 位态P(1)的极限值 运动到零 位态P(0)； 其中， 零位态P(0)为肩关节正常下垂时的状态， 负位态P( ‑1)为肩关节处于前屈、 外展权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114800600 A 3