專利名稱：擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，屬擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
腿部結(jié)構(gòu)是擬人機(jī)器人的重要組成部分，其設(shè)計(jì)是擬人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，因?yàn)樗鼘φ麄€(gè)擬人機(jī)器人的能量效率有很大的影響。要實(shí)現(xiàn)擬人功能，擬人機(jī)器人都必須自身攜帶能源，由于擬人機(jī)器人重量和體積是有限制的，所攜帶的能源在重量和體積上也受一定限制，且只能用其有限的能源來完成作業(yè)。要想獲得更遠(yuǎn)距離的擬人式步行和更長時(shí)間的工作，唯一的方法是提高步行腿的效率，其中腿部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是提高效率的重要并有效的途徑。
在擬人機(jī)器人步行腿研究中，國內(nèi)外都是以人為對象，通過機(jī)械仿生人的雙足運(yùn)動(dòng)特性，并進(jìn)行必要的簡化，從各種步態(tài)入手，采用不同的結(jié)構(gòu)傳動(dòng)裝置，做了許多實(shí)驗(yàn)，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，從查閱的中國專利信息網(wǎng)等有關(guān)資料來看，目前有關(guān)擬人機(jī)器人雙足傳動(dòng)裝置公布的不多，有關(guān)擬人機(jī)器人下肢髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置的專利文獻(xiàn)幾乎沒有。
到目前為此，國內(nèi)、外所研制的擬人機(jī)器人下肢髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案中，有一種是采用以絲桿機(jī)構(gòu)為核心的傳動(dòng)裝置以實(shí)現(xiàn)步行腿髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。
采用以絲桿機(jī)構(gòu)為核心的變減速比傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)步行腿髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的，因考慮結(jié)構(gòu)布置等，大多采用雙絲桿機(jī)構(gòu)以協(xié)同實(shí)現(xiàn)髖橫滾和俯仰兩個(gè)方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，6是大腿，7是髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，8是髖架，9是髖的偏航方向關(guān)節(jié)軸，11是髖的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，12是髖部電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置(固定在大腿6上)，13是傳動(dòng)絲桿，14是可沿著平行于絲桿的導(dǎo)軌上下移動(dòng)的螺母，15是球面副，16是連桿。髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸7和俯仰方向關(guān)節(jié)軸11互相正交固聯(lián)，連桿16以球面副15分別與螺母14和髖架8相聯(lián)接，電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置12通過傳動(dòng)絲桿13輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)螺母沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，連桿16通過球面副15將螺母14的運(yùn)動(dòng)和力矩傳給髖架8，實(shí)現(xiàn)變比傳動(dòng)。兩對傳動(dòng)裝置協(xié)同實(shí)現(xiàn)踝的橫滾和俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。該傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)雖然較緊湊，但對絲桿、導(dǎo)軌和球面副的制造、安裝精度要求相當(dāng)高，運(yùn)動(dòng)容易偶合，算法較復(fù)雜，加大了控制的難度。
由于要實(shí)現(xiàn)髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，所要求的轉(zhuǎn)矩變化范圍較大，變化率也較大。如采用定減速比傳動(dòng)裝置，則要求電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也按同樣規(guī)律變化，其變化范圍及其變化率均較大，這不利于電機(jī)的選取和使用。此時(shí)，如采用平均轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)速(平均功率)法來選取電機(jī)，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，必將有一段較長的超載時(shí)期；如以峰值力矩或峰值功率為參考來選取電機(jī)，則電機(jī)大部分時(shí)間都將處于較低功率運(yùn)轉(zhuǎn)階段，不利于電機(jī)的有效使用；同時(shí)，電機(jī)等的尺寸、體積和重量也將加大，不利于整個(gè)擬人腿結(jié)構(gòu)的布置和優(yōu)化。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)裝置。該裝置采用直流伺服電機(jī)、自帶行星齒輪減速器、一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)變減速比傳動(dòng)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，包括大腿、髖架、髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸、髖的俯仰方向關(guān)節(jié)軸和電機(jī)。其中髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸和髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸正交固聯(lián)，髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸通過固定在髖架上的軸承座與髖架相互鉸接，髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸通過固定在大腿上的軸承座與大腿相互鉸接。該裝置還包括曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和行星齒輪等齒輪減速機(jī)構(gòu)；所述的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)包括偏心輪、連桿和連接軸，連接軸的一端與髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸正交固聯(lián)并與髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸平行，另一端與連桿一端相互鉸接，連桿的另一端與偏心輪相互鉸接，偏心輪同時(shí)也是上一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)中的從動(dòng)嚙合齒輪，直流無刷電機(jī)通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)固聯(lián)其上的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和下一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明傳動(dòng)裝置中，其伺服電機(jī)和行星減速機(jī)構(gòu)水平固裝在髖架外側(cè)，增加一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，以在有限的空間內(nèi)獲得更大的減速比和轉(zhuǎn)矩(功率)，髖的俯仰關(guān)節(jié)軸在髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的功能。
本發(fā)明的裝置能較好地?cái)M合擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性。電機(jī)能以較平緩變化的曲線輸出轉(zhuǎn)矩和功率，經(jīng)該傳動(dòng)裝置變比放大，從而獲得髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的較復(fù)雜、較劇烈變化的功率和轉(zhuǎn)矩輸入，從而大大地削減了對電機(jī)的峰值輸出轉(zhuǎn)矩和峰值輸出功率的要求，利于電機(jī)的合理選用，大大提高了電機(jī)的使用壽命和使用性能，具有較好的能效性。并有助于電機(jī)選取的小型化，利于腿部結(jié)構(gòu)的合理配置。
本發(fā)明的裝置較合理地利用了大腿和髖架的空間，使本擬人機(jī)器人整個(gè)下肢結(jié)構(gòu)分布均勻、疏密得當(dāng)、錯(cuò)落緊湊、輕便，有益于減少整個(gè)下肢的尺寸、體積和重量。以經(jīng)典四連桿機(jī)構(gòu)為核心構(gòu)成的本發(fā)明傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易保證制造、加工和裝配質(zhì)量。


圖1是擬人機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是已有技術(shù)中采用雙絲桿結(jié)構(gòu)協(xié)同實(shí)現(xiàn)髖橫滾和俯仰兩個(gè)方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的擬人機(jī)器人背面髖結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明用于擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置示意圖(左髖背面視圖)。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1至圖3中，1是腳，2是踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，3是踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，4是小腿，5是膝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，6是大腿，7是髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，8是髖架，9是髖的偏航方向關(guān)節(jié)軸，10是上身，11是髖的俯仰關(guān)節(jié)軸，12是髖部電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置(固定在大腿6上)，13是傳動(dòng)絲桿，14是可沿著平行于絲桿的導(dǎo)軌上下移動(dòng)的螺母，15是球面副，16是連桿，17是直流無刷伺服電機(jī)，18是行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，19是下一級(jí)齒輪對減速機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)嚙合齒輪，20是從動(dòng)嚙合齒輪(也是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的偏心輪曲柄)，21是連桿，22是連接軸，23是固定在髖架8上的軸承座，24是固定在大腿6上的軸承座。擬人機(jī)器人整個(gè)下肢具有2*6=12個(gè)關(guān)節(jié)自由度。
如圖3所示，本發(fā)明的擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，包括大腿6，髖架8，髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸7，髖的俯仰方向關(guān)節(jié)軸11，分別固定在大腿6和髖架8上的軸承座24、23和電機(jī)17。其中髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸7和髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸11正交固聯(lián)，髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸7通過固定在髖架8上的軸承座23與髖架8相互鉸接，髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸11通過固定在大腿6上的軸承座24與大腿6相互鉸接。該裝置還包括曲柄搖桿機(jī)構(gòu)20、21、22、11和行星齒輪等齒輪減速機(jī)構(gòu)18，所述的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)包括偏心輪20，連桿21，連接軸22；所述的連接軸22的一端與髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸11正交固聯(lián)并與髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸7平行，另一端與連桿21一端相互鉸接，連桿21的另一端與偏心輪20相互鉸接，偏心輪20同時(shí)也是上一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)19、20中的從動(dòng)嚙合齒輪，直流無刷電機(jī)通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)固聯(lián)其上的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)18和下一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)19、20。
本發(fā)明傳動(dòng)裝置中，其伺服電機(jī)17和行星減速機(jī)構(gòu)18水平固裝在髖架8外側(cè)，增加一級(jí)齒輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)19、20，以在有限的空間內(nèi)獲得更大的減速比和轉(zhuǎn)矩(功率)，髖的俯仰關(guān)節(jié)軸11在髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿的功能。
由直流伺服電機(jī)17輸出轉(zhuǎn)矩和功率，經(jīng)行星減速器18和下一級(jí)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)19、20放大后輸入偏心輪20，再利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的變減速比性質(zhì)放大，從而獲得擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的變力矩和變功率。
運(yùn)用控制單元，適時(shí)控制直流無刷伺服電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩的輸出，再經(jīng)由本發(fā)明的四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)變減速比放大輸入髖橫滾方向關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。這樣就能以較平緩的電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩輸出，獲得到擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的較復(fù)雜、較劇烈變化的功率和轉(zhuǎn)矩輸入，從而較好的實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人髖橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的功能。
權(quán)利要求
1.一種擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，包括大腿、髖架、髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸、髖的俯仰方向關(guān)節(jié)軸和電機(jī)，其中髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸和髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸正交固聯(lián)，髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸通過固定在髖架上的軸承座與髖架相互鉸接，髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸通過固定在大腿上的軸承座與大腿相互鉸接，其特征在于該裝置還包括曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和行星齒輪等齒輪減速機(jī)構(gòu)所述的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)包括偏心輪、連桿和連接軸，連接軸的一端與髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸正交固聯(lián)并與髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸平行，另一端與連桿一端相互鉸接，連桿的另一端與偏心輪相互鉸接，電機(jī)通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)固聯(lián)其上的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和下一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擬人機(jī)器人髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置，包括大腿、髖架、關(guān)節(jié)軸、電機(jī)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和行星齒輪等。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)連接軸與髖俯仰方向關(guān)節(jié)軸正交固聯(lián)并與髖橫滾方向關(guān)節(jié)軸平行連桿與偏心輪相互鉸接，電機(jī)通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)固聯(lián)其上的行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和下一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的裝置利用大腿和髖架的空間，使整個(gè)下肢結(jié)構(gòu)分布均勻、疏密得當(dāng)、錯(cuò)落緊湊、輕便，有益于減少整個(gè)下肢的尺寸、體積和重量。
文檔編號(hào)B25J17/02GK1317400SQ01115518
公開日2001年10月17日 申請日期2001年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月27日
發(fā)明者汪勁松, 陳懇, 王紀(jì)武, 賴慶文, 劉莉, 楊東超, 趙建東, 徐凱, 歐陽興, 邵黎君, 朱家饒, 林玎玎 申請人:清華大學(xué)