專利名稱：多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，特別是一種采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 的多足機器人彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊。
(二)
背景技術(shù)：
仿生學(xué)(Bionics)是20世紀60年代出現(xiàn)的一門綜合性科學(xué)，它由生命科 學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合而成，通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機制，來改進現(xiàn)有的或創(chuàng)造性的機械、儀器、 建筑和工藝過程。由于仿生機器人所具有的靈巧動作對于人類的生產(chǎn)和科學(xué)研究 活動有著極大的幫助，仿生機器人成為了當(dāng)今機器人研究領(lǐng)域的一個重要方向。
現(xiàn)在仿生多足步行機器人的步態(tài)、姿態(tài)的參數(shù)都是直接從對人或動物的行走 姿態(tài)的研究中獲得。人和動物的步行是靠腿部骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)的彈性和柔韌性 以及人類或動物高級神經(jīng)系統(tǒng)的指揮來產(chǎn)生協(xié)調(diào)動作的。但目前步行機器人大多 采用的是剛性腿結(jié)構(gòu)，腿關(guān)節(jié)間沒有很好的彈性，因此在高速步行中足部對地面 瞬間會產(chǎn)生較大沖擊，造成了各關(guān)節(jié)的劇烈振動，極易對機體造成損害，影響了 機器人行走的穩(wěn)定性。有時不得不以犧牲運動速度來換取機器人行走的穩(wěn)定與安 全。因此如何減少沖擊已成為步行機器人技術(shù)發(fā)展中的一個迫切需要解決的問 題。
在機器人運行過程中，機器人的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、擺動速度和步行速度相對 固定，所以通過減少機器人的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量或降低擺動速度和步行速度的方 法來減少沖擊，是與實際情況極不相符的。故只有考慮在步行機構(gòu)中加入彈性元 件或用高彈性材料，使其具有彈性功能，這樣既不降低速度，又可以減少地面 對機器人的沖擊，極利于機器人快速平穩(wěn)地連續(xù)步行。
在國內(nèi)由馬建旭等人設(shè)計的一種新型的彈性步行機構(gòu)(馬建旭、馬培稱、楊 保忠、王愛平，四足步行機器人中一種新型腿結(jié)構(gòu)緩沖特性，上海交通大學(xué)學(xué)報, 1999, (07))，由四組并聯(lián)彈性元件和以機器人腿外殼為機架的四連桿機構(gòu)復(fù)合而 成。步行機器人足著地時，機體由于下踩的慣性，通過機器人腿帶動下連桿壓縮
彈簧向下運動，下連桿又帶動上連桿擺動，由于彈簧導(dǎo)向桿與支撐足相連，則 連桿的上鉸鏈與靜止端連接.在兩個連桿由于彈簧的壓縮而呈一條直線時，連 桿機構(gòu)到達死點位置，通過控制電磁鐵吸住連桿l以使連桿機構(gòu)保持在死點位 置，從而把彈簧中吸收的沖擊能鎖定在彈性腿中。然后在一定步態(tài)下控制彈性腿 中的電磁吸盤使其失電而使彈性腿中存儲的能量釋放出來，輔助機器人抬腿擺 動。該結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上解決了機器人關(guān)節(jié)的彈性問題，但是其結(jié)構(gòu)過于復(fù) 雜，而且只能產(chǎn)生直線運動，并不能應(yīng)用于多足機器人的每一個關(guān)節(jié)，該機構(gòu)的 外型過大，不利于仿生機器人的小型化。
在國外有麻省理工學(xué)院腿部實驗室的David W. Robinson等人設(shè)計的彈性驅(qū) 動器，(Gill A Pratt, Lexington, MA(US), David W Robinson， Manchester, NH(US) FORCE-CONTROLLED HYDRO-ELASTIC ACTUATOR, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA(US) .2002)有電機和液壓缸兩種驅(qū)動模式，由電 機驅(qū)動時，電機帶動滾珠絲杠產(chǎn)生直線運動，螺帽通過四個壓縮彈簧與輸出機構(gòu) 連接，其結(jié)構(gòu)特點是在動力源與負載之間裝有一組彈簧，使其單獨承擔(dān)動力源的 驅(qū)動力及負載的反作用力。該結(jié)構(gòu)同樣存在只能產(chǎn)生直線運動、外型過大等缺點， 不能廣泛應(yīng)用于小型化的仿生多足機器人。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)、具有可靠的自 鎖性的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
伺服電機6通過四個連接銅柱5和四個固定螺絲4與連接法蘭3固 關(guān)，連接 法蘭3又通過固定螺絲1與電機后端蓋2固聯(lián)，伺服電機6通過螺絲8與方形箱 體25固聯(lián)，伺服電機6輸出軸由內(nèi)向外安裝的分別是推力軸承7、蝸桿17、支 撐軸承I 20、鋼球21和可調(diào)端蓋22,蝸桿17通過固定銷9與伺服電機6輸出 軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋22通過螺紋與方形箱體25相連，蝸輪18與其輸出軸加工為 一體，通過蝸輪支撐軸承26安裝在方形箱體25上，其中一端安裝有一個銅套 35，銅套35內(nèi)部為一個蝸輪支撐軸承26、外端有可調(diào)固緊螺絲16進行位置調(diào) 節(jié)，兩個蝸輪輸出塊12通過銷釘11與蝸輪18輸出軸固聯(lián)，每個蝸輪輸出塊12 兩側(cè)分別聯(lián)接有兩個旋向相同的扭簧10，即方形箱體兩側(cè)的扭簧10旋向相反。
本發(fā)明還餓可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征
1、 還包括電機編碼器34，電機編碼器34通過編碼器固定支架33和連接法 蘭3固連。
2、 在蝸輪18輸出軸一端安裝有一個電位計31，電位計31通過電位計支撐 架30固定在方形箱體25上。
3、 在傳遞關(guān)節(jié)塊I136和方形箱體25之間安裝卡簧27。
4、 在傳遞關(guān)節(jié)塊I15和傳遞關(guān)節(jié)塊II36之間通過連接板14聯(lián)接，兩個傳 遞關(guān)節(jié)塊I 15之間通過固定加強板23聯(lián)接。
本發(fā)明采用蝸輪蝸桿模塊化傳動機構(gòu)來帶動兩對扭簧，通過扭簧的傳遞來實 現(xiàn)腿部關(guān)節(jié)的傳動。機器人在動態(tài)行走時所產(chǎn)生的沖擊能量通過扭簧傳遞到為機 器人各關(guān)節(jié)提供動力的驅(qū)動器上，使機器人在高速行走時得到緩沖并達到節(jié)能， 提高了機器人的能效。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大:傳動平穩(wěn)、可靠的自鎖性以 及實現(xiàn)了彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊化等優(yōu)點，多足機器人的每一個關(guān)節(jié)都可用該模塊組 合而成，實現(xiàn)了真正意義上的模塊化和小型化。
本發(fā)明的意義在于尋找一種新的高效率、小型化、模塊化、具有仿生特征的 彈性驅(qū)動傳動方式，為設(shè)計一種對復(fù)雜地形高度適應(yīng)、性能可靠、體積小巧、在 高速行走時具有關(guān)節(jié)緩沖能力的多足機器人提供技術(shù)基礎(chǔ)，具有很高的研究價值 和廣闊的應(yīng)用前景。
仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊可作為足式機器人設(shè)計的基本驅(qū)動單元，此結(jié)構(gòu)具有 通用性強、彈性驅(qū)動、輸出自鎖、可調(diào)保護電機、傳動角度大(< 270 ° )、易 加工、易組裝和維修等優(yōu)點。本發(fā)明所述的彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊不僅可以應(yīng)用在各 種多足如雙足、四足、六足、八足等機器人上，甚至還可以用于蛇形等爬行機器 人上。
(四)


圖1是本發(fā)明的仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊俯視圖； 圖2是本發(fā)明的仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊立體圖； 圖3是本發(fā)明的仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊立體圖(仰視)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
結(jié)合圖l至圖3，每一個模塊化傳動結(jié)構(gòu)都由一個伺服電機經(jīng)減速器減速驅(qū) 動，傳動機構(gòu)采用渦輪蝸桿機構(gòu)，使輸入、輸出軸線正交，并具有自鎖和可調(diào)特 性，蝸輪輸出塊將蝸輪的運動通過兩組扭簧傳遞到關(guān)節(jié)輸出件上。該模塊具體主 要包括固定螺絲l、電機后端蓋2、連接法蘭3、四個固定螺絲4、四個連接銅柱 5、伺服電機6、推力軸承7、電機與箱體固定螺絲8、固定銷9、扭簧IO、銷釘ll、 蝸輪輸出塊12、固定螺絲13、連接板14、傳遞關(guān)節(jié)塊I15、可調(diào)固緊螺絲16、蝸 桿17、蝸輪18、固定螺絲19、支撐軸承I20、鋼球21、可調(diào)端蓋22、固定加強板 23、固定螺絲24、方形箱體25、蝸輪支撐軸承26、卡簧27、支撐軸承I128、固定 螺絲29、電位計支撐架30、電位計31、支撐軸承I1132、編碼器固定支架33、電機 編碼器34、銅套35和傳遞關(guān)節(jié)塊I136。
仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊的技術(shù)方案如下伺服電機6為整個模塊提供動力， 伺服電機6通過四個連接銅柱5和四個固定螺絲4與連接法蘭3固聯(lián)，連接法蘭 3又通過固定螺絲1與電機后端蓋2固聯(lián)。電機后端蓋2后可繼續(xù)聯(lián)接彈性驅(qū)動 關(guān)節(jié)模塊，電機編碼器34通過編碼器固定支架33和連接法蘭3固連，電機編碼 器34可測出電機的轉(zhuǎn)動位置，產(chǎn)生反饋信號，指導(dǎo)上層控制。伺服電機6通過 螺絲8與方形箱體25固聯(lián)，伺服電機6輸出軸由內(nèi)向外安裝的分別是推力軸承 7、蝸桿17、支撐軸承I 20、鋼球21和可調(diào)端蓋22，蝸桿17通過固定銷9與伺 服電機6輸出軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋22通過螺紋與方形箱體25相連，固定螺絲19 的作用是阻止可調(diào)端蓋22與方形箱體25的位置調(diào)節(jié)好后發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。伺服電 機6輸出軸向后端有推力軸承7的支撐，前端有鋼球21的限位，徑向有支撐軸 承20的支撐，所以在各種作用力的作用下伺服電機6的電機軸都不會被壓入或 是拔出，有效的保護了伺服電機6不受損害，延長了使用壽命。蝸輪18與其輸 出軸加工為一體，通過蝸輪支撐軸承26安裝在方形箱體25上，其中一端安裝有 一個銅套35，銅套35內(nèi)部為一個蝸輪支撐軸承26，外端有可調(diào)固緊螺絲16進 行位置調(diào)節(jié)，銅套35外徑要略大于蝸輪18的外徑，為的是能使蝸輪18安裝進 方形箱體25上。兩個蝸輪輸出塊12通過銷釘11與蝸輪18輸出軸固聯(lián)，每個蝸 輪輸出塊12兩側(cè)分別聯(lián)接有兩個旋向相同的扭簧10，即方形箱體兩側(cè)的扭簧10 旋向相反，以如圖1所示的上面的扭簧10為例，最上面的扭簧一端與傳遞關(guān)節(jié) 塊I 15聯(lián)接，另一端與蝸輪輸出塊12聯(lián)接，而第二個扭簧一端與蝸輪輸出塊12
聯(lián)接，另一端與傳遞關(guān)節(jié)塊II36聯(lián)接，兩個扭簧的旋向相同。扭簧10的作用是 緩沖機器人在運動過程中的沖擊能量。在蝸輪18輸出軸一端安裝有一個電位計 31，電位計31通過電位計支撐架30固定在方形箱體25上，電位計31的作用是 測出蝸輪輸出塊12與傳遞關(guān)節(jié)塊I 15之間的轉(zhuǎn)動角度，從而確定機器人在運動 過程中受到的沖擊是否巳經(jīng)超出模塊的額定設(shè)計值，如果超過，機器人立即停止 運動。同時通過一定的折算，電位計31還可以測出電機的轉(zhuǎn)動角度，為系統(tǒng)控 制提供位置信號。在傳遞關(guān)節(jié)塊II36和方形箱體25之間安裝卡簧27，起限位和 固定的作用。此外在傳遞關(guān)節(jié)塊I 15和傳遞關(guān)節(jié)塊II36之間通過連接板14聯(lián)接， 兩個傳遞關(guān)節(jié)塊I 15之間通過固定加強板23聯(lián)接。
權(quán)利要求
1、一種多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，伺服電機[6]通過四個連接銅柱[5]和四個固定螺絲[4]與連接法蘭[3]固聯(lián)，連接法蘭[3]又通過固定螺絲[1]與電機后端蓋[2]固聯(lián)，其特征是伺服電機[6]通過螺絲[8]與方形箱體[25]固聯(lián)，伺服電機[6]輸出軸由內(nèi)向外安裝的分別是推力軸承[7]、蝸桿[17]、支撐軸承I[20]、鋼球[21]和可調(diào)端蓋[22]，蝸桿[17]通過固定銷[9]與伺服電機[6]輸出軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋[22]通過螺紋與方形箱體[25]相連，蝸輪[18]與其輸出軸加工為一體，通過蝸輪支撐軸承[26]安裝在方形箱體[25]上，其中一端安裝有一個銅套[35]，銅套[35]內(nèi)部為一個蝸輪支撐軸承[26]、外端有可調(diào)固緊螺絲[16]進行位置調(diào)節(jié)，兩個蝸輪輸出塊[12]通過銷釘[11]與蝸輪[18]輸出軸固聯(lián)，每個蝸輪輸出塊[12]兩側(cè)分別聯(lián)接有兩個旋向相同的扭簧[10]，即方形箱體兩側(cè)的扭簧[10]旋向相反。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征是 還包括電機編碼器[34]，電機編碼器[34]通過編碼器固定支架[33]和連接法蘭[3] 固連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征 是在蝸輪[18]輸出軸一端安裝有一個電位計[31]，電位計[31]通過電位計支撐 架[30]固定在方形箱體[25]上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征 是在傳遞關(guān)節(jié)塊II[36]和方形箱體[25]之間安裝卡簧[27]。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征是 在傳遞關(guān)節(jié)塊II [36]和方形箱體[25]之間安裝卡簧[27]。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征 是在傳遞關(guān)節(jié)塊I[15]和傳遞關(guān)節(jié)塊II[36]之間通過連接板[14]聯(lián)接，兩個傳 遞關(guān)節(jié)塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯(lián)接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征是 在傳遞關(guān)節(jié)塊I [15]和傳遞關(guān)節(jié)塊II[36]之間通過連接板[14]聯(lián)接，兩個傳遞關(guān) 節(jié)塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯(lián)接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征是 在傳遞關(guān)節(jié)塊I [15]和傳遞關(guān)節(jié)塊II[36]之間通過連接板[14]聯(lián)接，兩個傳遞關(guān) 節(jié)塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯(lián)接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊，其特征是 在傳遞關(guān)節(jié)塊I [15]和傳遞關(guān)節(jié)塊n[36]之間通過連接板[14]聯(lián)接，兩個傳遞關(guān) 節(jié)塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種多足機器人仿生彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊。伺服電機通過連接銅柱與連接法蘭固聯(lián)，連接法蘭又與電機后端蓋固聯(lián)，伺服電機與方形箱體固聯(lián)，伺服電機輸出軸由內(nèi)向外安裝的分別是推力軸承、蝸桿、支撐軸承、鋼球和可調(diào)端蓋，蝸桿與伺服電機輸出軸固聯(lián)，可調(diào)端蓋與方形箱體相連，蝸輪通過蝸輪支撐軸承安裝在方形箱體上，兩個蝸輪輸出塊與蝸輪輸出軸固聯(lián)，每個蝸輪輸出塊兩側(cè)分別聯(lián)接有兩個旋向相同的扭簧，即方形箱體兩側(cè)的扭簧旋向相反。本發(fā)明為設(shè)計一種對復(fù)雜地形高度適應(yīng)、性能可靠、體積小巧、在高速行走時具有關(guān)節(jié)緩沖能力的多足機器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)，具有很高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B25J17/00GK101380739SQ20081013731
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者劉德峰, 磊 吳, 博 尹, 林 李, 剛 王, 王立權(quán), 穆星科, 曦 陳, 陳東良 申請人:哈爾濱工程大學(xué)