CN101081516B - 用于机器人和双足机器人互锁构件的连接机构 - Google Patents

Abstract

一种用于双足机器人中的互锁构件的连接机构设置成可以防止伺服装置中的减速齿轮由于外部撞击力而损坏。伺服喇叭安装在从伺服装置机壳中伸出的输出轴上，其包括电动机，减速齿轮等。利用经垫圈插入的锁紧螺钉使传递外力的互锁构件压配在伺服喇叭的接合面上。在伺服喇叭和互锁构件之间的接合面上形成有凸出部。互锁构件在与凸出部接合的位置具有凹入部。当外部强烈的撞击力加到互锁构件时，互锁构件与伺服喇叭之间的连接瞬间松脱。这样就避免了伺服装置中的减速齿轮受到损坏。

Description

用于机器人和双足机器人互锁构件的连接机构

技术领域

本发明涉及一种用于机器人互锁构件的连接机构，该机器人根据程序实现各种运动，该程序执行收到的用于预定目的和预定操作的命令数据。更具体地，本发明涉及一种应用这种连接机构且不易损坏的双足(或行走)机器人。

背景技术

众所周知，机器人根据记载在微机上的数据或远距离传输的命令进行预定运动，通常包括与多个致动器互联的伺服机构，每个致动器有电动机作为驱动源，在预定的模式下完成某些预定的目的。

图6示出了将伺服装置作为伺服机构驱动源的一个例子的剖面图，而且示出了近似矩形的机壳30的内部结构。

参照图6，数字31表示小型直流电动机(在下文仅称为电动机)。安装有许多减速齿轮的减速齿轮轴34布置在电动机轴32和伺服输出轴33的中间部分。简单地说，电动机31的旋转力通过装配在电动机轴32、输出轴33和减速齿轮34与发动机31上的一组多减速齿轮(该实例中为四个齿轮)传输到输出轴33。

在机壳中，输出轴33连接到电位计35，用以检测它的转动角度和齿数。伺服装置被构造成通过将电位计35供给的旋转角度反馈到驱动系统电路来控制输出轴33的旋转角度。

有时，在机壳30上形成伸出电源线(图中未示出)的开口，在机壳30内配置有驱动基底电路。

这样的伺服装置应用在伺服机构的各个部分中，例如无线电控制装置。在这种情况下，喇叭用于与作为致动器的臂或框架相连的输出端板(称为旋转凸缘或伺服喇叭(servo horn))连接到输出轴33的突出部分。

人们一直试图制造一种应用伺服装置的所谓类似人的双足机器人，可以执行人类的行走方式和各种动作。有些人对这种机器人非常感兴趣，以此作为一种新的爱好。

然而，这种类似人的机器人或双足机器人模仿动物时必须应用大量伺服装置来执行动物关节的各种动作。因此，在有些情况下，一种集成伺服单元需要具有变化的两个伺服装置的输出轴。

执行更复杂动作的机器人需要人造的多个伺服装置并且需要较少的伺服单元作为驱动源。

模仿人类或动物的双足机器人由程序控制，其可在行走空间自由的移动并通过对特定的物体施加力可以使其实现预定的运动。因此，这样的机器人经常因为障碍物或在动作空间内的步调而无意的移动，因而导致经常摔倒或受到意料不到的来自外部的碰撞。

特别的是，当双足机器人因跌倒而承受外部强大的撞击时，被撞击的框架或手臂可能被损坏。然而，实际上外部的撞击通过机器人的框架或手臂传递到伺服装置的输出轴33上。

如上所述的输出轴33通常通过减速齿轮连接到电动机的旋转轴上。具体的是，在小型的伺服装置中，外部施加的撞击更多的作用在接近终极的减速齿轮上，因此，经常损坏伺服装置中的齿轮。

图7示出了传统的可减少由于外部撞击力导致伺服装置中的减速齿轮损坏的例子。凹入部43a形成在减速齿轮(图中未示出)输出轴41上的终级齿轮42内周侧的圆周表面上。凹入部43a称为配合部43。在其圆周面上形成有凸出部44a的缓冲器44与配合部43相配合。

输出轴45一侧表面上形成的凸出部45a沿在缓冲器44上开出的圆周线分别插入孔44b内。因此，输出轴41的旋转力传递到输出轴45且与输出轴45一体形成的互锁部46旋转。

在现有技术的伺服装置中，向输出轴41传递其旋转力的电动机通过减速齿轮(图中未示出)使终级齿轮42旋转。终级齿轮42的旋转力通过缓冲器44驱动输出轴45和互锁部46。如果互锁部46受到强烈的外部撞击，处在缓冲器44和配合部43之间的终级齿轮42上的凹入部/凸出部(43a，44a)的连接会由于滑动而松脱。因此，防止了与终级齿轮42和输出轴41铰接的减速齿轮的损坏。

图8示出了一种将电动机驱动式致动器的旋转力传递到作为机器人组成部分的插座的连接机构。固定在机器人主体上的致动器51的输出轴52通过止动件54与环53连接，环53固定在作为插座的轴和框架55上，止动件54由弹性材料(橡胶)制成，压靠在环53上。

因此，当固定在机器人主体(图中未示出)上的致动器51内的小型电动机被驱动时，旋转力通过安装在致动器上的减速齿轮带动输出轴52旋转。输出轴52的旋转运动通过离合器机构带动框架55向机器人主体运动，该离合器由金属环53和弹性止动件54组成。

在此实例中，框架55例如是动物的下颌，用框架55和上颌咬住物体。然而，当一定限度的咬住力传递给形成下颌的框架55时，超过该限度的咬住力就会被具有限制机构的离合器切断。因此，防止可以压在下颌上的物体被咬碎并损坏。

专利文献1：日本专利公开No.2002-59388

专利文献2：日本专利公开No.2000-317866

发明内容

本发明要解决的问题

一般，在机器人机构中应用伺服装置时，将作为驱动力的电动机部分和减速齿轮组安装在机壳中。通过缓冲器44保护伺服装置中的齿轮的传统方法要求：每次当齿轮由于撞击力被损坏时，从机器人上拆下伺服装置，其中包括电动机和减速齿轮，并拆开伺服装置用新齿轮更换损坏的齿轮。因此，出现的问题是当受到外部撞击需对机构例如机器人进行维修时，需要消耗大量的时间。

而且，现有技术存在的问题是还需要增加弹性缓冲器44作为传动机构的一部分，因而导致常规的通用的伺服装置的成本增加。

如图8所示，仅仅用于使作为机器人操作部分的致动器和框架机构与采用弹性材料54的滑动机构机械连接的机构具有能够避免伺服装置中的减速齿轮损坏的可能性。然而，由致动器驱动的框架机构只是通过滑动机构执行预定的操作，结果，这种机构只应用在框架机构和致动器之间不需要相对控制位置的情况。

因此，仅具有滑动机构的传统的机构经常具有误操作的危险，而且缺乏可靠性，该滑动机构采用关节机构通过伺服装置来移动机器人的手臂和腿到预定位置。

解决问题的方法

本发明的目的就是改善上述问题。一种用于机器人互锁构件的连接机构，包括伺服装置；连接到伺服装置的输出轴的伺服喇叭(horn)；以及利用垫圈压接在伺服喇叭上的互锁机构。互锁构件和伺服喇叭之间的接合表面与圆周布置的凹入部/凸出部压接合。

根据本发明，凹入部/凸出部包括在伺服喇叭的外接合表面上形成的半球形的凸出部和在互锁构件的内接合面上形成的锥形凹入部。垫圈构件包括圆形合成树脂材料。

伺服喇叭和互锁构件利用穿过垫圈构件中心旋拧入输出轴中的锁紧螺钉压配合。很容易设定作为互锁构件的框架或臂以及伺服装置的输出轴的旋转位置。

在本发明的互锁构件的连接机构中，即使在受到外部强烈的撞击时，互锁构件也可以缓和瞬时连接状态，由此防止伺服装置失效。所以，本发明可以很容易的适用到需要多个关节的双足机器人中。

发明效果

根据本发明，用于机器人互锁构件的连接机构可以防止当强烈撞击力施加到框架或手臂上时，在伺服装置中控制互锁构件运动的减速齿轮受到损坏。而且，该连接机构甚至能在机械位置关系由于撞击而位移时，也可简易地恢复到初始状态。

附图说明

图1是显示本发明用于机器人互锁构件的连接机构的分解透视图；

图2是图1中所示各构件装配的剖面图；

图3a是表示连接构件的正视图；

图3b是表示连接构件的侧视图；

图3c是表示连接构件的后视图；

图3d是表示连接构件的剖面图；

图4a是表示互锁构件的左(外部)侧视图；

图4b是表示互锁构件的左(内部)侧视图；

图4c是表示互锁构件的正视图；

图4d是表示互锁构件的下侧视图；

图4e是表示互锁构件的上侧视图；

图4f是表示互锁构件的右侧视图；

图5示出了双足机器人示例的完整模型；

图6是表示伺服装置并示出电动机轴和输出轴方面的剖面图；

图7是解释用于机器人的传统框架互锁机构的透视图；

图8是表示在传统机器人伺服机构中的致动器的示例的示意图。

附图标记的解释

10伺服装置机壳

11输出轴

12伺服喇叭

12b凸出部

13互锁构件

13b凹入部

14垫圈

15锁紧螺钉

具体实施方式

图1和图2示出了根据本发明用于机器人互锁构件的连接机构。图1是表示装配前各种构件状态的分解透视图。图2是表示用于连接互锁构件和输出轴的机构的剖面图。

参照图1和图2，附图标记10代表伺服装置机壳。该伺服装置机壳包括直流驱动电动机或无电刷电机和一组用来从外部传输旋转力的减速齿轮。

伺服装置的输出轴借助本发明提出的连接机构提供在两轴向上的旋转角位移，该输出轴适合作为输出旋转角位移的伺服装置的输出轴。

表面具有被刻蚀粗糙面以传输旋转力的锯齿11a形成在伺服装置输出轴11的表面。在锯齿11a的中心形成有旋入锁紧螺钉的内螺纹孔11b。连接构件12安装在输出轴11上，并且通常称作伺服喇叭(以下称为伺服喇叭12)。

伺服喇叭12附连到输出轴11和作为致动器的互锁构件13上，伺服喇叭12通常由圆盘状的，有中心孔12a的合成树脂材料模制，中心孔12a具有与锯齿11a滑动接合的凹槽。然而，伺服喇叭根据伺服装置的应用可以为各种形状。

在本发明实施例的伺服喇叭12中，其中心具有孔12b，半球状部分12b沿圆周形成在接合面上，如图所示。例如，如下面所述，在本实施例中，沿圆周形成有八个半球状部分12b，它们处于与在互锁构件13上形成的凹入部13b(图2)接合的位置。

互锁构件13具有用于容纳旋转轴的开口13a。阶梯部13c形成在开口13a周围以停靠垫圈14。然而，互锁构件可以通过合成树脂挤压模制成为各种形状，且可称为框架或手臂。作为操作部的边缘部分(图中未示出)可以执行各种操作。

然而，当构成机器人中的关节时，另一个伺服装置可被另外安装在互锁构件13的另一端，以构成在两个方向旋转的致动器。

例如，八个锥形或棱锥状的凹入部13b(图2所示)按45°间隔形成在互锁构件13的后部表面上和围绕开口13a的边缘，与凸出部12a相接合的位置。

垫圈14将互锁构件13与伺服喇叭12固定成一体。锁紧螺钉15穿过垫圈14的孔14a，因此压力将互锁构件13和伺服喇叭12固定在输出轴1上。

在本发明的实施例中，采用POM(聚缩醛)树脂为垫圈14提供小弹力。然而，垫圈也可以采用其它具有适当的弹力的树脂材料制成或是采用金属盘簧或弹簧垫圈制成。

本发明中的用于机器人互锁构件的连接机构具有以上所述构造。因此，如图2的剖面图所示，伺服喇叭12装配在输出轴11上。互锁构件13叠置在伺服喇叭12上，且通过锁紧螺钉15经垫圈14牢固地固定在伺服装置10的输出轴11上。

在这种结构中，伺服喇叭12的凸出部12b被固定成使得它们容纳在互锁构件13的凹入部13b中。然而，当锁紧螺钉15完全紧固时，要求做出的设计在互锁构件13的接合表面与伺服喇叭12的接合表面之间具有微小间隙t。

当输出轴11旋转时，旋转力通过与伺服喇叭12的接合表面和互锁构件13的接合表面接合的凸出部12b和凹入部13b传递到互锁构件13，当互锁构件13相当于手臂时，就会执行手臂来回摆动的动作。

当具有这种伺服机构的的机器人突然摔倒时，互锁构件13经常由于施加于其上的巨大的外力而损坏。如果互锁构件13没有损坏，伺服装置中的减速齿轮就会因施加在输出轴11上的撞击力而损坏。

然而，根据本发明，互锁构件13和伺服喇叭12是通过半球形部分12b和锥状凹入部13b相连。该连接状态依靠紧固具有微小弹性的垫圈14保持。正因为如此，当施加一定程度的强烈撞击力时，伺服喇叭12的凸出部与互锁构件13的凹入部之间的连接会由于垫圈14的瞬间弹性变形而松脱。因此，两个构件之间的连接位置的改变避免了减速齿轮的损坏。

例如，在业余机器人中，适于吸收外部碰撞的垫圈14的厚度被设定为大约1mm。然而，垫圈的厚度可取决于机器人的尺寸或抗撞击力的特性。

也就是说，吸收强大的撞击力导致增加垫圈的厚度；而吸收较弱的撞击力导致减薄垫圈的厚度。

在本实施例中，伺服喇叭12上的每个凸出部12b为半球形，互锁构件13上的凹入部13b为锥形。然而，所述凸出部和凹入部的形状不仅限于此实施例，可以考虑与本发明产生同样作用的任何形状。例如，为了获得与本发明类似的作用，凸出部可以为半球形并且凹入部可以为棱锥形。相反，伺服喇叭12上可具有凹入部而互锁构件13上可具有凸出部。

如本实施例所示，伺服喇叭12具有半球形的凸出部，互锁构件13具有锥形凹入部。在这种结合中，因为两个组件间的接触表面变为圆形接触面，因此即使当半球形的凸出部磨损时，该圆形接触面的形状也几乎不会改变。该特征提供了抵抗撞击的结合力的效果一直不变。

如上所述，当互锁构件13和伺服喇叭12之间的连接状态因为摔倒而通过强烈撞击瞬间松脱时，两构件之间的相对位置关系改变。然而，本发明的连接机构可以通过略微松开压接伺服喇叭12和互锁构件13的锁紧螺钉15，将它们的位置关系重新设定到初始状态并再次利用锁紧螺钉15牢固地固定它们而很容易地得以恢复。

图3a-d示出了伺服喇叭12，图4a-f示出了互锁构件13。

图3a是表示伺服喇叭12的正视图。图3b是表示伺服喇叭12的侧视图。图3c是表示伺服喇叭12的后视图。图3d是表示伺服喇叭12的剖面图。

正视图和剖面图示出了圆形排列的八个半球形凸出部12b和位于伺服喇叭12中心的开口12a。在开口12a的部分上形成的键孔12c设定相对于输出轴11的相对位置。在输出轴11和伺服喇叭12之间精确的位置关系中，做出设计使得从键孔12c观察，在输出轴11的端面上刻有标记11c(图1中的槽)。

通过标记11c和键孔12c的配合确定输出轴和伺服喇叭12的旋转位置。

而且，例如，在伺服喇叭12的外缘上按90°依次雕刻转动标记12d-1、12d-2、12d-3和12d-4，它们各自形成不同的形状。转动标记12d(1，2，3，4)便于确定互锁构件13的初始位置。

图4a是表示互锁构件13的外部左侧视图。图4b是表示互锁构件13内部的左侧视图。图4c是表示互锁构件13的顶视图。图4d是表示互锁构件13的外部右视图。图4e和图4f分别是表示互锁构件13的上部侧视图。

在此实施例中，互锁构件13具有两个开口13a和13-1a。输出轴或其它框架可以通过伺服喇叭12连接到开口13a和13-1a上。

在分别与伺服喇叭12上的半球形凸出部12b相接合的位置，八个锥形凹入部13b或13-1b形成在开口13a或13-1a的边缘。锥形凹入部13b或13-1b与伺服喇叭12接合。这一特征增加了抗撞击特性。

在圆周布置的凹入部13b或13-1b外边缘上刻有位置标记13d，且位置标记13d处于与任何一个转动标记12d(1，2，3，4)重叠的位置。当伺服喇叭12与互锁构件13之间的相对位置由于强烈撞击而发生变化时，锁紧螺钉15稍微松开。而后，当位置标记13d和转动标记12d(1，2，3，4)都可见时，互锁构件13移动。因此可将伺服喇叭12和互锁构件13重置到正常初始位置，然后紧固锁紧螺钉15。因此，连接部分可以很容易的恢复到正常位置。

用在各种操作构件(如手掌、脚趾、肘、膝或胫骨)的互锁构件13当然可以作为连接两个伺服装置的框架或手臂。

图5示意表示了根据本发明的双足机器人的例子。

该双足机器人包括头部20、肩部关节21、腰部关节22、肘部关节23、胯部关节24、膝关节25和踝关节26。每个关节采用由点划线表示的具有输出轴的伺服装置以及利用该伺服装置旋转移动的互锁构件。

接合在输出轴上的伺服喇叭12和互锁构件13的连接机构，如上所述，可以应用在全部关节中，或者尤其是肩关节或腰部关节。

肩关节21、腰部关节22或肘关节采用可以在两个轴向位移以提供旋转和位移运动的伺服单元。因此，机器人可以更复杂和更平稳地运动。

伺服喇叭12和互锁构件13利用均匀间隔布置的八个凹入部13b和八个凸出部12b接合在一起。然而，部分或所有凹入部或凸出部(12b或13b)也可以以不均匀的间隔布置。有利地是，这种布置即使在伺服喇叭12和互锁构件13之间的相对位置关系因碰撞而位移时也可以使结构很容易地恢复到其精确的原始位置关系。

工业实用性

在根据本发明的用于机器人互锁构件的连接机构中，可以通过稍微改变互锁构件和伺服喇叭间的接合面就可以给机器人提供抗撞击性能。而且，所述连接部分(互锁构件和伺服喇叭之间)可以作为机器人的组装部件出售。此外，这种新颖的连接机构可以为例如传统的双足机器人提供抗撞击的性能，而且价格低廉并且维修方便。

此外，在双足机器人的实施例上应用连接机构可以尽可能地减少机器人的尺寸，而且当用更多的关节执行更复杂的运动时可以精确的重复生产。

Claims (5)

1.一种用于机器人的互锁构件的连接机构，包括：

伺服装置；

连接到所述伺服装置的输出轴的伺服喇叭；以及

利用具有弹性的垫圈压接在所述伺服喇叭上的互锁机构，

其中，所述互锁构件和所述伺服喇叭之间的接合面与圆周布置的凹入部/凸出部压接合，且

其中，所述伺服喇叭的旋转轴与所述互锁机构的旋转轴同轴，

其中，所述凹入部/凸出部包括形成在所述伺服喇叭外接合面上的半球形凸出部和形成在所述互锁构件内接合面上的锥形凹入部。

2.如权利要求1所述的连接机构，其中，所述垫圈构件包括圆形合成树脂材料。

3.如权利要求1或2所述的连接机构，其中，所述伺服喇叭和互锁构件利用穿过垫圈构件中心旋拧入所述输出轴中的锁紧螺钉压配合。

4.如权利要求1所述的连接机构，其中，所述互锁构件包括构成机器人的框架或手臂。

5.一种包括如权利要求1所述的用于机器人的互锁构件的所述连接机构的双足机器人，所述连接机构适用于在所述双足机器人中预定位置处的关节。

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