CN101580083B - 一种仿人机器人的膝关节机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的仿人机器人的膝关节机构包括连接大腿和小腿的膝关节和膝关节驱动机构。利用双电机驱动可以叠加电机输出的力矩，提高了关节输出力矩的能力，避免了电机长时间工作状态下发热的现象。膝关节驱动机构中采用与电机轴保持同轴的偏心微调张紧轮，这样只要调整安装偏心微调张紧轮的角度就可以调整电机轴到膝关节输入轴之间的距离，实现微调的作用。运行时，两个编码器可以实时获取双电机的速差反馈信号，便于对双电机进行主从控制，有利于正确获取关节角度信息，纠正机械传动误差，提高了控制的准确性。本发明结构紧凑，装拆方便，运行可靠。

Description

一种仿人机器人的膝关节机构
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种仿人机器人的膝关节机构。
背景技术
迄今为止，世界上研制比较成功的机器人大部分采用带编码器的电机和谐波减速器作为机器人关节的驱动装置。根据对现有文献的检索发现，机器人在运动过程中由于电机力矩不足，发热现象比较严重，Kenji KANEKO等人的论文：“Humanoid Robot HRP-2”中描述的HRP-2P不能连续行走30分钟，这远不能满足人类对机器人的要求。而机器人的膝关节在机器人运动中至关重要，它承受上身重量的同时还需要满足快速启停的功能，所以对膝关节的驱动能力提出了更高的要求。机器人上使用的张紧轮可以提高传动的效率，但大部分机器人采用的可调张紧轮结构较大，而且在使用一段时间后容易产生松动而使得张紧的效果不佳，所以改善张紧轮的机构就很重要。中国专利CN1683123A公开了一种使用电机编码器和电位计组成双环检测系统，来检测关节减速器的柔性传动误差，但它未考虑双电机主从控制模式下差速反馈需要的信号。另外，电位计的安装方式经过实验测试很容易产生松动，且装卸不便。
发明内容
本发明的目的是提出一种驱动力矩大、张紧结构紧凑、具有关节误差检测功能的仿人机器人的膝关节机构。
本发明的仿人机器人膝关节机构，包括连接大腿和小腿的膝关节和膝关节驱动机构；
膝关节包括由同轴线装置在壳体中的刚轮、波发生器和柔轮组成的谐波减速器以及膝套筒，谐波减速器的输入轴和输出轴同轴套置，谐波减速器输入轴的一端固定在波发生器上，另一端固定第一同步带轮，在谐波减速器的输入轴与输出轴之间设有两个轴承，柔轮固定在输出轴上，输出轴通过交叉滚子轴承与大腿的一侧连接，膝套筒的一端与谐波减速器的刚轮固定，在膝套筒与刚轮之间有密封盖。膝套筒的另一端通过深沟球轴承与大腿的另一侧连接。膝套筒上装
Figure G2009100993691D00011
有膝法兰，膝法兰和小腿连接。膝套筒内固定有电位计法兰和电位计，电位计的轴上固定有轴套，轴套与固定在大腿上的法兰连接；
膝关节驱动机构包括带有第一编码器的第一电机，带有第二编码器的第二电机，第一电机的轴上安装有第二同步带轮，第一电机的端面固定有第一偏心微调张紧轮，第二电机的轴上安装有第三同步带轮，第二电机的端面固定有第二偏心微调张紧轮，第二同步带轮和第三同步带轮通过同步带与第一同步带轮相连，第一偏心微调张紧轮和第二偏心微调张紧轮与大腿固定。
为了使得结构更加紧凑，装卸更加方便，可将电位计法兰通过螺纹与膝套筒连接。
本发明结构紧凑，装拆方便，运行可靠，利用双电机驱动可以叠加电机输出的力矩，提高了关节输出力矩的能力，避免了电机长时间工作状态下发热的现象。膝关节驱动机构中采用与电机轴保持同轴的偏心微调张紧轮，这样只要调整安装偏心微调张紧轮的角度就可以调整电机轴到膝关节输入轴之间的距离，实现微调的作用。运行时，两个编码器可以实时获取双电机的速差反馈信号，便于对双电机进行主从控制，有利于正确获取关节角度信息，纠正机械传动误差，提高了控制的准确性。
附图说明
图1是机器人膝关节机构的整体实体图；
图2是膝关节剖视图；
图3是谐波减速器的刚轮、波发生器和柔轮示意图。
上述图中，1.法兰，2.大腿，3.小腿，4.膝法兰，5.膝套筒，6.谐波减速器，7.刚轮，8.波发生器，9.柔轮，10.输入轴，11.交叉滚子轴承，12.输出轴，13.轴承，14.轴承，15.壳体，16.密封盖，17.电位计，18.电位计法兰，19.深沟球轴承，20.轴套，21.第一电机，22.第一编码器，23.第二电机，24.第二编码器，25.第一偏心微调张紧轮，26.第二同步带轮，28.第三同步带轮，29.第二偏心微调张紧轮，30.第一同步带轮。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照附图，本发明的仿人机器人膝关节机构，包括连接大腿和小腿的膝关节和膝关节驱动机构；
膝关节包括由同轴线装置在壳体15中的刚轮7、波发生器8和柔轮9组成的谐波减速器6以及膝套筒5，谐波减速器6的输入轴10和输出轴12同轴套置，谐波减速器6输入轴10的一端固定在波发生器8上，另一端固定第一同步带轮30，在谐波减速器6的输入轴10与输出轴12之间设有两个轴承13、14，柔轮9固定在输出轴12上，输出轴12通过交叉滚子轴承11与大腿2的一侧连接，膝套筒5的一端与谐波减速器6的刚轮7固定，在膝套筒5与刚轮7之间有密封盖16，密封盖16用于防止灰尘进入谐波减速器6内。膝套筒5的另一端通过深沟球轴承19与大腿2的另一侧连接。膝套筒5上装
Figure G2009100993691D00031
有膝法兰4，膝法兰4和小腿3连接。当输入轴带动波发生8转动时，刚轮7相对柔轮9转动，实现了大腿2和小腿3之间的相对转动。膝套筒5内固定有电位计法兰18和电位计17，电位计17的轴上固定有轴套20，轴套20与固定在大腿2上的法兰1连接；
膝关节驱动机构包括带有第一编码器22的第一电机21，带有第二编码器24的第二电机23，第一电机21的轴上安装有第二同步带轮26，第一电机21的端面固定有第一偏心微调张紧轮25，第二电机23的轴上安装有第三同步带轮28，第二电机23的端面固定有第二偏心微调张紧轮29，第二同步带轮26和第三同步带轮28通过同步带与第一同步带轮30相连，以此来实现关节的驱动。，第一偏心微调张紧轮25和第二偏心微调张紧轮29与大腿固定。通常，使偏心微调张紧轮25、29轮面上分布有数个与大腿连接的安装孔，这样通过安装孔可以调节旋转偏心微调张紧轮与大腿的安装角度，实现张紧同步带的目的。

Claims (3)

1.一种仿人机器人的膝关节机构，其特征是包括连接大腿和小腿的膝关节和膝关节驱动机构；
膝关节包括由同轴线装置在壳体(15)中的刚轮(7)、波发生器(8)和柔轮(9)组成的谐波减速器(6)以及膝套筒(5)，谐波减速器(6)的输入轴(10)和输出轴(12)同轴套置，谐波减速器(6)输入轴(10)的一端固定在波发生器(8)上，另一端固定第一同步带轮(30)，在谐波减速器(6)的输入轴(10)与输出轴(12)之间设有两个轴承(13、14)，柔轮(9)固定在输出轴(12)上，输出轴(12)通过交叉滚子轴承(11)与大腿(2)的一侧连接，膝套筒(5)的一端与谐波减速器(6)的刚轮(7)固定，在膝套筒(5)与刚轮(7)之间有密封盖(16)，膝套筒(5)的另一端通过深沟球轴承(19)与大腿(2)的另一侧连接，膝套筒(5)上装有膝法兰(4)，膝法兰(4)和小腿(3)连接，膝套筒(5)内固定有电位计法兰(18)和电位计(17)，电位计(17)的轴上固定有轴套(20)，轴套(20)与固定在大腿(2)上的法兰(1)连接；
膝关节驱动机构包括带有第一编码器(22)的第一电机(21)，带有第二编码器(24)的第二电机(23)，第一电机(21)的轴上安装有第二同步带轮(26)，第一电机(21)的端面固定有第一偏心微调张紧轮(25)，第二电机(23)的轴上安装有第三同步带轮(28)，第二电机(23)的端面固定有第二偏心微调张紧轮(29)，第二同步带轮(26)和第三同步带轮(28)通过同步带与第一同步带轮(30)相连，第一偏心微调张紧轮(25)和第二偏心微调张紧轮(29)与大腿固定。
2.根据权利要求1所述的仿人机器人的膝关节机构，其特征是电位计法兰(18)通过螺纹与膝套筒(5)连接。
3.根据权利要求1所述的仿人机器人的膝关节机构，其特征是在第一、第二偏心微调张紧轮(25、29)轮面上分布有数个与大腿连接的安装孔。
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Assignee: Zhejiang Guozi Robot Technology Co., Ltd.

Assignor: Zhejiang University

Contract record no.: 2013330000081

Denomination of invention: Knee joint mechanism of humanoid robot

Granted publication date: 20100929

License type: Exclusive License

Record date: 20130422

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