CN101837592A - 基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部 - Google Patents

基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部 Download PDF

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Abstract

基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部，它涉及一种仿人机器人头部。本发明解决了现有的头部结构不紧凑，独立关节结构体积较大，占用头部较大空间，且只具有俯仰和回转两个运动的问题。所述头部回转关节通过回转关节支座与颈部基关节的运动输出支架连接，颈部基关节通过颈部基关节支座与颈部底座中的颈部底座连接，所述头部外壳与相机回转支架固定连接，空套差动锥齿轮分别与两个主动差动锥齿轮啮合，被动差动锥齿轮分别与两个主动差动锥齿轮啮合，两个主动差动锥齿轮、被动差动锥齿轮和空套差动锥齿轮的轮齿参数一致并构成差动锥齿轮机构。本发明应用于仿人形机器人头部视觉测量与跟踪。

Description

基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部
技术领域
本发明涉及一种机器人头部。
背景技术
仿人机器人是当前机器人技术领域的一个研究热点。仿人机器人头部作为仿人机器人的重要组成部分，其作用在于模仿人类头部运动，并搭载相机等传感器实现视觉测量与控制，同时应具备仿人的外观造型，以实现人机交互的亲和性。
现有的仿人机器人头部一般都将控制系统与结构本体分离做成一个单独的控制箱或盒，因而体积大，独立关节结构体积较大，占用头部较大空间，且较多的采用独立关节的仿人机器人头部只具有俯仰和回转两个运动。
发明内容
本发明为了解决现有的仿人机器人头部结构不紧凑，独立关节结构体积较大，占用头部较大空间，且只具有俯仰和回转两个运动的问题，进而提供了一种基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述仿人机器人头部由头部回转关节，颈部基关节、颈部底座、头部外壳、两个相机和两个相机安装调整滑板构成，所述头部回转关节由第一盘式无刷直流电机、行星齿轮减速器、回转关节支座、相机回转支架、回转空心套轴、深沟球轴承和关节角度反馈轴构成，所述第一盘式无刷直流电机的输出端与行星齿轮减速器的输入端传动连接，所述行星齿轮减速器装在回转关节支座的内孔中，所述行星齿轮减速器的输出轴固装在回转空心套轴的内孔中，所述回转空心套轴装在相机回转支架的内孔中，所述相机回转支架通过深沟球轴承装在回转关节支座的上部，所述关节角度反馈轴的一端装在回转空心套轴的内孔中，每个相机通过相对应的调整滑板装在相机回转支架的上端面上；
所述颈部基关节包括驱动器支板、颈部基关节支座、空套差动锥齿轮、空套轴承、锁紧轴、运动输出支架、被动差动锥齿轮、轴用弹性挡圈、两个第二盘式无刷直流电机、两个行星齿轮减速器、两个驱动器输出齿轮、两个传动锥齿轮、两个输出角度反馈轴、两个锁紧螺母、两个主动差动锥齿轮和两个深沟球轴承，每个第二盘式无刷直流电机的输出端与行星齿轮减速器的输入端传动连接，每个行星齿轮减速器的输出轴穿过相对应的驱动器支板与驱动器输出齿轮传动连接，每个行星齿轮减速器与驱动器支板固接，且两个行星齿轮减速器沿颈部基关节支座的中心轴线对称设置，每个驱动器输出齿轮与传动锥齿轮啮合，两个传动锥齿轮各固装在颈部基关节支座的两侧，每个传动锥齿轮与相对应的主动差动锥齿轮固装在一起构成双联齿轮，每个双联齿轮通过深沟球轴承装在颈部基关节支座的通孔内，每个双联齿轮的轴向通过锁紧螺母与输出角度反馈轴轴向锁紧，所述空套差动锥齿轮分别与两个主动差动锥齿轮啮合，所述被动差动锥齿轮分别与两个主动差动锥齿轮啮合，两个主动差动锥齿轮、被动差动锥齿轮和空套差动锥齿轮的轮齿参数一致并构成差动锥齿轮机构，所述空套差动锥齿轮通过空套轴承装在运动输出支架上，所述被动差动锥齿轮用轴用弹性挡圈固定在运动输出支架上，所述空套差动锥齿轮和被动差动锥齿轮套在锁紧轴的外部，所述锁紧轴的一端与空套轴承相靠，所述锁紧轴的另一端通过弹性挡圈及螺母锁紧；
所述头部回转关节通过回转关节支座与颈部基关节的运动输出支架连接，颈部基关节通过颈部基关节支座与颈部底座中的颈部底座连接，所述头部外壳与相机回转支架固定连接。
本发明具有以下有益效果：1.本发明设计的基于锥齿轮差动耦合机构的颈部基关节同时实现俯仰和侧摆两个自由度，结构紧凑，体积小巧；2.与传统的差动机构相比，本发明中的基于锥齿轮的差动耦合机构结构简单，零件数量少，设计了可轴向移动的空套锥齿轮，从而实现两个从动锥齿轮和两个主动锥齿轮整体拆装，十分方便，且可以通过锁紧轴调整啮合预压力；3.本发明增加了一个侧摆运动自由度，使机器人头部能实现人头部常用的这三个运动，提高了运动的灵活性和仿人性；4.本发明设计了仿人的头部外壳，具有拟人化的外形和尺寸。采用剖分式结构，内部空间大，且与机械本体拆装方便。
附图说明
图1是本发明的立体图，图2是去掉头部外壳的立体图，图3是头部回转关节的立体图，图4是头部回转关节的剖视图，图5是颈部基关节的立体图，图6是颈部基关节的主视剖视图，图7是图6的侧视图，图8是图6的俯视图，图9是颈部底座的立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1-9所示，本实施方式的仿人机器人头部由头部回转关节1，颈部基关节2、颈部底座3、头部外壳4、两个相机5和两个相机安装调整滑板6构成，所述头部回转关节1由第一盘式无刷直流电机1-1、行星齿轮减速器1-2、回转关节支座1-3、相机回转支架1-4、回转空心套轴1-5、深沟球轴承1-6和关节角度反馈轴1-7构成，所述第一盘式无刷直流电机1-1的输出端与行星齿轮减速器1-2的输入端传动连接，所述行星齿轮减速器1-2装在回转关节支座1-3的内孔中，所述行星齿轮减速器1-2的输出轴固装在回转空心套轴1-5的内孔中，所述回转空心套轴1-5(通过紧定螺钉1-10)装在相机回转支架1-4的内孔中，所述相机回转支架1-4通过深沟球轴承1-6装在回转关节支座1-3的上部，所述关节角度反馈轴1-7的一端装在回转空心套轴1-5的内孔中，每个相机5通过相对应的调整滑板6装在相机回转支架1-4的上端面上；
所述颈部基关节2包括驱动器支板2-3、颈部基关节支座2-12、空套差动锥齿轮2-16、空套轴承2-17、锁紧轴2-18、运动输出支架2-20、被动差动锥齿轮2-21、轴用弹性挡圈2-22、两个第二盘式无刷直流电机2-1、两个行星齿轮减速器2-2、两个驱动器输出齿轮2-6、两个传动锥齿轮2-7、两个输出角度反馈轴2-8、两个锁紧螺母2-9、两个主动差动锥齿轮2-13和两个深沟球轴承2-15，每个第二盘式无刷直流电机2-1的输出端与行星齿轮减速器2-2的输入端传动连接，每个行星齿轮减速器2-2的输出轴穿过相对应的驱动器支板2-3(通过驱动器轴承2-5)与驱动器输出齿轮2-6传动连接，每个行星齿轮减速器2-2与驱动器支板2-3固接，且两个行星齿轮减速器2-2沿颈部基关节支座2-12的中心轴线对称设置，每个驱动器输出齿轮2-6与传动锥齿轮2-7啮合，两个传动锥齿轮2-7各固装在颈部基关节支座2-12的两侧，每个传动锥齿轮2-7与相对应的主动差动锥齿轮2-13固装在一起构成双联齿轮2-14，每个双联齿轮2-14通过深沟球轴承2-15装在颈部基关节支座2-12的通孔内，每个双联齿轮2-14的轴向通过锁紧螺母2-9与输出角度反馈轴2-8轴向锁紧，所述空套差动锥齿轮2-16分别与两个主动差动锥齿轮2-13啮合，所述被动差动锥齿轮2-21分别与两个主动差动锥齿轮2-13啮合，两个主动差动锥齿轮′2-13、被动差动锥齿轮2-21和空套差动锥齿轮2-16的轮齿参数一致并构成差动锥齿轮机构，所述空套差动锥齿轮2-16通过空套轴承2-17装在运动输出支架2-20上，所述被动差动锥齿轮2-21用轴用弹性挡圈2-22固定在运动输出支架2-20上，所述空套差动锥齿轮2-16和被动差动锥齿轮2-21套在锁紧轴2-18的外部，所述锁紧轴2-18的一端与空套轴承2-17相靠，所述锁紧轴2-18的另一端通过弹性挡圈2-22及螺母锁紧；
所述头部回转关节1通过回转关节支座1-3与颈部基关节2的运动输出支架2-20连接，颈部基关节2通过颈部基关节支座2-12与颈部底座3中的颈部底座3-1连接，所述头部外壳4与相机回转支架1-4固定连接。
空套差动锥齿轮2-16作用是使锥齿轮差动耦合机构结构对称，受力均匀，空套差动锥齿轮2-16和空套轴承2-17可以在运动输出支架2-20内孔中沿轴向移动，这样可以方便的与两个主动差动锥齿轮2-13进行啮合拆装，并可以用锁紧轴2-18(及锁紧轴调整垫片2-19)和锁紧螺母及垫片2-23实现轴向锁紧和调整。
具体实施方式二：如图1所示，本实施方式的头部外壳4由树脂塑料制成(经快速成型加工制成)，此材料加工方便。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1所示，本实施方式的头部外壳4由头部上外壳4-1和头部下外壳4-2构成，所述头部下外壳4-2与头部上外壳4-1可拆卸连接，此结构拆卸安装方便。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图6所示，本实施方式的颈部基关节2还包括两个驱动器调整垫片2-4，每个驱动器支板2-3与颈部基关节支座2-12之间装有驱动器调整垫片2-4，每个驱动器调整垫片2-4装在颈部基关节支座2-12上，此结构通过驱动器调整垫片2-4进行轴向串动，以调整驱动器输出齿轮2-6和传动锥齿轮2-7的啮合间隙。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
工作原理：本发明具有仿人俯仰、侧摆和回转运动的三个自由度：盘式无刷直流电机1-1通过行星齿轮减速器1-2减速后，通过回转空心套轴1-5(回转空心套轴1-5既作为联轴器连接行星齿轮减速器1-2的输出轴，又作为传动轴将驱动器运动传递给相机回转支架1-4)直接将运动传递给相机回转支架1-4及两个相机5，实现相机5及头部的回转运动；
每个第二盘式无刷直流电机2-1通过行星齿轮减速器2-2减速后，每个行星齿轮减速器2-2带动驱动器输出齿轮2-6运动，驱动器输出齿轮2-6和传动锥齿轮2-7组成一级1∶1.5的传动机构，将输出运动传递给两个主动差动锥齿轮2-13，被动差动锥齿轮2-21同时受两个主动差动锥齿轮2-13啮合传动，使输入的运动差动耦合后，通过运动输出支架2-20输出俯仰和侧摆运动；头部回转关节1及头部外壳4与运动输出支架2-20固接即整个头部将实现俯仰和侧摆运动。有如下两种特殊情况：当两个两个主动差动锥齿轮2-13同向等速旋转时，头部作纯俯仰运动；当两个两个主动差动锥齿轮2-13反向等速旋转时，头部作纯侧摆运动。其余情况均是仰和侧摆耦合的运动。
实施例一：使用前先将第一电位计电路板1-8装在关节角度反馈轴1-7上，第一电位计电路板1-8通过电位计电路板支架1-9固定在回转关节支座1-3上，两个第二电位计电路板2-10各装在输出角度反馈轴2-8上，每个第二电位计电路板2-10通过电位计电路板支架2-11安装在颈部基关节支座2-12上，两块驱动电路板3-3装在驱动电路板支架3-2上，驱动电路板支架3-2装在括颈部底座3-1的后侧，两块控制电路板3-5装在控制电路板支架3-4上，控制电路板支架3-4装在括颈部底座3-1的前侧；
通过关节角度反馈轴1-7将回转关节的位置角度信息传递给第一电位计电路板1-8上的电位计实现位置反馈，控制电路板3-5采集第一电位计电路板1-8位置信号后，向驱动电路板3-3发送PWM信号以驱动第一盘式无刷直流电机1-1，盘式无刷直流电机1-1通过行星齿轮减速器1-2减速后，通过回转空心套轴1-5直接将运动传递给相机回转支架1-4及两个相机5，实现相机5及头部的回转运动；
通过每个输出角度反馈轴2-8将回转关节的位置角度信息传递给第二电位计电路板2-10上的电位计实现位置反馈，控制电路板3-5采集两个第二电位计电路板2-10位置信号后，向驱动电路板3-3发送PWM信号以驱动两个第二盘式无刷直流电机2-1，每个第二盘式无刷直流电机2-1通过行星齿轮减速器2-2减速后，每个行星齿轮减速器2-2带动驱动器输出齿轮2-6运动，驱动器输出齿轮2-6和传动锥齿轮2-7组成一级1∶1.5的传动机构，将输出运动传递给两个主动差动锥齿轮2-13，被动差动锥齿轮2-21同时受两个主动差动锥齿轮2-13啮合传动，使输入的运动差动耦合后，通过运动输出支架2-20输出俯仰和侧摆运动；头部回转关节1及头部外壳4与运动输出支架2-20固接即整个头部将实现俯仰和侧摆运动。有如下两种特殊情况：当两个两个主动差动锥齿轮2-13同向等速旋转时，头部作纯俯仰运动；当两个两个主动差动锥齿轮2-13反向等速旋转时，头部作纯侧摆运动。其余情况均是仰和侧摆耦合的运动。

Claims (4)

1.一种基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部，其特征在于所述仿人机器人头部由头部回转关节(1)，颈部基关节(2)、颈部底座(3)、头部外壳(4)、两个相机(5)和两个相机安装调整滑板(6)构成，所述头部回转关节(1)由第一盘式无刷直流电机(1-1)、行星齿轮减速器(1-2)、回转关节支座(1-3)、相机回转支架(1-4)、回转空心套轴(1-5)、深沟球轴承(1-6)和关节角度反馈轴(1-7)构成，所述第一盘式无刷直流电机(1-1)的输出端与行星齿轮减速器(1-2)的输入端传动连接，所述行星齿轮减速器(1-2)装在回转关节支座(1-3)的内孔中，所述行星齿轮减速器(1-2)的输出轴固装在回转空心套轴(1-5)的内孔中，所述回转空心套轴(1-5)装在相机回转支架(1-4)的内孔中，所述相机回转支架(1-4)通过深沟球轴承(1-6)装在回转关节支座(1-3)的上部，所述关节角度反馈轴(1-7)的一端装在回转空心套轴(1-5)的内孔中，每个相机(5)通过相对应的调整滑板(6)装在相机回转支架(1-4)的上端面上；
所述颈部基关节(2)包括驱动器支板(2-3)、颈部基关节支座(2-12)、空套差动锥齿轮(2-16)、空套轴承(2-17)、锁紧轴(2-18)、运动输出支架(2-20)、被动差动锥齿轮(2-21)、轴用弹性挡圈(2-22)、两个第二盘式无刷直流电机(2-1)、两个行星齿轮减速器(2-2)、两个驱动器输出齿轮(2-6)、两个传动锥齿轮(2-7)、两个输出角度反馈轴(2-8)、两个锁紧螺母(2-9)、两个主动差动锥齿轮(2-13)和两个深沟球轴承(2-15)，每个第二盘式无刷直流电机(2-1)的输出端与行星齿轮减速器(2-2)的输入端传动连接，每个行星齿轮减速器(2-2)的输出轴穿过相对应的驱动器支板(2-3)与驱动器输出齿轮(2-6)传动连接，每个行星齿轮减速器(2-2)与驱动器支板(2-3)固接，且两个行星齿轮减速器(2-2)沿颈部基关节支座(2-12)的中心轴线对称设置，每个驱动器输出齿轮(2-6)与传动锥齿轮(2-7)啮合，两个传动锥齿轮(2-7)各固装在颈部基关节支座(2-12)的两侧，每个传动锥齿轮(2-7)与相对应的主动差动锥齿轮(2-13)固装在一起构成双联齿轮(2-14)，每个双联齿轮(2-14)通过深沟球轴承(2-15)装在颈部基关节支座(2-12)的通孔内，每个双联齿轮(2-14)的轴向通过锁紧螺母(2-9)与输出角度反馈轴(2-8)轴向锁紧，所述空套差动锥齿轮(2-16)分别与两个主动差动锥齿轮(2-13)啮合，所述被动差动锥齿轮(2-21)分别与两个主动差动锥齿轮(2-13)啮合，两个主动差动锥齿轮(2-13)、被动差动锥齿轮(2-21)和空套差动锥齿轮(2-16)的轮齿参数一致并构成差动锥齿轮机构，所述空套差动锥齿轮(2-16)通过空套轴承(2-17)装在运动输出支架(2-20)上，所述被动差动锥齿轮(2-21)用轴用弹性挡圈(2-22)固定在运动输出支架(2-20)上，所述空套差动锥齿轮(2-16)和被动差动锥齿轮(2-21)套在锁紧轴(2-18)的外部，所述锁紧轴(2-18)的一端与空套轴承(2-17)相靠，所述锁紧轴(2-18)的另一端通过弹性挡圈(2-22)及螺母锁紧；
所述头部回转关节(1)通过回转关节支座(1-3)与颈部基关节(2)的运动输出支架(2-20)连接，颈部基关节(2)通过颈部基关节支座(2-12)与颈部底座(3)中的颈部底座(3-1)连接，所述头部外壳(4)与相机回转支架(1-4)固定连接。
2.根据权利要求1所述基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部，其特征在于所述头部外壳(4)由树脂塑料制成。
3.根据权利要求1或2所述基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部，其特征在于所述头部外壳(4)由头部上外壳(4-1)和头部下外壳(4-2)构成，所述头部下外壳(4-2)与头部上外壳(4-1)可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述基于锥齿轮差动耦合机构的仿人机器人头部，其特征在于所述颈部基关节(2)还包括两个驱动器调整垫片(2-4)，每个驱动器支板(2-3)与颈部基关节支座(2-12)之间装有驱动器调整垫片(2-4)，每个驱动器调整垫片(2-4)装在颈部基关节支座(2-12)上。
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