CN101870111A - 机器人的关节驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人，特别涉及机器人的关节驱动装置。其包括气动人工肌肉驱动部，直流伺服电机驱动部，机器人关节部，机器人关节转角测量部，第一肢体和第二肢体，特征是气动人工肌肉驱动部通过固定件固定于第二肢体上，直流伺服电机驱动部通过固紧套固定于第二肢体上，机器人关节部通过螺钉固定于第一肢体的后端，通过转动轴铰接于第二肢体的前端，机器人关节转角测量部通过支撑板用螺钉固定于机器人关节部，第一肢体绕机器人关节部做旋转运动。本发明能承受较大的载荷，动作平滑，响应快，柔顺性好，最接近人体肌肉的运动特点，且定位精度高；可以广泛应用于工业、服务业、康复医疗领域以及日常生活中，特别适合康复机器人和仿生机器人。

Description

机器人的关节驱动装置

技术领域

本发明属于机器人，特别涉及机器人的关节驱动装置，即直流伺服电机与气动人工肌肉相结合的机器人关节驱动装置。 

背景技术

人或模拟人体肢体功能的机器人的肢体关节，在某一运动平面内，均表现为正反方向的旋转运动。目前，机器人的关节驱动装置主要有两种：1、采用电机带动齿轮传动，这种驱动装置定位精度高，刚性好、承载能力强，但电机的功率/重量比小，输出力矩小，且急速快停快动时易造成大的冲击，动作平滑性差；2、采用气动人工肌肉驱动，以拉伸钢缆传动，这种驱动装置柔顺性好，功率/重量比大，动作平滑，响应快，也最接近人体肌肉的运动特点，但气动人工肌肉是一种典型的单向柔性驱动器件，其缩放运动受外载荷变化的影响大。

由于电机驱动的功率/重量比小、输出力矩小，在需要较大力矩时，相对于气动人工肌肉驱动而言电机驱动的重量体积较大，难以实现机器人的小型化；特别是在正向运动需要较大力矩，而反向运动需要较小力矩时，单一采用电机驱动在正反两个方向上所需驱动力是极不匹配的。而气动人工肌肉是一种典型的单向柔性驱动器件，其缩放运动受外载荷变化的影响大，当驱动负载短时间发生较大变化时，或急停急动等情况发生时，会引发气动人工肌肉胶管沿轴向的颤动，会造成很大的定位误差，同时也会造成人工肌肉系统的动态不稳定性。 

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题，将电机这种典型刚性驱动器件，与气动人工肌肉这种典型柔性驱动器件相结合，构成一种刚柔结合的机器人关节驱动装置，在机器人关节的不同运动方向上，充分发挥各自的性能优势，实现一种在柔顺性、定位精度和功率/重量比方面，达到综合优化的一种新型机器人关节驱动装置。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种机器人的关节驱动装置，包括气动人工肌肉驱动部1，直流伺服电机驱动部2，机器人关节部3，机器人关节转角测量部4，第一肢体5和第二肢体6，其特征在于：气动人工肌肉驱动部1位于第二肢体6的上部，通过固定件固定于第二肢体6上，其前端通过拉伸钢缆101与固定在第一肢体5后端的转动轮13连接；直流伺服电机驱动部2通过固紧套203固定于第二肢体6的一侧，其前端固联的齿轮201与固定在第一肢体5后端的齿轮301啮合；机器人关节部3通过螺钉将第一肢体5的后端与其转动轮13固定在一起，通过转动轴14铰接于第二肢体6的前端；机器人关节转角测量部4位于机器人关节部3的上部，通过支撑板404用螺钉403固定于机器人关节部3的固定套305上；第一肢体5绕机器人关节部3中的转动轴14做旋转运动。

所述气动人工肌肉驱动部1由气动人工肌肉7、比例压力阀8和压力传感器9组成，压力传感器9内置于气动人工肌肉7内，位于气动人工肌肉7的充放气端105，通过气动人工肌肉7的进出气口104用输气管106与比例压力阀8连接，气动人工肌肉7的充放气端105固定于第二肢体6上，气动人工肌肉7的缩放端102放置于固定于第二肢体6上的套筒支架110内，充放气端105通过固定件111用螺栓112固定于第二肢体6上，套筒支架110通过固定件113用螺栓114固定于第二肢体6上，气动人工肌肉7的拉伸钢缆101的一端固定于缩放端102，另一端缠绕在转动轮13上，端头固定于转动轮13的侧面，比例压力阀8、压力传感器9与控制系统连接。

所述直流伺服电机驱动部2，由减速器10，直流伺服电机11和电机调速编码器12组成，减速器10位于直流伺服电机驱动部2的前端，直流伺服电机11位于中间，电机调速编码器12位于后端，减速器10的输出轴端通过螺栓204固定在与第二肢体6固连的法兰盘202上，通过连接销205与齿轮201连接，齿轮201为45°伞齿轮，直流伺服电机驱动部2通过固紧套203固定在第二肢体6上。

所述机器人关节部3，用于连接第一肢体5和第二肢体6，包括转动轮13，转动轴14和滚动轴承15，转动轴14通过转动轮13的中心孔贯穿整个机器人关节部3，一端通过连接销302与齿轮301连接，齿轮301为45°伞齿轮，另一端安装滚动轴承15，用以支撑转动轴14，转动轮13通过螺钉303固定于第一肢体5上，通过平键304与转动轴14连接，齿轮301与减速器10输出轴端带动的齿轮201啮合，齿轮201和齿轮301均为45°伞齿轮，使直流伺服电机驱动部传动的运动转向90°。

所述机器人关节转角测量部4包括角度编码器16，固定于转动轮13上的齿轮401，和固定于角度编码器16上的齿轮402，角度编码器16的法兰端面通过螺钉403固定在支撑板404上，支撑板404固定在第二肢体6上，齿轮401与齿轮402啮合，齿轮401和齿轮402均为直齿轮。

所述控制系统，通过接收关节角度、电机转速、人工肌肉内压等信号数据，控制人工肌肉的充放气和直流伺服电机的转速与转向，由单片机，A/D转换器，D/A转换器，电机控制器和电机驱动器组成。

本发明的有益效果主要表现在：将直流伺服电机与气动人工肌肉相结合的机器人关节驱动装置，能承受较大的载荷，动作平滑，响应快，柔顺性好，最接近人体肌肉的运动特点，且定位精度高。本发明可以广泛应用于工业领域、商业服务业领域、康复医疗领域以及日常生活中，特别适合应用于康复机器人和仿生机器人。 

附图说明

图1是本发明的工作原理框图；

图2是本发明的立体结构图；

图3是本发明主要部件的剖视图；

图4是本发明机器人关节部和关节转角测量部的主视图；

图5是本发明图4A-A方向的剖视图；

图6是本发明控制系统的工作原理框图。

图中：1—气动人工肌肉驱动部；2—直流伺服电机驱动部；3—机器人关节部；4—机器人关节转角测量部；5—第一肢体；6—第二肢体；7—气动人工肌肉；8—比例压力阀；9—压力传感器；10—减速器；11—直流伺服电机；12—电机调速编码器；13—转动轮；14—转动轴；15—滚动轴承；16—角度编码器；001—单片机；002—A/D转换器；003—A/D转换器；004—A/D转换器；005—D/A转换器；006—D/A转换器；007—电机控制器；008—电机驱动器；101—拉伸钢缆；102—缩放端；103—胶管；104—进出气口；105—充放气端；106—输气管；107—压力输出口；108—进气口；109—放气口；110—套筒支架；111—固定件；112—螺栓；113—固定件；114—螺栓；201—齿轮；202—法兰盘；203—固紧套；204—螺栓；205—连接销；301—齿轮；302—连接销；303—螺钉；304—平键；305—固定套；306—螺栓；401—齿轮；402—齿轮；403—螺钉；404—支撑板。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

参见图1，本发明提供的机器人关节驱动装置，包括控制系统，比例压力阀、电机驱动器、气动人工肌肉、直流伺服电机等组成的驱动部，关节部，主要部件为角度编码器的机器人关节转角测量部及肢体机构。

参见图2、图3、图4及图5，本发明所述气动人工肌肉驱动部1位于第二肢体6的上部，通过固定件固定于第二肢体6上，其前端通过拉伸钢缆101与固定在第一肢体5后端的转动轮13连接；直流伺服电机驱动部2通过固紧套203固定于第二肢体6的一侧，机器人关节部3通过螺栓306固定于第一肢体5的后端，通过螺栓固定于第二肢体6的前端，机器人关节转角测量部4位于机器人关节部3的上部，通过支撑板404用螺钉403固定于机器人关节部3的固定套305上，第一肢体5绕机器人关节部3做旋转运动。

本发明所述的气动人工肌肉驱动部1由气动人工肌肉7、比例压力阀8和压力传感器9组成，压力传感器9内置于气动人工肌肉7内，位于气动人工肌肉7的充放气端105，通过气动人工肌肉7的进出气口104用输气管106与比例压力阀8连接，气动人工肌肉7的充放气端105固定于第二肢体6上，气动人工肌肉7的缩放端102放置于固定于第二肢体6上的套筒支架110内，充放气端105通过固定件111用螺栓112固定于第二肢体6上，套筒支架110通过固定件113用螺栓114固定于第二肢体6上，气动人工肌肉7的拉伸钢缆101的一端固定于缩放端102，另一端缠绕在转动轮13上，端头固定于转动轮13的侧面，比例压力阀8、压力传感器9与控制系统连接。

本发明所述的直流伺服电机驱动部2，由减速器10，直流伺服电机11和电机调速编码器12组成一个整体，减速器10位于直流伺服电机驱动部2的前端，直流伺服电机11位于中间，电机调速编码器12位于后端，减速器10的输出轴端通过螺栓204固定在与第二肢体6固连的法兰盘202上，通过连接销205与齿轮201连接，直流伺服电机驱动部2通过固紧套203固定在第二肢体6上。

本发明所述的机器人关节部3，用于连接第一肢体5和第二肢体6，包括转动轮13，转动轴14和滚动轴承15，转动轴14通过转动轮13的中心孔贯穿整个机器人关节部3，一端通过连接销302与齿轮301连接，另一端安装滚动轴承15，用以支撑转动轴14，转动轮13通过螺钉303固定于第一肢体5上，通过平键304与转动轴14连接，齿轮301与减速器10输出轴端带动的齿轮201啮合。

本发明所述的机器人关节角度测量部用于测量第一肢体的转动角度与角速度，包括角度编码器10，固定于转动轮7上的齿轮401，和固定于角度编码器10上的齿轮402，齿轮401与齿轮402啮合；角度编码器10的法兰端面通过螺钉403固定在支撑板404上，支撑板404固定在第二肢体12上，角度编码器10与控制系统连接。

参见图6，本发明所述控制系统包括单片机、A/D转换器和D/A转换器。A/D转换器002的一端连接单片机001，另一端连接角度编码器16，A/D转换器003一端连接单片机001，另一端连接压力传感器9，A/D转换器004一端连接单片机001，另一端连接电机调速编码器12，D/A转换器005的一端连接单片机001，另一端连接比例压力阀8，D/A转换器006的一端连接电机控制器007，另一端连接电机驱动器008，电机控制器007的一端连接单片机001，另一端连接D/A转换器006，电机驱动器008的一端连接D/A转换器006，另一端连接直流伺服电机11。

下面结合图1-图6对本发明实施时的动作进行说明：

当第一肢体5绕关节沿顺时针方向旋转时，气动人工肌肉驱动部1为主驱动，在此过程中，直流伺服电机驱动部2对第一肢体5的旋转运动是不做功的，只是做跟随调速转动。按照图6所示的控制系统，单片机001根据人工肌肉充放气指令程序发出充气指令，该指令经D/A转换器005变为模拟电压值发送给比例压力阀8，该比例压力阀8打开进气口108，并根据电压值的大小调节产生相应压力的进入气流，后经压力输出口107、输气管106和气动人工肌肉7的进出气口104充入胶管103，使该胶管103沿径向膨胀而沿轴向收缩，产生沿轴向的拉动力，通过固定于缩放端102上的拉伸钢缆101，作用于机器人关节部的转动轮13，该转动轮13直接带动固定于其上的第一肢体5产生旋转运动；同时，单片机001上的压力差比较计算程序，接收来自A/D转换器003的，由气动人工肌肉7内置的压力传感器9生成的胶管103的内压信号，计算比例压力阀8输出的压力与气动人工肌肉7胶管103内的压力差，以此来调整人工肌肉的充放气指令，使该压力差符合要求；转动轮13在转动时，同时带动固定其上的齿轮401做同步转动，该齿轮401同时将转动传递给与其啮合的齿轮402，齿轮402固定于角度编码器16的输入轴端，因此转动轮的旋转运动最终由齿轮402同步传入角度编码器16，该编码器产生的转角信号，经A/D转换器002传入单片机001的电机跟随速度计算程序，该电机跟随速度程序同时接收当前电机调速编码器12的信号，根据计算的结果数据，产生电机的调速指令给电机控制器007，该电机控制器007生成用于直流伺服电机的数字调速信号，经D/A转换器006传送给电机驱动器008，该电机驱动器008最终输出用于直流伺服电机11的模拟电压信号，驱动该直流伺服电机11做跟随调速转动，确保直流伺服电机驱动部不阻碍气动人工肌肉驱动部1驱动第一肢体5的转动。

由于气动人工肌肉7是柔性元件，当驱动负载发生较大变化时，譬如，突然增加或减少负载量，或急停急动等情况发生时，会引发其胶管103沿轴向的颤动，造成不能快速准确的定位，同时也会造成人工肌肉系统的动态不稳定性。为了解决这一问题，本发明在单片机001上开发了电机定位控制指令程序，该程序通过A/D转换器002连续地接收角度编码器16的信号，当该信号发生突然波动时，根据波动瞬间之前的信号所确定的关节转动角度，实时调整电机转速与方向控制指令，通过对直流伺服电机11的速度与方向的快速调整来消除气动人工肌肉7的颤动，以保证第一肢体5的定位精度和动态稳定性。在此过程中，直流伺服电机11的输出功率根据调整速率的变化而变化。

当第一肢体5绕关节沿逆时针方向旋转时，直流伺服电机驱动部2为主驱动，在此过程中，气动人工肌肉驱动部1对第一肢体5的旋转运动是不做功的，只是跟随的放气，使其沿轴向产生跟随伸长复原。按图6所示的控制系统，单片机001根据电机转速方向控制指令程序发出直流伺服电机11的驱动指令，经电机控制器007、D/A转换器006和电机驱动器008，驱动直流伺服电机11做相应速度且方向与气动人工肌肉驱动部1驱动的方向相反的方向转动，通过齿轮201将减速器10的输出转动，经齿轮301通过连接销302传送给转动轴14，该转动轴14通过平键304带动转动轮13转动，而该转动轮13的转动又带动与其固定的第一肢体5，做与气动人工肌肉驱动部1驱动的方向相反的方向的转动；此时单片机001上的人工肌肉跟随速度计算程序，经A/D转换器002接收来自角度编码器16的关节转角信号，根据该关节转角信号的计算数据，由人工肌肉的充放气指令程序调整放气指令，放气信号经D/A转换器005发送给比例压力阀8，该比例压力阀8通过放气口109排气，使气动人工肌肉7的胶管103沿径向收缩，而使其沿轴向产生跟随伸长复原，由于胶管103是柔性体，这时在轴向不会产生推动力，只是跟随地放气，确保不阻碍第一肢体5沿反方向的转动。

另外，可以在第一肢体5的前端安装本发明所述的机器人关节部3及机器人关节转角测量部4，在第一肢体5上安装气动人工肌肉驱动部1及直流伺服电机驱动部2，在机器人关节部3上连接第三肢体，使第三肢体绕机器人关节部3做旋转运动，从而实现机器人多关节的驱动。

还可以将气动人工肌肉驱动部1安装在第二肢体6的侧面，而直流伺服电机驱动部2安装在第二肢体6的底部，从而实现第一肢体5在多个平面内的旋转运动。

Claims (7)

1.一种机器人的关节驱动装置，包括气动人工肌肉驱动部（1），直流伺服电机驱动部（2），机器人关节部（3），机器人关节转角测量部（4），第一肢体（5）和第二肢体（6），其特征在于：气动人工肌肉驱动部（1）位于第二肢体（6）的上部，通过固定件固定于第二肢体（6）上，其前端通过拉伸钢缆（101）与固定在第一肢体（5）后端的转动轮（13）连接；直流伺服电机驱动部（2）通过固紧套（203）固定于第二肢体（6）的一侧，其前端固联的齿轮（201）与固定在第一肢体（5）后端的齿轮（301）啮合；机器人关节部（3）通过螺钉将第一肢体（5）的后端与其转动轮（13）固定在一起，通过转动轴（14）铰接于第二肢体（6）的前端；机器人关节转角测量部（4）位于机器人关节部（3）的上部，通过支撑板（404）用螺钉（403）固定于机器人关节部（3）的固定套（305）上；第一肢体（5）绕机器人关节部（3）中的转动轴（14）做旋转运动。

2.根据权利要求1所述的机器人的关节驱动装置，其特征在于，所述气动人工肌肉驱动部（1）由气动人工肌肉（7）、比例压力阀（8）和压力传感器（9）组成，压力传感器（9）内置于气动人工肌肉（7）内，位于气动人工肌肉（7）的充放气端（105），通过气动人工肌肉（7）的进出气口（104）用输气管（106）与比例压力阀（8）连接，气动人工肌肉（7）的充放气端（105）固定于第二肢体（6）上，气动人工肌肉（7）的缩放端（102）放置于固定于第二肢体（6）上的套筒支架（110）内，充放气端（105）通过固定件（111）用螺栓（112）固定于第二肢体（6）上，套筒支架（110）通过固定件（113）用螺栓（114）固定于第二肢体（6）上，气动人工肌肉（7）的拉伸钢缆（101）的一端固定于缩放端（102），另一端缠绕在转动轮（13）上，端头固定于转动轮（13）的侧面，比例压力阀（8）、压力传感器（9）与控制系统连接。

3.根据权利要求1所述的机器人的关节驱动装置，其特征在于，所述直流伺服电机驱动部（2），由减速器（10），直流伺服电机（11）和电机调速编码器（12）组成，减速器（10）位于直流伺服电机驱动部（2）的前端，直流伺服电机（11）位于中间，电机调速编码器（12）位于后端，减速器（10）的输出轴端通过螺栓（204）固定在与第二肢体（6）固连的法兰盘（202）上，通过连接销（205）与齿轮（201）连接，直流伺服电机驱动部（2）通过固紧套（203）固定在第二肢体（6）上。

4.根据权利要求1所述的机器人的关节驱动装置，其特征在于，所述机器人关节部（3），用于连接第一肢体（5）和第二肢体（6），包括转动轮（13），转动轴（14）和滚动轴承（15），转动轴（14）通过转动轮（13）的中心孔贯穿整个机器人关节部（3），一端通过连接销（302）与齿轮（301）连接，另一端安装滚动轴承（15），用以支撑转动轴（14），转动轮（13）通过螺钉（303）固定于第一肢体（5）上，通过平键（304）与转动轴（14）连接，齿轮（301）与减速器（10）输出轴端带动的齿轮（201）啮合。

5.根据权利要求1或3或4所述的机器人的关节驱动装置，其特征在于，所述齿轮（201）和齿轮（301）为45°伞齿轮。

6.根据权利要求1所述的机器人的关节驱动装置，其特征在于，所述机器人关节转角测量部（4）包括角度编码器（16），固定于转动轮（13）上的齿轮（401），和固定于角度编码器（16）上的齿轮（402），角度编码器（16）的法兰端面通过螺钉（403）固定在支撑板（404）上，支撑板（404）固定在第二肢体（6）上，齿轮（401）与齿轮（402）啮合。

7.根据权利要求1所述的机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述控制系统，通过接收关节角度、电机转速、人工肌肉内压等信号数据，控制人工肌肉的充放气和直流伺服电机的转速与转向，由单片机，A/D转换器，D/A转换器，电机控制器和电机驱动器组成。

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