CN102795274A

CN102795274A - 机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构

Info

Publication number: CN102795274A
Application number: CN2012103011920A
Authority: CN
Inventors: 韩晓建; 朱位; 孙宇; 齐威
Original assignee: Yu Bo (beijing) Culture Co Ltd
Current assignee: Yu Bo (beijing) Culture Co Ltd
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明公开了一种机械关节，机械关节，包括第一支架和第二支架，所述第一支架包括第一、第二侧板以及伺服电机，所述第一、第二侧板平行设置，所述伺服电机固定在所述第一、第二侧板之间，所述伺服电机的输出端固定连接一个蜗杆；所述第二支架的一端固定设有一转轴，所述第一、第二侧板的一端分别转动设置在所述转轴的两端，所述转轴的中部固定设有蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆啮合。本发明，利用板式结构取代箱式结构，结构紧凑、简单，大大降低了整体重量，并且传动机构采用了蜗杆结构，具有自锁性，提高了伺服电机的使用寿命。在此基础上，本发明还提供了一种仿生机械恐龙的腿部结构。

Description

机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构

技术领域

本发明涉及四足机器人，具体涉及机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构。

背景技术

机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它综合了机械、微电子与计算机、自动控制、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，是机电一体化技术的典型载体。大型四足仿生机械恐龙是四足步行机器人的一种重要应用，广泛应用于娱乐、影视等领域。

众所周知，仿生机械恐龙的各种动作都是通过各个关节的运动实现的。其中，仿生机械恐龙最基本的动作是行走动作，行走动作的实现主要是通过腿部关节结构实现的。

现有机械恐龙的腿部结构主要由大腿关节和小腿关节两个机械关节组成，用于实现大腿和小腿的屈伸，完成抬腿动作。但是，现有机械恐龙的腿部结构中的机械关节存在以下一些缺陷：

（1）结构笨重。现有的机械关节一般采用箱式结构，重量较大，因此需要选用大功率驱动电机，自重较重、成本较高。

（2）安全性差。由于大型四足仿生机械恐龙的整体重量较大，因此，腿部结构中的机械关节多采用齿轮传动以提高驱动力。但是，齿轮传动不具有自锁性，在运动过程中，容易出现倒转等不稳定因素。

（3）采用现有腿部结构的机械恐龙稳定性较差。对于大型四足仿生机械恐龙而言，行走的稳定性控制是非常重要的，现有的控制方法是通过调整腿部姿态控制整体重心位于立足点所围区域内，但是，这种方式的调整难度较大，稳定性较差。

有鉴于此，需要对大型四足仿生机械恐龙的腿部结构进行优化设计，使其具有结构简单，重量轻，并且具有三个自由度，从而可以使机械恐龙通过左、右侧倾来进一步调整重心，提高大型四足仿生机械恐龙行走的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决如何简化大型四足仿生机械恐龙的腿部结构，提高行走稳定性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种机械关节，包括第一支架和第二支架，所述第一支架包括第一、第二侧板以及伺服电机，所述第一、第二侧板平行设置，所述伺服电机固定在所述第一、第二侧板之间，所述伺服电机的输出端固定连接一个蜗杆；所述第二支架的一端固定设有一转轴，所述第一、第二侧板的一端分别转动设置在所述转轴的两端，所述转轴的中部固定设有蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆啮合。

在上述机械关节中，所述蜗轮具有一个轴套部和一个齿部，所述齿部为扇形不完全蜗轮，并通过扇形连接部与所述轴套部连接，所述扇形连接部的厚度小于齿部的厚度，且沿周向均布设有多个通孔。

在上述机械关节中，所述转轴的两端分别设有滚动轴承，所述滚动轴承的两侧分别设有第一、二挡板，所述第一、第二侧板的一端分别套装在所述滚动轴承上并通过所述第一、第二挡板轴向限位。

在上述机械关节中，所述伺服电机为减速电机。

本发明还提供了一种仿生机械恐龙的腿部结构，包括依次连接的髋关节、大腿关节和小腿关节，所述髋关节、大腿关节和小腿关节采用如权利要求1所述的机械关节，所述大腿关节和小腿关节的转轴轴线平行，所述髋关节的转轴轴线与所述大腿关节的转轴轴线垂直。

在上述仿生机械恐龙腿部结构中，所述髋关节上的第二支架的两端分别设有第一、第二缺口，所述第一、第二缺口上分别设有贯穿其缺口侧壁的第一、第二贯穿通孔，所述第一、第二贯穿通孔的轴线相互垂直，所述转轴穿装在所述第一贯穿通孔内。

在上述仿生机械恐龙腿部结构中，所述第一、第二侧板的一端具有一个弧形凸出部，另一端具有一个与所述弧形凸出部相适配的弧形凹陷部，所述弧形凸出部的一侧设有一个矩形凸出部，所述伺服电机倾斜设置且固定在所述矩形凸出部上。

在上述仿生机械恐龙腿部结构中，所述侧板上以及所述矩形凸出部上分别开有通孔。

在上述仿生机械恐龙腿部结构中，所述髋关节的第二支架具有一个四棱柱状的支架主体，所述第一、第二缺口分别设置在所述支架主体的两端，所述支架主体的侧壁上分别设有贯通的矩形通孔。

在上述仿生机械恐龙腿部结构中，所述转轴通过键与所述第一贯穿通孔连接。

本发明，利用板式结构取代箱式结构，结构紧凑、简单，大大降低了整体重量，并且传动机构采用了蜗杆结构，具有自锁性，提高了伺服电机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的机械关节立体结构示意图；

图2为图1所示的机械关节内部结构示意图；

图3为图1所示的机械关节侧视图；

图4为本发明中的第一支架的结构示意图；

图5为本发明中的第二支架的结构示意图；

图6为图5所示第二支架与转轴、齿轮的分解装配构示意图；

图7为本发明中的齿轮结构示意图；

图8为本发明提供的仿生机械恐龙腿部结构结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的机械关节具有结构简单、紧凑，体积小，重量轻等优点，而且该机械关节具有三个自由度，非常适合应用于大型四足仿生机械恐龙。下面结合附图和具体实施例对本发明作出详细的说明。

图1为本发明提供的机械关节立体结构示意图，图2为图1所示的机械关节内部结构示意图（除去第一或第二侧板），图3为图1所示的机械关节侧视图，如图1、图2、图3所示，机械关节包括第一支架10和第二支架20。第一支架10的结构如图4所示，包括第一、第二侧板11、12以及伺服电机13，第一、第二侧板11、12平行设置，伺服电机13固定在第一、第二侧板11、12之间，伺服电机13为减速电机，其输出端固定连接一个蜗杆14。第二支架20的下端固定设有一转轴21，第二支架20的上端设有与相邻关节连接的安装孔，转轴21的两端分别转动设置在第一、第二侧板11、12上，转轴21的中部通过键连接固定设有蜗轮22，蜗轮22与蜗杆14啮合。伺服电机13转动时，通过蜗杆14带动蜗轮22转动，由于蜗轮22与第二支架20固定，因此，第二支架20随伺服电机13的转动而转动，使第一支架10与第二支架20之间的夹角增大或减小。

再参见图5、图6，图5为本发明中的第二支架的结构示意图，图6为图5所示第二支架的分解结构示意图。第二支架20的下端设有第一缺口27，蜗轮22位于第一缺口27内且与转轴21通过键连接，同时，键也将转轴21和第二支架20连接。转轴21的两端伸出第二支架20后分别设有滚动轴承23，滚动轴承23的两侧分别设有第一、二挡板24、25，第一挡板24呈圆片状，第二挡板25具有一个圆片状挡板本体251，且挡板本体251的中心处设有一个轴套252，第一、二挡板24、25分别设置在第一缺口27的一个侧壁的两侧，第一、第二侧板11、12的上端分别套装在滚动轴承23上，且第二挡板25上的轴套252同时套装在滚动轴承23的外圈上，盖板26设置在第二挡板25的外侧，第一、第二挡板24、25以及盖板26均固定在第一缺口27的侧壁上，第一挡板24通过转轴21上的轴肩进行轴向限位，第一、第二挡板24、25用于防止第一、第二侧板11、12沿转轴21的轴向移动，盖板26用于封堵转轴21上的键，防止键滑出，滚动轴承23的内圈则通过转轴21上的弹簧挡圈限位。第二挡板25的结构，可以使第一、第二侧板的厚度小于滚动轴承的厚度，减轻了第一、第二侧板的重量。

为了减轻机械关节重量，本发明对蜗轮21的结构进行了优化设计，如图7所示，蜗轮21具有一个轴套部211和一个齿部212，轴套部211用于与转轴21连接，齿部212用于与蜗杆14啮合。齿部212为扇形不完全蜗轮，并通过扇形连接部213与轴套部211连接，扇形连接部213的厚度小于齿部212的厚度，且沿周向均布设有多个通孔214，通过扇形不完全蜗轮形成的齿部212以及设置通孔214，既满足了使用要求，又可以大大减轻蜗轮21的重量。

第一、第二侧板11、12结构相同，下面第一侧板12为例进行说明。如图1、图4所示，第二侧板12的一端具有一个弧形凸出部121，另一端具有一个与弧形凸出部121相适配的弧形凹陷部122，弧形凸出部122的一侧设有一个倾斜设置的矩形部123，伺服电机13倾斜设置且固定在矩形部123上。第二侧板12以及矩形部123上分别开有通孔124，从而进一步减轻了第二侧板12的重量。

本发明还提供了一种仿生机械恐龙的腿部结构（仿生机械恐龙的机械腿），采用了开链式机构，具有三个自由度，关节驱动方式为伺服电机，传动减速器采用了蜗轮蜗杆减速器，在仿生恐龙需要外轮廓包装的基本原则下，尽量减小腿部外包装直径的大小。如图8所示，腿部结构包括依次连接的髋关节100、大腿关节200和小腿关节300，小腿关节300和下端固定设有减震橡胶垫块400。

髋关节、大腿关节和小腿关节均采用上述结构的机械关节，其中大腿关节和小腿关节的转轴轴线相互平行，大腿关节中的第一支架与小腿关节中的第二支架固定，大腿关节和小腿关节中的伺服电机的轴线方向沿腿部连杆方向（第一、第二侧板的纵向）设置；髋关节的转轴轴线与大腿关节的转轴轴线相互垂直，髋关节中的第一支架与大腿关节中的第二支架固定，髋关节中的伺服电机的轴线朝向躯体内部。这样，通过髋关节可以改变大腿关节和小腿关节与髋关节之间在左、右方向上的夹角，实现机械恐龙的左、右侧倾动作，通过大腿关节和小腿关节可以改变二者之间的夹角，实现抬腿、落腿动作。

再参见图8，大腿关节和小腿关节中的伺服电机均位于相应关节中的齿轮下方，这样，使得腿部结构更加紧凑。另外，在上述腿部结构中，大腿关节中的第二支架的下端分别与小腿关节中第一支架的第一、第二侧板上端内侧固定，这样，大腿关节中的第一、第二侧板下端的弧形凹陷部与小腿关节中第一支架的第一、第二侧板上端的弧形凸出部相对应，可以避免在转动过程中产生干涉。而髋关节的第二支架较长，上部用于与机械恐龙的躯干固定连接，如图6所示，髋关节的第二支架具有一个四棱柱状的支架主体110，第一、第二缺口27、28分别设置在支架主体110的两端，第一、第二缺口27、28上分别设有贯穿其侧壁的第一、第二贯穿通孔111、112，第一、第二贯穿通孔111、112的轴线相互垂直，转轴21穿装在第一贯穿通孔111内，并通过键结构固定连接，支架主体110的侧壁上分别设有贯通的矩形通孔113，用于减轻支架主体110的重量，且第一、第二缺口27、28的端部呈圆弧形，可以避免转动过程中产生干涉。

综上所述，本发明提供的仿生机械恐龙的腿部结构具有以下突出的优点：

（1）增加了髋关节，从而使机械恐龙可以左、右侧倾，方便了行走稳定性的调节。

（2）结构简单、紧凑。利用板式结构取代箱式结构，大大降低了整体重量。

（3）传动机构采用了蜗杆结构，具有自锁性，因此，在机械恐龙停止运动的状态下，各关节能够继续保持原有的状态，保持稳定性；并且伺服电机不受力，提高了伺服电机的使用寿命。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.机械关节，其特征在于，包括：

第一支架，所述第一支架包括第一、第二侧板以及伺服电机，所述第一、第二侧板平行设置，所述伺服电机固定在所述第一、第二侧板之间，所述伺服电机的输出端固定连接一个蜗杆；

第二支架，其一端固定设有一转轴，所述第一、第二侧板的一端分别转动设置在所述转轴的两端，所述转轴的中部固定设有蜗轮，所述蜗轮与所述蜗杆啮合。

2.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于，

所述蜗轮具有一个轴套部和一个齿部，所述齿部为扇形不完全齿轮，并通过扇形连接部与所述轴套部连接，所述扇形连接部的厚度小于齿部的厚度，且沿周向均布设有多个通孔。

3.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于：

所述转轴的两端分别设有滚动轴承，所述滚动轴承的两侧分别设有第一、二挡板，所述第一、第二侧板的一端分别套装在所述滚动轴承上并通过所述第一、第二挡板轴向限位。

4.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于：

所述伺服电机为减速电机。

5.仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于包括依次连接的髋关节、大腿关节和小腿关节，所述髋关节、大腿关节和小腿关节采用如权利要求1所述的机械关节，所述大腿关节和小腿关节的转轴轴线平行，所述髋关节的转轴轴线与所述大腿关节的转轴轴线垂直。

6.如权利要求5所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，

所述髋关节的第二支架的两端分别设有第一、第二缺口，所述第一、第二缺口上分别设有贯穿其缺口侧壁的第一、第二贯穿通孔，所述第一、第二贯穿通孔的轴线相互垂直，所述转轴穿装在所述第一贯穿通孔内。

7.如权利要求6所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于：

所述第一、第二侧板的一端具有一个弧形凸出部，另一端具有一个与所述弧形凸出部相适配的弧形凹陷部，所述弧形凸出部的一侧设有一个矩形凸出部，所述伺服电机倾斜设置且固定在所述矩形凸出部上。

8.如权利要求7所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于：

所述侧板上以及所述矩形凸出部上分别开有通孔。

9.如权利要求6所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于：

所述髋关节的第二支架具有一个四棱柱状的支架主体，所述第一、第二缺口分别设置在所述支架主体的两端，所述支架主体的侧壁上分别设有贯通的矩形通孔。

10.如权利要求9所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于：所述转轴通过键与所述第一贯穿通孔连接。