CN102830716A - 机械关节及仿生机械恐龙的颈部、尾部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械关节，包括第一支架和第二支架，第一支架上固定设有第一电机和转轴，第一电机与转轴轴线垂直；第二支架上固定设有第二电机，第一、第二电机为直流伺服减速电机且轴线相互垂直，第二电机与转轴的轴线平行，转轴转动设置在第二支架上，且转轴上固定设有第一齿轮；第二电机的电机轴上设有第二齿轮，第一、第二齿轮啮合。本发明，机械关节实现了类球关节的功能，并且结构紧凑、简单，同时在垂直关节上加装了扇形直齿轮减速机构，提高了垂直方向的电机的驱动力矩。在此基础上，本发明还提供了一种仿生机械恐龙颈部、尾部结构。

Description

机械关节及仿生机械恐龙的颈部、尾部结构

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颈部、尾部结构。

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。对于大型四足仿生机械恐龙而言，不仅需要能够行走，还需要能够实现上下、左右摇头和摆尾。并且，还可以通过上下、左右摇头和摆尾调节大型四足仿生机械恐龙的重心，从而提高大型四足仿生机械恐龙行走的稳定性。

在真实情况下，恐龙的摇头和摆尾类似于一个球关节，但是在实际上，并没有能够实现球关节的电机。因此，现有的大型四足仿生机械恐龙都不具备同时实现上下、左右摇头和摆尾功能，只能具有一个自由度，从而一方面限制了仿生效果，另一方面对行走稳定性的支持不够。

有鉴于此，需要对大型四足仿生机械恐龙的颈部和尾部关节进行优化设计，使其实现上下、左右摇头和摆尾功能，从而提高仿生效果，并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提高大型四足仿生机械恐龙的仿生效果和行走稳定性的问题。

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，所述第一支架上固定设有第一电机和转轴，所述第一电机与所述转轴的轴线垂直但不相交，且所述第一电机的电机轴上固定有连接件；所述第二支架上固定设有第二电机，所述第二电机与所述转轴的轴线平行，所述转轴转动设置在所述第二支架上，且转轴的一端伸出所述第二支架后固定设有第一齿轮；所述第一、第二电机为直流伺服减速电机且轴线相互垂直但不相交，所述第二电机的电机轴上设有第二齿轮，所述第一、第二齿轮啮合。

在上述机械关节中，所述第一支架包括第一U形板和第一连接板，所述第一U形板由上、下条形板以及第一后条形板组成；所述第一连接板的中心设有第一通孔且其前端面固定在所述第一后条形板的后端面中部；第一贯穿通孔沿上、下方向贯穿所述上、下条形板，且与所述第一通孔的轴线垂直但不相交；所述第一电机固定在所述上条形板的顶面上，第一电机的输出轴插装在所述第一贯穿通孔内；所述连接件设置在上条形板和下条形板之间，且套装在所述第一电机的电机轴上并通过键连接固定。

在上述机械关节中，所述第二支架包括第二U形板和第二连接板，所述第二U形板由左、右条形板以及第二后条形板组成，所述右条形板的后端向后延伸形成所述第二连接板；所述第二连接板的中心设有第二通孔，第二贯穿通孔沿左、右方向贯穿左、右条形板并与所述第二通孔的轴线平行；所述第一连接板设置在所述左、右条形板之间，所述转轴穿过所述第一通孔且两端转动设置在所述第二贯穿通孔内，所述转轴的伸出端与所述第一齿轮固定；所述第二电机固定在所述第二连接板的右端面上，第二电机的输出轴穿出所述第二通孔后与所述第二齿轮固定。

在上述机械关节中，所述第一齿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。

在上述机械关节中，所述机械关节的质心位于所述转轴的轴线上。

本发明还提供了一种包含有上述机械关节的仿生机械恐龙颈部结构，所述机械关节通过躯干连接件固定在仿生机械恐龙的躯干上。

在上述仿生机械恐龙颈部结构中，所述第二后条形板的上下两端分别设有安装孔，所述躯干连接件上设有两个上、下对称布置的直角弯板，所述直角弯板分别扣装在所述第二后条形板的上下两端并通过螺栓连接固定。

本发明还提供了一种包含有上述机械关节的仿生机械恐龙尾部结构，所述机械关节通过躯干连接件固定在仿生机械恐龙的躯干上。

在上述仿生机械恐龙尾部结构中，所述第二后条形板的上下两端分别设有安装孔，所述躯干连接件上设有两个上、下对称布置的直角弯板，所述直角弯板分别扣装在所述第二后条形板的上下两端并通过螺栓连接固定。

本发明，机械关节实现了类球关节的功能，并且结构紧凑、简单，同时在垂直关节上加装了扇形直齿轮减速机构，提高了垂直方向的电机的驱动力矩。

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的分解结构示意图；

图3为本发明中的第一支架结构示意图；

图4为本发明中的第二支架结构示意图；

图5为本发明中的第一齿轮结构示意图；

图6为本发明提供的仿生机械恐龙颈部结构示意图；

图7为图6中的A部放大图；

图8为本发明提供的仿生机械恐龙尾部结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的机械关节具有结构简单、紧凑，体积小的特点，非常适合应用于大型四足仿生机械恐龙的头、尾部。下面结合附图和在仿生机械恐龙上应用的具体实施例对本发明作出详细的说明。以下描述中，上下、左右以及前后方向的设定遵循以下原则，仿生机械恐龙的颈部为前，尾部为后。

如图1、图2所示，本发明提供的机械关节包括第一支架10和第二支架20，第一支架10上固定设有转轴50，转轴50的两端转动设置在第二支架20上。第一支架10上固定设有第一电机30，第二支架20上固定设有第二电机40，第一电机30和第二电机40均为直流伺服减速电机且轴线相互垂直但不相交，同时第二电机40的电机轴与转轴50的轴线平行。转轴50的一端穿出第二支架20后固定设有第一齿轮51，第二电机40的电机轴上设有第二齿轮52，第一、第二齿轮51、52相互啮合。

第一支架10的结构如图3所示，由第一U形板11和第一连接板12组成。第一U形板11包括上条形板13、下条形板14以及连接在上条形板13和下条形板14右端的第一后条形板15，第一连接板12固定在第一后条形板15的后端面中部，第一连接板12的自由端呈半圆形，且中心处设有一个第一通孔16。一个第一贯穿通孔17沿上、下方向贯穿上条形板13和下条形板14设置，第一贯穿通孔17与第一通孔16的轴线垂直但不相交。

再参见图1、图2，第一电机30通过法兰连接方式固定在第一支架10的上条形板13的顶面上，第一电机30的输出轴插装在第一贯穿通孔17内，连接件18套装在第一电机30的电机轴上且通过键连接，连接件18设置在上条形板13和下条形板14之间，用于固定仿生机械恐龙的颈部连杆或尾部连杆。

第二支架20的结构如图4所示，由第二U形板21和第二连接板22组成。第二U形板21包括左条形板23、右条形板24以及连接在左条形板23和右条形板24后端的第二后条形板25，右条形板24的后端向后延伸形成第二连接板22，第二连接板22的后端部呈半圆形且中心处设有第二通孔26，左条形板23和右条形板24的前端呈半圆形，第二贯穿通孔27沿左、右方向贯穿左条形板23和右条形板24设置，第二贯穿通孔27与第二通孔26的轴线平行。

第二电机40固定在第二连接板22的右端面上，第二电机40的输出轴穿出第二通孔26后与第二齿轮52固定，第一连接板12设置在左条形板23、右条形板24之间，转轴50穿过第一通孔16并通过键连接方式与第一支架10固定，转轴50的两端分别穿过第二支架20上的第二贯穿通孔27形成转动连接。转轴50的一端穿出第二贯穿通孔27后与第一齿轮51固定，第一、第二齿轮51、52相互啮合。

本发明提供的机械关节，当第一电机30转动时，驱动连接件18绕第一贯穿通孔17转动，实现机械恐龙的左右摆头或摆尾动作；当第二电机40转动时，通过第二齿轮52和第一齿轮51的啮合传动带动转轴50转动，由于转轴50与第一支架10通过键连接，因此，使第一支架10绕转轴50转动，实现机械恐龙的颈部或尾部俯仰动作。

为了减轻机械关节重量，本发明对第一齿轮51的结构进行了优化设计，如图5所示，第一齿轮51具有一个轴套部511和一个齿部512，轴套部511用于与转轴50连接，齿部52用于与第二齿轮52啮合。齿部512为扇形不完全齿轮，并通过扇形连接部513与轴套部511连接，扇形连接部513的厚度小于齿部512的厚度，且沿周向均布设有多个通孔514，通过扇形不完全齿轮形成的齿部512以及设置通孔514，既满足了使用要求，又可以大大减轻第一齿轮51的重量。

另外，如图2所示的左、右两部分重量相等，整个机械关节的质心落在转轴50的轴线上，这样，在控制系统进行稳定性控制计算时，整个机械关节在俯仰平面内可以简化为质点，便于控制系统实时计算质心位置。

本发明还提供了一种包含有上述机械关节的仿生机械恐龙颈部结构，如图6所示，本图中借用了图1－图4中的标号。

第一电机30的电机轴竖直设置，第二电机40的电机轴沿左右方向水平设置，连接件18呈方管状，固定连接颈部连杆60，颈部连杆60的另一端固定活动嘴巴70。

再参见图4、图7，第二后条形板25的上下两端分别设有安装孔28，仿生机械恐龙的躯干部设有两个上、下对称布置的直角弯板61，直角弯板61分别扣装在第二后条形板25的上下两端并通过螺栓连接固定。

仿生机械恐龙的躯干与第二后条形板25的这种连接方式，使得结构更加紧凑，便于杆件质心的简化，有利于控制系统在进行稳定性控制时，实时质心位置的计算。

本发明还提供的一种包含有上述机械关节的仿生机械恐龙尾部结构，如图8所示，本图中借用了图1－图4中的标号。

第一电机30的电机轴竖直设置，第二电机40的电机轴沿左右方向水平设置，连接件18呈圆管状。

机械关节与仿生机械恐龙的躯干部的连接与颈部的连接方式相同，在此不再赘述。

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 (9)

1.机械关节，其特征在于，包括：

第一支架，其上固定设有第一电机和转轴，所述第一电机与所述转轴的轴线垂直但不相交，且所述第一电机的电机轴上固定有连接件；

第二支架，其上固定设有第二电机，所述第二电机与所述转轴的轴线平行，所述转轴转动设置在所述第二支架上，且所述转轴的一端穿出所述第二支架后固定设有第一齿轮；

所述第一、第二电机为直流伺服减速电机且轴线相互垂直但不相交，所述第二电机的电机轴上设有第二齿轮，所述第一、第二齿轮啮合。

2.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于，

所述第一支架包括第一U形板和第一连接板，所述第一U形板由上、下条形板以及第一后条形板组成；所述第一连接板的中心处设有第一通孔且其前端面固定在所述第一后条形板的后端面中部；第一贯穿通孔沿上、下方向贯穿所述上、下条形板，且与所述第一通孔的轴线垂直但不相交；

所述第一电机固定在所述上条形板的顶面上，第一电机的输出轴插装在所述第一贯穿通孔内；所述连接件设置在上条形板和下条形板之间，且套装在所述第一电机的电机轴上并通过键连接固定。

3.如权利要求2所述的机械关节，其特征在于，其特征在于：

所述第二支架包括第二U形板和第二连接板，所述第二U形板由左、右条形板以及第二后条形板组成，所述右条形板的后端向后延伸形成所述第二连接板；所述第二连接板的中心处设有第二通孔，第二贯穿通孔沿左、右方向贯穿左、右条形板并与所述第二通孔的轴线平行；所述第一连接板设置在所述左、右条形板之间，所述转轴穿过所述第一通孔且两端转动设置在所述第二贯穿通孔内，所述转轴的伸出端与所述第一齿轮固定；

所述第二电机固定在所述第二连接板的右端面上，第二电机的输出轴穿出所述第二通孔后与所述第二齿轮固定。

4.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于：

所述第一齿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。

5.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于：

所述机械关节的质心位于所述转轴的轴线上。

6.仿生机械恐龙颈部结构，包括躯干连接件和与所述躯干连接件固定连接的机械关节，其特征在于，所述机械关节为权利要求2至5项任一项所述的机械关节。

7.如权利要求6所述的仿生机械恐龙颈部结构，其特征在于，

所述第二后条形板的上下两端分别设有安装孔，所述躯干连接件上设有两个上、下对称布置的直角弯板，所述直角弯板分别扣装在所述第二后条形板的上下两端并通过螺栓连接固定。

8.仿生机械恐龙尾部结构，包括躯干连接件和与所述躯干连接件固定连接的机械关节，其特征在于，所述机械关节为权利要求2至5项任一项所述的机械关节。

9.如权利要求8所述的仿生机械恐龙尾部结构，其特征在于，

所述第二后条形板的上下两端分别设有安装孔，所述躯干连接件上设有两个上、下对称布置的直角弯板，所述直角弯板分别扣装在所述第二后条形板的上下两端并通过螺栓连接固定。

Images