CN104385294A - 一种用于关节型机器人的柔性关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于关节型机器人的柔性关节，其特征在于该关节包括电机、关节连接板、电机架、联轴器、锥齿轮换向器、第一连接板、连接架、柔性输出端、第二连接板、支撑板、关节安装板和支撑端；关节连接板与关节安装板通过支撑板固连，电机通过螺栓与电机架固连，电机架通过螺栓与关节安装板固连；电机通过联轴器与锥齿轮换向器相连，锥齿轮换向器的输出轴一端从里向外依次通过柔性输出端套筒、第二支撑轴承与柔性输出端相连，锥齿轮换向器的输出轴的另一端从里向外依次通过支撑端套筒和第一支撑轴承与支撑端相连，所述支撑端与第一连接板相连。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术，具体为一种用于关节型机器人的柔性关节。
背景技术
四足机器人凭借其在行走过程中的离散接触特性，在复杂环境中的探索和工作，表现出了很强的适应性,尤其在有障碍物的通道(如管道、台阶、楼梯、斜坡)上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景。目前四足机器人的研究大多处于试验阶段,特别是机器人在步行过程中的可靠性、稳定性、速度以及与地面接触的柔性等方面仍然具有诸多问题。四足机器人在实际行走过程中，足部着地瞬间会产生巨大的冲力，这个冲力由足部通过腿部传递至机器人各关节及机身，以至于机器人各关节及机身均会产生剧烈振动，降低传感精度，损坏部分灵敏部件，并影响机器人运动的稳定性。尤其是机器人在快步行走过程中，更易产生连续剧烈振荡导致机体损害，使机器人无法工作。
如何降低机器人行走过程中与地面接触产生的冲力，降低机器人机身、传感器和各灵敏部件的损坏，是当前四足机器人进一步要研究的重要内容。为此，人们从生物界寻找到了灵感，对机器人腿部关节采用柔性仿生驱动的方式，降低机器人足部着地过程的冲击力，同时又可以完成既定任务，提高机器人的适应性。目前，四足机器人的驱动性能及良好地适应性主要取决于是否具有大功率的驱动装置，紧凑的仿生结构，精确的控制系统等。
关节柔性仿生驱动已成为目前四足机器人一个重要的研究方向，麻省理工学院的一位学者Pratt，首次将串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，SEA)应用到步行机器人的驱动。串联弹性驱动器将弹性元件串联在刚性驱动器之后,使其能够承受刚性驱动器的驱动力和负载反馈过来的力，实现精确地力控制。
如申请号为201110101853.0的中国专利公开了一种圆筒式的串联弹性驱动器，它包括：伺服电机、连接筒、编码器、联轴器、丝杠、推力圆柱、螺母、弹簧、弹簧驱动板、驱动筒、外壳和驱动输出端等。伺服电机还通过连接筒里的联轴器与丝杠相连，螺母圆周上开有三个成120°螺纹孔，每个螺纹孔处分别安装推力圆柱，三个推力圆柱的两侧分别安装弹簧驱动板，两个弹簧驱动板的外侧分别安装弹簧，驱动筒和驱动输出端相连。该结构虽然解决了机器人柔性的问题，但是其只能产生直线运动，不利于应用在四足机器人上；且该结构体积大，不利于机器人的实际应用和小型化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种用于关节型机器人的柔性关节，该关节具有生物仿生性能，结构紧凑、耗能低，工作效率高，可以实现柔性力输出。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种用于关节型机器人的柔性关节，其特征在于该关节包括电机、关节连接板、电机架、联轴器、锥齿轮换向器、第一连接板、连接架、柔性输出端、第二连接板、支撑板、关节安装板和支撑端；关节连接板与关节安装板通过支撑板固连，电机通过螺栓与电机架固连，电机架通过螺栓与关节安装板固连；电机通过联轴器与锥齿轮换向器相连，锥齿轮换向器的输出轴一端从里向外依次通过柔性输出端套筒、第二支撑轴承与柔性输出端相连，锥齿轮换向器的输出轴的另一端从里向外依次通过支撑端套筒和第一支撑轴承与支撑端相连，所述支撑端与第一连接板相连；所述柔性输出端包括弹簧安装架、弹簧和输出盘，所述弹簧安装架为四枝相同的十字型板状架，弹簧安装架的每枝的末端具有向两侧伸出的垂直短齿，所述弹簧安装架中心处设有带键槽的安装孔，平键通过键槽的安装孔将弹簧安装架与锥齿轮换向器的输出轴固连；所述输出盘安装通过第二支撑轴承固定在锥齿轮换向器的输出轴上，输出盘为环状圆盘，输出盘的内壁均匀分布有四个向盘心水平伸出的内凸板，内凸板顶端向两侧伸出弹簧固定齿，当弹簧安装架的四枝分别位于相邻两内凸板的中间位置时，弹簧安装架的垂直短齿正好与弹簧固定齿相对，且此时位于同一枝上的垂直短齿之间的连线及其与相邻弹簧固定齿的连线及其延长线能够组成正方形；所述弹簧分别安装于弹簧固定齿和短齿之间，共八条弹簧；输出盘的外侧面与第二连接板固连；第二连接板与第一连接板通过连接架固连。
与现有技术相比，本发明采用电机驱动，锥齿轮换向器以及旋转输出的形式，使得本发明结构相较于传统的直线型的串联弹性驱动器的结构更加紧凑，小巧，更加适用于关节型机器人；其次，本发明采用弹簧-锥齿轮换向器的串联弹性驱动器形式，能更好的实现动物仿生机理，能够储存和释放能量，实现柔性输出，能量利用率高；再次，本发明在弹簧安装架和输出盘间对称安装弹簧不仅可以起到减震缓冲的作用，减少刚性冲击，提高关节关键部件如电机和减速器的使用寿命，同时该结构的设置提高了关节部位的耐扰动性，可直接实现关节部位的回转运动，活动范围更大。本发明还为设计具有较强环境适应能力的机器人奠定基础，具有较高应用前景。
附图说明
图1为本发明用于关节型机器人的柔性关节一种实施例的立体结构示意图；
图2为本发明用于关节型机器人的柔性关节一种实施例的柔性输出端8的结构示意图；
图3为本发明用于关节型机器人的柔性关节一种实施例的俯视结构示意图；
图中：1-电机，2-关节连接板，3-电机架，4-联轴器，5-锥齿轮换向器，6-第一连接板，7-连接架，8-柔性输出端，9-第二连接板，10-支撑板，11-关节安装板，12-支撑端；801-弹簧安装架，802-平键，803-弹簧，804-输出盘，805-第二支撑轴承，806-柔性输出端套筒，8041-内凸板，121-第一支撑轴承，122-支撑端套筒。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。
本发明用于关节型机器人的柔性关节(简称关节，参见图1-3)包括电机1、关节连接板2、电机架3、联轴器4、锥齿轮换向器5、第一连接板6、连接架7、柔性输出端8、第二连接板9、支撑板10、关节安装板11和支撑端12；关节连接板2与关节安装板11通过支撑板10固连，电机1通过螺栓与电机架3固连，电机架3通过螺栓与关节安装板11固连；电机1通过联轴器4与锥齿轮换向器5相连，锥齿轮换向器5的输出轴一端从里向外依次通过柔性输出端套筒806、第二支撑轴承805与柔性输出端8相连，锥齿轮换向器5的输出轴的另一端通过支撑端套筒122和第一支撑轴承121与支撑端12相连，所述支撑端12与第一连接板6相连；所述柔性输出端8包括弹簧安装架801、弹簧803和输出盘804，所述弹簧安装架801为四枝相同的十字型板状架，弹簧安装架801的每枝的末端具有向两侧伸出的垂直短齿，所述弹簧安装架801中心处设有带键槽的安装孔，平键802通过键槽的安装孔将弹簧安装架801与锥齿轮换向器5的输出轴固连；所述输出盘804安装通过第二支撑轴承805固定在锥齿轮换向器5的输出轴上，输出盘804为环状圆盘，输出盘804的内壁均匀分布有四个向盘心水平伸出的内凸板8041，内凸板8041顶端向两侧伸出弹簧固定齿，当弹簧安装架801的四枝分别位于相邻两内凸板8041的中间位置时，弹簧安装架801的垂直短齿正好与弹簧固定齿相对，且此时位于同一枝上的垂直短齿之间的连线及其与相邻弹簧固定齿的连线及其延长线能够组成正方形；所述弹簧803分别安装于弹簧固定齿和短齿之间，共八条弹簧；输出盘804的外侧面与第二连接板9固连；第二连接板9与第一连接板6通过连接架7固连。
本发明的动力传输的具体过程是：电机1连接联轴器4将动力传至1:1的锥齿轮换向器5，锥齿轮换向器5的输出轴一端与柔性输出端8相连，这时锥齿轮换向器5的输出轴转动并带动弹簧安装架801旋转，对位于同一枝上两侧的弹簧803分别进行压缩和拉伸，弹簧803推动输出盘804转动进而传递动力，同时弹簧803起到缓冲作用实现柔性力输出；由于八条弹簧分4组对称布置，当电机1反向转动时，同一枝上两侧的弹簧803受力改变分别由原来的压缩和拉伸改变为拉伸和压缩，依然可以实现动力传递，输出柔性力；输出盘804将动力传至第二连接板9，输出动力。此外，锥齿轮换向器5的输出轴另一端通过支撑端套筒122、第一支撑轴承121与支撑端12相连，支撑端12与第一连接板6相连，第一连接板6跟随第二连接板9一块转动，实现了锥齿轮换向器5的输出轴与第一连接板6的相对转动，柔性输出端8通过安装在锥齿轮换向器5的输出轴上的柔性输出端套筒806、第二支撑轴承805实现与锥齿轮换向器5的相对转动，最终实现柔性力的连续输出。
本发明在使用时通过连接在第一连接板6和第二连接板9上的关节架7与机器人腿部或者下一关节相连，安装方便，操作简单，可提高该关节使用范围。该关节柔性输出端8上的弹簧803起到减震缓冲的作用，减少刚性冲击，提高关节关键部件如电机1和锥齿轮换向器5的使用寿命；并且弹簧803可以储存和释放能量，提高能量使用效率，耗能较低。本发明结构简单紧凑、耗能较低、工作效率高，同时可以降低机器人行走过程中的冲击力，进一步提高了机器人各个部件的使用寿命。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (1)
1.一种用于关节型机器人的柔性关节，其特征在于该关节包括电机、关节连接板、电机架、联轴器、锥齿轮换向器、第一连接板、连接架、柔性输出端、第二连接板、支撑板、关节安装板和支撑端；关节连接板与关节安装板通过支撑板固连，电机通过螺栓与电机架固连，电机架通过螺栓与关节安装板固连；电机通过联轴器与锥齿轮换向器相连，锥齿轮换向器的输出轴一端从里向外依次通过柔性输出端套筒、第二支撑轴承与柔性输出端相连，锥齿轮换向器的输出轴的另一端从里向外依次通过支撑端套筒和第一支撑轴承与支撑端相连，所述支撑端与第一连接板相连；所述柔性输出端包括弹簧安装架、弹簧和输出盘，所述弹簧安装架为四枝相同的十字型板状架，弹簧安装架的每枝的末端具有向两侧伸出的垂直短齿，所述弹簧安装架中心处设有带键槽的安装孔，平键通过键槽的安装孔将弹簧安装架与锥齿轮换向器的输出轴固连；所述输出盘安装通过第二支撑轴承固定在锥齿轮换向器的输出轴上，输出盘为环状圆盘，输出盘的内壁均匀分布有四个向盘心水平伸出的内凸板，内凸板顶端向两侧伸出弹簧固定齿，当弹簧安装架的四枝分别位于相邻两内凸板的中间位置时，弹簧安装架的垂直短齿正好与弹簧固定齿相对，且此时位于同一枝上的垂直短齿之间的连线及其与相邻弹簧固定齿的连线及其延长线能够组成正方形；所述弹簧分别安装于弹簧固定齿和短齿之间，共八条弹簧；输出盘的外侧面与第二连接板固连；第二连接板与第一连接板通过连接架固连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160203 |