CN104626189B - 娱乐机器人球面三自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种娱乐机器人球面三自由度并联机构，包括三棱柱支架、驱动单元和动平台，驱动单元包括安装在三棱柱支架上的三个结构相同的驱动分支机构，驱动分支机构包括电机、轴承座、齿轮组和弧形杆，弧形杆包括圆弧摆杆、圆弧连杆，圆弧摆杆与圆弧连杆铰接，圆弧连杆与动平台铰接，动平台上设有对弧形连杆进行轴向限位的轴向压扣。工作时，由三个独立的驱动分支机构控制，动平台绕同一点作三个自由度的球面转动，使得娱乐机器人能够更逼真的实现类似人体腰部、肩部的动作。

Description

娱乐机器人球面三自由度并联机构

技术领域

本发明涉及一种娱乐机器人，尤其涉及一种娱乐机器人球面三自由度并联机构。

背景技术

当今流行的第四代主题公园中采用了大量的娱乐机器人来营造各种气氛，尤其是高仿真机器人，可带给游客新奇、刺激、难忘的游乐体验，提高主题公园的品质和知名度，以吸引更多的游客去参观游乐。

然而这些仿真机器人大多数单关节自由度比较少或多自由度时采用串联方式，动作比较简单，不够灵活逼真，或多自由度时机构比较庞大。随着第四代主题公园的发展，对高仿真机器人要求越来越高，需要有更逼真的模拟人体关节运动的机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、灵活逼真的娱乐机器人球面三自由度并联机构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的娱乐机器人球面三自由度并联机构，包括三棱柱支架、驱动单元和动平台，所述驱动单元包括安装在所述三棱柱支架上的三个结构相同的驱动分支机构，所述动平台为一空心圆柱状平台，三个所述的驱动分支机构分别与所述动平台相连。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的娱乐机器人球面三自由度并联机构，由于包括三棱柱支架、驱动单元和动平台，所述驱动单元包括安装在所述三棱柱支架上的三个结构相同的驱动分支机构，动平台为一空心圆柱状平台，三个驱动分支机构分别与动平台相连，使得娱乐机器人能够更逼真的实现类似人体腰部、肩部的动作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的娱乐机器人球面三自由度并联机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的娱乐机器人球面三自由度水平旋转后的状态结构示意图；

图3为本发明实施例提供的娱乐机器人球面三自由度倾斜后的状态结构示意图。

图中：

100、娱乐机器人球面三自由度并联机构，110、三棱柱支架，120、驱动单元，130、动平台，1201、电机，1202、电机座，1203、联轴器，1204、轴承座，1205、小齿轮，1206、大齿轮，1207、圆弧摆杆，1208、圆弧连杆，1209、滚子轴承，1301、台体，1302、轴向压扣。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的娱乐机器人球面三自由度并联机构，其较佳的具体实施方式是：

包括三棱柱支架、驱动单元和动平台，所述驱动单元包括安装在所述三棱柱支架上的三个结构相同的驱动分支机构，所述动平台为一空心圆柱状平台，三个所述的驱动分支机构分别与所述动平台相连。

所述三棱柱支架为中空结构，其三个棱面结构相同，每个棱面安装一个所述的驱动分支机构，每个棱面上分别设有运动范围限制槽。

所述驱动分支机构包括电机、轴承座、齿轮组和弧形杆，所述齿轮组包括相互啮合的大齿轮、小齿轮，所述电机通过电机座固定在所述三棱柱支架上，所述电机的输出轴通过联轴器与所述小齿轮连接，所述小齿轮安装在所述轴承座上，所述轴承座固定在所述三棱柱支架上，所述大齿轮通过弧形杆与所述动平台连接。

所述弧形杆包括圆弧摆杆、圆弧连杆，所述圆弧摆杆的一端固定在所述大齿轮上，另一端与所述圆弧连杆铰接，所述圆弧连杆的另一端与所述动平台铰接，所述动平台上设有对所述弧形连杆进行轴向限位的轴向压扣。

所述大齿轮安装在滚子轴承上，三个滚子轴承的轴心交汇于一点，所述圆弧摆杆弧度与所述圆弧连杆的弧度之和等于2π/3，所述圆弧摆杆与圆弧连杆的圆弧中心交于同一点，且这一点为所述三个滚子轴承的轴心交汇点，亦为所述动平台的自由度转动中心点。

所述动平台上设有三个孔与三个圆弧连杆铰接，这三个孔轴心均布在同一平面并交于一点，彼此错开120°。

所述电机为伺服电机，所述伺服电机的尾部设有位置传感器，所述伺服电机位置和传感器分别与控制系统连接。

所述控制系统包括处理中心、存储模块、输入模块、控制模块、输出模块，所述娱乐机器人球面三自由度并联机构的动作先由处理中心根据输出动作要求反向求解计算得出执行件的动作指令并存储于所述存储模块，所述输入模块接收操作者所需姿态动作的输入信息，所述控制模块根据不同输入信息，读取不同姿态动作的动作指令，所述输出模块根据输入信息输出对应的动作指令驱动各伺服电机运动。

本发明的娱乐机器人球面三自由度并联机构，工作时，由三个独立的驱动单元控制，输出动平台绕同一点作三个自由度的球面转动，使得娱乐机器人能够更逼真的实现类似人体腰部、肩部的动作。解决了娱乐机器人关节，特别是腰部、肩部等三自由度球关节不够灵活问题。

具体实施例：

请参阅图1，一种娱乐机器人球面三自由度并联机构100，包含三棱柱支架110，驱动单元120以及动平台130。所述三棱柱每个面设置有安装槽、螺纹孔和限位槽，用于安装驱动单元120以及限制驱动单元120的运动范围，且每个面结构完成一致；所述驱动单元由三个驱动分支机构组成，每个单元通过圆弧连杆1208与动平台铰接。每个单元独立控制，形成三个自由度，从而实现娱乐机器人关节多种姿态变化，动作灵活。

具体到本实例中，本机构为并联机构，连杆之间有严格的几何关系，齿轮之间有严格的传动速比，可以通过计算出机构单个驱动单元的运动关系表达式，并将所述运动关系表达式写入Maya软件，同时将球面三自由度机构模型导入Maya软件，拖动动平台130设计各种姿态动作所需要的动画，然后反向求解驱动输入值并输出动画脚本值，所述脚本值即本实施例中所述的各种姿态动作所需的动作指令。

还请参阅图1，具体到本实例中，所述驱动部分包含三个结构一致、运动独立的驱动单元。每个单元包含：电机1201、电机座1202、联轴器1203、轴承座1204、小齿轮1205、大齿轮1206、圆弧摆杆1207、圆弧连杆1208、交叉滚子轴承1209等部件。电机1201通过电机座1202安装在三棱柱支架上，电机输出轴通过联轴器1203与可转动的小齿轮1205连接。小齿轮1205与大齿轮1206啮合，旋转轴呈90分布，且具有大减速比以起到放大扭矩降低速度的作用。大齿轮1206通过螺钉同心固定在可转动的轴承1209内圈上，内圈同时装配有限位装置，保证机构在有效的范围内运动。轴承外圈通过螺钉固定在三棱柱上。三个驱动单元120的轴承轴心以及三棱柱轴心交于一点，比如为A点。A点为动平台的球面转动中心。大齿轮1206与圆弧摆杆1207使用键块、螺钉紧固装配，圆弧摆杆转动中心与大齿轮中心一致。圆弧摆杆1207另一端与圆弧连杆1208铰接，无论圆弧摆杆1207还是圆弧连杆1208，其弧形中心均为A点，且两者的弧度之和为2π/3，摆杆弧度小于连杆弧度。动平台1301圆柱面上呈120°均布有3个孔，孔的轴心交于A点，且分别与圆弧连杆1208铰接，为防止轴向窜动，增加压扣1302。动平台上端面提供平面输出接口。

还请参阅图1，具体到本实例中，所述三圆弧摆杆1207呈竖直状态时，一般设置为机构的起始位。圆弧摆杆1207左右可作对称范围内的摆动。只要保证三驱动分支机构电机1201同时运动且角度相同和方向一致时，那么动平台1301保持水平状态。

请参阅图2，具体到本实例中，所述三驱动分支机构电机1201同时运动，且角度和方向一致，动平台将做左右水平转动，比如可以实现类似娱乐机器人转腰。

请参阅图3，具体到本实例中，所述三驱动分支机构电机1201依据脚本的输入转动不同角度时，动平台将输出任意方向的倾斜。比如实现类似娱乐机器人弯腰、侧腰等动作。

具体到本实施例中，包括位置传感器，设置于所述驱动单元120，且与所述控制系统连接，反馈球面三自由度并联机构的位置信号给控制系统。位置传感器是用来测量机构自身位置的传感器，并且将机构的位置信息转化为输出信号，传递给控制系统，控制系统通过控制驱动单元对机构各个单元的位置进行调节，避免机构运动位置出现偏差。

具体到本实例中，所述驱动单元120为伺服电机驱动装置。伺服电机具有响应速度快、运行精度高，高速性能好，过载能力强等特点，故而更好的表现娱乐机器人关节的灵活性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种娱乐机器人球面三自由度并联机构，其特征在于，包括三棱柱支架、驱动单元和动平台，所述驱动单元包括安装在所述三棱柱支架上的三个结构相同的驱动分支机构，所述动平台为一空心圆柱状平台，三个所述的驱动分支机构分别与所述动平台相连；

所述三棱柱支架为中空结构，其三个棱面结构相同，每个棱面安装一个所述的驱动分支机构，每个棱面上分别设有运动范围限制槽；

所述驱动分支机构包括电机、轴承座、齿轮组和弧形杆，所述齿轮组包括相互啮合的大齿轮、小齿轮，所述电机通过电机座固定在所述三棱柱支架上，所述电机的输出轴通过联轴器与所述小齿轮连接，所述小齿轮安装在所述轴承座上，所述轴承座固定在所述三棱柱支架上，所述大齿轮通过弧形杆与所述动平台连接；

所述电机为伺服电机，所述伺服电机的尾部设有位置传感器，所述伺服电机和位置传感器分别与控制系统连接；

所述控制系统包括处理中心、存储模块、输入模块、控制模块、输出模块，所述娱乐机器人球面三自由度并联机构的动作先由处理中心根据输出动作要求反向求解计算得出执行件的动作指令并存储于所述存储模块，所述输入模块接收操作者所需姿态动作的输入信息，所述控制模块根据不同输入信息，读取不同姿态动作的动作指令，所述输出模块根据输入信息输出对应的动作指令驱动各伺服电机运动。

2.根据权利要求1所述的娱乐机器人球面三自由度并联机构，其特征在于，所述弧形杆包括圆弧摆杆、圆弧连杆，所述圆弧摆杆的一端固定在所述大齿轮上，另一端与所述圆弧连杆铰接，所述圆弧连杆的另一端与所述动平台铰接，所述动平台上设有对所述弧形连杆进行轴向限位的轴向压扣。

3.根据权利要求2所述的娱乐机器人球面三自由度并联机构，其特征在于，所述大齿轮安装在滚子轴承上，三个滚子轴承的轴心交汇于一点，所述圆弧摆杆弧度与所述圆弧连杆的弧度之和等于2π/3，所述圆弧摆杆与圆弧连杆的圆弧中心交于同一点，且这一点为所述三个滚子轴承的轴心交汇点，亦为所述动平台的自由度转动中心点。

4.根据权利要求3所述的娱乐机器人球面三自由度并联机构，其特征在于，所述动平台上设有三个孔与三个圆弧连杆铰接，这三个孔轴心均布在同一平面并交于一点，彼此错开120°。