CN104827486A - 一种仿人机器人柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿人机器人柔性关节，在转动轴上加装平衡式制动器，将对始端驱动元件的控制转化为对终端执行元件的制动，将对气动元件气压推杆的控制，转化为对平衡式制动器电动机的控制，使控制更加简单，运动更加精确。

Description

一种仿人机器人柔性关节

技术领域

本发明涉及仿人机器人的柔性关节，属于机器人技术领域。

背景技术

近些年来，随着机器人技术的不断发展，仿人型机器人这一研究领域得到了人们的关注，越来越多的科研机构和科研人员投身入这一研究领域，并取得了丰硕的成果，许多实验样机相继成型，电机、液压、气压等驱动方式也被广泛应用于各种仿人型机器人。

现在大部分仿人型机器人关节的驱动方式为电机驱动，如本田的ASIMO，慕尼黑工业大学的LOLA，但电机驱动关节缺乏柔性，并且输出力矩相对较小。

美国波士顿动力公司研制的仿人型机器人ATALAS使用液压元件进行关节驱动，全身质量较大，运动时较为笨重。

比利时布鲁塞尔大学研制的仿人型机器人LUCY使用球型气压元件对关节进行驱动，通过控制球型气压元件内的压强实现对仿人型机器人关节的控制，存在关节运动能力较差的问题，并且会受到温度、湿度等环境特性的影响，难以保证运动精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿人机器人柔性关节，通过将平衡制动器加装在关节转动轴上，实现对转动轴运动状况的控制，可以提高运动精度，降低控制难度。本发明采用以下技术方案实现。

一种仿人机器人柔性关节，包括关节上臂，关节下臂，气动推杆，所述气动推杆能够推动关节下臂绕关节上臂的关节转轴转动；其中，

所述柔性关节还包括第一轴承、第二轴承和平衡式制动器，其中所述第一轴承实现所述关节转轴与所述关节上臂之间的转动，所述第二轴承实现电动马达与关节下臂之间的转动；所述电动马达后端与所述关节上臂可操作地连接，实现与所述关节上臂的共轴转动；所述关节转轴与所述关节下臂(2)可操作地连接，实现与所述关节下臂的共轴转动。

优选地，所述关节上臂的关节转轴包括第一轴端挡圈、第二轴承挡圈，所述第一和第二轴承挡圈分别使用螺钉与关节上臂和关节下臂固连。

优选地，所述关节转轴还包括光电码盘元件，其中光电码盘元件的检测元件与所述第一轴端挡圈固连，光电码盘与所述关节转轴固连。

优选地，当关节需要运动时，气压泵向气动推杆施加较大气压，使用光电码盘元件检测关节运动状态，并使用平衡式制动器向关节转轴施加制动力实现对关节运动的控制。

优选地，所述平衡式制动器与所述关节上臂使用花键传动，所述关节转轴与所述关节下臂使用花键传动。

优选地，所述平衡式制动器包括制动器底座和左右制动蹄，所述左右制动蹄上面分别加装摩擦片、弹簧，所述电动马达通过齿轮轴带动扇形齿轮转动；

所述制动器底座开有凸形槽，与所述左右制动蹄上连接的凸形杆状物配合，实现所述左右制动蹄的定位与导向；

所述扇形齿轮具有扇形齿轮轴，通过第三轴承实现扇形齿轮轴相对于所述制动器底座的转动，所述第三轴承两端设有轴承挡圈，所述扇形齿轮轴上还设有凸轮、凸轮挡板，所述凸轮挡板限制了制动蹄沿转动轴方向的运动；

电机齿轮轴带动扇形齿轮转动时，扇形齿轮轴带动凸轮转动，弹簧的收缩弹力使所述左右制动蹄分别紧贴凸轮，从而将凸轮的转动转化为所述左右制动蹄沿所述制动器底座凸形槽的直线运动，并带动摩擦片运动，与关节转轴间产生摩擦力，当关节需要减速时，电动马达输出较大转矩，使摩擦片与关节转轴间摩擦力增大，反向角加速度增大使转轴减速；当关节需要加速时，电动马达减小输出转矩，摩擦片与关节转轴间摩擦力减小，反向角加速度减小使转轴加速，当摩擦片与关节转轴不再接触时，为气动推杆产生最大角加速度。

优选地，所述齿轮轴与所述扇形齿轮半径比为1:5.78。

优选地，所述凸轮形状由曲线y＝4*sin(x/2)，以及圆弧(25)组成。

优选地，当关节需要减速时，电动马达输出较大转矩，使摩擦片与关节转轴间摩擦力增大，反向角加速度增大使转轴减速；当关节需要加速时，电动马达减小输出转矩，摩擦片与关节转轴间摩擦力减小，反向角加速度减小使转轴加速，当摩擦片与关节转轴不再接触时，为气动推杆产生最大角加速度。

本发明还提供了一种仿人机器人，其包括根据以上技术方案中任一项所述的柔性关节。

通过以上技术方案，本发明能够取得以下的技术效果。

(1)针对气动元件柔性较高，但难以实现精确运动与控制。通过在执行元件关节转轴上加装制动装置，将对大型气动元件液压推杆的控制，转化为对平衡式制动器制动力的控制，使得运动和控制更加精确。

附图说明

图1是本发明的仿人机器人柔性关节的总装配图。

图2是本发明的转轴爆炸图。

图3是本发明的平衡式制动器。

图4是本发明平衡式制动器底座和制动蹄。

图5是本发明扇形齿轮及齿轮轴爆炸图。

图6是本发明齿轮传动比示意图。

图7是本发明凸轮截面图。

图8是本发明平衡式制动器运动原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。

如图1所示，根据本发明的机器人柔性关节具有关节手臂，其中包括关节上臂1，关节下臂2，气动推杆3、4，其能够推动关节下臂2绕关节上臂1的关节转轴5转动。

在图2本发明的关节转轴的爆炸视图，其中关节转轴包括轴端挡圈8、11，使用螺钉与关节固连，光电码盘元件7用于检测关节轴运动状态，分别通过螺钉与轴端挡圈8与关节转轴5固连。还包括第一轴承9、第二轴承10，以及平衡式制动器12，第一轴承9实现关节转轴5与关节上臂1之间的转动，第二轴承10实现电动马达6与关节下臂2之间的转动。马达电机6后端焊接花键，实现与关节上臂1的共轴转动。关节转轴5段花键实现与关节下臂2的共轴转动。

图3所示为本发明的平衡式制动器，包括左右制动蹄13，上面分别加装摩擦片14、弹簧15，马达电机6上的齿轮轴16可以带动扇形齿轮17转动。

图4为本发明的平衡式制动器底座24和制动蹄13。平衡式制动器底座24开有凸形槽，与制动蹄13上焊接的凸形杆状物配合，实现制动蹄13的定位与导向。

图5为本发明的扇形齿轮及齿轮轴爆炸图。扇形齿轮17具有扇形齿轮轴20，第三轴承21实现扇形齿轮轴20相对于平衡式制动器底座24的转动，轴承两端设有轴承挡圈22、23。扇形齿轮轴20上还设有凸轮19、凸轮挡板18，凸轮挡板18限制了制动蹄13沿转动轴方向的运动。

图6为本发明的齿轮传动比示意图，电机齿轮轴16与扇形齿轮17半径比为1:5.78。

图7为本发明的凸轮19截面图，凸轮形状由曲线26，其表达式为y＝4*sin(x/2)，以及圆弧25组成。

平衡式制动器的运动如图8所示，电机齿轮轴16带动扇形齿轮17转动，扇形齿轮轴20通过螺钉连接带动凸轮19转动，弹簧15的收缩弹力使制动蹄13紧贴凸轮19，从而将凸轮19的转动转化为制动蹄13沿平衡式制动器底座24凸形槽的直线运动，并带动摩擦片14运动，与关节转轴5间产生一定摩擦力。

当关节需要运动时，气压泵向气动推杆施加较大气压，使用光电码盘7检测关节运动状态，并使用马达电机6带动平衡式制动器12向关节转轴5施加制动力实现对关节运动的控制。当关节需要减速时，马达电机6输出较大转矩，使摩擦片14与关节转轴5间摩擦力增大，反向角加速度增大使转轴减速。当关节需要加速时，马达电机6减小输出转矩，摩擦片14与关节转轴5间摩擦力减小，反向角加速度减小使转轴加速，当摩擦片14与关节转轴5不再接触时，为气动推杆可以产生的最大角加速度。

Claims (9)

1.一种仿人机器人柔性关节，包括关节上臂(1)，关节下臂(2)，气动推杆(3、4)，所述气动推杆(4)能够推动关节下臂(2)绕关节上臂(1)的关节转轴(5)转动；其特征在于：

所述柔性关节还包括第一轴承(9)、第二轴承(10)和平衡式制动器(12)，其中所述第一轴承(9)实现所述关节转轴(5)与所述关节上臂(1)之间的转动，所述第二轴承(10)实现电动马达(6)与关节下臂(2)之间的转动；所述电动马达(6)后端与所述关节上臂(1)可操作地连接，实现与所述关节上臂(1)的共轴转动；所述关节转轴(5)与所述关节下臂(2)可操作地连接，实现与所述关节下臂(2)的共轴转动。

2.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于，所述关节上臂(1)的关节转轴(5)包括第一轴端挡圈(8)、第二轴承挡圈(11)，所述第一和第二轴承挡圈分别使用螺钉与关节上臂和关节下臂固连。

3.根据权利要求2所述的柔性关节，其特征在于，所述关节转轴(5)还包括光电码盘元件(7)，其中光电码盘元件的检测元件与所述第一轴端挡圈(8)固连，光电码盘与所述关节转轴(5)固连。

4.根据权利要求3所述的柔性关节，其特征在于，当关节需要运动时，气压泵向气动推杆施加较大气压，使用光电码盘元件检测关节运动状态，并使用平衡式制动器向关节转轴施加制动力实现对关节运动的控制。

5.根据权利要求1所述的柔性关节，其特征在于，所述平衡式制动器与所述关节上臂(1)使用花键传动，所述关节转轴(5)与所述关节下臂(2)使用花键传动。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的柔性关节，其特征在于，所述平衡式制动器(12)包括制动器底座(24)和左右制动蹄(13)，所述左右制动蹄上面分别加装摩擦片(14)、弹簧(15)，所述电动马达(6)通过齿轮轴(16)带动扇形齿轮(17)转动；

所述制动器底座(24)开有凸形槽，与所述左右制动蹄(13)上连接的凸形杆状物配合，实现所述左右制动蹄(13)的定位与导向；

所述扇形齿轮(17)具有扇形齿轮轴(20)，通过第三轴承(21)实现扇形齿轮轴(20)相对于所述制动器底座(24)的转动，所述第三轴承(21)两端设有轴承挡圈(22、23)，所述扇形齿轮轴(20)上还设有凸轮(19)、凸轮挡板(18)，所述凸轮挡板(18)限制了制动蹄(13)沿转动轴方向的运动；

电机齿轮轴(16)带动扇形齿轮(17)转动时，扇形齿轮轴(20)带动凸轮(19)转动，弹簧(15)的收缩弹力使所述左右制动蹄(13)分别紧贴凸轮(19)，从而将凸轮(19)的转动转化为所述左右制动蹄(13)沿所述制动器底座(24)凸形槽的直线运动，并带动摩擦片(14)运动，与关节转轴(5)间产生摩擦力，当关节需要减速时，电动马达(6)输出较大转矩，使摩擦片(14)与关节转轴(5)间摩擦力增大，反向角加速度增大使转轴减速；当关节需要加速时，电动马达(6)减小输出转矩，摩擦片(14)与关节转轴(5)间摩擦力减小，反向角加速度减小使转轴加速，当摩擦片(14)与关节转轴(5)不再接触时，为气动推杆产生最大角加速度。

7.根据权利要求6所述的柔性关节，其特征在于，所述齿轮轴(16)与所述扇形齿轮(17)半径比为1:5.78。

8.根据权利要求6所述的柔性关节，其特征在于，所述凸轮形状由曲线y＝4*sin(x/2)，以及圆弧(25)组成。

9.一种仿人机器人，其特征在于，具有根据权利要求1-8中任一项所述的柔性关节。