CN105617668B - 腰部关节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种腰部关节装置，包括腰部关节件(1)；该腰部关节件(1)包括转轴(11)、分别可转动地套设在该转轴(11)上的第一输入锥齿轮(12)和第二输入锥齿轮(13)；所述第一输入锥齿轮(12)和所述第二输入锥齿轮(13)相对设置；所述腰部关节件(1)还包括分别与所述第一输入锥齿轮(12)和所述第二输入锥齿轮(13)啮合连接，用于与躯干部固定以被所述第一输入锥齿轮(12)和所述第二输入锥齿轮(13)驱动并带动所述躯干部进行转动和/或俯仰运动的输出锥齿轮(14)。本发明结构简单，实用可行。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种可以同时控制躯干部转动和俯仰运动的腰部关节装置。
背景技术
申请号为201110112126.4的发明专利公开了一种人偶体的腰部关节构造，其是可在两侧面转动且能够以任意角度固定地连接一双腿，并且在上表面可旋转地支撑上体者，且支撑上述一双腿的股关节部件，与支撑上述上体的上体支撑部，是成可相对前后移动地连接着，通过上述股关节部件、上述上体支撑部、连接上述股关节部件及上述上体支撑部的一对前后连杆部件而构成平行四边形的连杆机构，上述股关节部件相对于上述上体支撑部可相对前后平行移动。该发明能够使设置于该腰部关节构造上部的上体进行旋转作用，并使在当一双腿一前一后步行时，股关节部件可相对于上体支撑部而相对前后平行移动。然而，该发明的上述两种运动方式是被分别通过两个结构控制的，现有技术的人偶体的腰部关节构造无法同时控制两种动作。并且，现有技术的人偶体的腰部关节构造结构较为复杂。
发明内容
本发明针对现有的腰部关节构造结构复杂，无法同时控制两种动作的问题，提供了一种可以同时控制躯干部转动和俯仰运动的腰部关节装置。
本发明就其技术问题提出以下技术方案：
本发明提供了一种腰部关节装置，包括腰部关节件；该腰部关节件包括转轴、分别可转动地套设在该转轴上的第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮；所述第一输入锥齿轮和所述第二输入锥齿轮相对设置；所述腰部关节件还包括分别与所述第一输入锥齿轮和所述第二输入锥齿轮啮合连接，用于与躯干部固定以被所述第一输入锥齿轮和所述第二输入锥齿轮驱动并带动所述躯干部进行转动和/或俯仰运动的输出锥齿轮。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节装置还包括用于驱动所述第一输入锥齿轮转动的第一电机，以及用于驱动所述第二输入锥齿轮转动的第二电机。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节件还包括套设在所述转轴上，并同轴固定安装于所述第一输入锥齿轮外侧面上的第一准双曲面齿轮，以及套设在所述转轴上，并同轴固定安装于所述第二输入锥齿轮外侧面上的第二准双曲面齿轮；所述腰部关节装置还包括第一行星减速器和第二行星减速器；该第一行星减速器的输入轴与所述第一电机的输出轴同轴连接，该第一行星减速器的输出轴上设置有与所述第一准双曲面齿轮配合的锥螺纹；所述第二行星减速器的输入轴与所述第二电机的输出轴同轴连接，该第二行星减速器的输出轴上设置有与所述第二准双曲面齿轮配合的椎螺纹。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节装置还包括呈U形板状的支撑架，该支撑架包括基板以及分别垂直连接于该基板两端的两支撑臂；所述转轴的两端分别可转动地安装于该支撑架的两支撑臂上。
本发明上述的腰部关节装置中，所述支撑架的每个支撑臂上开设有限位槽，两支撑臂上的限位槽相对设置；所述腰部关节装置还包括分别固定套设在所述转轴两端的两个限位轮；该两个限位轮分别可转动地设置在所述支撑架的两限位槽中。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节件还包括第一止推垫片和第二止推垫片，所述第一止推垫片套设在所述转轴上，并安装于所述第一准双曲面齿轮的外侧面上；所述第二止推垫片也套设在所述转轴上，并安装于所述第二准双曲面齿轮的外侧面上。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节件还包括固定地同轴安装在所述输出锥齿轮上的用于固定安装所述躯干部的输出法兰。
本发明上述的腰部关节装置中，所述输出法兰和所述输出锥齿轮通过连接轴固定连接；所述腰部关节装置还包括两限位板，该两限位板与两支撑臂一一对应；每个限位板上开设有通孔，并通过该通孔固定套设在所述转轴上，并将对应的支撑臂的限位槽的开口盖住；所述限位板的通孔的内径要小于限位轮的直径；所述腰部关节件还包括套设在所述连接轴上的交叉滚子轴承；该交叉滚子轴承的内轮与所述输出法兰连接，该交叉滚子轴承的外轮分别与两限位板连接。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节装置还包括与所述第一电机电性连接，用于驱动该第一电机的第一伺服驱动器，以及与所述第二电机电性连接，用于驱动该第二电机的第二伺服驱动器；所述腰部关节装置还包括控制器，该控制器分别与所述第一伺服驱动器和所述第二伺服驱动器电性连接，用于通过该第一伺服驱动器和所述第二伺服驱动器分别驱动所述第一电机和所述第二电机运行。
本发明上述的腰部关节装置中，所述腰部关节装置还包括与所述第一电机的输入端连接，用于检测该第一电机输出轴的转动角的第一电机角度编码器，以及与所述第二电机的输入端连接，用于检测该第二电机输出轴的转动角的第二电机角度编码器；所述腰部关节装置还包括设置在所述连接轴上，用于检测该连接轴的转动角的转动角度传感器，以及设置在所述转轴上，用于检测该转轴的转动角的俯仰角度传感器；所述控制器还分别与所述第一电机角度编码器、所述第二电机角度编码器、所述转动角度传感器以及所述俯仰角度传感器电性连接，用于接收所述第一电机角度编码器检测的所述第一电机输出轴的转动角、所述第二电机角度编码器检测的所述第二电机输出轴的转动角、所述转动角度传感器检测的所述连接轴的转动角以及所述俯仰角度传感器检测的所述转轴的转动角，来校正所述第一伺服驱动器、所述第二伺服驱动器分别用于驱动所述第一电机和所述第二电机的机械运动参数。
本发明采用了一个输出锥齿轮的转动实现与该输出锥齿轮固定连接的躯干部的转动。还通过该输出锥齿轮的俯仰运动实现与该输出锥齿轮固定连接的躯干部的俯仰运动。同时，本发明通过分别与该输出锥齿轮啮合，并相对设置的第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮实现了输出锥齿轮的转动和俯仰运动，从而实现了同时控制两个动作的目的。本发明结构简单，实用可行。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例的腰部关节装置的功能模块示意图；
图2为图1所示的腰部关节装置的结构示意图；
图3为图1所示的腰部关节件的结构示意图；
图4为图3所示的腰部关节件的运动原理图。
具体实施方式
本发明的技术思路是：本发明通过一个输出锥齿轮的转动实现与该输出锥齿轮固定连接的躯干部的转动。还通过该输出锥齿轮的俯仰运动实现与该输出锥齿轮固定连接的躯干部的俯仰运动。而输出锥齿轮的转动和俯仰运动都是通过分别与该输出锥齿轮啮合，并相对设置的第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮进行控制。
具体地，下面将结合附图以及具体实施例对本发明进行详细的说明。
参照图1和图2，图1为本发明实施例的腰部关节装置的功能模块示意图，图2为图1所示的腰部关节装置的结构示意图。
参照图1，腰部关节装置包括腰部关节件1。参照图2，腰部关节件1包括转轴11、第一输入锥齿轮12、第二输入锥齿轮13以及用于与躯干部(图中未示出)固定以带动该躯干部运动的输出锥齿轮14。
其中，第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13分别可转动地套设在转轴11上。并且，第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13相对设置。
输出锥齿轮14分别与第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13啮合连接，以被第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13驱动进行转动和/或俯仰运动。
具体地，当第一输入锥齿轮12的角加速度和第二输入锥齿轮13的角加速度的方向相同、绝对值相等，第一输入锥齿轮12的角速度和第二输入锥齿轮13的角速度的方向相同、绝对值相等，且第一输入锥齿轮12的转动角和第二输入锥齿轮13的转动角的方向相同、绝对值相等时，第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13驱动输出锥齿轮13进行转动。
当第一输入锥齿轮12的角加速度和第二输入锥齿轮13的角加速度的方向相反、绝对值相等，第一输入锥齿轮12的角速度和第二输入锥齿轮13的角速度的方向相反、绝对值相等，且第一输入锥齿轮12的转动角和第二输入锥齿轮13的转动角的方向相反、绝对值相等时，第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13驱动输出锥齿轮13进行俯仰运动。
当第一输入锥齿轮12的角加速度和第二输入锥齿轮13的角加速度的绝对值不相等，第一输入锥齿轮12的角速度和第二输入锥齿轮13的角速度的绝对值不相等，且第一输入锥齿轮12的转动角和第二输入锥齿轮13的绝对值不相等时，第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13驱动输出锥齿轮13进行转动和俯仰运动的合成运动。
进一步地，参照图2-图3，图3为图1所示的腰部关节件的结构示意图；腰部关节装置还包括用于驱动第一输入锥齿轮12转动的第一电机21，以及用于驱动第二输入锥齿轮13转动的第二电机22。
本实施例中，腰部关节件1还包括套设在转轴11上，并同轴固定安装于第一输入锥齿轮12外侧面上的第一准双曲面齿轮15，以及套设在转轴11上，并同轴固定安装于第二输入锥齿轮13外侧面上的第二准双曲面齿轮16。
参照图2，腰部关节装置还包括第一行星减速器31和第二行星减速器32。该第一行星减速器31的输入轴与第一电机21的输出轴同轴连接，该第一行星减速器31的输出轴上设置有与第一准双曲面齿轮15配合的锥螺纹。这样，当第一电机21运行时，通过第一行星减速器31和第一准双曲面齿轮15的传动，即可实现第一输入锥齿轮12的转动。
第二行星减速器32的输入轴与第二电机22的输出轴同轴连接，该第二行星减速器32的输出轴上设置有与第二准双曲面齿轮16配合的椎螺纹。这样，当第二电机22运行时，通过第二行星减速器32和第二准双曲面齿轮16的传动，即可实现第二输入锥齿轮13的转动。
图4为图3所示的腰部关节件的运动原理图。
参照图4，有：
其中，qr为输出锥齿轮14的输出转动角，而qb为输出锥齿轮14的输出俯仰角。q1为第一准双曲面齿轮15的转动角，而q2为第二准双曲面齿轮16的转动角。
wr为输出锥齿轮14的输出转动角速度，wb为输出锥齿轮14的输出俯仰角速度。w1为第一准双曲面齿轮15的角速度，而w2为第二准双曲面齿轮16的角速度。
假设第一行星减速器31和第二行星减速器32的减速比均为x，而第一准双曲面齿轮15和第二准双曲面齿轮16的减速比均为y。
则有：
其中，qr为输出锥齿轮14的输出转动角，而qb为输出锥齿轮14的输出俯仰角。qm1为第一电机21输出轴的转动角，而qm2为第二电机22输出轴的转动角。
wr为输出锥齿轮14的输出转动角速度，wb为输出锥齿轮14的输出俯仰角速度。wm1为第一电机21输出轴的角速度，而wm2为第二电机22输出轴的角速度。
本实施例中，第一行星减速器31和第二行星减速器32的减速比均为43，而第一准双曲面齿轮15和第二准双曲面齿轮16的减速比均为20。
则有：
根据第一电机21输出轴和第二电机22输出轴的运动状态，输出锥齿轮14有三种运动形式：转动、俯仰运动以及合成运动。这里，合成运动为转动和俯仰运动的合成。
该输出锥齿轮14的三种运动形式的实现条件如下：
| 关节运动形式 | 实现条件 |
| 纯转动 | a1＝a2、wm1＝wm2、qm1＝qm2 |
| 纯俯仰运动 | a1＝-a2、wm1＝-wm2、qm1＝-qm2 |
| 合成运动 | a11a2、wm11wm2、qm11qm2 |
其中，a1、a2分别是第一电机21和第二电机22输出轴的输出角加速度，wm1、wm2分别是第一电机21输出轴和第二电机22输出轴的角速度，qm1和qm2分别为第一电机21输出轴和第二电机22输出轴的转动角。
参照图2和图3，腰部关节件1还包括固定地同轴安装在输出锥齿轮14上的输出法兰141。该输出法兰141用于固定安装躯干部。进一步地，输出法兰141和输出锥齿轮14通过连接轴142固定连接。
进一步地，本实施例中，腰部关节装置还包括呈U形板状的支撑架4，具体地，支撑架4包括基板40以及分别垂直连接于基板40两端的两支撑臂41。转轴11的两端分别可转动地安装于该支撑架4的两支撑臂41上。
具体地，支撑架4的每个支撑臂41上开设有限位槽，两支撑臂41上的限位槽相对设置。腰部关节装置还包括分别固定套设在转轴11两端的两个限位轮111。该两个限位轮111分别可转动地设置在支撑架4的两限位槽中。腰部关节装置还包括两限位板42，该两限位板42与两支撑臂41一一对应；每个限位板42上开设有通孔，并通过该通孔固定套设在转轴11上，并将对应的支撑臂41的限位槽的开口盖住。限位板42的通孔的内径要小于限位轮111的直径。这样，限位轮111就限制于对应的限位槽中。
本实施例中，腰部关节件1还包括第一止推垫片17和第二止推垫片18，第一止推垫片17套设在转轴11上，并安装于第一准双曲面齿轮15的外侧面上；第二止推垫片18也套设在转轴11上，并安装于第二准双曲面齿轮16的外侧面上。
腰部关节件1还包括套设在连接轴142上的交叉滚子轴承143。该交叉滚子轴承143的内轮与输出法兰141连接，该交叉滚子轴承143的外轮分别与两限位板42连接。
这样，当输出锥齿轮14进行俯仰运动时，输出锥齿轮14、连接轴142、输出法兰141、交叉滚子轴承143以及两限位板42相对于第一输入锥齿轮12和第二输入锥齿轮13进行俯仰运动。
当输出锥齿轮14进行转动时，输出锥齿轮14、连接轴142、输出法兰141、以及交叉滚子轴承143的内轮进行转动。
腰部关节装置还包括固定安装于基板40的底部的外壳5。第一电机21、第二电机22、第一行星减速器31和第二行星减速器32均安装于该外壳5中。基板40底部开设有第一限位孔(图中未示出)和第二限位孔(图中未示出)，第一行星减速器31的输出轴穿设于该第一限位孔中，第二行星减速器32的输出轴穿设于该第二限位孔中。
腰部关节装置还包括设置在外壳5内，与第一电机21电性连接，用于驱动该第一电机21的第一伺服驱动器211，以及设置在外壳5内，与第二电机22电性连接，用于驱动该第二电机22的第二伺服驱动器221。这里，第一伺服驱动器211和第二伺服驱动器221可以为Elmo公司出品的型号为G-WHI5/100EE的驱动器。
进一步地，腰部关节装置还包括设置在外壳5内，与第一电机21的输入端连接，用于检测该第一电机21输出轴的转动角的第一电机角度编码器212，以及设置在外壳5内，与第二电机22的输入端连接，用于检测该第二电机22输出轴的转动角的第二电机角度编码器222。
腰部关节装置还包括设置在连接轴142上，用于检测该连接轴142的转动角的转动角度传感器61，以及设置在转轴11上，用于检测该转轴11的转动角的俯仰角度传感器62。
腰部关节装置还包括控制器7，该控制器7分别与第一伺服驱动器211、第二伺服驱动器221、第一电机角度编码器212、第二电机角度编码器222、转动角度传感器61以及俯仰角度传感器62电性连接，用于通过第一伺服驱动器211、第二伺服驱动器221分别驱动第一电机21和第二电机22运行，还用于接收第一电机角度编码器212检测的第一电机21输出轴的转动角、第二电机角度编码器222检测的第二电机22输出轴的转动角、转动角度传感器61检测的连接轴142的转动角以及俯仰角度传感器62检测的转轴11的转动角，来校正第一伺服驱动器211、第二伺服驱动器221分别用于驱动第一电机21和第二电机22的机械运动参数。
这里，连接轴142的转动角即为输出锥齿轮14的输出转动角，而转轴11的转动角即为输出锥齿轮14的输出俯仰角。
本发明采用了一个输出锥齿轮的转动实现与该输出锥齿轮固定连接的躯干部的转动。还通过该输出锥齿轮的俯仰运动实现与该输出锥齿轮固定连接的躯干部的俯仰运动。同时，本发明通过分别与该输出锥齿轮啮合，并相对设置的第一输入锥齿轮和第二输入锥齿轮实现了输出锥齿轮的转动和俯仰运动，从而实现了同时控制两个动作的目的。本发明结构简单，实用可行。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种腰部关节装置，其特征在于，包括腰部关节件(1)；该腰部关节件(1)包括转轴(11)、分别可转动地套设在该转轴(11)上的第一输入锥齿轮(12)和第二输入锥齿轮(13)；所述第一输入锥齿轮(12)和所述第二输入锥齿轮(13)相对设置；所述腰部关节件(1)还包括分别与所述第一输入锥齿轮(12)和所述第二输入锥齿轮(13)啮合连接，用于与躯干部固定以被所述第一输入锥齿轮(12)和所述第二输入锥齿轮(13)驱动并带动所述躯干部进行转动和/或俯仰运动的输出锥齿轮(14)；
所述腰部关节装置还包括用于驱动所述第一输入锥齿轮(12)转动的第一电机(21)，以及用于驱动所述第二输入锥齿轮(13)转动的第二电机(22)；
所述腰部关节件(1)还包括套设在所述转轴(11)上，并同轴固定安装于所述第一输入锥齿轮(12)外侧面上的第一准双曲面齿轮(15)，以及套设在所述转轴(11)上，并同轴固定安装于所述第二输入锥齿轮(13)外侧面上的第二准双曲面齿轮(16)；所述腰部关节装置还包括第一行星减速器(31)和第二行星减速器(32)；该第一行星减速器(31)的输入轴与所述第一电机(21)的输出轴同轴连接，该第一行星减速器(31)的输出轴上设置有与所述第一准双曲面齿轮(15)配合的锥螺纹；所述第二行星减速器(32)的输入轴与所述第二电机(22)的输出轴同轴连接，该第二行星减速器(32)的输出轴上设置有与所述第二准双曲面齿轮(16)配合的椎螺纹。
2.根据权利要求1所述的腰部关节装置，其特征在于，所述腰部关节装置还包括呈U形板状的支撑架(4)，该支撑架(4)包括基板(40)以及分别垂直连接于该基板(40)两端的两支撑臂(41)；所述转轴(11)的两端分别可转动地安装于该支撑架(4)的两支撑臂(41)上。
3.根据权利要求2所述的腰部关节装置，其特征在于，所述支撑架(4)的每个支撑臂(41)上开设有限位槽，两支撑臂(41)上的限位槽相对设置；所述腰部关节装置还包括分别固定套设在所述转轴(11)两端的两个限位轮(111)；该两个限位轮(111)分别可转动地设置在所述支撑架(4)的两限位槽中。
4.根据权利要求2所述的腰部关节装置，其特征在于，所述腰部关节件(1)还包括第一止推垫片(17)和第二止推垫片(18)，所述第一止推垫片(17)套设在所述转轴(11)上，并安装于所述第一准双曲面齿轮(15)的外侧面上；所述第二止推垫片(18)也套设在所述转轴(11)上，并安装于所述第二准双曲面齿轮(16)的外侧面上。
5.根据权利要求2所述的腰部关节装置，其特征在于，所述腰部关节件(1)还包括固定地同轴安装在所述输出锥齿轮(14)上的用于固定安装所述躯干部的输出法兰(141)。
6.根据权利要求5所述的腰部关节装置，其特征在于，所述输出法兰(141)和所述输出锥齿轮(14)通过连接轴(142)固定连接；所述腰部关节装置还包括两限位板(42)，该两限位板(42)与两支撑臂(41)一一对应；每个限位板(42)上开设有通孔，并通过该通孔固定套设在所述转轴(11)上，并将对应的支撑臂(41)的限位槽的开口盖住；所述限位板(42)的通孔的内径要小于限位轮(111)的直径；所述腰部关节件(1)还包括套设在所述连接轴(142)上的交叉滚子轴承(143)；该交叉滚子轴承(143)的内轮与所述输出法兰(141)连接，该交叉滚子轴承(143)的外轮分别与两限位板(42)连接。
7.根据权利要求6所述的腰部关节装置，其特征在于，所述腰部关节装置还包括与所述第一电机(21)电性连接，用于驱动该第一电机(21)的第一伺服驱动器(211)，以及与所述第二电机(22)电性连接，用于驱动该第二电机(22)的第二伺服驱动器(221)；所述腰部关节装置还包括控制器(7)，该控制器(7)分别与所述第一伺服驱动器(211)和所述第二伺服驱动器(221)电性连接，用于通过该第一伺服驱动器(211)和所述第二伺服驱动器(221)分别驱动所述第一电机(21)和所述第二电机(22)运行。
8.根据权利要求7所述的腰部关节装置，其特征在于，所述腰部关节装置还包括与所述第一电机(21)的输入端连接，用于检测该第一电机(21)输出轴的转动角的第一电机角度编码器(212)，以及与所述第二电机(22)的输入端连接，用于检测该第二电机(22)输出轴的转动角的第二电机角度编码器(222)；所述腰部关节装置还包括设置在所述连接轴(142)上，用于检测该连接轴(142)的转动角的转动角度传感器(61)，以及设置在所述转轴(11)上，用于检测该转轴(11)的转动角的俯仰角度传感器(62)；所述控制器(7)还分别与所述第一电机角度编码器(212)、所述第二电机角度编码器(222)、所述转动角度传感器(61)以及所述俯仰角度传感器(62)电性连接，用于接收所述第一电机角度编码器(212)检测的所述第一电机(21)输出轴的转动角、所述第二电机角度编码器(222)检测的所述第二电机(22)输出轴的转动角、所述转动角度传感器(61)检测的所述连接轴(142)的转动角以及所述俯仰角度传感器(62)检测的所述转轴(11)的转动角，来校正所述第一伺服驱动器(211)、所述第二伺服驱动器(221)分别用于驱动所述第一电机(21)和所述第二电机(22)的机械运动参数。
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| CN201189398Y (zh) * | 2008-04-19 | 2009-02-04 | 陈晓铓 | 一种玩具机器人结构 |
| CN102049784A (zh) * | 2009-10-30 | 2011-05-11 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 工业机器人 |
| CN203710191U (zh) * | 2014-02-27 | 2014-07-16 | 南开大学 | 外骨骼助力康复装置 |
-
2014
- 2014-10-30 CN CN201410606517.5A patent/CN105617668B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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