CN1058165A - 机器人的联接装置 - Google Patents

Abstract

连接机器人肢体的由可电致动的刚性材料组成 的致动器连接装置，可用在机器人的铰接头中，转动 一个圆柱形或球形连接装置或将一根杆平移。相对 的成对致动器平稳地步进运动，且总是在机器人肢体 上保持虎钳式夹紧。致动器推进面与肢体无间隙地 接触。使机器人的肢体之定位十分准确，且四肢没有 机械振动。界差基本从铰接头中消除。消除了滑动 摩擦。铰接头可在无润滑时工作。相对低速时，有相 当大的力的扭矩。铰接头尺寸范围可从相当大到极 微小。

Description

本发明涉及机器人肢体的联接装置，尤其涉及由刚性的可电致动的材料组成的致动器联接的机器人的铰接头。

涉及质量和速度的工程问题通常由提供更多的能源来解决，由于这一结果。从而常常带来了相对低效的动力转换。在太空探测领域，大量之研究表明有必要用多种设计的高效机器人作为人进行探测之先驱。通常，机器人之重量和成本低于载人航天飞行器，并且不需要完善的生活保障系统。

压电致动器是属于正在研究的将储存的电能转换为航天飞行器的原动力的装置之一。由于压电致动器效率高，靠直流电工作，而不需要润滑和冷却，故其具有用于遥远和险恶环境的优点。压电致动器和产生压电的“平稳步进”电驱动系统的详细说明叙述于待审定的中国专利申请中，该申请之申请号分别为89105612.2和90106979.5，申请日分别为1989年8月16和1990年8月15。二者在此作为参考。

在一些机器人的铰接头中，长期存在的问题是称为“界差（slop）”的效应。该界差包括象齿轮齿隙游移，轴承间隙游移，弹性弯曲和机械柔量现象。它们综合地导致了机器人的肢体不能按所需的准确性和稳定性伸到某一位量。在太空应用中，需要由大到微小尺寸的具有最少“界差”的机器人的铰接头。由于小型元件的表面积与体积之比率大大增加，从而导致了严重的磁通漏泄，因而限制了机器人的电磁致动器应为相对较大的装置。另外，电磁致动器维护恒力时，其以电流之形式不断地消耗能量。

与磁致动器相反，压电致动器适于小型应用。随着元件尺寸减小，由于压电层厚度和不导电边缘面积也正比地减小，故电场通量之泄漏没有很大的增加。由于表面积对结构强度的重要性，压电致动器的相对结构强度随着尺寸减小而增加。小型元件允许相对较高的应力值，这改善了某种特性。另外，一旦适当的电荷储存在压电材料中，压电致动器就可施加一不变之力。只要电荷存在，就不需要另外输入电荷来维持施加的力。

可步行之机器人的最佳结构之一包括六条腿，每个腿有两个铰接头。有效之步行是数百万年进化之结果，例如如无数种六腿昆虫样。昆虫步行之最常见方式是交替地使用三角腿。只要重心保持在二对三角腿的三角形中，这种形式之步行就又快又稳。有时，一条腿可以用于量度障碍物之高度。这时，前腿向上爬，而后面二腿可以提供支承和稳定性。这种运动比仅在平面上移动需要更大的腿的运动的角自由度。

在太空探测的自动飞行器领域中，需要由微小尺寸到很大尺寸的机器人步行系统。该系统还必须包括能有效地，可靠地，没有界差地致动的活动铰接头。

根据本发明的一方面特征，其提供了一种机器人之连接装置，它包括一个连接在机器人体上的联接器的壳体，一个由装在壳体中的刚性可电致动之材料组成的致动器，和一个可联接的机器人肢体。该肢体一端伸入到上述壳体中，并由致动器配接。

根据本发明之另一方向特征，其提供了一种用于联接的压电致动器的机器人的铰接头，其包括一个联接在机器人体上的致动器壳体;至少有两对压电致动器相对地安装在上述壳体中。每个致动器包括一个提升件，一个切向件和一个推进表面，并且联接的机器人肢体具有一个与压电致动器的推进表面配接的端部，相对布置的致动器在肢体的端部提供了一种虎钳式夹紧装置，并且成对的致动器为肢体的联接装置提供了平稳的步进运动。

本发明是一种带有刚性的电致动材料组成的致动器的机械式机器人的铰接头。致动器例如可以包括压电材料，并且可以用于铰接头的各种实施例中以转动圆筒形或球形联接装置或使杆件平移。

机器人的铰接头处的压电致动器给机器人肢体提供了原动力和支承。压电的平稳步进装置包括成对的致动器在这样的方式下进行交替的推进和返回，即在致动器循环的推进过程中致动器的推进表面速度与机器人肢体的速度相匹配。利用压电致动器可以消除推进循环中的滑动摩擦，从而产生忽略不计的摩擦热，最终得到相对高的机械效率。平稳步进致动器也能够方便地提供平稳的加速，并在激励停止后可方便地回到电的或电械的零状态，并且加长了承受所需载荷的推进表面的寿命。

相对的成对致动器产生的平稳步进最好在机器人的肢体上一直保留虎钳式的夹紧，致动器的整个推进表面可以无间隙地与机器人的肢体接触，而不需要传统的滚动或滑动轴承。零的间隙和充分的接触面积可以保证有相当大的机械刚性，从而使机器人肢体十分准确地定位，而没有四肢的机械振动。由于肢体具有足够的刚性，从而界差可以基本上从铰接头中消除。

压电元件是机电相互作用之结果，其作用同样可以与致动器或力传感器一样好。从而，压电致动器可以很好地传感机器人的每个联接用铰接头中的力的位置和状态，并为致动器的控制器提供反馈。压电致动器状态传感器可结合其它传感器一起工作，从而能在所涉及的更多种情况的研究中，如在凹凸不平的地带及高障碍区域中控制机器人的动作。

下面参照附图描述最佳实施例;其中：

图1是本发明的具有十二个圆筒形铰接头的六腿步进机器人的透视图;

图2是图1所示的机器人的一条腿的运动范围的透视图;

图3是图1所示机器人的一条腿的铰接头的透视图;

图4是图1所示的机器人的圆筒形压电致动器的详细的透视图;

图5是本发明的具有六个移动腿和铰接头的机器人的透视图;

图6是图5所示机器人的一条腿的运动范围的透视图;

图7是图5的机器人的移动铰接头的剖视图;

图8是图5的机器人的移动压电致动器的详细透视图;

图9是本发明具有转动腿和球形铰接头的六腿步进机器人的透视图;

图10示出了图9的机器人的一条腿的球形铰接头达到的运动范围;

图11是图9的机器人的球形铰接头之剖视图;

图12是图9的机器人的一对三轴球形压电致动器的详细透视图。

图1是一个简化的成双的三角脚步进机器人2的透视图，其具有一个机体4和六个联接的腿，例如腿6。在实际的机器人中，活动的防尘罩（未示出）通常用于阻止污染物进入机器的铰接头中。本发明的铰接头致动器包括刚性的电致动材料。为便于描述，本发明的最佳实施例的致动器被描述为包括层状的压电双晶压电材料。但本发明并不仅限于此实施例。

图2示出了腿6的运动范围。腿6包括一个压电胯关节8，一个类似于膝关节的压电铰接10，一个上腿件12，一个下腿件14和脚16。虚线的圆周18，22，20分别示出了上腿12，下腿14和脚16的运动范围。在上腿12和下腿14大约为相同长度的实施例中，腿可以如虚线24所示叠折以便存放。虚线26示出了机器人2的前腿伸出攀高的位置。

图3示出了压电铰接头8的清楚的透视图。铰接头8实质上与膝关节10和机器人2的其它铰接头相同。如图3所示，铰接头8包括一个圆筒形的联接壳体28和二对相对的压电致动器30。致动器30装在壳体28的圆筒形内表面上。该致动器30也可以是许多相对的成对布置的。致动器30可以是带推进表面的圆弧形，该推进面与在壳体28中延伸的腿12端部的圆柱形外表面（在剖视图中示出）配接。相对的成对致动器30一起动作，从而形成虎钳式地夹紧，并且借助致动器推进表面对腿12的圆柱表面的平稳步进运动来转动腿12。为清楚起见，省略了所有附图中的电线，这些电线起联接作用以便激励每个致动器，这在现有技术中是众所周知的。

图4是图3所示压电致动器30的透视图。致动器30由带有推进表面32的层状弧形件，压电提升件34，压电切向件36和安装表面38组成。提升件34包括布置便于按箭头40所示方向剪切变形的压电材料层和电极，切向件36包括布置得便于按箭头42所示方向剪切变形的压电材料层和电极。提升件34控制着由推进面32施于腿12的夹紧力，而切向件36控制着由推进面72施加于转动腿12上的切向力。当提升件34和切向件36由电控制器（未示出）在电路中被激励时，推进表面32沿着提升件和切向件运动的矢量和的预定轨迹循环地运动。

致动器30可以包括一个与腿12的圆柱部分的转动轴平行的压电轴（未示出）。轴12可以按腿的位置指示装置（未示出）致动，并使腿12在壳体28中保持对中。在这个实施例中，腿的对中是借助于电控实现的，而不是象传统的方法那样，用限定装置或止推轴承来实现。轴也可以用于移动腿12的圆柱部分的延伸部分以增加或减少腿16的立脚位置的宽度。

图5是机器人44之透视图，该机器人44包括机体4，水平杆46，杆支承件48，致动器壳体50和六条垂直腿52。图6是机器人44的一条腿52和一个致动机构的放大视图。如图6所示，腿52和杆46是方形横截面的，并且壳体50包括数对压电致动器54和60。二对相对的致动器54在垂直方向将腿52定位，如虚线56和58所示。二对相对的致动器60沿水平杆46将腿52按虚线62所示，在壳体50两个最端位置之间进行定位。脚64的运动范围如虚线66所示。

图7是垂直腿52与壳体50之配合部分之剖视图。壳体50与水平杆46的配合部分基本上与其成直角方向的所示部分一样。两对相对的致动器54装在贯穿壳体50的四方形孔的内表面上。致动器54利用平稳的步进运动来夹紧并将腿52垂直地定位。

如图8所示，每个致动器54包括一个提升件68，一个切向件70，一个推进面72及一个安装表面74。提升件68使致动器按箭头76的方向运动以便对腿施加一个法向力;切向件70按箭头78的方向运动以便对腿52施加一个移动力。

致动器54包括第二切向件（未示出），该第二切向件在垂直于方向76和78二者的方向上将推进面72定位。该第二切向件之行程相对切向件70的行程小，并用于在机器人步进过程中当力失量变化时将腿52保持在壳体50中对中。第二切向件提供了完全的定位控制而不需要限定装置或止推轴承。

图9是具有机体4，六条腿82和将腿82连接到机体4上的腿铰接头84的机器人80的透视图。图10是铰接头84的放大视图，其包括一个带有通入球形腔室或球形承窝的开口88的壳体86。腿82包括一个脚90和一个球92，其位于壳体86的球形承窝中，并且，该腿82穿过孔88。压电致动器安装于壳体86和球92之间的圆周间隙中，定位具有三个转动自由度的球92。其中的二个自由度将脚90在虚线所示的弧形圆周表面上的任何位置上定位。

图11示出了壳体86，开口88，球92，连于球92上的腿82和连在壳体86的球形内表面上的众压电致动器外96组成的铰接头84的剖视图。压电致动器对可以等距离放置，例如位于壳体86中内按四面体的顶点。在图10和图11所示的实施例中，开口88基本上是三角形的，以便限制腿82的运动角度。由虚线94所示的运动区域大约是从球形表面上的一个三角切口。

在图9～11所示的机器人80的实施例中，致动器96通常不围绕腿82的轴线转动球92。然而，在另一种弯的腿82（未示出）的实施例中，导致腿82轴向转动的球92的转动可以与上述的腿82的两轴的旋轴运动很好地结合起来。

图12是图11的一对三轴压电致动器96的透视图。每个致动器96包括一个球形推进表面98，一个第一切向件100，一个第二切向件102及一个提升件104。通过适当的电激励，提升件104在箭头106的方向将推进表面98定位，切向件100将表面98在箭头108的方向定位，切向件102将表面98在箭头110的方向定位。这些运动是独立的，并且可同时控制的。推进表面98的运动是提升件和切向件运动的矢量和，其包括球形的径向运动和平行于球92的表面的运动，如虚线112所示。

本发明的压电铰接头可能存在多种变形。例如，图5的机器人44的正方形杆46和腿52可以与图3的铰接头8结合在一起。因而，可以看到为了获得机器人肢体所需之运动范围，将二轴和三轴式压电致动器结合起来的多种变形可以用在机器人的铰接头中。在此所述的原理同样可以应用到大的或小的机器人中，其包括定位机器人，部件选择机器人，焊接机器人，喷漆机器人，检验机器人及机床用机器人。在机器人的铰接头中利用平稳步进的压电剪切致动器的基本好处是高效，稳定和准确的定位。

如将本发明设计成微小尺寸，则压电层和电极可以利用适当的膜片外延地积放在一起。电路及连线也可积放在一起。电激励装置和联接元件在积放时可以结合到电路中。控制器元件也可以分别地积放，并且可结合到象压电致动器这样的同一结构中，例如利用地理上的沉积法可将机械元件进行沉积以增至适当之尺寸。

虽然本发明已经参照特定的实施例做了描述，但熟练之技术人员可以提出多种变化和改型。特别是，本发明之致动器可以包括提供上力和运动的任何刚性的电活化材料。除了压电材料，致动器可以包括例如电致伸缩的，电磁的，电磁剩磁的，磁致伸缩的，压电合成的，铁电体的和热膨胀的材料。在同一可寻址的电致动器部件中利用电容性和电感性的材料可以有相互的暂时的电能储存。在机械力与定位分量由致动器进行矢量叠加之同时，电容与电感共振地振动，从而改善工作效率。根据这些可能之变形，本发明旨在包括处于所附权利要求保护范围内的所有的这样的变型和改进。

Claims (20)

1、一种机器人的连接装置，其包括：一个连接于机器人体上的联接器壳体；一个装在所述壳体中由刚性的可电致动的材料组成的致动器；和一个可连接的机器人肢体，该肢体具有一在所述壳体内延伸之端部，并与所述致动器配合。

2、如权利要求1所述之机器人联接装置，其特征在于：其还包括装在所述壳体中的众致动器，每个致动器包括与所述的肢体的端部配合的一个提升件，一个切向件和一个推进面。

3、如权利要求2所述之机器人连接装置，其特征在于所述之众致动器由在所述肢体的所述端部提供一个虎钳式夹紧装置的相对的致动器组成。

4、如权利要求3所述的机器人联接装置，其特征在于众致动器由成对的致动器组成，该成对之致动器为所述肢体的联接装置提供平稳的步进运动。

5、如权利要求4所述之机器人联接装置，其特征在于所述肢体的所述端部包括一个球，所述壳体包括一个球形腔室，所述的致动器包括装在所述球形腔室中的众致动器对，所述腔室形成承窝以便与所述球体配接。

6、如权利要求4所述的机器人联接装置，其特征在于所述的肢体的所述端部包括一个具有矩形横断面的杆，所述壳体包括一个矩形开口，所述的致动器包括装在矩形开口中与所述杆连接的两对相对的致动器。

7、如权利要求4所述的机器人联接装置，其特征在于所述的肢体之所述端部包括一个圆柱形轴，所述壳体包括一个圆筒形开口，所述致动器至少包括二对装在所述圆筒形开口中以配接所述圆柱形轴的相对的圆筒形弧体。

8、如权利要求7所述的机器人联接装置，其特征在于所述的机器人肢体还包括一个由一个膝关节连接的上腿和下腿。

9、如权利要求8所述的机器人联节装置，其特征在于所述之膝关节包括一个膝关节壳体和装在膝关节壳体内与在所述膝关节壳体中延伸的所述下腿的一端配接的众压电膝关节致动器。

10、一种机器人的连接装置，包括：一个与机器人体连接的连接器壳体，一对装在所述壳体中的致动器和一个机器人的肢体，所述致动器由刚性的电致动材料组成，所述肢体具有一个在所述壳体内延伸并与所述致动器配接的端部。

11、如权利要求10所述的机器人联接装置，其特征在于每个致动器包括与所述肢体之端部配接的一个提升件，一个切向件和一个推进面。

12、如权利要求11所述之机器人联接装置，其特征在于其还包括一对装在所述壳体中与第一对致动器相对的第二对致动器，其中所述的相对的致动器在所述肢体的端部提供一个虎钳式夹紧，并且所述的成对的致动器为所述肢体的联接装置提供平稳的步进运动。

13、如权利要求12所述的机器人联接装置，其特征在于所述致动器由压电致动器组成。

14、如权利要求13所述的机器人联接装置，其特征在于所述之肢体的端部包括一个球，所述的壳体包括一个球形腔室，并且所述的致动器包括装在所述球形腔室的众致动器对，所述腔室形式承窝以便与所述球体配接。

15、如权利要求13所述的机器人的联接装置，其特征在于所述肢体的端部包括一个矩形横载面的杆，所述的壳体包括一个矩形之开口，并且所述致动器包括二对安装在所述矩形开口内以配接所述杆的相对的致动器。

16、如权利要求13所述之机器人联接装置，其特征在于所述肢体的所述端部包括一个圆柱形的轴，所述的壳体包括一个圆筒形的开口，并且所述致动器包括至少两对装在圆筒形开口内以配接所述圆柱形轴的相对的圆筒形弧体。

17、具有用于连接的压电致动器的机器人铰接头，其包括：一个连接到机器人体上的致动器壳体，至少二对相对地装在所述壳体中的压电致动器，每个所述的致动器包括一个提升件，一个切向件和一个推进面，一个可联接的机器人肢体，该肢体具有一个与压电致动器的推进面配接的端部，所述相对的致动器在肢体的端部提供一虎钳式的夹紧，并且所述的成对致动器为肢体的连接装置提供了一个平稳的步进运动。

18、如权利要求17所述的机器人铰接头，其特征在于所述肢体的端部包括一个球体，所述壳体包括一个球形腔室，所述的致动器包括装在所述球形腔室中的众致动器对，所述腔室形成承窝以便与所述球体配接。

19、如权利要求17所述的机器人的铰接头，其特征在于所述肢体端部包括一个基本上为正方形横截面的杆，所述壳体包括一个基本上为正方形的开口，所述致动器包括装在所述的正方形开口中与所述的杆配接的两对相对的致动器。

20、如权利要求17所述的机器人的铰接头，其特征在于所述肢体的端部包括一圆柱形轴，所述壳体包括一圆筒形开口，并且所述的致动器包括装在所述的圆筒形开口内与所述圆柱形轴配接的相对的圆筒形弧体。

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