CN107856025B - 机器人及其角度调节机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角度调节机构，包括动平台和定平台，定平台与动平台之间并列设有第一连杆、第二连杆和第三连杆；第一连杆与动平台之间具有三个转动自由度，第一连杆与定平台固定连接；第二连杆与第三连杆共同约束定平台的一个转动自由度，且第二连杆与第三连杆上各设有一个驱动副，两个驱动副的运动形式相同，驱动副连接有驱动源。此种角度调节机构中，第一连杆、第二连杆、第三连杆、动平台与定平台连接形成具有两个自由度的空间并联闭环机构，可减少累计误差，对于大负载具有较好的承受能力，控制精度高且结构紧凑。本发明还公开了一种包括上述角度调节机构的机器人，其中的角度调节机构累计误差较小、控制精度高、结构紧凑。

Description

机器人及其角度调节机构

技术领域

本发明涉及机器人角度调节技术领域，特别涉及一种角度调节机构。此外，本发明还涉及一种包括上述角度调节机构的机器人。

背景技术

智能家居机器人中，角度调节机构一般是由电机驱动，以实现某一范围内角度调节，增加机器人控制的灵活性和自动化程度，广泛应用于摄像头、投影模组、显示屏等角度调节。

一种典型的角度调节机构通过串联的电机实现驱动，以其应用于云台摄像头为例，该云台摄像机通过串联无刷电机实现多角度拍摄，通过三个电机串联来固定、驱动相机，调节相机在三个方向上的投射角度，从而实现相机的多角度拍摄。

然而，电机驱动串联结构是由多个关节轴串联在一起的，串联结构存在较大的累计误差，在大负载的情况下容易变形，很难实现高精度、高刚度的控制，且串联会导致结构体积较大，使角度调节机构的设计装配受到较大限制。

因此，如何提供一种累计误差较小、控制精度高、结构紧凑的角度调节机构，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种角度调节机构，其累计误差较小、控制精度高、结构紧凑。本发明的另一目的是提供一种包括上述角度调节机构的机器人，其中的角度调节机构累计误差较小、控制精度高、结构紧凑。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种角度调节机构，包括动平台和定平台，所述定平台与所述动平台之间并列设有第一连杆、第二连杆和第三连杆；所述第一连杆与所述动平台之间具有三个转动自由度，所述第一连杆与所述定平台固定连接；所述第二连杆与所述第三连杆共同约束所述定平台的一个转动自由度，且所述第二连杆与所述第三连杆上各设有一个驱动副，两个所述驱动副的运动形式相同，所述驱动副连接有驱动源。

优选地，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆分别通过球铰链连接于所述动平台。

优选地，所述第二连杆与所述第三连杆中的所述驱动副均为移动副。

优选地，所述第二连杆与所述第三连杆上分别设有电缸，各所述电缸包括电机、连接于所述电机的缸体和连接于所述缸体的伸缩杆，所述电缸中的伸缩杆与缸体构成所述移动副。

优选地，所述第二连杆通过胡克铰副连接于所述定平台，所述第三连杆通过第一转动副连接于所述定平台。

优选地，所述第二连杆通过第二转动副连接于所述定平台，所述第三连杆包括与所述动平台连接的第一分杆、与所述定平台通过第三转动副相连的第二分杆，所述第一分杆、所述第二分杆之间通过球铰链相连，所述第二转动副、所述第三转动副分别为所述驱动副。

优选地，所述第二转动副、所述第三转动副分别由舵机驱动。

优选地，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆与所述动平台的连接处依次连接形成等边三角形，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆与所述定平台的连接处依次连接形成等边三角形。

优选地，所述动平台、所述定平台均为三角形板。

一种机器人，包括角度调节机构，所述角度调节机构为如上述任意一种所述的角度调节机构。

本发明提供的角度调节机构包括动平台、定平台、第一连杆、第二连杆和第三连杆。第一连杆与动平台之间具有三个转动自由度，第一连杆与定平台固定连接。第二连杆与第三连杆共同约束定平台的一个转动自由度，且第二连杆与第三连杆上各设有一个驱动副，两个驱动副的运动形式相同，驱动副连接有驱动源。

此种角度调节机构中，第一连杆、第二连杆、第三连杆、动平台与定平台连接形成具有两个自由度的空间并联闭环机构，相比于现有技术中采用串联的方式进行连接的角度调节机构，本申请通过第一连杆、第二连杆与第三连杆并联实现动平台的俯仰与滚转，能够减少机构中存在的累计误差，对于大负载具有较好的承受能力，便于实现高精度、高刚度的控制，稳定性高、运动特性好；同时，并联的设置方式有利于减小机构的体积，结构紧凑，便于装配。

本发明提供的包括上述角度调节机构的机器人，其中的角度调节机构累计误差较小、控制精度高、结构紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供角度调节机构的具体实施例二的结构示意图，其中，带箭头的虚线指示滚转方向，带箭头的实线指示俯仰方向；

图2为本发明所提供角度调节机构的具体实施例二的爆炸图；

图3为本发明所提供角度调节机构的具体实施例四的结构示意图，其中，带箭头的虚线指示滚转方向，带箭头的实线指示俯仰方向；

图4为本发明所提供角度调节机构的具体实施例四的爆炸图。

图1至图4中，1-第一连杆，2-第二连杆，201-第一伸缩杆，202-第一缸体，3-第三连杆，301-第二伸缩杆，302-第二缸体，303-第一分杆，304-第二分杆，4-动平台，5-定平台，6-第一转轴，7-十字万向节，8-球铰链，9-第一轴座，10-第二轴座，11-第二转轴，12-第三转轴，13-第三轴座，14-第四轴座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种角度调节机构，其累计误差较小、控制精度高、结构紧凑。本发明的另一核心是提供一种包括上述角度调节机构的机器人，其中的角度调节机构累计误差较小、控制精度高、结构紧凑。

本发明所提供角度调节机构的具体实施例一中，包括定平台5、动平台4、第一连杆1、第二连杆2和第三连杆3。第一连杆1、第二连杆2与第三连杆3并列设置在定平台5与动平台4之间。第一连杆1与动平台4之间具有三个转动自由度，第一连杆1与定平台5固定连接。第二连杆2与第三连杆3共同约束定平台5的一个转动自由度，且第二连杆2与第三连杆3上各设有一个驱动副，两个驱动副的运动形式相同，驱动副连接有驱动源，该角度调节机构的自由度数与驱动源数相同。

本实施中，第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、动平台4与定平台5连接形成具有两个自由度的空间并联闭环机构，相比于现有技术中采用串联的方式进行连接的角度调节机构，本申请通过第一连杆1、第二连杆2与第三连杆3并联实现动平台4的俯仰与滚转，能够减少机构中存在的累计误差，对于大负载具有较好的承受能力，便于实现高精度、高刚度的控制，稳定性高、运动特性好；同时，并联的设置方式有利于减小机构的体积，结构紧凑，便于装配。

本发明所提供角度调节机构的具体实施例二中，请参考图1和图2，在具体实施例一的基础上，第一连杆1、第二连杆2与第三连杆3分别通过球铰链8连接于动平台4，便于安装。

第二连杆2与第三连杆3中分别设有一个移动副，由该移动副作为驱动副。通过两个移动副的同向移动或者反向移动可以实现动平台4的俯仰和滚转，采用移动副作为驱动副可以提高运行的稳定性。

具体地，第二连杆2与第三连杆3上可以分别设有电缸，电缸包括电机、连接于电机的缸体和连接于缸体的伸缩杆，电缸中的伸缩杆与缸体构成移动副，其中，第二连杆2由第一伸缩杆201和第一缸体202构成一个移动副，第三连杆3由第二伸缩杆301和第二缸体302构成一个移动副，电缸中的电机为驱动源，通过电机的驱动可以控制伸缩杆在缸体中的伸缩。采用电缸可以使该角度调节机构便于维护、运行稳定。当然，移动副也可以通过气缸、液压缸或者其他部件实现。

第二连杆2可以通过胡克铰副连接于定平台5，第三连杆3可以通过第一转动副连接于定平台5，便于安装。具体地，第三连杆3可以通过第一转轴6铰接在定平台5上的第一轴座9上，以实现第一转动副的设置；定平台5上的第二轴座10、第二连杆2可以同时铰接于一个十字万向节7，以实现胡克铰副的设置。

自由度计算公式为：

式中：

F——机构的自由度数；

m——活动机构件总数；

p_i——i级运动副个数；

i——i级运动副的约束数。

本实施例中，活动机构件m为5个；其中，球面副为3个，对应p₃为3；移动副为2个，转动副为1个，对应p₅为3；胡克铰副为1个，对应p₄为1。根据上述公式可得，F＝2，实现角度调节机构的两个自由度的设置，该角度调节机构具有确定的运动。

本发明所提供角度调节机构的具体实施例三中，可以将具体实施例二中第一连杆1、第二连杆2与第三连杆3中至少一者与动平台4之间设置的球铰链8更换为三个空间两两垂直的转动副，当然，其他实施例中的球铰链8也可以更换为三个空间两两垂直的转动副。另外，第二连杆2与定平台5之间的胡克铰副可以更换为两个具有正交关系的转动副。

本发明所提供角度调节机构的具体实施例四中，请参考图3和图4，在具体实施例一的基础上，第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3分别通过球铰链8连接于动平台4。

第二连杆2具体可以通过第二转动副连接于定平台5。第三连杆3具体可以包括与动平台4连接的第一分杆303、与定平台5通过第三转动副连接的第二分杆304，第一分杆303与第二分杆304之间通过球铰链8相连。其中，第二转动副、第三转动副分别为驱动副，通过驱动第二转动副、第三转动副的转动实现对动平台4的驱动，使角度调节的灵活性较好。其中，第二转动副可以通过定平台5上的第三轴座13与第二连杆2铰接于第二转轴11实现，第三转动副可以通过定平台5上的第四轴座14与第二分杆304铰接于第三转轴12实现。

根据具体实施例二中提及的自由度计算公式，在本实施例中，活动构件m为4个；其中，球面副为4个，对应p₃为4；移动副为0个，转动副为2个，对应p₅为2。根据上述公式可得，F＝2。采用本实施例中的设置方式，只需设置的四个活动机构件即可使角度调节机构具有两个自由度，可以减少角度调节机构所需构件数量，有利于简化安装。

其中，第二转动副、第三转动副可以分别由舵机驱动，即舵机作为驱动源，控制简单，便于与数字系统接口。当然，也可以通过步进电机或其他驱动源驱动第二转动副或第三转动副转动。

本发明所提供角度调节机构的具体实施例五中，可以在实施例四的基础上，使第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3与动平台4的连接处可以依次连接形成等边三角形，同时，第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3与定平台5的连接处可以依次连接形成等边三角形，使角度调节机构形状较规则，便于实现对动平台4转动角度的设计与控制。进一步地，动平台4与定平台5均优选为三角形板，以提高与第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3之间的适应性。

当然，第一连杆1、第二连杆2、第三两杆三者与动平台4、定平台5之间的连接关系也可以进行其他设置，例如，第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3与动平台4的连接处可以依次连接形成等腰三角形，第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3与定平台5的连接处可以依次连接形成等腰三角形。

除了上述角度调节机构，本发明还提供了一种包括上述实施例公开的角度调节机构的机器人，该机器人的主体可以包括设置在角度调节机构的动平台4上的摄像头、投影模组、显示屏等模组，以实现对应模组的俯仰与滚转。由于该机器人采用了上述角度调节机构，机构中存在的累计误差较少，角度控制精度较高，操作稳定性较高。该机器人的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的机器人及其角度调节机构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种角度调节机构，其特征在于，包括动平台（4）和定平台（5），所述定平台（5）与所述动平台（4）之间并列设有第一连杆（1）、第二连杆（2）和第三连杆（3）；所述第一连杆（1）与所述动平台（4）之间具有三个转动自由度，所述第一连杆（1）与所述定平台（5）固定连接；所述第二连杆（2）与所述第三连杆（3）共同约束所述定平台（5）的一个转动自由度，且所述第二连杆（2）与所述第三连杆（3）上各设有一个驱动副，两个所述驱动副的运动形式相同，所述驱动副连接有驱动源；

所述第二连杆（2）通过第二转动副连接于所述定平台（5），所述第三连杆（3）包括与所述动平台（4）连接的第一分杆（303）、与所述定平台（5）通过第三转动副相连的第二分杆（304），所述第一分杆（303）、所述第二分杆（304）之间通过球铰链（8）相连，所述第二转动副、所述第三转动副分别为所述驱动副。

2.根据权利要求1所述的角度调节机构，其特征在于，所述第一连杆（1）、所述第二连杆（2）、所述第三连杆（3）分别通过球铰链（8）连接于所述动平台（4）。

3.根据权利要求2所述的角度调节机构，其特征在于，所述第二转动副、所述第三转动副分别由舵机驱动。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的角度调节机构，其特征在于，所述第一连杆（1）、所述第二连杆（2）、所述第三连杆（3）与所述动平台（4）的连接处依次连接形成等边三角形，所述第一连杆（1）、所述第二连杆（2）、所述第三连杆（3）与所述定平台（5）的连接处依次连接形成等边三角形。

5.根据权利要求4所述的角度调节机构，其特征在于，所述动平台（4）、所述定平台（5）均为三角形板。

6.一种机器人，包括角度调节机构，其特征在于，所述角度调节机构为权利要求1至5任意一项所述的角度调节机构。