CN108189021B

CN108189021B - 一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构

Info

Publication number: CN108189021B
Application number: CN201810166339.7A
Authority: CN
Inventors: 郑勐; 李恒; 胡艳凯; 何备林
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: CN108189021A

Abstract

本发明公开了一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，包括底座、一级主轴和二级主轴，底座的上方设置有盖板，盖板与底座之间设置有推力轴承，推力轴承的内侧设置有内齿圈，盖板的上侧设置有摆动支架，摆动支架内设置有摆动轴，摆动支架的上侧设置有俯仰支架，俯仰支架内设置有俯仰轴；一级主轴上设置直齿轮和第一锥齿轮，二级主轴上设置有第二锥齿轮，电机驱动一级主轴转动时，可通过一对离合器控制盖板的正反转、摆动轴的正反转以及俯仰轴的正反转，从而实现一个电机驱动躲闪机器人在三个自由度上的运动。

Description

一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构

技术领域

本发明属于仿真机器人结构技术领域，特别是涉及一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构。

背景技术

随着科技的发展，机器人能够实现的形态和功能越来越多，已经在许多领域中给人类提供了非常大的帮助，特别是具有躲闪避障功能的机器人发展尤为迅速，从军工企业到工厂生产线，公共管理到日常家庭中，机器人将逐步成为我们生活中不可或缺的一部分。此外，国内外的许多科研机构对机器人的研发也已经投入了很大精力，实现了机器人核心功能部件的更新换代和产业发展，提升了感知与运动智能技术的整体水平。但是随着这些技术水平的提升，对机器人的结构设计、高性能电机驱动、高精度传动机构等核心机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求。

目前已经研发出来或者正在研发过程中的躲闪避障机器人存在的主要问题有：

(1)目前存在的各种类型的躲闪避障机器人的驱动基本上都与其自身的自由度数相等，由于机器人功能性的提升，自由度个数、驱动个数也随之增加，有的甚至多达十几个，驱动个数过多；

(2)大多数的科研机构或者企业单位研发的各种类型的躲闪避障机器人控制系统过于复杂，误差出现的概率高、误差累积大、减小误差的成本也相应的越来越高；

(3)目前现有的躲闪机器人的结构设计不够合理，使得其运动学特性和动力学特性相当复杂，利用数学方法解析机器人运动学和动力学存在各种耦合性，计算相当繁琐；

(4)目前存在的躲闪机器人都是在机器人的控制方法及图像处理上等技能化技术上的提升，而忽略了对其机构的创新，机器人机构设计与其复杂的功能性不匹配，机构设计的创新性不足，致使其故障频发，维修成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，解决目前躲闪机器人设计存在驱动复杂，所带来的运算、控制容易出现失误的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，包括底座，底座的上方设置有盖板，盖板与底座之间设置有推力轴承，推力轴承的内侧设置有内齿圈，盖板的上侧设置有摆动支架，摆动支架内设置有摆动轴，摆动支架的上侧设置有俯仰支架，俯仰支架内设置有俯仰轴；还包括一级主轴，一级主轴的一端可转动地伸出底座，另一端可转动地伸出盖板后，伸入摆动支架中，一级主轴上装配有直齿轮和第一锥齿轮，一级主轴的上端设置有十字万向联轴器，十字万向联轴器上连接有二级主轴，其中摆动轴、俯仰轴和一级主轴之间相互垂直设置，二级主轴与一级主轴之间同轴设置；直齿轮位于底座与盖板之间，直齿轮的一侧设置有第一离合器，相对的另一侧设置有第二离合器，第一离合器外和第二离合器外均设置有与直齿轮配合的直齿，第一离合器内和第二离合器内均可转动地设置有输出轴，每个输出轴上均设置有与内齿圈配合的外齿圈；第一锥齿轮和摆动轴均位于摆动支架中，摆动轴的两端均可转动地伸出摆动支架，摆动轴上设置有位于第一锥齿轮两侧的第三离合器和第四离合器，第三离合器和第四离合器的外部均设置有与第一锥齿轮配合的第一锥齿；二级主轴上设置有第二锥形齿轮，第二锥形齿轮位于俯仰支架中，俯仰轴的两端可转动地伸出俯仰支架，俯仰轴上分别设置有位于第二锥齿轮两侧的第五离合器和第六离合器，第五离合器和第六离合器上分别设置有与第二锥齿轮配合的第二锥齿。

本发明的技术方案，还具有以下特点：

所述底座与所述盖板之间还设置有过渡轴，所述过渡轴的上端可转动地装配有过渡齿轮。

所述底座上、所述摆动支架和俯仰支架上均设置有两个深沟球轴承，所述第一离合器输出轴下端、所述第二离合器的输出轴下端、所述摆动轴的两端、所述俯仰轴的两端均与对应的深沟球轴承键槽配合。

所述底座与所述盖板之间还设置有转动支架，所述直齿轮位于所述转动支架内。

所述俯仰支架、所述盖板、所述转动支架上均设置有深沟球轴承，所述底座上设置有圆锥滚子轴承，所述二级主轴与俯仰支架上的深沟球轴承键槽配合，所述一级主轴从下到上依次与盖板上的深沟球轴承、转动支架上的深沟球轴承以及圆锥滚子轴承键槽配合。

本发明的有益效果是：

(1)本发明单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构采用了步进电动机驱动，利用电磁离合器吸和、断开的不同状态之间的相互组合来实现的，躲闪机器人的自由度F＝3，可以完成回转、左右摆动、前后俯仰以及这些动作的组合运动，最终完成躲闪动作，而且仅由一个电机驱动，使整体机构处于一种“欠驱动”状态，这种欠驱动机构有效的减少了控制系统需要控制的变量，通过不同动作的组合，达到不同的躲闪效果，使系统灵活性增强；

(2)本发明的单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构仅由一个步进电动机驱动，大大简化了控制系统需要控制的变量，在很大程度上减小了误差出现的概率，设计控制系统成本低，易操作；

(3)躲闪机器人的主要自由度均在腰部实现，即绕空间三个坐标轴的转动，可以通过适当的简化，再运用Denavit-Hartenberg(D-H)法建立腰部结构关节空间的旋转坐标系，由于而本发明的技术方案主要是上身的躲闪，因此将腰部结构底盘与地面固连即坐标系0，转动机构设为坐标系1，左右摆动机构坐标系设为2，前后俯仰机构坐标系设为3，根据建立的空间旋转坐标系可以得出机器人各个关节处的位姿变换矩阵[M₀₁]、[M₁₂]、[M₂₃]，

即

其中：cθ＝cosθsθ＝sinθ

根据坐标变换矩阵公式可以得出机器人上半身各个区域中心的躲闪位姿矩阵[M₀₃]＝[M₀₁][M₁₂][M₂₃]，即机器人腰部关节的输出正解，根据时间的连续变化，可得出机器人各关节的转动位移及角度的变化，由于机器人上半身是和关节固连的，因此上半身的位姿矩阵均是由与其固连的关节位姿矩阵平移得到的，无需在经过繁琐的矩阵计算，这样大大简化了数学计算；

(4)本发明发单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，首先在其结构上进行了创新设计，整个机器人仅由一个电动机驱动，实现正反转，前后转动以及左右转动；正反转通过直齿轮传动实现，左右转动以及前后转动通过锥齿轮传动，不仅可以改变运动传递的方向还可以使运动传递更平稳，震动小，传递力矩大，由于机构的联结和运动极限，机器人前后转动和左右转动同时进行会产生干扰，因此在一级主轴和二级主轴通过十字万向联轴器联结，解决了机器人由于不能补偿轴向偏移的问题，实现了机器人三个关节自由度自由组合，使躲闪效果更加明显，稳定，另外，创新性的运用电磁离合器的吸合与断开来控制相应的齿轮转动角度与时间，控制系统简单，响应快；

(5)在仿人机器人整体设计中，结构设计决定了机器人的功能，而腰部结构决定了整个框架的稳定性，本发明的单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，通过电磁离合器的吸合与断开控制运动的传递，控制精确高、运动分级明确，腰部动作使机器人上半身的重心在一定范围内移动，可以补偿机器人在运动中的重心偏移，使机器人保持站立平衡状态，同事也适用在移动机器人，能配合其他部位一起完成更多更复杂的动作。

附图说明

图1是本发明的一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构的主视图；

图2是本发明的一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构的侧视图；

图3是本发明的一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构实现转动部分的结构俯视图。

图中，1.一级主轴，2.底座，3.第一离合器，4.直齿，5.推力轴承，6.盖板，7.内齿圈，8.外齿圈，9.摆动支架，10.俯仰支架，11.俯仰轴，12.第五离合器，13.第二锥齿，14.第二锥齿轮，15.二级主轴，16.第六离合器，17.十字万向联轴器，18.第一锥齿轮，19.直齿轮，20.第二离合器，21.深沟球轴承，22.圆锥滚子轴承，23.转动支架，24.第三离合器，25.第一锥齿，26.第四离合器，27.摆动轴，29.过渡轴，30.过渡齿轮

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，包括底座2和一级主轴1，底座2的上方设置有盖板6，盖板6与底座2之间设置有推力轴承5，推力轴承5的内侧设置有内齿圈7，盖板6的上侧设置有摆动支架9；结合图2，摆动支架9内设置有摆动轴27，摆动支架9的上侧设置有俯仰支架10，俯仰支架10内设置有俯仰轴11。

一级主轴1的一端可转动地伸出底座2，另一端可转动地伸出盖板6后，伸入摆动支架9中，一级主轴1上装配有直齿轮19和第一锥齿轮18，一级主轴1的上端设置有十字万向联轴器17，十字万向联轴器17上连接有二级主轴15，其中摆动轴27、俯仰轴11和一级主轴1之间相互垂直设置，二级主轴15与一级主轴1之间同轴设置。

直齿轮19位于底座2与盖板6之间，直齿轮19的一侧设置有第一离合器3，相对的另一侧设置有第二离合器20，第一离合器3外部和第二离合器20外部均设置有与直齿轮19配合的直齿4，第一离合器3内和第二离合器20内均可转动地设置有输出轴，每个输出轴上均设置有与内齿圈7配合的外齿圈8；第一锥齿轮18和摆动轴27均位于摆动支架9中，摆动轴27的两端均可转动地伸出摆动支架9，摆动轴27上设置有位于第一锥齿轮18两侧的第三离合器24和第四离合器26，第三离合器24和第四离合器26的外部均设置有与第一锥齿轮18配合的第一锥齿25。

二级主轴15上设置有第二锥齿轮14，第二锥齿轮14位于俯仰支架10中，俯仰轴11的两端可转动地伸出俯仰支架10，俯仰轴11上分别设置有位于第二锥齿轮14两侧的第五离合器12和第六离合器16，第五离合器12和第六离合器16上分别设置有与第二锥齿轮14配合的第二锥齿13。

如图3所示，底座2与盖板6之间还设置有过渡轴29，过渡轴29的上端可转动地装配有过渡齿轮30，过渡齿轮30与内齿圈7配合。

如图1所示，底座2上、摆动支架9和俯仰支架10上均设置有两个深沟球轴承22，第一离合器3的输出轴下端、第二离合器20的输出轴下端、摆动轴27的两端、俯仰轴11的两端均与对应的深沟球轴承22键槽配合。

如图2所示，底座2与盖板6之间还设置有转动支架23，直齿轮19位于转动支架23内；俯仰支架10、盖板6、转动支架23上均设置有深沟球轴承21，底座上设置有圆锥滚子轴承22，二级主轴15与俯仰支架10上的深沟球轴承键槽21配合，一级主轴1从下到上依次与盖板6上的深沟球轴承21、转动支架9上的深沟球轴承21以及圆锥滚子轴承22键槽配合。

进行转动动作时：电机通过键与一级主轴1连接，正转时第一电磁离合器3吸合，其余电磁离合器均断开，直齿轮19与第一离合器3的直齿组成齿轮副，此时运动传递到第一离合器3的输出轴上，然后运动再通过该输出轴上的外齿圈8与内齿圈7啮合传动，内齿圈7与盖板6过盈配合，当运动传递到内齿圈7上时，即带动了盖板6运动，完成机器人正转运动；反转时第二电磁离合器20吸合，其余电磁离合器均断开，电机转向不变，当运动通过直齿轮19传递到第二离合器20上的输出轴上时，再通过该输出轴上的外齿圈传递到过渡齿轮30，以实现最终运动的反向传递，带动盖板6反向转动。

进行摆动动作时：电机带动一级主轴1转动，与一级主轴1通过平键连接的第一锥齿轮18随之转动，通过第一锥齿轮18与第一锥齿25形成的齿轮副将运动转变方向并且带动摆动轴9转动，当第三电磁离合器24吸合，其余离合器断开时，机器人向右摆；当第四电磁离合器26吸合，其余离合器均断开时，机器人则向左摆。

进行俯仰动作时，一级主轴1通过十字万向联轴器17带动二级主轴15运动，第二锥齿轮14与第二锥齿13通过齿轮副将运动转变方向并且带动俯仰轴11运动，会带动整个固定在俯仰支架10上的俯仰机构运动部件运动，当第五电磁离合器12吸合，其余离合器均断开时，机器人完成向前倾的动作，当第六电磁离合器16吸合，其余离合器均断开时，则机器人向后仰。

Claims

1.一种单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，其特征在于，包括底座（2），底座（2）的上方设置有盖板（6），盖板（6）与底座（2）之间设置有推力轴承（5），推力轴承（5）的内侧设置有内齿圈（7），盖板（6）的上侧设置有摆动支架（9），摆动支架（9）内设置有摆动轴（27），摆动支架（9）的上侧设置有俯仰支架（10），俯仰支架（10）内设置有俯仰轴（11）；

还包括一级主轴（1），一级主轴（1）的一端可转动地伸出底座（2），另一端可转动地伸出盖板（6）后，伸入摆动支架（9）中，一级主轴（1）上装配有直齿轮（19）和第一锥齿轮（18），一级主轴（1）的上端设置有十字万向联轴器（17），十字万向联轴器（17）上连接有二级主轴（15），其中摆动轴（27）、俯仰轴（11）和一级主轴（1）之间相互垂直设置，二级主轴（15）与一级主轴（1）之间同轴设置；直齿轮（19）位于底座（2）与盖板（6）之间，直齿轮（19）的一侧设置有第一离合器（3），相对的另一侧设置有第二离合器（20），第一离合器（3）外部和第二离合器（20）外部均设置有与直齿轮（19）配合的直齿（4），第一离合器（3）内和第二离合器（20）内均可转动地设置有输出轴，每个输出轴上均设置有与内齿圈（7）配合的外齿圈（8）；第一锥齿轮（18）和摆动轴（27）均位于摆动支架（9）中，摆动轴（27）的两端均可转动地伸出摆动支架（9），摆动轴（27）上设置有位于第一锥齿轮（18）两侧的第三离合器（24）和第四离合器（26），第三离合器（24）和第四离合器（26）的外部均设置有与第一锥齿轮（18）配合的第一锥齿（25）；二级主轴（15）上设置有第二锥齿轮（14），第二锥齿轮（14）位于俯仰支架（10）中，俯仰轴（11）的两端可转动地伸出俯仰支架（10），俯仰轴（11）上分别设置有位于第二锥齿轮（14）两侧的第五离合器（12）和第六离合器（16），第五离合器（12）和第六离合器（16）上分别设置有与第二锥齿轮（14）配合的第二锥齿（13）。

2.根据权利要求1所述的单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，其特征在于，所述底座（2）与所述盖板（6）之间还设置有过渡轴（29），所述过渡轴（29）的上端可转动地装配有过渡齿轮（30），所述过渡齿轮（30）与内齿圈（7）配合。

3.根据权利要求1所述的单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，其特征在于，所述底座（2）上、所述摆动支架（9）和俯仰支架（10）上均设置有两个深沟球轴承（21），所述第一离合器（3）的输出轴下端、所述第二离合器（20）的输出轴下端、所述摆动轴（27）的两端、所述俯仰轴（11）的两端均与对应的深沟球轴承（21）键槽配合。

4.根据权利要求1所述的单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，其特征在于，所述底座（2）与所述盖板（6）之间还设置有转动支架（23），所述直齿轮（19）位于所述转动支架（23）内。

5.根据权利要求4所述的单驱动躲闪机器人的腰部驱动机构，其特征在于，所述俯仰支架（10）、所述盖板（6）、所述转动支架（23）上均设置有深沟球轴承（21），所述底座上设置有圆锥滚子轴承（22），所述二级主轴（15）与俯仰支架（10）上的深沟球轴承（21）键槽配合，所述一级主轴（1）从下到上依次与盖板（6）上的深沟球轴承（21）、转动支架（23）上的深沟球轴承（21）以及圆锥滚子轴承（22）键槽配合。