CN108673562B - 一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构，本发明为了解决现有迎宾机器人头颈部局限于回转和俯仰两个有限运动的问题，所述机器人头颈部结构由头颈部装置、眼睛超声探测装置和控制系统组成，所述头颈部装置的齿盘作为主动齿轮，通过内外齿轮啮合传动和齿轮齿条机构传动，共同实现齿盘做半径可变的平面圆周运动，球齿轮作为从动齿轮与头部外壳螺纹连接，并与所述眼睛超声探测装置通过眼部支架固接，控制系统以STM32F103芯片为主、TB6612FNG芯片为辅，配合超声传感器和霍尔编码器对头颈部动作位置实时反馈，本发明不但可以实现传统迎宾机器人摆头（俯仰）和摇头（回转）的动作并且拓展了迎宾机器人晃脑（全方位摆动）的头颈部动作。

Description

一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构
技术领域
本发明涉及一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构。
背景技术
如今大多数迎宾机器人的头颈部只有回转和俯仰两个自由度，但是出于对高度仿人化和机器人灵活性的要求，仿人机器人的头颈部一般采用冗余自由度的设计，传统的设计不适用于关节轴不正交的冗余自由度头颈部机器人的运动控制。
为了使迎宾机器人头颈部动作可以像人一样“优雅”的对传感器采集到的信息做出反应，本发明采用球齿轮齿盘机构来实现头颈部结构的空间姿态控制，球齿轮是随着机器人仿生技术与机械工程的发展，迫切需要多自由度的新型齿轮机构而出现的新型齿轮机构，它在传动本质上是万向节机构的衍生，它可以用来传递三维空间上的球面运动，这种运动正是大多数生物关节所具备的运动特征，球齿轮齿盘机构可以实现从平面运动到球面运动之间的转化，目前没有其他一种机构可以实现这种转化，所以它在改变机构运动方向上有独特的优势。本发明在传统球齿轮齿盘机构中齿盘的传动方式上做出了创新，目前多数齿盘的平面运动是通过万向平台实现的，由于万向平台占用的空间很大，不适宜放在机器人颈部内腔中传递运动，本发明使用内外齿轮啮合与齿轮齿条机构共同实现齿盘做定轴且半径可变的平面圆周运动，一方面可以实现传统的万向平台对齿盘控制的运动轨迹，另一方面大幅减少了头颈部装置所占用的空间，并且减轻了迎宾机器人头颈部结构的总重量，从而缓解了后续迎宾机器人行走装置的承载压力，本发明不但可以实现传统机器人摆头（俯仰）、摇头（回转）的动作并且拓展了迎宾机器人晃脑（全方位摆动）的头颈部动作。
发明内容
本发明为了解决现有迎宾机器人头颈部结构松散，仅局限于回转和俯仰两个有限运动的问题，提供了一种结构紧凑、头颈部活动范围可控的一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构。
本发明为了解决上述问题采取的技术方案是：所述机器人头颈部结构由头颈部装置、眼睛超声探测装置和控制系统组成，头颈部装置包括第一无刷直流电机、第一霍尔编码器、第一行星齿轮减速器、左侧传动杆、滑动槽、左滑块、齿盘、球齿轮、紧定螺钉、调节螺杆、球齿轮回转轴、十字环、右滑块、位置超声传感器、齿条、第二行星齿轮减速器、第二霍尔编码器、第二无刷直流电机、控制器、右侧传动杆、第一金属圆柱齿轮、第二金属圆柱齿轮、第三金属圆柱齿轮、金属内齿轮、球齿轮摆动支座、水平转动支柱和头部外壳。所述第一无刷直流电机的输出端与第一行星齿轮减速器的输入端传动连接，所述第一行星齿轮减速器的输出轴固装在第一金属圆柱齿轮的内孔中，所述第一金属圆柱齿轮的轮齿与第二金属圆柱齿轮的轮齿相啮合，所述第二金属圆柱齿轮与金属内齿轮内啮合，所述金属内齿轮与右侧传动杆和左侧传动杆固接，所述第二无刷直流电机固定安装在右侧传动杆的侧面，所述第二无刷直流电机的输出端与第二行星齿轮减速器的输入端传动连接，所述第二行星齿轮减速器的输出轴固装在第三金属圆柱齿轮的内孔中，所述第三金属圆柱齿轮的轮齿与齿条的轮齿啮合把圆周方向的力转化成水平方向的力，所述齿条与滑动槽右端的侧面固接，所述齿条后侧布置有位置超声传感器，所述右滑块与右侧传动杆的顶端固接，所述左滑块与左侧传动杆的顶端固接，所述滑动槽与水平转动支柱的下端固接，所述水平转动支柱的上端与齿盘底部圆心处固接，所述齿盘的轮齿与球齿轮的轮齿相啮合，所述第一霍尔编码器和第二霍尔编码器分别与第一无刷直流电机和第二无刷直流电机连接，所述球齿轮回转轴嵌套在球齿轮上端的内孔中并构成回转副，所述球齿轮回转轴的两端与十字环固接，使球齿轮可以绕球齿轮回转轴摆动，所述十字环和球齿轮摆动支座在与球齿轮回转轴呈90°的位置形成转动连接，所述两个调节螺杆穿过球齿轮摆动支座轴孔和十字环的两轴孔构成回转副，所述两个调节螺杆用紧定螺钉与球齿轮摆动支座固定连接，所述头部外壳与球齿轮螺纹连接并且随着球齿轮摆动；
所述眼睛超声探测装置包括眼睛超声传感器和眼部支架组成，所述眼睛超声传感器与眼部支架固定连接，所述眼部支架与球齿轮固定连接；
所述控制系统包括STM32F103C8T6芯片、TB6612FNG芯片和电容C12，STM32F103C8T6芯片的PB1和PB0引脚与眼睛超声传感器连接，PB2、PB3引脚与位置超声传感器连接，PA8、PA11、PB12、PB13、PB14、PB15引脚分别于TB6612FNG芯片的PWMA、PWMB、BIN2、BIN1、AIN1、AIN2引脚连接，TB6612FNG芯片上的VM引脚与12V电源和电容C12连接后接地，VCC引脚与5V电源连接，GND引脚接地，AO1、AO2引脚第二霍尔编码器连接，BO1、BO2引脚与第一霍尔编码器连接，STM32F103C8T6芯片上的PB6、PB7与第二霍尔编码器连接，可以实现对第二无刷直流电机输出的实时测量和记录，STM32F103C8T6芯片上的PA0、PA1与第一霍尔编码器连接，可以实现对第一无刷直流电机输出的实时测量和记录。
本发明的控制过程如下：本发明头颈部结构的俯仰角范围是-50°< aa <+50°，水平方向上的回转范围是-80°<bb<+80°，符合人类颈部运动特征，所述STM32F103C8T6芯片通过读取第一霍尔编码器和第二霍尔编码器上的PA0、PA1和PB0、PB1引脚的高低电平记录脉冲数c1、c2，并记录系统运行的时间t1、t2，将c1转化成滑动槽相对于初始位置的角度值和第一无刷直流电机的转速，将c2转化成第二无刷直流电机的转速，对转速实时监控使系统稳定，初始位置时机器人头部正视前方且第一霍尔编码器测得的脉冲数c1=0即转化成滑动槽角度为0°，所述第一无刷直流电机的输出轴顺时针转动检测到的角度逐渐增大反之角度逐渐减小，当测得滑动槽角度大于360°或者小于-360°时脉冲数清零表示齿盘顺时针或逆时针转动一周，初始位置时位置超声传感器测得右滑块的位置信息为a=b（cm），到达右侧极限位置时所述位置超声传感器测得右滑块的距离为a=b1（cm），当到达左侧极限位置时所述位置超声传感器测得右滑块的距离为a=b2（cm），形成闭环控制使系统更加稳定。
本发明具有以下有益效果：1、本发明设计的球齿轮齿盘机构可以实现迎宾机器人头颈部全方位的摆动且结构紧凑简洁；2、与传统球齿轮齿盘机构相比，本发明设计的球齿轮齿盘机构中齿盘的平面圆周运动由内外齿轮啮合传动和齿轮齿条机构协作完成，简化了传统的万向平台驱动齿盘运动的传递方式，且球齿轮输出轴可以在平面和三维空间摆动，空间姿态更符合人类头颈的运动特征；3、本发明可以实现迎宾机器人摇头晃脑的动作，这是传统迎宾机器人头颈无法完成的高度拟人化的动作；4、本发明用位置超声传感器作为齿轮齿条机构的限位保护装置简化了传统迎宾机器人需要多个限位保护器，实施反馈头颈部结构的动作状态，降低了控制系统的操作难度，占用空间小且控制更精确灵活性高。
附图说明
图1本发明整体的结构示意图；
图2本发明未安装头部外壳和眼睛超声探测装置的结构示意图；
图3本发明控制系统示意图；
图4本发明控制系统主控芯片电路原理图；
图5本发明控制系统辅助芯片电路原理图；
图6本发明控制系统霍尔编码器电路原理图；
图7本发明控制系统超声传感器电路原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构包括：头颈部装置1、眼睛超声探测装置2和控制系统3，所述头颈部装置1包括第一无刷直流电机1-1、第一霍尔编码器1-2、第一行星齿轮减速器1-3、左侧传动杆1-4、滑动槽1-5、左滑块1-6、齿盘1-7、球齿轮1-8、紧定螺钉1-9、调节螺杆1-10、球齿轮回转轴1-11、十字环1-12、右滑块1-13、位置超声传感器1-14、齿条1-15、第二行星齿轮减速器1-17、第二霍尔编码器1-18、第二无刷直流电机1-19、控制器1-20、右侧传动杆1-21、第一金属圆柱齿轮1-22、第二金属圆柱齿轮1-23、第三金属圆柱齿轮1-16、金属内齿轮1-24、球齿轮摆动支座1-25、水平转动支柱1-26和头部外壳1-27；
所述第一无刷直流电机1-1的输出端与第一行星齿轮减速器1-3的输入端传动连接，所述第一行星齿轮减速器1-3的输出轴固装在第一金属圆柱齿轮1-22的内孔中，所述第一金属圆柱齿轮1-22的轮齿与第二金属圆柱齿轮1-23的轮齿相啮合，所述第二金属圆柱齿轮1-23与金属内齿轮1-24内啮合，所述金属内齿轮1-24与右侧传动杆1-21和左侧传动杆1-4固接，所述第二无刷直流电机1-19固定安装在右侧传动杆1-21的侧面，所述第二无刷直流电机1-19的输出端与第二行星齿轮减速器1-17的输入端传动连接，所述第二行星齿轮减速器1-17的输出轴固接在第三金属圆柱齿轮1-16的内孔中，所述第三金属圆柱齿轮1-16的轮齿与齿条1-15的轮齿啮合把圆周方向的力转化成水平方向的力，所述齿条1-15与滑动槽1-5右端的侧面固接，所述齿条1-15后侧布置有位置超声传感器1-14，所述右滑块1-13与右侧传动杆1-21的顶端固接，所述左滑块1-6与左侧传动杆1-4的顶端固接，所述滑动槽1-5与水平转动支柱1-26的下端固接，所述水平转动支柱1-26的上端与齿盘1-7底部圆心处固接，所述齿盘1-7的轮齿与球齿轮1-8的轮齿相啮合，所述第一霍尔编码器1-2和第二霍尔编码器1-18分别与第一无刷直流电机1-1和第二无刷直流电机1-19连接，所述球齿轮回转轴1-11嵌套在球齿轮1-8上端的内孔中构成回转副，所述球齿轮回转轴1-11的两端与十字环1-12固接，使球齿轮1-8可以绕球齿轮回转轴1-11摆动，所述十字环1-12和球齿轮摆动支座1-25在与球齿轮回转轴1-11呈90°的位置形成转动连接，所述两个调节螺杆1-10穿过球齿轮摆动支座1-25轴孔和十字环1-12的两轴孔构成回转副，所述两个调节螺杆1-10用紧定螺钉1-9与球齿轮摆动支座1-25固定连接，所述头部外壳1-27与球齿轮1-8螺纹连接并且随着球齿轮1-8摆动。
本实施方式中第一无刷直流电机1-1为现有技术，生产厂家为北京时代超群电器科技有限公司，型号为60BL100S15-230TF9。
本实施方式中第一行星齿轮减速器1-3为现有技术，生产厂家为上海兆迈传动机械有限公司，型号为PLE060。
本实施方式中第二无刷直流电机1-19为现有技术，生产厂家为北京时代超群电器科技有限公司，型号为42BL50S03-230。
本实施方式中第二行星齿轮减速器1-17为现有技术，生产厂家为台湾鼎锐减速机上海工厂，型号为PL40。
本实施方式中位置超声传感器1-14为现有技术，生产厂家为北京天祥微控电子有限公司，型号为HC-SR04。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，所述眼睛超声探测装置2由眼睛超声传感器2-1和眼部支架2-2组成，所述眼睛超声传感器2-1与眼部支架2-2固定连接，所述眼部支架2-2与球齿轮1-8固定连接。
本实施方式中眼睛超声传感器2-1为现有技术，生产厂家为北京天祥微控电子有限公司，型号为HC-SR04。
具体实施方式三：结合图3、图4、图5、图6、图7说明本实施方式，所述控制系统3包括STM32F103C8T6芯片、TB6612FNG芯片和电容C12，STM32F103C8T6芯片的PB1和PB0引脚与眼睛超声传感器连接，PB2、PB3引脚与位置超声传感器1-14连接，PA8、PA11、PB12、PB13、PB14、PB15引脚分别于TB6612FNG芯片的PWMA、PWMB、BIN2、BIN1、AIN1、AIN2引脚连接，TB6612FNG芯片上的VM引脚与12V电源和电容C12连接后接地，VCC引脚与5V电源连接，GND引脚接地，AO1、AO2引脚与第二霍尔编码器1-18连接，BO1、BO2引脚与第一霍尔编码器1-2连接，STM32F103C8T6芯片上的PB6、PB7与第二霍尔编码器1-18连接，可以实现对第二无刷直流电机1-19输出的实时测量和记录，STM32F103C8T6芯片上的PA0、PA1与第一霍尔编码器1-2连接，可以实现对第一无刷直流电机1-1输出的实时测量和记录。
工作原理
当所述眼睛超声探测装置检测到3m内有人时，眼睛超声传感器把信息反馈给控制系统，驱动第一无刷直流电机和第二无刷直流电机转动使机器人完成摆头（俯仰）、摇头（回转）和晃脑（全方位摆动）的动作。
摆头（俯仰）工作原理：控制系统控制第二无刷直流电机转动驱动齿轮齿条机构动作，带动齿盘做直线运动，作为从动齿轮的球齿轮在扇面范围内摆动，完成摆头的动作。位置超声传感器把滑动槽的位置信息a（cm）反馈给控制系统，在摆头动作中起到限位保护的作用，当位置超声传感器检测到滑动槽的位置信息为b1（cm）时，第二无刷直流电机逆时针转动，滑动槽向距离位置超声传感器越来越远的方向移动，当位置超声传感器检测到滑动槽的位置信息为b2（cm）时，第二无刷直流电机顺时针转动，当再次到达初始位置（a=b）时摆头运动停止，完成一次完整的摆头运动，若在初始位置时控制第一无刷电机驱动滑动槽转动到与头部外壳正前方重合的位置（滑动槽角度为90°）时，停止第一无刷直流电机的输出，以此位置开始摆头动作就模拟了人类点头抬头的动作，其中第二霍尔编码器实时检测第二无刷直流电机的转速，控制摆头动作的速度符合人体头颈部运动的规律。
摇头（回转）工作原理：控制系统控制第二无刷直流电机顺时针转动，使滑动槽向靠近位置超声传感器的方向移动，位置超声传感器检测右滑块的位置信息为b3（cm）时，球齿轮输出轴与竖直方向的角度刚好是45°，停止第二无刷直流电机转动，并同时启动第一无刷直流电机转动，使第一行星齿轮减速器的输出轴驱动传动机构带动齿盘做平面圆周运动其转动半径为b-b3（cm），从动的球齿轮做锥面运动，球齿轮的轴线作为锥面运动的母线，完成迎宾机器人摇头的动作，其中第一霍尔编码器检测滑动槽转过360°时，停止第一无刷直流电机转动同时控制第二无刷直流电机转动使滑动槽向靠近右滑块的方向复位，当测得位置超声传感器的位置信息为a=b（cm）时，停止第二无刷直流电机转动从而完成一次摇头的动作。
晃脑（全方位摆动）工作原理：控制系统控制第一无刷直流电机和第二无刷直流电机转动，综合了摆头和摇头的动作特点，实现了球齿轮的输出轴在三维球面上的运动，其中位置超声传感器在晃脑动作中作为限位保护装置，第一霍尔编码器和第二霍尔编码器实时反馈第一无刷直流电机和第二无刷直流电机的转速，当第一霍尔编码器检测滑动槽转过360°时，停止第一无刷直流电机转动同时控制第二无刷直流电机转动使滑动槽向靠近右滑块的方向复位，当测得位置超声传感器的位置信息为a=b（cm）时，停止第二无刷直流电机转动从而完成一次晃脑的动作。

Claims (3)

1.一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构，其特征在于：所述迎宾机器人的头颈部结构包括头颈部装置(1)、眼睛超声探测装置(2)和控制系统(3)，所述头颈部装置(1)包括第一无刷直流电机(1-1)、第一霍尔编码器(1-2)、第一行星齿轮减速器(1-3)、左侧传动杆(1-4)、滑动槽(1-5)、左滑块(1-6)、齿盘(1-7)、球齿轮(1-8)、紧定螺钉(1-9)、调节螺杆(1-10)、球齿轮回转轴(1-11)、十字环(1-12)、右滑块(1-13)、位置超声传感器(1-14)、齿条(1-15)、第二行星齿轮减速器(1-17)、第二霍尔编码器(1-18)、第二无刷直流电机(1-19)、控制器(1-20)、右侧传动杆(1-21)、第一金属圆柱齿轮(1-22)、第二金属圆柱齿轮(1-23)、第三金属圆柱齿轮(1-16)、金属内齿轮(1-24)、球齿轮摆动支座(1-25)、水平转动支柱(1-26)和头部外壳(1-27)；
所述第一无刷直流电机(1-1)的输出端与第一行星齿轮减速器(1-3)的输入端传动连接，所述第一行星齿轮减速器(1-3)的输出轴固装在第一金属圆柱齿轮(1-22)的内孔中，所述第一金属圆柱齿轮(1-22)的轮齿与第二金属圆柱齿轮(1-23)的轮齿相啮合，所述第二金属圆柱齿轮(1-23)与金属内齿轮(1-24)内啮合，所述金属内齿轮(1-24)与右侧传动杆(1-21)和左侧传动杆(1-4)固接，所述第二无刷直流电机(1-19)固定安装在右侧传动杆(1-21)的侧面，所述第二无刷直流电机(1-19)的输出端与第二行星齿轮减速器(1-17)的输入端传动连接，所述第二行星齿轮减速器(1-17)的输出轴固接在第三金属圆柱齿轮(1-16)的内孔中，所述第三金属圆柱齿轮(1-16)的轮齿与齿条(1-15)的轮齿啮合把圆周方向的力转化成水平方向的力，所述齿条(1-15)与滑动槽(1-5)右端的侧面固接，所述齿条(1-15)后侧布置有位置超声传感器(1-14)，所述右滑块(1-13)与右侧传动杆(1-21)的顶端固接，所述左滑块(1-6)与左侧传动杆(1-4)的顶端固接，所述滑动槽(1-5)与水平转动支柱(1-26)的下端固接，所述水平转动支柱(1-26)的上端与齿盘(1-7)底部圆心处固接，所述齿盘(1-7)的轮齿与球齿轮(1-8)的轮齿相啮合，所述第一霍尔编码器(1-2)和第二霍尔编码器(1-18)分别与第一无刷直流电机(1-1)和第二无刷直流电机(1-19)连接，所述球齿轮回转轴(1-11)嵌套在球齿轮(1-8)上端的内孔中构成回转副，所述球齿轮回转轴(1-11)的两端与十字环(1-12)固接，使球齿轮(1-8)可以绕球齿轮回转轴(1-11)摆动，所述十字环(1-12)和球齿轮摆动支座(1-25)在与球齿轮回转轴(1-11)呈90°的位置形成转动连接，两个所述调节螺杆(1-10)穿过球齿轮摆动支座(1-25)轴孔和十字环(1-12)的两轴孔构成回转副，两个所述调节螺杆(1-10)用紧定螺钉(1-9)与球齿轮摆动支座(1-25)固定连接，所述头部外壳(1-27)与球齿轮(1-8)螺纹连接并且随着球齿轮(1-8)摆动。
2.根据权利要求1所述一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构，其特征在于：所述眼睛超声探测装置(2)由眼睛超声传感器(2-1)和眼部支架(2-2)组成，所述眼睛超声传感器(2-1)与眼部支架(2-2)固定连接，所述眼部支架(2-2)与球齿轮(1-8)固定连接。
3.根据权利要求1所述一种基于球齿轮齿盘机构的迎宾机器人头颈部结构，其特征在于：所述控制系统(3)包括STM32F103C8T6芯片、TB6612FNG芯片和电容C12，STM32F103C8T6芯片的PB1和PB0引脚与眼睛超声传感器（ 2-1 ）连接，PB2、PB3引脚与位置超声传感器（ 1- 14 ）连接，PA8、PA11、PB12、PB13、PB14、PB15引脚分别与TB6612FNG芯片的PWMA、PWMB、BIN2、BIN1、AIN1、AIN2引脚连接，TB6612FNG芯片上的VM引脚与12V电源和电容C12连接后接地，VCC引脚与5V电源连接，GND引脚接地，AO1、AO2引脚与第二霍尔编码器(1-18)连接，BO1、BO2引脚与第一霍尔编码器(1-2)连接，STM32F103C8T6芯片上的PB6、PB7与第二霍尔编码器(1-18)连接，可以实现对第二无刷直流电机(1-19)输出的实时测量和记录，STM32F103C8T6芯片上的PA0、PA1与第一霍尔编码器(1-2)连接，可以实现对第一无刷直流电机(1-1)输出的实时测量和记录。
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