CN108748103B - 一种6自由度仿人咀嚼机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种6自由度仿人咀嚼机构，包括基板、上下移动平台、前后移动平台、左右移动平台、旋转驱动机构、仿人上颌以及仿人下颌。所述机构采用6个直流电机进行驱动，直流电机启动转矩大，调速性能好，可实现平滑调速，能够满足仿人头部的要求。仿人上颌与基板固定，仿人下颌与左右移动平台相连。在上下移动平台、前后移动平台中，通过不同直流电机同速或差速的运动，可实现沿z轴移动、绕z轴转动、沿y轴移动、绕y轴转动；在左右平台中，用2个直流电机分别控制沿x轴移动以及绕x轴转动，从而完成下颌的六个自由度，实现高度拟人化的咀嚼运动。本发明可应用于食物检测、牙齿测试等场合或者仿人头部机器人、服务机器人等人机交互的情景。

Description

一种6自由度仿人咀嚼机构

技术领域

本发明属于仿生机构技术领域，涉及一种6自由度仿人咀嚼机构。

背景技术

人类的下颌系统由上颌骨、下颌骨、开闭口肌肉和颞下颌关节等部分构成；其中，下颌骨可以在开闭口肌肉的作用下实现空间运动。下颌系统在控制表情、咀嚼食物和表达语言等方面发挥着不可替代的作用。

咀嚼机器人是一类可以模拟人类咀嚼行为的机器人。它可以真实地复现人类的咀嚼行为并采集分析咀嚼的信息，包括咀嚼力、速度、振动等内容。咀嚼机器人是集轨迹规划、感知系统、实时控制系统及生物模拟于一体的综合仿生机器人系统，广泛应用于牙科训练、食品评估、语言医疗等领域。

现有技术多采用并联机构，结构复杂，占用空间较大，且难以控制；另外一些结构自由度较低，无法完全模拟仿人咀嚼运动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种6自由度仿人咀嚼机构，其结构简单、紧凑，噪音小、成本低，功率密度比高，且能实现高仿真的咀嚼运动。

本发明的一种6自由度仿人咀嚼机构，包括：基板、上下移动平台、前后移动平台、左右移动平台、旋转驱动机构、仿人上颌和仿人下颌；

所述上下移动平台固定在基板上；

所述前后移动平台与上下移动平台固定连接，在上下移动平台的带动下可上下移动；

所述左右移动平台与前后移动平台固定连接，在前后移动平台的带动下可上下、前后移动；

所述仿人上颌固定在基板上，所述仿人下颌设置在仿人上颌的下方；

所述仿人下颌的两端分别与左右移动平台的两端转动连接，在左右移动平台的带动下可上下、前后、左右移动；

所述旋转驱动机构设置在左右移动平台上用于驱动所述仿人下颌相对所述仿人上颌转动。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，所述上下移动平台由左右对称的两部分结构组成，每部分结构包括：上下直流电机、上下电机支撑架、联轴器、上下丝杠座、上下滑块、上下导轨和上下丝杠；

所述上下丝杠座固定到基板上，所述上下直流电机通过上下电机支撑架固定在上下丝杠座顶面；所述上下丝杠一端通过联轴器与上下直流电机输出轴连接，另一端通过轴承安装在上下丝杠座的底面；所述上下导轨两端分别与上下丝杠座的顶面和底面连接，且与上下丝杠平行设置，所述上下滑块套设在上下导轨上并与上下丝杠固定连接，通过上下直流电机的带动，上下滑块沿上下导轨上下移动。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，所述前后移动平台由左右对称的两部分结构组成，每部分结构包括：前后丝杠座、前后丝杠、前后导轨、前后滑块、前后直流电机、前后电机连接架、前后同步带、前后主动带轮、前后同步带轮；

前后直流电机通过前后电机连接架安装在前后丝杠座上，所述前后丝杠座与对应的上下滑块固定连接；前后直流电机的输出轴与前后主动带轮相连接；前后主动带轮通过前后同步带、前后同步带轮带动前后丝杠转动；前后丝杠安装在前后丝杠座上，前后导轨与前后丝杠平行设置，前后滑块套设在前后导轨上并与前后丝杠固定连接，通过前后直流电机的带动，前后滑块沿前后导轨前后移动。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，所述左右移动平台由左侧平台和右侧平台构成，所述左侧平台包括：左侧丝杠座、左侧丝杠、左侧导轨、左侧滑块、左右直流电机、左右电机连接架、左右同步带、左右主动带轮和左右同步带轮；所述左右直流电机通过左右电机连接架安装在左侧丝杠座上，所述左侧丝杠座与对应的前后滑块固定连接；左右直流电机的输出轴与左右主动带轮相连接；左右主动带轮通过左右同步带、左右同步带轮带动左侧丝杠转动；左侧丝杠安装在左侧丝杠座上，左侧导轨与左侧丝杠平行设置，左侧滑块套设在左侧导轨上并与左侧丝杠固定连接，通过左右直流电机的带动，左侧滑块沿左侧导轨左右移动；

所述右侧平台包括：右侧导轨座、右侧导轨和右侧滑块；右侧导轨设置在右侧导轨座内，右侧滑块套设在右侧导轨上且与右侧导轨间隙配合，所述右侧导轨座与对应的前后滑块固定连接，仿人下颌两端分别与左侧滑块和右侧滑块相连接。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，所述旋转驱动机构包括：旋转直流电机、旋转电机连接架、旋转同步带、旋转主动带轮和旋转同步带轮；所述旋转直流电机通过旋转电机连接架安装在左侧滑块上，旋转直流电机的输出轴与旋转主动带轮相连接；旋转主动带轮通过旋转同步带、旋转同步带轮带动仿人下颌转动。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，在上下移动平台中，当两个上下直流电机同速转动时，可实现前后移动平台沿z轴移动；当两个上下直流电机差速转动时，可实现前后移动平台绕y轴转动。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，在前后移动平台中，当两个前后直流电机同速转动时，可实现左右移动平台沿y轴移动；当两个前后直流电机差速转动时，可实现左右移动平台绕z轴转动。

在本发明的6自由度仿人咀嚼机构中，在左右移动平台中，当左右直流电机带动左侧滑块和右侧滑块左右运动时，可实现仿人下颌沿x轴的移动；当旋转直流电机通过旋转同步带和旋转主动带轮带动旋转同步带轮转动时，可实现仿人下颌的转动，通过上下移动平台、前后移动平台、左右移动平台和旋转驱动机构可实现仿人下颌6个自由度的运动。

本发明的一种6自由度仿人咀嚼机构具有以下有益效果：

(1)通过同步带及丝杠滑块进行传动，运动精确，避免机构运动时的死点、卡顿情况；

(2)可实现空间6个自由度的运动，实现高仿真的咀嚼运动；

(3)结构简单、控制方便。

附图说明

图1是本发明的一种6自由度仿人咀嚼机构的结构示意图；

图2是本发明的上下移动平台的结构示意图；

图3是本发明的前后移动平台的结构示意图；

图4是本发明的左右移动平台和旋转驱动机构的结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种6自由度仿人咀嚼机构，结构简单、紧凑，噪音小、成本低，提高功率密度比，且能实现高仿真的咀嚼运动。

为达到上述的目的，本发明的构思是：采用直流电机进行驱动，在上下移动平台和前后移动平台中，通过直流电机同速或差速的运动，可实现沿z轴移动、绕z轴转动、沿y轴移动、绕y轴转动；在左右移动平台中，用2个直流电机分别控制沿x轴移动以及绕x轴转动，从而完成仿人下颌的六个自由度，实现高度拟人化的咀嚼运动。

如图1所示，本发明的一种6自由度仿人咀嚼机构，包括：基板1、上下移动平台2、前后移动平台3、左右移动平台4、旋转驱动机构5、仿人上颌6和仿人下颌7。

所述上下移动平台2固定在基板1上；所述前后移动平台3与上下移动平台2固定连接，在上下移动平台2的带动下可上下移动；所述左右移动平台4与前后移动平台3固定连接，在前后移动平台3的带动下可上下、前后移动；所述仿人上颌6固定在基板1上，所述仿人下颌7设置在仿人上颌6下方；所述仿人下颌7的两端分别与左右移动平台4的两端转动连接，在左右移动平台4的带动下可上下、前后、左右移动。所述旋转驱动机构5设置在左右移动平台4上用于驱动所述仿人下颌7相对所述仿人上颌6转动。

如图2所示，上下移动平台2由左右对称的两部分结构组成，每部分结构包括：上下直流电机21、上下电机支撑架22、联轴器23、上下丝杠座24、上下滑块25、上下导轨26和上下丝杠27。所述上下丝杠座24固定到基板1上，所述上下直流电机21通过上下电机支撑架22固定在上下丝杠座24顶面；所述上下丝杠27一端通过联轴器23与上下直流电机21输出轴连接，另一端通过轴承安装在上下丝杠座24的底面；所述上下导轨26两端分别与上下丝杠座24的顶面和底面连接，且与上下丝杠27平行设置，所述上下滑块25套设在上下导轨26上并与上下丝杠27固定连接，通过上下直流电机21的带动，上下滑块25沿上下导轨26上下移动。

如图3所示，所述前后移动平台3由左右对称的两部分结构组成，每部分结构包括：前后丝杠座31、前后丝杠32、前后导轨33、前后滑块34、前后直流电机35、前后电机连接架36、前后同步带37、前后主动带轮38、前后同步带轮39。前后直流电机35通过前后电机连接架36安装在前后丝杠座31上，所述前后丝杠座31与对应的上下滑块25固定连接；前后直流电机35的输出轴与前后主动带轮38相连接；前后主动带轮38通过前后同步带37、前后同步带轮39带动前后丝杠32转动；前后丝杠32安装在前后丝杠座31上，前后导轨33与前后丝杠32平行设置，前后滑块34套设在前后导轨33上并与前后丝杠32固定连接，通过前后直流电机35的带动，前后滑块34沿前后导轨33前后移动。

如图4所示，所述左右移动平台4由左侧平台和右侧平台构成，所述左侧平台包括：左侧丝杠座401、左侧丝杠402、左侧导轨403、左侧滑块404、左右直流电机405、左右电机连接架406、左右同步带407、左右主动带轮408和左右同步带轮409。所述左右直流电机405通过左右电机连接架406安装在左侧丝杠座401上，所述左侧丝杠座401与对应的前后滑块34固定连接；左右直流电机405的输出轴与左右主动带轮408相连接；左右主动带轮408通过左右同步带407、左右同步带轮409带动左侧丝杠402转动；左侧丝杠402安装在左侧丝杠座401上，左侧导轨403与左侧丝杠402平行设置，左侧滑块404套设在左侧导轨403上并与左侧丝杠402固定连接，通过左右直流电机405的带动，左侧滑块404沿左侧导轨403左右移动。

所述右侧平台包括：右侧导轨座410、右侧导轨411和右侧滑块412。右侧导轨411设置在右侧导轨座410内，右侧滑块412套设在右侧导轨411上且与右侧导轨411间隙配合，所述右侧导轨座410与对应的前后滑块34固定连接，仿人下颌7两端分别与左侧滑块404和右侧滑块412相连接。

如图1和图4所示，所述旋转驱动机构5包括：旋转直流电机51、旋转电机连接架52、旋转同步带53、旋转主动带轮54和旋转同步带轮55。所述旋转直流电机51通过旋转电机连接架52安装在左侧滑块404上，旋转直流电机51的输出轴与旋转主动带轮54相连接；旋转主动带轮54通过旋转同步带53、旋转同步带轮55带动仿人下颌7转动。

具体实施时，在上下移动平台2中，当两个上下直流电机21同速转动时，可实现前后移动平台3沿z轴移动；当两个上下直流电机21差速转动时，可实现前后移动平台3绕y轴转动。

在前后移动平台3中，当两个前后直流电机35同速转动时，可实现左右移动平台4沿y轴移动；当两个前后直流电机35差速转动时，可实现左右移动平台4绕z轴转动。

在左右移动平台4中，当左右直流电机405带动左侧滑块404和右侧滑块412左右运动时，可实现仿人下颌7沿x轴的移动；当旋转直流电机51通过旋转同步带53和旋转主动带轮54带动旋转同步带轮55转动时，可实现仿人下颌7的转动，通过上下移动平台2、前后移动平台3、左右移动平台4和旋转驱动机构5可实现仿人下颌7的六个自由度的运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，包括：基板、上下移动平台、前后移动平台、左右移动平台、旋转驱动机构、仿人上颌和仿人下颌；

所述上下移动平台固定在基板上；

所述前后移动平台与上下移动平台固定连接，在上下移动平台的带动下可上下移动；

所述左右移动平台与前后移动平台固定连接，在前后移动平台的带动下可上下、前后移动；

所述仿人上颌固定在基板上，所述仿人下颌设置在仿人上颌的下方；

所述仿人下颌的两端分别与左右移动平台的两端转动连接，在左右移动平台的带动下可上下、前后、左右移动；

所述旋转驱动机构设置在左右移动平台上用于驱动所述仿人下颌相对所述仿人上颌转动。

2.如权利要求1所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，所述上下移动平台由左右对称的两部分结构组成，每部分结构包括：上下直流电机、上下电机支撑架、联轴器、上下丝杠座、上下滑块、上下导轨和上下丝杠；

所述上下丝杠座固定到基板上，所述上下直流电机通过上下电机支撑架固定在上下丝杠座顶面；所述上下丝杠一端通过联轴器与上下直流电机输出轴连接，另一端通过轴承安装在上下丝杠座的底面；所述上下导轨两端分别与上下丝杠座的顶面和底面连接，且与上下丝杠平行设置，所述上下滑块套设在上下导轨上并与上下丝杠固定连接，通过上下直流电机的带动，上下滑块沿上下导轨上下移动。

3.如权利要求2所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，所述前后移动平台由左右对称的两部分结构组成，每部分结构包括：前后丝杠座、前后丝杠、前后导轨、前后滑块、前后直流电机、前后电机连接架、前后同步带、前后主动带轮、前后同步带轮；

前后直流电机通过前后电机连接架安装在前后丝杠座上，所述前后丝杠座与对应的上下滑块固定连接；前后直流电机的输出轴与前后主动带轮相连接；前后主动带轮通过前后同步带、前后同步带轮带动前后丝杠转动；前后丝杠安装在前后丝杠座上，前后导轨与前后丝杠平行设置，前后滑块套设在前后导轨上并与前后丝杠固定连接，通过前后直流电机的带动，前后滑块沿前后导轨前后移动。

4.如权利要求3所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，所述左右移动平台由左侧平台和右侧平台构成，所述左侧平台包括：左侧丝杠座、左侧丝杠、左侧导轨、左侧滑块、左右直流电机、左右电机连接架、左右同步带、左右主动带轮和左右同步带轮；所述左右直流电机通过左右电机连接架安装在左侧丝杠座上，所述左侧丝杠座与对应的前后滑块固定连接；左右直流电机的输出轴与左右主动带轮相连接；左右主动带轮通过左右同步带、左右同步带轮带动左侧丝杠转动；左侧丝杠安装在左侧丝杠座上，左侧导轨与左侧丝杠平行设置，左侧滑块套设在左侧导轨上并与左侧丝杠固定连接，通过左右直流电机的带动，左侧滑块沿左侧导轨左右移动；

所述右侧平台包括：右侧导轨座、右侧导轨和右侧滑块；右侧导轨设置在右侧导轨座内，右侧滑块套设在右侧导轨上且与右侧导轨间隙配合，所述右侧导轨座与对应的前后滑块固定连接，仿人下颌两端分别与左侧滑块和右侧滑块相连接。

5.如权利要求4所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，所述旋转驱动机构包括：旋转直流电机、旋转电机连接架、旋转同步带、旋转主动带轮和旋转同步带轮；所述旋转直流电机通过旋转电机连接架安装在左侧滑块上，旋转直流电机的输出轴与旋转主动带轮相连接；旋转主动带轮通过旋转同步带、旋转同步带轮带动仿人下颌转动。

6.根据权利要求5所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，在上下移动平台中，当两个上下直流电机同速转动时，可实现前后移动平台沿z轴移动；当两个上下直流电机差速转动时，可实现前后移动平台绕y轴转动。

7.如权利要求6所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，在前后移动平台中，当两个前后直流电机同速转动时，可实现左右移动平台沿y轴移动；当两个前后直流电机差速转动时，可实现左右移动平台绕z轴转动。

8.如权利要求7所述的6自由度仿人咀嚼机构，其特征在于，在左右移动平台中，当左右直流电机带动左侧滑块和右侧滑块左右运动时，可实现仿人下颌沿x轴的移动；当旋转直流电机通过旋转同步带和旋转主动带轮带动旋转同步带轮转动时，可实现仿人下颌的转动，通过上下移动平台、前后移动平台、左右移动平台和旋转驱动机构可实现仿人下颌6个自由度的运动。

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