CN110076820B - 一种含有并联弹性的仿生机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有并联弹性的仿生机器人关节，包括凸轮绕线装置和传动装置，所述凸轮绕线装置包括钢丝线、引线机构、在周向设置有绕线盘的凸轮、以及一端与关节支撑挡板相连接的弹簧，所述凸轮与位于所述传动装置上的关节主轴轴向固定连接，所述钢丝线缠绕在所述绕线盘上，且所述钢丝线的一端穿过所述引线机构后与所述弹簧的另一端相连接，所述引线机构用于使所述钢丝线不与关节支撑挡板内的其它部件接触。本发明通过设置具有凹向上弹性特性的并联弹性结构，解决现有的机器人关节能耗性能和抗干扰性能的制约平衡的问题。

Description

一种含有并联弹性的仿生机器人关节

技术领域

本发明属于机械设备技术领域，尤其涉及一种含有并联弹性的仿生机器人关节。

背景技术

现在国内外广泛研究使用的“仿生肌肉”采用的技术主要有气动和液压技术。虽然这种关节刚性驱动方式具备技术成熟和发展完善的特点,但受便携实用性的限制和机构刚度高的约束,造成刚性驱动器的弱鲁棒性和弱适应性,对于机器人实现诸如柔顺化动作、自调整接触、低能耗运动等目标仍然存在一定的不足和缺憾。因此，有必要针对现有机器人关节刚性驱动的能耗性能和抗干扰性能问题进行研究和改进。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种弹性特性接近生物肌肉弹性特性、抗干扰性强的含有并联弹性的仿生机器人关节。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种含有并联弹性的仿生机器人关节，包括凸轮绕线装置和传动装置，所述凸轮绕线装置包括钢丝线、引线机构、在周向设置有绕线盘的凸轮、以及一端与关节支撑挡板相连接的弹簧，所述凸轮与位于所述传动装置上的关节主轴轴向固定连接，所述钢丝线缠绕在所述绕线盘上，且所述钢丝线的一端穿过所述引线机构后与所述弹簧的另一端相连接，所述引线机构用于使所述钢丝线不与关节支撑挡板内的其它部件接触。

进一步的，所述传动装置包括设置在所述关节支撑挡板内的电机、减速机、关节主轴、锥齿轮、以及锥齿轮轴，所述电机与所述减速机相连接，所述减速机的输出端通过连接轴与所述锥齿轮轴相连接，所述关节主轴上设置有与所述锥齿轮轴啮合连接的锥齿轮，且所述关节主轴通过设置在所述关节主轴和锥齿轮之间的轴承和轴承座固定在关节支撑挡板上。

进一步的，所述引线机构包括第一导线板、第二导线板、单滑轮组、以及双滑轮组，所述第一导线板设置在所述绕线盘下方，所述第二导线板设置在所述电机下方，所述单滑轮组设置在位于所述第二导线板的下方的单滑轮组连接板上，所述双滑轮组设置在所述单滑轮组的下方且与所述弹簧相连接。

进一步的，所述锥齿轮上设置有套筒，所述套筒用于所述锥齿轮与所述凸轮进行轴向定位，且使所述套筒和所述锥齿轮之间周向定位，进而实现所述关节主轴与所述套筒和锥齿轮之间轴向定位。

进一步的，所述仿生机器人关节上还设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器通过联轴器与所述锥齿轮和关节主轴分别连接，用于对所述锥齿轮和关节主轴之间的负载输出扭矩进行实时监测。

进一步的，所述传动装置上设置有用于固定所述扭矩传感器的支撑板，且所述支撑板的厚度方向尺寸使所述扭矩传感器与锥齿轮以及套筒的轴线的同心度小于Φ0.05mm。

进一步的，所述关节主轴还通过联轴器与固定在传感器固定板上的角度传感器相连接，所述角度传感器用于对所述关节主轴的转动角度进行实时监测。

进一步的，所述凸轮为多个对称布置在所述绕线盘两侧的变半径凸轮的组合。

进一步的，所述绕线盘上设置有用于安装两个变半径凸轮的三个挡板。

进一步的，所述变半径凸轮的平面与所述弹簧的轴线相平行。

本发明提供了一种含有并联弹性的仿生机器人关节，通过将弹簧的一端固定关节支撑挡板上，将连接弹簧另一端的钢丝线缠绕在与关节主轴的相连接的凸轮上，实现缠绕有钢丝线的凸轮的弹性恢复力矩与位于传动装置上的电机产生的驱动力矩在关节主轴上的并联输出，从而使仿生机器人关节具有并联结构的特性；同时，通过钢丝线定刚度的拉伸弹簧来配合凸轮，在关节主轴带动凸轮旋转下，凸轮上的钢丝线拉伸弹簧产生近似线性增长的拉力，凸轮旋转使钢丝线与凸轮的切点不断变化，进而使得线拉力力矩的力臂不断变化，产生凹向上增长的弹性恢复力矩，从而使此并联弹性结构具有类似生物肌肉的弹性特性。总之，本发明通过设置具有凹向上弹性特性的并联弹性结构，使在机器人关节转动动时，实现能量的转化，即为电能与弹性势能相互转化，并在机器人关节受到与转动方向相反的外转矩时，电机的转矩与外力相作用；受到与转动方向相同的外转矩时弹簧的力与外力相作用，从而达到抵消外力干扰的效果，进而解决现有的机器人关节能耗性能和抗干扰性能的制约平衡的问题。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的一种含有并联弹性的仿生机器人关节的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例的凸轮绕线装置的结构示意图；

图3为本发明示例性实施例的传动装置的结构示意图。

图中：1-凸轮、2-绕线盘、3-第一导线板、4-第二导线板、5-钢丝线、6- 双滑轮组、7-弹簧、8-带孔小板、9-扭矩传感器、10-角度传感器、11-传感器固定板、12-支撑板、13-套筒、14-电机连接板、15-单滑轮组连接板、16-单滑轮组、17-连接轴、18-轴承座、19-关节主轴、20-锥齿轮、21-轴承、22-锥齿轮轴、23-法兰、24-减速机、25-减速机连接板、26-电机、27-凸轮绕线装置、28-传动装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1至3所示，一种含有并联弹性的仿生机器人关节，包括凸轮绕线装置27和传动装置28，凸轮绕线装置27包括钢丝线5、引线机构、在周向设置有绕线盘2的凸轮1、以及一端通过带孔小板8与关节支撑挡板相连接的弹簧 7，凸轮1与位于传动装置28上的关节主轴19轴向固定连接，钢丝线5缠绕在绕线盘2上，且钢丝线5的一端穿过引线机构后与弹簧7的另一端相连接，引线机构用于使钢丝线5不与关节支撑挡板内的其它部件接触。

本实施例通过将弹簧7的一端固定关节支撑挡板上，将连接弹簧7另一端的钢丝线5缠绕在与关节主轴19的相连接的凸轮1上，实现缠绕有钢丝线5 的凸轮1的弹性恢复力矩与位于传动装置28上的电机26产生的驱动力矩在关节主轴19上的并联输出，从而使仿生机器人关节具有并联结构的特性；同时，通过钢丝线5定刚度的拉伸弹簧7来配合凸轮1，在关节主轴19带动凸轮1 旋转下，凸轮1上的钢丝线5拉伸弹簧7产生近似线性增长的拉力，凸轮1旋转使钢丝线5与凸轮1的切点不断变化，进而使得线拉力力矩的力臂不断变化，产生凹向上增长的弹性恢复力矩，从而使此并联弹性结构具有类似生物肌肉的弹性特性

作为一优选实施方式，传动装置28包括设置在关节支撑挡板内的电机26、减速机24、关节主轴19、锥齿轮20、以及锥齿轮轴22，电机26通过电机连接板14固定在关节支撑挡板内，减速机24通过减速机连接板25固定在所述关节支撑挡板内，电机26通过连接轴17与减速机24相连接，减速机24的输出端通过法兰23和连接轴17的配合与锥齿轮轴22相连接，关节主轴19上设置有与锥齿轮轴22啮合连接的锥齿轮20，且关节主轴19通过设置在关节主轴 19和锥齿轮20之间的轴承21和轴承座18固定在关节支撑挡板上。

作为一优化实施方式，引线机构包括第一导线板3、第二导线板4、单滑轮组16、以及双滑轮组6，第一导线板3设置在绕线盘2下方，第二导线板4 设置在电机26下方，单滑轮组16设置在位于第二导线板4的下方的单滑轮组连接板15上，双滑轮组6设置在单滑轮组16的下方且与弹簧7相连接，钢丝线5的一端固定在第二导线板4上后，钢丝线5的另一端依次经过绕线盘2、第一导线板3和第二导线板4，再在双滑轮组6和单滑轮组16之间缠绕，实现缠绕有钢丝线5的凸轮1的弹性恢复力矩与位于传动装置28上的电机26产生的驱动力矩在关节主轴19上的并联输出，从而使仿生机器人关节具有并联结构的特性，且第一导线板3、第二导线板4、单滑轮组16、以及双滑轮组6使钢丝线5不与关节支撑挡板内的其它部件接触。

作为一优化实施方式，锥齿轮20上设置有套筒13，套筒13用于锥齿轮 20与凸轮1进行轴向定位，且使套筒13和锥齿轮20之间周向定位，进而实现关节主轴19与套筒13和锥齿轮20之间轴向定位。

作为一优选实施方式，仿生机器人关节上还设置有扭矩传感器9，扭矩传感器9通过联轴器与锥齿轮20和关节主轴19分别连接，用于对锥齿轮20和关节主轴19之间的负载输出扭矩进行实时监测，通过扭矩传感器9对仿生机器人关节工作的过程中，时刻传递仿生机器人关节的扭矩，来绘制弹性曲线。

进一步的，传动装置28上设置有用于固定扭矩传感器9的支撑板12，且支撑板12的厚度方向尺寸使扭矩传感器9与锥齿轮20以及套筒13的轴线的同心度小于Φ0.05mm，进而使扭矩传感器9的中心和主轴中心保持在一条直线上。

作为一优化实施方式，关节主轴19还通过联轴器与固定在传感器固定板 11上的角度传感器10相连接，角度传感器10用于对关节主轴19的转动角度进行实时监测。

作为一优选实施方式，凸轮1为多个对称布置在绕线盘2两侧的变半径凸轮的组合。

进一步的，绕线盘2上设置有用于安装两个变半径凸轮的三个挡板。

进一步的，变半径凸轮的平面与弹簧7的轴线相平行。

本发明提供了一种含有并联弹性的仿生机器人关节，通过设置具有凹向上弹性特性的并联弹性结构，使在机器人关节转动动时，实现能量的转化，即为电能与弹性势能相互转化，并在机器人关节受到与转动方向相反的外转矩时，电机的转矩与外力相作用；受到与转动方向相同的外转矩时弹簧的力与外力相作用，从而达到抵消外力干扰的效果，进而解决现有的机器人关节能耗性能和抗干扰性能的制约平衡的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，包括凸轮绕线装置和传动装置，所述凸轮绕线装置包括钢丝线、引线机构、在周向设置有绕线盘的凸轮、以及一端与关节支撑挡板相连接的弹簧，所述凸轮与位于所述传动装置上的关节主轴轴向固定连接，所述钢丝线缠绕在所述绕线盘上，且所述钢丝线的一端穿过所述引线机构后与所述弹簧的另一端相连接，所述引线机构用于使所述钢丝线不与关节支撑挡板内的其它部件接触；

所述传动装置包括设置在所述关节支撑挡板内的电机、减速机、关节主轴、锥齿轮、以及锥齿轮轴，所述电机与所述减速机相连接，所述减速机的输出端通过连接轴与所述锥齿轮轴相连接，所述关节主轴上设置有与所述锥齿轮轴啮合连接的锥齿轮，且所述关节主轴通过设置在所述关节主轴和锥齿轮之间的轴承和轴承座固定在关节支撑挡板上；

所述引线机构包括第一导线板、第二导线板、单滑轮组、以及双滑轮组，所述第一导线板设置在所述绕线盘下方，所述第二导线板设置在所述电机下方，所述单滑轮组设置在位于所述第二导线板的下方的单滑轮组连接板上，所述双滑轮组设置在所述单滑轮组的下方且与所述弹簧相连接。

2.根据权利要求1所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述锥齿轮上设置有套筒，所述套筒用于所述锥齿轮与所述凸轮进行轴向定位，且使所述套筒和所述锥齿轮之间周向定位，进而实现所述关节主轴与所述套筒和锥齿轮之间轴向定位。

3.根据权利要求1所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述仿生机器人关节上还设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器通过联轴器与所述锥齿轮和关节主轴分别连接，用于对所述锥齿轮和关节主轴之间的负载输出扭矩进行实时监测。

4.根据权利要求3所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述传动装置上设置有用于固定所述扭矩传感器的支撑板，且所述支撑板的厚度方向尺寸使所述扭矩传感器与锥齿轮以及套筒的轴线的同心度小于Φ0.05mm。

5.根据权利要求1所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述关节主轴还通过联轴器与固定在传感器固定板上的角度传感器相连接，所述角度传感器用于对所述关节主轴的转动角度进行实时监测。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述凸轮为多个对称布置在所述绕线盘两侧的变半径凸轮的组合。

7.根据权利要求6所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述绕线盘上设置有用于安装两个变半径凸轮的三个挡板。

8.根据权利要求7所述的一种含有并联弹性的仿生机器人关节，其特征在于，所述变半径凸轮的平面与所述弹簧的轴线相平行。

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