CN110202610B - 一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节及其工作方法，包括前关节、后关节、凸轮机构。所述凸轮机构包括关节驱动电机、联轴器、上固定板、圆柱凸轮、伸缩柱、螺杆轴承、伸缩柱弹簧、弹簧压板。关节驱动电机端面连接于后关节，电机运转，通过联轴器带动前关节及圆柱凸轮绕后关节轴线回转。螺杆轴承外圆与圆柱凸轮下端面曲线轮廓相切，带动伸缩柱下移，伸缩柱弹簧压缩，将前关节回转动能转换为弹性势能存储。电机反转，伸缩柱弹簧放松回弹，将弹性势能补充到前关节回转的动能中，同时伸缩柱上移。本发明所设涉及的仿生脊椎关节，模仿躯干肌肉和肌腱的作用，进行主动驱动，并具有减小振动与节省能量的作用，可应用于仿生机器人上作为柔性关节。

Description

一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种新型仿生脊椎关节，具体涉及一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节及其工作方法。

背景技术

自然界中，匍匐姿态的四足动物，如蜥蜴和壁虎等，爬行时躯干采取一种弯曲形态，最显著的特征是脊柱侧向弯曲引起的躯干在水平面的蜷曲和伸展。这种依靠肢体与躯干协调的运动形态能够提高运动速度和平衡身体、使动物快速转弯以及改善运动能耗。然而受限于复杂的机构设计和过多的控制系统参数，目前仿生足式机器人的躯干都为刚性，运动灵活性、稳定性以及自如的运动轨迹和转弯能力都受到限制，并未达到所期望的自由无障碍运动。机器人运动行为及力学机制研究的不完善，限制了机器人整体性能的进一步提高。有鉴于此，深入研究并理解动物的运动机理，将其运用到仿生机构的设计中，设计具有一个或多个自由的仿生关节，并模仿轴肌的作用给予仿生关节主动的驱动，可以实现足式机器人灵活稳定的运动，并有助于减少足式机器人运动的能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有足式仿生机器人刚性躯干所涉及到的运动灵活性以及能耗高的不足，提出一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节，包含第一连接机构、第二连接机构、旋转板、第一固定板、第二固定板、若干固定支柱、联轴器、驱动电机、电机安装座和弹性机构；

所述第一连接机构、第二连接机构均包含安装板和若干磁座；所述若干磁座均匀设置在所述安装板的一个侧面上；

所述若干固定支柱设置在所述第一固定板、第二固定板之间，两端分别和第一固定板、第二固定板垂直固连；所述第一固定板上设有供所述驱动电机输出轴穿过的通孔；

所述电机安装座为圆柱体、设置在所述第二固定板上；所述驱动电机设在所述电机安装座上、其输出轴穿过所述第一固定板上的通孔和联轴器的一端同轴固连；

所述旋转板上设有用于和所述联轴器相连的通孔；所述联轴器的另一端通过所述旋转板上的通孔和所述旋转板垂直固连；

所述第一连接机构安装板未设置磁座的一面和所述旋转板垂直固连，所述第二连接机构安装板未设置磁座的一面和所述第一固定板垂直固连；

所述弹性机构包含弹簧压板、圆柱凸轮、第一连接杆、第二连接杆、第一伸缩杆、第一弹簧、第一螺杆轴承、第一螺帽、第二伸缩杆、第二弹簧、第二螺杆轴承和第二螺帽；

所述圆柱凸轮套在所述电机安装座外，和所述电机输出轴同轴设置，圆柱凸轮的上端面呈平面圆环状、柱壁的下端设有两个关于轴线对称的弧线缺口；

所述第一固定板上设有关于联轴器轴线对称的第一限位槽、第二限位槽；所述第一连接杆一端和所述旋转板垂直固连，另一端穿过所述第一限位槽和所述圆柱凸轮的上端面固连；所述第二连接杆一端和所述旋转板垂直固连，另一端穿过所述第二限位槽和所述圆柱凸轮的上端面固连；所述第一限位槽、第二限位槽均呈弧线形，用于通过限制第一连接杆、第二连接杆的转动角度进而限制所述第一连接机构相对第二连接机构的转动角度；

所述第一固定板、第二固定板上均设有第一导向孔、第二导向孔；所述第一伸缩杆一端穿过所述第一固定板上的第一导向孔，另一端穿过第二固定板上的第一导向孔；所述第二伸缩杆一端穿过所述第一固定板上的第二导向孔，另一端穿过第二固定板上的第二导向孔；所述第一伸缩杆、第二伸缩杆关于所述联轴器轴线对称设置，且第一伸缩杆、第二伸缩杆均平行于所述联轴器的轴线；

所述弹簧压板上设有用于和所述第一伸缩杆相连的第一安装孔、用于和所述第二伸缩杆相连的第二安装孔、以及供所述电机安装座穿过的通孔，所述弹簧压板套在所述电机安装座上，所述第一伸缩杆、第二伸缩杆分别穿过所述弹簧压板上的第一安装孔、第二安装孔且和所述弹簧压板垂直固连；所述弹簧压板能够带动所述第一伸缩杆、第二伸缩杆在第一固定板、第二固定板之间沿联轴器的轴线自由滑动；

所述第一弹簧、第二弹簧分别套在第一伸缩杆、第二伸缩杆上，均一端和所述弹簧压板相抵、另一端和所述第二固定板相抵；

所述第一伸缩杆、第二伸缩杆上均设有螺纹孔；所述第一螺杆轴承的螺杆和所述第一伸缩杆螺纹相连、穿过所述第一伸缩杆后和所述第一螺帽螺纹相连；所述第二螺杆轴承的螺杆和所述第二伸缩杆螺纹相连、穿过所述第二伸缩杆后和所述第二螺帽螺纹相连；所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈分别和所述圆柱凸轮柱壁的两个弧线缺口相抵。

作为本发明一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节进一步的优化方案，所述圆柱凸轮柱壁的两个弧线缺口均呈抛物线状；

所述驱动电机未工作时，所述第一连接机构安装板中心、第二连接机构安装板中心的连线经过所述联轴器的轴线，且所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈分别抵在圆柱凸轮柱壁两个弧线缺口的顶点处。

本发明还公开了一种该仿生凸轮式主动弹性脊椎关节的工作方法，包括以下过程：

驱动电机工作时，其输出轴通过联轴器带动旋转板转动，使得第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变化，同时通过第一连接杆、第二连接杆带动圆柱凸轮转动；

当第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变大时，所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈在圆柱凸轮的压迫下转动，使得第一伸缩杆、第二伸缩杆压迫第一弹簧、第二弹簧发生位移；第一弹簧、第二弹簧产生弹性势能，完成蓄能；

当第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变小时，所述第一弹簧、第二弹簧释放其弹性势能，通过第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈驱动圆柱凸轮转动，对驱动电机产生助力。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出了提出一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节及方法，结构简单，使用方便，能够解决现有足式仿生机器人刚性躯干所涉及到的运动灵活性以及能耗高的不足的问题，有助于发展小型化、低功耗、环境适应性强的仿生足式机器人。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-第一连接机构的磁座，2-第一连接机构的安装板，3-旋转板，4-第一螺杆轴承，5-联轴器，6-固定支柱，7-第二伸缩杆，8-第一固定板，9-第二连接机构的安装板，10-第二连接机构的磁座，11-圆柱凸轮，12-第二弹簧，13-电机安装座，14-弹簧压板，15-第二固定板，16-第二弹簧，17-第一螺帽，18-第一伸缩杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节，包含第一连接机构、第二连接机构、旋转板、第一固定板、第二固定板、若干固定支柱、联轴器、驱动电机、电机安装座和弹性机构；

所述第一连接机构、第二连接机构均包含安装板和若干磁座；所述若干磁座均匀设置在所述安装板的一个侧面上；

所述若干固定支柱设置在所述第一固定板、第二固定板之间，两端分别和第一固定板、第二固定板垂直固连；所述第一固定板上设有供所述驱动电机输出轴穿过的通孔；

所述电机安装座为圆柱体、设置在所述第二固定板上；所述驱动电机设在所述电机安装座上、其输出轴穿过所述第一固定板上的通孔和联轴器的一端同轴固连；

所述旋转板上设有用于和所述联轴器相连的通孔；所述联轴器的另一端通过所述旋转板上的通孔和所述旋转板垂直固连；

所述第一连接机构安装板未设置磁座的一面和所述旋转板垂直固连，所述第二连接机构安装板未设置磁座的一面和所述第一固定板垂直固连；

所述弹性机构包含弹簧压板、圆柱凸轮、第一连接杆、第二连接杆、第一伸缩杆、第一弹簧、第一螺杆轴承、第一螺帽、第二伸缩杆、第二弹簧、第二螺杆轴承和第二螺帽；

所述圆柱凸轮套在所述电机安装座外，和所述电机输出轴同轴设置，圆柱凸轮的上端面呈平面圆环状、柱壁的下端设有两个关于轴线对称的弧线缺口；

所述第一固定板上设有关于联轴器轴线对称的第一限位槽、第二限位槽；所述第一连接杆一端和所述旋转板垂直固连，另一端穿过所述第一限位槽和所述圆柱凸轮的上端面固连；所述第二连接杆一端和所述旋转板垂直固连，另一端穿过所述第二限位槽和所述圆柱凸轮的上端面固连；所述第一限位槽、第二限位槽均呈弧线形，用于通过限制第一连接杆、第二连接杆的转动角度进而限制所述第一连接机构相对第二连接机构的转动角度；

所述第一固定板、第二固定板上均设有第一导向孔、第二导向孔；所述第一伸缩杆一端穿过所述第一固定板上的第一导向孔，另一端穿过第二固定板上的第一导向孔；所述第二伸缩杆一端穿过所述第一固定板上的第二导向孔，另一端穿过第二固定板上的第二导向孔；所述第一伸缩杆、第二伸缩杆关于所述联轴器轴线对称设置，且第一伸缩杆、第二伸缩杆均平行于所述联轴器的轴线；

所述弹簧压板上设有用于和所述第一伸缩杆相连的第一安装孔、用于和所述第二伸缩杆相连的第二安装孔、以及供所述电机安装座穿过的通孔，所述弹簧压板套在所述电机安装座上，所述第一伸缩杆、第二伸缩杆分别穿过所述弹簧压板上的第一安装孔、第二安装孔且和所述弹簧压板垂直固连；所述弹簧压板能够带动所述第一伸缩杆、第二伸缩杆在第一固定板、第二固定板之间沿联轴器的轴线自由滑动；

所述第一弹簧、第二弹簧分别套在第一伸缩杆、第二伸缩杆上，均一端和所述弹簧压板相抵、另一端和所述第二固定板相抵；

所述第一伸缩杆、第二伸缩杆上均设有螺纹孔；所述第一螺杆轴承的螺杆和所述第一伸缩杆螺纹相连、穿过所述第一伸缩杆后和所述第一螺帽螺纹相连；所述第二螺杆轴承的螺杆和所述第二伸缩杆螺纹相连、穿过所述第二伸缩杆后和所述第二螺帽螺纹相连；所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈分别和所述圆柱凸轮柱壁的两个弧线缺口相抵。

所述圆柱凸轮柱壁的两个弧线缺口均呈抛物线状；

所述驱动电机未工作时，所述第一连接机构安装板中心、第二连接机构安装板中心的连线经过所述联轴器的轴线，且所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈分别抵在圆柱凸轮柱壁两个弧线缺口的顶点处。

本发明还公开了一种该仿生凸轮式主动弹性脊椎关节的工作方法，包括以下过程：

驱动电机工作时，其输出轴通过联轴器带动旋转板转动，使得第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变化，同时通过第一连接杆、第二连接杆带动圆柱凸轮转动；

当第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变大时，所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈在圆柱凸轮的压迫下转动，使得第一伸缩杆、第二伸缩杆压迫第一弹簧、第二弹簧发生位移；第一弹簧、第二弹簧产生弹性势能，完成蓄能；

当第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变小时，所述第一弹簧、第二弹簧释放其弹性势能，通过第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈驱动圆柱凸轮转动，对驱动电机产生助力。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种仿生凸轮式主动弹性脊椎关节，其特征在于，包含第一连接机构、第二连接机构、旋转板、第一固定板、第二固定板、若干固定支柱、联轴器、驱动电机、电机安装座和弹性机构；

所述第一连接机构、第二连接机构均包含安装板和若干磁座；所述若干磁座均匀设置在所述安装板的一个侧面上；

所述若干固定支柱设置在所述第一固定板、第二固定板之间，两端分别和第一固定板、第二固定板垂直固连；所述第一固定板上设有供所述驱动电机输出轴穿过的通孔；

所述电机安装座为圆柱体、设置在所述第二固定板上；所述驱动电机设在所述电机安装座上、其输出轴穿过所述第一固定板上的通孔和联轴器的一端同轴固连；

所述旋转板上设有用于和所述联轴器相连的通孔；所述联轴器的另一端通过所述旋转板上的通孔和所述旋转板垂直固连；

所述第一连接机构安装板未设置磁座的一面和所述旋转板垂直固连，所述第二连接机构安装板未设置磁座的一面和所述第一固定板垂直固连；

所述弹性机构包含弹簧压板、圆柱凸轮、第一连接杆、第二连接杆、第一伸缩杆、第一弹簧、第一螺杆轴承、第一螺帽、第二伸缩杆、第二弹簧、第二螺杆轴承和第二螺帽；

所述圆柱凸轮套在所述电机安装座外，和所述驱动电机输出轴同轴设置，圆柱凸轮的上端面呈平面圆环状、柱壁的下端设有两个关于轴线对称的弧线缺口；

所述第一固定板上设有关于联轴器轴线对称的第一限位槽、第二限位槽；所述第一连接杆一端和所述旋转板垂直固连，另一端穿过所述第一限位槽和所述圆柱凸轮的上端面固连；所述第二连接杆一端和所述旋转板垂直固连，另一端穿过所述第二限位槽和所述圆柱凸轮的上端面固连；所述第一限位槽、第二限位槽均呈弧线形，用于通过限制第一连接杆、第二连接杆的转动角度进而限制所述第一连接机构相对第二连接机构的转动角度；

所述第一固定板、第二固定板上均设有第一导向孔、第二导向孔；所述第一伸缩杆一端穿过所述第一固定板上的第一导向孔，另一端穿过第二固定板上的第一导向孔；所述第二伸缩杆一端穿过所述第一固定板上的第二导向孔，另一端穿过第二固定板上的第二导向孔；所述第一伸缩杆、第二伸缩杆关于所述联轴器轴线对称设置，且第一伸缩杆、第二伸缩杆均平行于所述联轴器的轴线；

所述弹簧压板上设有用于和所述第一伸缩杆相连的第一安装孔、用于和所述第二伸缩杆相连的第二安装孔、以及供所述电机安装座穿过的通孔，所述弹簧压板套在所述电机安装座上，所述第一伸缩杆、第二伸缩杆分别穿过所述弹簧压板上的第一安装孔、第二安装孔且和所述弹簧压板垂直固连；所述弹簧压板能够带动所述第一伸缩杆、第二伸缩杆在第一固定板、第二固定板之间沿联轴器的轴线自由滑动；

所述第一弹簧、第二弹簧分别套在第一伸缩杆、第二伸缩杆上，均一端和所述弹簧压板相抵、另一端和所述第二固定板相抵；

所述第一伸缩杆、第二伸缩杆上均设有螺纹孔；所述第一螺杆轴承的螺杆和所述第一伸缩杆螺纹相连、穿过所述第一伸缩杆后和所述第一螺帽螺纹相连；所述第二螺杆轴承的螺杆和所述第二伸缩杆螺纹相连、穿过所述第二伸缩杆后和所述第二螺帽螺纹相连；所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈分别和所述圆柱凸轮柱壁的两个弧线缺口相抵。

2.根据权利要求1所述的仿生凸轮式主动弹性脊椎关节，其特征在于，所述圆柱凸轮柱壁的两个弧线缺口均呈抛物线状；

所述驱动电机未工作时，所述第一连接机构安装板中心、第二连接机构安装板中心的连线经过所述联轴器的轴线，且所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈分别抵在圆柱凸轮柱壁两个弧线缺口的顶点处。

3.基于权利要求2所述的仿生凸轮式主动弹性脊椎关节的工作方法，其特征在于，包括以下过程：

驱动电机工作时，其输出轴通过联轴器带动旋转板转动，使得第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变化，同时通过第一连接杆、第二连接杆带动圆柱凸轮转动；

当第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变大时，所述第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈在圆柱凸轮的压迫下转动，使得第一伸缩杆、第二伸缩杆压迫第一弹簧、第二弹簧发生位移；第一弹簧、第二弹簧产生弹性势能，完成蓄能；

当第一连接机构、第二连接机构之间的转动角度变小时，所述第一弹簧、第二弹簧释放其弹性势能，通过第一螺杆轴承、第二螺杆轴承的轴承外圈驱动圆柱凸轮转动，对驱动电机产生助力。

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