CN111577757B - 一种单自由度复合十字摆动的实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单自由度复合十字摆动的实现方法及装置，该装置包括驱动电机、向心关节轴承组件和执行十字节，驱动电机的输出轴与向心关节轴承组件倾斜一定角度安装至执行十字节上。本发明通过向心轴承曲柄与执行十字节倾斜一定角度轴孔连接，省略了中间的关节轴承和连杆节省了整个机构的纵向占用空间。改变向心轴承曲柄上驱动电机轴安装孔和执行十字节轴安装孔间的距离或电机座上第二十字节轴安装高度来调整复合十字摆动的角度。向心关节轴承组件和执行十字节都是机加工件，因此不用担心安装时的调整超出十字节的运动范围。同时，驱动电机直接安装固定在执行十字节上，节省了整个机构的纵向占用空间，有利于适应仿生生物体内狭小的安装空间。

Description

一种单自由度复合十字摆动的实现方法及装置

技术领域

本发明涉及游乐设施仿生表演技术领域，特别是涉及一种用圆周转动来实现的单自由度复合十字摆动的方法及装置。该方法实现的典型例子是仿真人单自由度摇头动作，例如朝鲜族的项帽舞。

背景技术

在游乐设施仿生表演技术领域，为了表现脊椎动物的摇摆动作通常使用复合十字摆动。目前实现复合十字摆动采用的方法一般有两种：

一种是用两个电机分别独立驱动十字节的两个关节来实现复合十字摆动，缺点是结构复杂所占空间比较大并且还需要两个电机，存在仿生生物体内安装空间不够，单自由度动作多电机驱动增加控制难度、浪费资源等问题。例如授权公告号为CN206355589的实用新型专利，公开一种仿生动物眼睛用驱动机构，其采用驱动电机与十字节以及相应的连接机构实现的驱动机构，正是采用两个电机分别独立驱动十字节的两个关节来实现复合十字摆动方案，由其具体方案可知，存在结构复杂、所占空间比较大并且还需要两个电机，以及驱动控制难度大、浪费资源等问题；

一种是单电机驱动，曲柄与十字节之间再用一套关节轴承和连杆相连接，缺点是在纵方向拉长了整个机构空间，并且复合十字摆动的角度对连杆的长度特别敏感，稍微调整一点就很有可能达到十字节的最大运动范围出现卡死问题。

因此，满足仿生生物体内狭小安装空间，并且安装简单不易卡死的复合十字摆动是实现脊椎动物的摇摆动作的必要条件。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为了满足现代人对游乐设施仿生表演设备的高仿真要求，本申请人专门开发了一种用圆周转动来实现单自由度复合十字摆动的方法，该方法不需要精确的电机旋转角度运动控制，并通过建立数学模型可以精确的设计摇头的倾斜角度并很容易判断是否超出十字节的运动范围，从而快速满足不同需求的单自由度的脊椎动物的摇摆动。

为此，根据本申请的一个方面，提供一种单自由度复合十字摆动的实现方法，其包括驱动电机、向心关节轴承组件和执行十字节，向心关节轴承组件包括向心轴承和曲柄，执行十字节包括套装组合的第一十字节和第二十字节以及支撑第一十字节和第二十字节的电机座，实现方法包括：

将驱动电机的输出轴与曲柄连接，并通过向心轴承倾斜角度β安装至执行十字节上，驱动电机的输出驱动经由向心关节轴承组件传送至执行十字节，将曲柄的圆周转动转换为执行十字节的复合十字摆动；

其中，套装组合的第一十字节和第二十字节的中心点、曲柄圆周转动的中心轴以及曲柄偏心连接点三者构建一个直角三角形，电机座的高度h和曲柄的中心距s来决定执行十字节的复合十字摆动角：复合十字摆动角ɑ＝arctan(s/h)；

通过改变向心轴承曲柄上驱动电机轴安装孔和执行十字节轴安装孔之间的距离s、或者电机座上的执行十字节安装高度h来调整复合十字摆动的角度α。

其中，所述执行十字节中，第二十字节具有容纳第一十字节的腔体，第一十字节通过第一十字节轴安装在第二十字节的腔体内，并且，第一十字节和第二十字节的轴心相重合；第二十字节通过第二十字节轴安装在电机座上。

电机座具有一Y型结构，第二十字节通过第二十字节轴安装在电机座的Y型结构上。该Y型结构既是执行十字节的一部分，又可以直接安装电机，可节省空间。

所述驱动电机直接安装在电机座上。本申请中，电机座作为执行十字节的一部分，驱动电机安装到电机座上也即直接安装到执行十字节上，不仅更方便于电机旋转角度运动的控制，而且还大大节约了安装空间，具有稳定可靠的优势。

根据本申请的另一方面，提供一种单自由度复合十字摆动的实现装置，其包括驱动电机、向心关节轴承组件和执行十字节，向心关节轴承组件包括向心轴承和曲柄，执行十字节包括相互套装组合的第一十字节和第二十字节以及支撑第一十字节和第二十字节的电机座，驱动电机的输出轴与曲柄连接，并通过向心轴承(倾斜角度β，等于或者约等于复合十字摆动角α)安装至执行十字节上，驱动电机的输出驱动经由向心关节轴承组件传送至执行十字节，将曲柄的圆周转动转换为执行十字节的复合十字摆动；其中，电机座的高度h和曲柄的中心距s来决定执行十字节的复合十字摆动角α：α＝arctan(s/h)。

本发明通过上述方案，将向心关节轴承组件的曲柄通过向心轴承与执行十字节倾斜一定角度轴孔连接，省略了中间的关节轴承和连杆节省了整个机构的纵向占用空间。改变向心轴承曲柄上驱动电机轴安装孔和执行十字节轴安装孔间的距离或电机座上第二十字节轴安装高度来调整复合十字摆动的角度。因为都是机加工件所以不用担心安装时的调整超出十字节的运动范围。

在对上述用圆周转动来实现复合十字摆动的优化方案中，所述驱动电机直接安装固定在执行十字节上，节省了整个机构的纵向占用空间，有利于适应仿生生物体内狭小的安装空间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于它采用了直角三角形的数学原理，已知两个直角边的长度计算出斜边的倾角就可以很明确设计出复合十字摆动的角度。简化了安装调试过程同时也简化了传动环节，原理上避免了超出十字节的运动范围而卡死现象。所以它的整体结构简单，安装空间需求小，适合于高仿真仿生生物的设计。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是本发明实施例的单自由度复合十字摆动的实现装置的立体示意爆炸图；

图2是本发明实施例的向心关节轴承组件的剖视图；

图3是本发明实施例的执行十字节的爆炸图；

图4是本发明实施例的数学原理图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的单自由度复合十字摆动的实现装置包含驱动电机1、向心关节轴承组件2和执行十字节3。驱动电机1带动向心关节轴承组件2旋转，向心关节轴承组件2与执行十字节3通过倾斜一定角度轴孔连接，来将向心关节轴承组件2的圆周转动转变成执行十字节3的复合十字摆动。

如图2所示，向心关节轴承组件2包含相互连接的曲柄21和关节向心轴承22。

如图3所示，执行十字节3包含第一十字节31、第一十字节轴32、第二十字节33、第二十字节轴34和电机座35。第二十字节33为一空心结构，作为容纳第一十字节31的腔体，第一十字节31通过第一十字节轴32安装在第二十字节33的空心结构中，且第一十字节和第二十字节的轴心相重合。电机座35具有一Y型结构，第二十字节33通过第二十字节轴34安装在电机座35的Y型结构中，驱动电机1直接安装在电机座35上。关节向心轴承22用来适应与第一十字节31能倾斜一定角度轴孔连接。

如图4所示，本发明采用了直角三角形的数学原理：套装组合的第一十字节和第二十字节的中心点(轴心)、曲柄圆周转动的中心轴以及曲柄偏心连接点三者构建一个直角三角形，则电机座的高度h和曲柄的中心距s可决定执行十字节的复合十字摆动角α：α＝arctan(s/h)。

通过控制两个直角边的长度：电机座的高度h与曲柄的中心距s的比值来确定斜边的倾角β(执行十字节3的复合十字摆动角)，该倾角β等于或者约等于(约等于的概念为β和α之差的绝对值小于预定值，例如1°)复合十字摆动角α，tanα＝s/h，这样就可以很明确设计出复合十字摆动的角度。通过上述方案简化了安装调试过程，同时也简化了传动环节，原理上避免了超出十字节的运动范围而卡死现象，因此本发明的整体结构简单，安装空间需求小，适合于高仿真仿生生物的设计。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种单自由度复合十字摆动的实现方法，其特征在于：包括驱动电机、向心关节轴承组件和执行十字节，向心关节轴承组件包括向心轴承和曲柄，执行十字节包括套装组合的第一十字节和第二十字节以及支撑第一十字节和第二十字节的电机座，实现方法包括：

将驱动电机的输出轴与曲柄连接，并通过向心轴承倾斜角度β安装至执行十字节上，驱动电机的输出驱动经由向心关节轴承组件传送至执行十字节，将曲柄的圆周转动转换为执行十字节的复合十字摆动；其中，倾斜角度β等于复合十字摆动角α；

其中，套装组合的第一十字节和第二十字节的中心点、曲柄圆周转动的中心轴以及曲柄偏心连接点三者构建一个直角三角形，电机座的高度h和曲柄的中心距s来决定执行十字节的复合十字摆动角α：α＝arctan(s/h)；

通过调节电机座的高度h与曲柄中心距s的比值来确定斜边的倾角β，实现相应的复合十字摆动角α。

2.根据权利要求1所述的单自由度复合十字摆动的实现方法，其特征在于：调整相应的复合十字摆动角具体通过：改变向心轴承曲柄上驱动电机轴安装孔和执行十字节轴安装孔间的距离即曲柄的中心距s、或者电机座上的执行十字节的安装高度即电机座的高度h来实现。

3.根据权利要求1或2所述的单自由度复合十字摆动的实现方法，其特征在于：所述执行十字节中，第二十字节具有容纳第一十字节的腔体，第一十字节通过第一十字节轴安装在第二十字节的腔体内，且第一十字节的轴心和第二十字节的轴心相重合；第二十字节通过第二十字节轴安装在电机座上。

4.根据权利要求3所述的单自由度复合十字摆动的实现方法，其特征在于：电机座具有一Y型结构，第二十字节通过第二十字节轴安装在电机座的Y型结构上。

5.根据权利要求1或2所述的单自由度复合十字摆动的实现方法，其特征在于：所述驱动电机直接安装在电机座上。

6.一种单自由度复合十字摆动的实现装置，其特征在于：包括驱动电机、向心关节轴承组件和执行十字节，向心关节轴承组件包括向心轴承和曲柄，执行十字节包括套装组合的第一十字节和第二十字节以及支撑第一十字节和第二十字节的电机座，驱动电机的输出轴与曲柄连接，并通过向心轴承倾斜角度α安装至执行十字节上，驱动电机的输出驱动经由向心关节轴承组件传送至执行十字节，将曲柄的圆周转动转换为执行十字节的复合十字摆动；其中，电机座的高度h和曲柄的中心距s来决定执行十字节的复合十字摆动角α：α＝arctan(s/h)。

7.根据权利要求6所述的单自由度复合十字摆动的实现装置，其特征在于：执行十字节中，第二十字节具有容纳第一十字节的腔体，第一十字节通过第一十字节轴安装在第二十字节的腔体内，第二十字节通过第二十字节轴安装在电机座上。

8.根据权利要求7所述的单自由度复合十字摆动的实现装置，其特征在于：电机座具有一Y型结构，第二十字节通过第二十字节轴安装在电机座的Y型结构上。

9.根据权利要求7所述的单自由度复合十字摆动的实现装置，其特征在于：所述驱动电机直接安装在电机座上。

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