CN111660321B - 一种三自由度仿生颈部运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三自由度仿生颈部运动机构，包括底座以及设于底座上的扭转机构、俯仰机构、侧摆机构和连接滑块，连接滑块包括支座、滚轮以及头颈连接件，滚轮设于支座的一端，头颈连接件的一端活动穿设于支座的另一端，侧摆机构包括与滚轮配合使用的俯仰轨道以及设于底座上并能够带动俯仰轨道摆动的侧摆组件，连接滑块通过滚轮滚动连接在俯仰轨道上，俯仰机构包括侧摆头和能够带动侧摆头摆动的俯仰组件，侧摆头的摆动平面与俯仰轨道的摆动平面垂直；扭转机构一端连接底座、另一端穿过侧摆头并连接头颈连接件。本发明中通过俯仰机构、侧摆机构和扭转机构相互协同配合，仿生程度高，转动的柔顺性更强，操作起来更加灵活。

Description

一种三自由度仿生颈部运动机构

技术领域

本发明涉及机器人仿生颈部关节领域，更具体地，涉及一种三自由度仿生颈部运动机构。

背景技术

机器人在日常生活中已经组件普遍了，实际生产中经常会出现对于机器人的颈部运动的控制和操纵问题，颈部的运动主要在三个正交平面内分别做俯仰运动、侧摆运动和水平旋转运动；

目前市面上已出现很多具有气缸驱动或舵机串联实现机械颈部三正交平面的运动。但这些设备机构存在颈部运动轨迹不仿生，运行起来不够流畅，仿生程度不高，操作使用不够灵活；例如中国专利CN201210574544.X公开了一种三自由度活动关节机构，该三自由度活动关节机构能够提供倾侧、俯仰和横摆动作，但是其是通过改变各支撑件的长度实现角度的变化来完成倾侧、俯仰和横摆动作；运行起来还是仿生程度不高，三自由度柔顺性和协同性不足，操作使用不够灵活。

发明内容

本发明为克服上述背景技术所述的通过改变各支撑件的长度实现角度的变化来完成倾侧、俯仰和横摆动作；运行起来还是仿生程度不高，三自由度肉顺性和协同性不足，操作使用不够灵活的问题，提供一种三自由度仿生颈部运动机构。本发明中三个自由度机构：俯仰机构、侧摆机构和扭转机构相互协同配合，仿生程度高，转动的柔顺性更强，操作起来更加灵活。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三自由度仿生颈部运动机构，包括底座以及设于所述底座上的扭转机构、俯仰机构、侧摆机构和连接滑块，所述连接滑块包括支座、滚轮以及头颈连接件，所述滚轮设于所述支座的一端，所述头颈连接件的一端活动穿设于所述支座的另一端，所述侧摆机构包括与所述滚轮配合使用的俯仰轨道以及设于所述底座上并能够带动所述俯仰轨道摆动的侧摆组件，所述连接滑块通过所述滚轮滚动连接在所述俯仰轨道上，所述俯仰机构包括侧摆头和能够带动所述侧摆头摆动的俯仰组件，所述侧摆头的摆动平面与所述俯仰轨道的摆动平面垂直；所述扭转机构一端连接所述底座、另一端穿过所述侧摆头并连接所述头颈连接件。这样，连接滑块上的头颈连接件是用于连接外部机构的，连接滑块能够在俯仰轨道上沿着俯仰轨道移动；当需要做旋转运动时，扭转机构直接带动连接滑块进行自转；当需要做俯仰运动时，由于侧摆头夹持住的扭转机构的一端，扭转机构是连接着连接滑块的，俯仰组件带动侧摆头摆动时，能够带动连接滑块沿着俯仰轨道滚动做俯仰运动；当需要做侧摆运动时，侧摆组件直接带动俯仰轨道摆动，连接滑块与俯仰轨道摆动；通过三个机构之间的相互协调配合，并不是独立动作，来实现旋转、侧摆和俯仰三个自由度的动作，仿生程度更高，操作更灵活。

优选的，所述俯仰轨道包括两条并行的弧形轨道。这样，弧形的轨道所在平面垂直于底座所在平面，滚轮在轨道上面滚动时，就相当于在做俯仰运动了。

进一步的，所述扭转机构包括第一驱动装置、第一万向节、传动轴、第二万向节和连接轴，所述第一驱动装置包括第一驱动主体和第一输出端，所述第一驱动主体固定在所述底座上，所述第一输出端连接所述第一万向节的一端，所述第一万向节的另一端通过所述传动轴连接所述第二万向节的一端，所述第二万向节的另一端连接所述连接轴的一端，所述连接轴的另一端穿过所述侧摆头连接在所述头颈连接件上，所述侧摆头夹持住所述连接轴。这样，第一驱动装置通过两个万向节传动，能够带动连接滑块在各个方向上进行自转；当连接轴被侧摆头夹持着摆动一个角度时，也不影响旋转运动的转动。

进一步的，所述侧摆头包括两条平行的夹持轨道，所述连接轴被夹持在两条所述夹持轨道之间。这样，侧摆头能够通过带动连接轴进而连接滑块摆动。

进一步的，所述侧摆组件包括第二驱动装置、第一连接摆臂和第一支撑结构，所述俯仰轨道两端分别设有一个俯仰座，所述第一支撑结构上设有第一转动轴，所述俯仰座一端同时连接所述两条弧形轨道，所述第一转动轴活动穿设于所述俯仰座的另一端，所述第二驱动装置包括第二驱动主体和第二输出端，所述第二驱动主体设于所述底座上，所述连接臂一端固定连接在所述第二输出端上、另一端固定连接在其中一个所述俯仰座上。这样，第二驱动装置和第一驱动装置类似，第二驱动装置通过带动第一连接摆臂的摆动，同时带动俯仰轨道绕着第一转动轴进行摆动。

进一步的，所述俯仰组件包括第三驱动装置、第二连接摆臂和第二支撑结构，所述夹持轨道两端分别设有一个侧摆座，所述第二支撑结构上设有第二转动轴，所述侧摆座一端同时连接所述两条夹持轨道，所述转动轴活动穿设于所述侧摆座的另一端，所述第三驱动装置包括第三驱动主体和第三输出端，所述第三驱动主体设于所述底座上，所述第二连接臂一端固定连接在所述第三输出端上、另一端固定连接在其中一个所述侧摆座上。这样，第三驱动装置也和第一驱动装置类似，第三驱动装置通过带动第二连接摆臂的摆动，间接带动俯侧摆头绕着第二转动轴进行摆动，侧摆头摆动时，能够带动连接滑块的滚轮沿着俯仰轨道进行滚动。

进一步的，所述头颈连接件包括转动连接盘和推力球轴承，所述转动连接盘一端设有转动连接头，所述推力球轴承设于所述支座上设有的轴承位中，所述转动连接头穿设在所述推力球轴承中，所述连接轴穿过所述支座并连接所述转动连接盘位于所述推力球轴承中的一端。这样，转动连接头活动穿设在推力球轴承中并与其转动连接，连接轴与转动连接头连接，则可以带动转动连接头和转动连接盘转动。

进一步的，所述第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置均为舵机或减速电机。这样，第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置均是常见的机器人驱动器，可以是电气驱动器、液压驱动器、气动驱动器或者特种驱动器，电气驱动器是利用电机产生的力或者力矩直接或者经过减速机构驱动机器人的关节，以获得要求的位置、速度和加速度，可以是直流伺服电机、步进电机或者交流伺服电机，液压驱动器可以是电液步进马达或者油缸，气动驱动器可以是气缸或者气动马达，特种驱动器可以是压电体、超声波马达、橡胶驱动器或者形状记忆合金等；本技术方案中，采用舵机和减速电机，能够起到最基本的传动功能，性价比较高。

进一步的，所述滚轮为U槽滚轮，所述俯仰轨道位于所述U槽滚轮的轮槽中并与所述U槽滚轮的两侧限位接触。这样，滚轮的两侧将俯仰卡住，当俯仰轨道摆动时，能够同时通过U槽滚轮带动整个连接滑块做侧摆运动，而U槽滚轮又能够在俯仰轨道上做俯仰滚动。

进一步的，所述滚轮的数量为4个，所述4个滚轮呈矩形设置在所述支座的一端。这样，两条弧形轨道对称平行设置，每个轨道上设置2个滚轮，稳定支撑起整个连接滑块。

与现有技术相比，有益效果是：

1.本发明通过扭转机构、侧摆机构和俯仰机构之间的相互协调配合，三个机构并不是独立动作，来实现旋转、侧摆和俯仰三个自由度的动作，仿生程度更高，操作更灵活。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中扭转机构的结构示意图。

图3是本发明中侧摆机构的结构示意图。

图4是本发明中俯仰机构的结构示意图。

图5是本发明中连接滑块的拆分示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，为一种三自由度仿生颈部运动机构，包括底座1以及设于底座1上的扭转机构2、俯仰机构4、侧摆机构3和连接滑块7，连接滑块7包括支座701、滚轮702以及头颈连接件703，滚轮702设于支座701的一端，头颈连接件703的一端活动穿设于支座701的另一端，侧摆机构3包括与滚轮702配合使用的俯仰轨道301以及设于底座1上并能够带动俯仰轨道301摆动的侧摆组件，连接滑块7通过滚轮702滚动连接在俯仰轨道301上，俯仰机构4包括侧摆头401和能够带动侧摆头401摆动的俯仰组件6，侧摆头401的摆动平面与俯仰轨道301的摆动平面垂直；扭转机构2一端连接底座1、另一端穿过侧摆头401并连接头颈连接件703；滚轮702为U槽滚轮，俯仰轨道301位于滚轮702的轮槽中并与滚轮702的两侧限位接触；滚轮702的数量为4个，4个滚轮702呈矩形设置在支座701的一端；

侧摆机构3中，俯仰轨道301包括两条并行的弧形轨道；侧摆组件包括第二驱动装置305、第一连接摆臂306和第一支撑结构303，俯仰轨道301两端分别设有一个俯仰座302，第一支撑结构303上设有第一转动轴304，俯仰座302一端同时连接两条弧形轨道，第一转动轴304活动穿设于俯仰座302的另一端，第二驱动装置305包括第二驱动主体和第二输出端，第二驱动主体设于底座1上，连接臂一端固定连接在第二输出端上、另一端固定连接在其中一个俯仰座302上。

扭转机构2包括第一驱动装置201、第一万向节203、传动轴204、第二万向节205和连接轴，第一驱动装置201包括第一驱动主体和第一输出端，第一驱动主体固定在底座1上，第一输出端通过转盘组件202连接第一万向节203的一端，第一万向节203的另一端通过传动轴204连接第二万向节205的一端，第二万向节205的另一端连接连接轴的一端，连接轴的另一端穿过侧摆头401连接在头颈连接件703上，侧摆头401夹持住连接轴。

俯仰机构4中，侧摆头401包括两条平行的夹持轨道，连接轴被夹持在两条夹持轨道之间；俯仰组件6包括第三驱动装置406、第二连接摆臂405和第二支撑结构404，夹持轨道两端分别设有一个侧摆座402，第二支撑结构404上设有第二转动轴403，侧摆座402一端同时连接两条夹持轨道，第二转动轴403活动穿设于侧摆座402的另一端，第三驱动装置406包括第三驱动主体和第三输出端，第三驱动主体设于底座1上，第二连接臂一端固定连接在第三输出端上、另一端固定连接在其中一个侧摆座402上。

本实施例中，第一驱动装置201、第二驱动装置305和第三驱动装置406均为舵机；头颈连接件703包括转动连接盘704和推力球轴承706，转动连接盘704一端设有转动连接头705，推力球轴承706设于支座701上设有的轴承位中，转动连接头705活动穿设在推力球轴承706中并与其转动连接，连接轴穿过支座701并连接转动连接头705；连接轴与转动连接头705连接，则可以带动转动连接头705和转动连接盘704转动。图中，在支座701的两侧还加设有两个滚轮，两侧的滚轮主要是在两侧起到连接作用，防止连接滑块从俯仰轨道侧翻，不做滚动作用；还可以替换为其他限位结构。

本实施例中中，第一驱动装置201、第二驱动装置305和第三驱动装置406均采用舵机，能够起到最基本的传动功能，性价比较高。第一驱动装置201通过两个万向节传动，带动连接滑块7在各个方向上进行旋转；当连接轴被夹持轨道夹持着摆动一个角度时，不影响旋转运动的转动；第二驱动装置305通过带动第一连接摆臂306的摆动，同时带动俯仰轨道301绕着第一转动轴304进行摆动；第三驱动装置406通过带动第二连接摆臂405的摆动，间接带动侧摆头401绕着第二转动轴403进行摆动，侧摆头401摆动时，能够带动连接滑块7的滚轮702沿着俯仰轨道301进行滚动；

俯仰轨道301中，弧形轨道所在平面垂直于底座1所在平面，滚轮702在轨道上面滚动时，就相当于在做俯仰运动了；两条弧形轨道对称平行设置，每个轨道上设置2个滚轮702，稳定支撑起整个连接滑块7。

本实施例中，连接滑块7中的头颈连接件703是用于连接外部机构的，连接滑块7中的滚轮702能够在俯仰轨道301上沿着弧形轨道滚动；当需要做旋转运动时，扭转机构2直接带动转动连接盘704进行自转；当需要做俯仰运动时，由于夹持轨道夹持住的扭转机构2的连接轴，连接轴是连接着连接滑块7的，俯仰组件6带动侧摆头401摆动时，能够带动连接滑块7沿着俯仰轨道301滚动而做俯仰运动；当需要做侧摆运动时，侧摆组件直接带动俯仰轨道301摆动，滚轮702的两侧将俯仰轨道301卡住，当俯仰轨道301摆动时，能够同时通过滚轮702带动整个连接滑块7做侧摆运动，而滚轮702又能够在俯仰轨道301上做俯仰滚动。通过三个机构之间的相互协调配合，并不是独立动作，来实现旋转、侧摆和俯仰三个自由度的动作，仿生程度更高，操作更灵活。

实施例2

本实施例与实施例1类似，其不同之处在于：

第一驱动装置201、第二驱动装置305和第三驱动装置406均为减速电机；减速电机能够起到最基本的传动功能，性价比较高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，包括底座（1）以及设于所述底座（1）上的扭转机构（2）、俯仰机构（4）、侧摆机构（3）和连接滑块（7），所述连接滑块（7）包括支座（701）、滚轮（702）以及头颈连接件（703），所述滚轮（702）设于所述支座（701）的一端，所述头颈连接件（703）的一端活动穿设于所述支座（701）的另一端，所述侧摆机构（3）包括与所述滚轮（702）配合使用的俯仰轨道（301）以及设于所述底座（1）上并能够带动所述俯仰轨道（301）摆动的侧摆组件（5），所述连接滑块（7）通过所述滚轮（702）滚动连接在所述俯仰轨道（301）上，所述俯仰机构（4）包括侧摆头（401）和能够带动所述侧摆头（401）摆动的俯仰组件（6），所述侧摆头（401）的摆动平面与所述俯仰轨道（301）的摆动平面垂直；所述扭转机构（2）一端连接所述底座（1）、另一端穿过所述侧摆头（401）并连接所述头颈连接件（703）；所述俯仰轨道（301）包括两条并行的弧形轨道；所述扭转机构（2）包括第一驱动装置（201）、第一万向节（203）、传动轴（204）、第二万向节（205）和连接轴（206），所述第一驱动装置（201）包括第一驱动主体和第一输出端，所述第一驱动主体固定在所述底座（1）上，所述第一输出端连接所述第一万向节（203）的一端，所述第一万向节（203）的另一端通过所述传动轴（204）连接所述第二万向节（205）的一端，所述第二万向节（205）的另一端连接所述连接轴（206）的一端，所述连接轴（206）的另一端穿过所述侧摆头（401）连接在所述头颈连接件（703）上，所述侧摆头（401）夹持住所述连接轴（206）；所述滚轮（702）为U槽滚轮，所述俯仰轨道（301）位于所述滚轮（702）的轮槽中并与所述滚轮（702）的两侧限位接触。

2.根据权利要求1所述的三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，所述侧摆头（401）包括两条平行的夹持轨道，所述连接轴（206）被夹持在两条所述夹持轨道之间。

3.根据权利要求2所述的三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，所述侧摆组件（5）包括第二驱动装置（305）、第一连接摆臂（306）和第一支撑结构（303），所述俯仰轨道（301）两端分别设有一个俯仰座（302），所述第一支撑结构（303）上设有第一转动轴（304），所述俯仰座（302）一端同时连接所述两条弧形轨道，所述第一转动轴（304）活动穿设于所述俯仰座（302）的另一端，所述第二驱动装置（305）包括第二驱动主体和第二输出端，所述第二驱动主体设于所述底座（1）上，所述第一连接摆臂（306）一端固定连接在所述第二输出端上、另一端固定连接在其中一个所述俯仰座（302）上。

4.根据权利要求3所述的三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，所述俯仰组件（6）包括第三驱动装置（406）、第二连接摆臂（405）和第二支撑结构（404），所述夹持轨道两端分别设有一个侧摆座（402），所述第二支撑结构（404）上设有第二转动轴（403），所述侧摆座（402）一端同时连接所述两条夹持轨道，所述第二转动轴（403）活动穿设于所述侧摆座（402）的另一端，所述第三驱动装置（406）包括第三驱动主体和第三输出端，所述第三驱动主体设于所述底座（1）上，所述第二连接摆臂（405）一端固定连接在所述第三输出端上、另一端固定连接在其中一个所述侧摆座（402）上。

5.根据权利要求1所述的三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，所述头颈连接件（703）包括转动连接盘（704）和推力球轴承（706），所述转动连接盘（704）一端设有转动连接头（705），所述推力球轴承（706）设于所述支座（701）上设有的轴承位中，所述转动连接头（705）穿设在所述推力球轴承（706）中，所述连接轴（206）穿过所述支座（701）并连接转动连接头（705）。

6.根据权利要求4所述的三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，所述第一驱动装置（201）、第二驱动装置（305）和第三驱动装置（406）均为舵机或减速电机。

7.根据权利要求1所述的三自由度仿生颈部运动机构，其特征在于，所述滚轮（702）的数量为4个，所述4个滚轮（702）呈矩形设置在所述支座（701）的一端。