CN113103277A - 一种曲线槽驱动的机器人关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种曲线槽驱动的机器人关节装置，该装置结构紧凑、外形规则，与传统的电机驱动方式、绳轮驱动方式、摆动缸和旋转缸驱动方式相比，外形规则，且显著减小了关节的径向尺寸。该机器人关节装置包括：驱动单元和旋转单元；驱动单元和旋转单元均为筒形结构，同轴相连；驱动单元包括中液压缸体的液压杆伸出端具有与液压缸体同轴的直线槽，液压杆的前端连接有滚轮杆，滚轮杆的两相对侧对称安装有直线槽滚轮和曲线槽滚轮；所述直线槽滚轮与直线槽筒上的直线槽滚动配合；旋转单元中曲线槽筒同轴套装在直线槽筒外部，使曲线槽滚轮位于曲线槽筒的曲线槽内，通过所述液压杆的伸出和收回带动曲线槽筒沿两个相反的方向转动。

Description

一种曲线槽驱动的机器人关节装置

技术领域

本发明涉及一种机器人关节驱动装置，具体涉及一种曲线槽驱动的机器人关节装置，属于机器人技术领域。

背景技术

外骨骼机器人是用于辅助人体完成一些人体正常情况下较难或无法完成的任务(比如搬移或操作大重量的负载)，以大幅度增强人体能力，可用于军事，医疗、科考等诸多领域。

由于外骨骼机器人是人——机一体装置，要求外骨骼结构紧凑并且与人体紧密贴合，以具备良好的操作性和穿戴舒适性，同时需要关节具有较大的关节力矩和较快关节响应速度。

目前，机器人领域绕肢体轴向转动自由度的驱动方式主要有电机驱动和液压驱动等几种，其中电机驱动方式是将电机输出轴与减速器相联再与被驱动部件安装，液压驱动方式采用一对或多对液压缸同时驱动一个绳轮进而驱动关节运动，或通过摆动液压缸、旋转液压缸等直接驱动关节运动。

电机驱动方式所使用的电机体积较大，且大减速比减速器体积大、成本高。摆动缸或旋转缸驱动方式为了提高输出力矩，需增大摆动缸的径向尺寸，也使整个关节所占的空间变大。绳轮驱动方式采用一对或多对液压缸同时驱动一个绳轮，径向尺寸较大，整个关节所占的空间较大，而且整体外形不规则，存在凸起，易引起剐蹭，无法与人体紧密贴合，甚至影响机器人关节活动范围。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种曲线槽驱动的机器人关节装置，采用曲线槽驱动关节转动，能够在具备较大且可调整的关节力矩以及较快的关节响应速度前提下，有效减小关节径向和轴向尺寸；并且外形规则，可使外骨骼与人体紧密贴合，提高人体穿戴舒适性的操作灵活性。

本发明的技术方案是：一种曲线槽驱动的机器人关节装置，包括：驱动单元和旋转单元；

所述驱动单元包括：液压缸体、液压杆、滚轮杆、直线槽筒和滚轮组件；所述液压缸体的液压杆伸出端具有与液压缸体同轴的直线槽，所述直线槽筒为沿轴向加工有直线槽的筒形结构；所述液压杆的前端位于所述直线槽筒内；

所述液压杆的前端连接有滚轮杆，所述滚轮杆的两相对侧对称安装有滚轮组件，所述滚轮组件包括：直线槽滚轮、套筒和曲线槽滚轮；所述直线槽滚轮与所述直线槽筒上的直线槽滚动配合；所述套筒用于隔开所述直线槽滚轮和曲线槽滚轮；

所述旋转单元包括：曲线槽筒；所述曲线槽筒为筒壁上加工有曲线槽的筒形结构；所述曲线槽筒同轴套装在所述直线槽筒外部，使所述曲线槽滚轮位于所述曲线槽筒的曲线槽内，所述曲线槽筒相对直线槽筒具有绕其自身轴线转动的自由度，通过所述液压杆的伸出和收回带动所述曲线槽筒沿两个相反的方向转动。

作为本发明的一种优选方式，所述旋转单元还包括：端盖；所述曲线槽筒一端与所述液压缸体对接，另一端通过端盖封闭。

作为本发明的一种优选方式，所述旋转单元还包括：同轴套装在所述曲线槽筒外部的外套筒。

作为本发明的一种优选方式，所述曲线槽筒通过轴承同轴套装在所述直线槽筒外部。

作为本发明的一种优选方式，通过限位机构限制所述曲线槽筒的转动角度。

作为本发明的一种优选方式，所述直线槽筒上加工有长度方向两端是圆弧的直线槽，由此限制所述曲线槽筒的转动角度。

作为本发明的一种优选方式，还包括用于测量所述曲线槽筒转动角度的角度编码器。

作为本发明的一种优选方式，所述驱动单元和旋转单元外径相同。

有益效果：

(1)本发明的机器人关节装置采用曲线槽驱动，设计曲线槽时能够根据关节的负载重量及姿态将曲线槽筒上的曲线设计为具有不同导程的螺旋线、曲线或直线的组合，使该关节输出的力矩符合负重过程中该关节所需力矩的变化规律。

(2)采用曲线槽驱动的方式能量损失小，输出关节力矩大

(3)本发明的机器人关节装置结构紧凑，径向和轴向尺寸小；

(4)本发明驱动单元和旋转单元外径相同，外形规则，与人体贴合较好。

附图说明

图1为本发明的关节装置的整体结构示意图；

图2为本发明的关节装置的内部结构示意图；

图3为驱动单元示意图；

图4为旋转单元示意图。

其中：100-驱动单元；200-旋转单元；1-液压缸体、2-液压杆、3-滚轮杆、4-直线槽滚轮、5-曲线槽滚轮、6-套筒、7-曲线槽筒、8-外套筒、9-端盖、10-直线槽筒

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本实施例提供一种曲线槽驱动的机器人关节装置，该装置结构紧凑、外形规则，与传统的电机驱动方式、绳轮驱动方式、摆动缸和旋转缸驱动方式相比，外形规则，且显著减小了关节的径向尺寸。

如图1所示，该机器人关节装置包括：驱动单元100和旋转单元200；驱动单元100和旋转单元200均为筒形结构，同轴相连；优选的，驱动单元100和旋转单元200外径相同；其中旋转单元200具有绕其自身轴线转动的自由度。

如图2和图3所示，驱动单元100包括：液压缸体1、液压杆2、滚轮杆3、直线槽滚轮4、曲线槽滚轮5和套筒6；液压缸体1前端(即液压杆伸出端)具有与液压缸体1同轴的直线槽10，直线槽筒10为沿轴向加工有直线槽的筒形结构，可以与液压缸体1一体成型；液压杆2的前端位于直线槽筒10内，即液压杆2伸缩时在直线槽筒10内伸缩。液压杆2的前端连接有滚轮杆3，滚轮杆3的上下两相对侧对称安装有滚轮组件；滚轮组件包括：直线槽滚轮4、套筒6和曲线槽滚轮5；滚轮组件的轴线垂直于液压杆2的轴线；其中直线槽滚轮4与直线槽筒10上的直线槽滚动配合，液压杆2在直线槽筒10内伸缩时，带动直线槽滚轮4沿直线槽运动，由此限制液压杆2的转动自由度，进而驱动旋转单元200绕其自身轴线转动。套筒6用于隔开直线槽滚轮4和曲线槽滚轮5；曲线槽滚轮5用于和旋转单元200配合。

如图4所示，旋转单元200包括：曲线槽筒7、端盖9和外套筒8；曲线槽筒7为筒壁上加工有曲线槽且两端开口的筒形结构，筒壁上加工的曲线槽依据实际关节的姿态采用左旋和右旋曲线，也可根据关节的负载重量及姿态将曲线设计为具有不同导程的螺旋线、曲线或直线的组合。

曲线槽筒7同轴套装在驱动单元100的直线槽筒10外部，使曲线槽滚轮5位于曲线槽筒7的曲线槽内，曲线槽筒7一端与液压缸体1对接，另一端通过端盖9封闭；曲线槽筒7相对直线槽筒10具有绕其自身轴线转动的自由度。曲线槽筒7外部同轴套装外套筒8(过渡配合)，以保证曲线槽筒7中沿曲线槽运动的曲线槽滚轮5完全封闭在装置中。

该关节装置的工作原理为(该关节驱动装置的驱动单元100固定不动，以曲线槽筒7的曲线槽为右旋曲线为例)：

(1)当需要使旋转单元200顺时针转动时：控制液压杆2伸出，带动滚轮杆3及安装在上面的直线槽滚轮4、套筒6和曲线槽滚轮5一起向前伸出。工作过程中，直线槽滚轮4沿直线槽筒10上的直线槽滚动，曲线槽滚轮5在曲线槽筒7上的曲线槽中运动；由于驱动单元100的液压缸体1固定不动，因此曲线槽滚轮5对曲线槽一侧产生推力，最终通过液压杆2伸出的动作实现曲线槽筒7及安装在曲线槽筒7上的各零件(即旋转单元200)绕液压缸体1前端的直线槽筒10作顺时针运动。

(2)当需要使旋转单元200逆时针转动时：与顺时针转动相反，控制液压杆2收回，带动滚轮杆3及安装在上面的直线槽滚轮4、套筒6和曲线槽滚轮5一起向后收回。工作过程中，直线槽滚轮4沿直线槽筒10上的直线槽滚动，曲线槽滚轮5在曲线槽筒7上的曲线槽中运动；由于驱动单元A的液压缸1固定不动，因此曲线槽滚轮5对曲线槽另一侧产生推力，最终通过液压杆2收回的动作实现曲线槽筒7及安装在曲线槽筒上的各零件(即旋转单元200)绕液压缸体1前端的直线槽筒10作逆时针运动。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，进一步给出驱动单元100和旋转单元200之间的连接方式。

驱动单元100和旋转单元200通过轴承安装到一起，使旋转单元200相对驱动单元100具备转动自由度。具体为：

在直线槽筒10轴向两端的外圆周分别套装有轴承，且两轴承内圈与直线槽筒10连接；曲线槽筒7套装在直线槽筒10外部后，通过两轴承支撑，且与两轴承外圈连接。在两轴承的作用下可使曲线槽筒7绕直线槽筒10灵活转动。

此外，还具有用于安装曲线槽筒7转动角度的角度编码器，角度编码器一端安装在直线槽筒10上，另一端安装在曲线槽筒7上，从而测量曲线槽筒7相对直线槽筒10转动的角度。

实施例3：

在上述实施例1或实施例2的基础上，进一步的：

旋转单元200沿轴线转动的两个方向上分别设置有用于限制其转动角度的限位机构；限位机构具体为：在液压缸体1前端直线槽筒10上加工的直线槽为长度方向两端封闭的槽(即沿直线槽筒10的轴向不是通槽)，为避免应力集中，直线槽长度方向两端的内表面为圆弧面。由此直线槽滚轮4沿直线槽的运动受直线槽长度限制，而液压杆2伸出和收回运动受到安装在其上面的直线槽滚轮4的限制；直线槽长度同时限制了曲线槽滚轮5的活动范围，因此限制了绕直线槽筒10转动的曲线槽筒7(曲线槽左旋和右旋均可)的转动角度。

该限位机构为机械限位，能够在液压杆2控制程序出错时起到保护作用。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，包括：驱动单元(100)和旋转单元(200)；

所述驱动单元(100)包括：液压缸体(1)、液压杆(2)、滚轮杆(3)、直线槽筒(10)和滚轮组件；所述液压缸体(1)的液压杆伸出端具有与液压缸体(1)同轴的直线槽(10)，所述直线槽筒(10)为沿轴向加工有直线槽的筒形结构；所述液压杆(2)的前端位于所述直线槽筒(10)内；

所述液压杆(2)的前端连接有滚轮杆(3)，所述滚轮杆(3)的两相对侧对称安装有滚轮组件，所述滚轮组件包括：直线槽滚轮(4)、套筒(6)和曲线槽滚轮(5)；所述直线槽滚轮(4)与所述直线槽筒(10)上的直线槽滚动配合；所述套筒(6)用于隔开所述直线槽滚轮(4)和曲线槽滚轮(5)；

所述旋转单元(200)包括：曲线槽筒(7)；所述曲线槽筒(7)为筒壁上加工有曲线槽的筒形结构；所述曲线槽筒(7)同轴套装在所述直线槽筒(10)外部，使所述曲线槽滚轮(5)位于所述曲线槽筒(7)的曲线槽内，所述曲线槽筒(7)相对直线槽筒(10)具有绕其自身轴线转动的自由度，通过所述液压杆(2)的伸出和收回带动所述曲线槽筒(7)沿两个相反的方向转动。

2.如权利要求1所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，所述旋转单元(200)还包括：端盖(9)；所述曲线槽筒(7)一端与所述液压缸体(1)对接，另一端通过端盖(9)封闭。

3.如权利要求1或2所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，所述旋转单元(200)还包括：同轴套装在所述曲线槽筒(7)外部的外套筒(8)。

4.如权利要求1所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，所述曲线槽筒(7)通过轴承同轴套装在所述直线槽筒(10)外部。

5.如权利要求1所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，通过限位机构限制所述曲线槽筒(7)的转动角度。

6.如权利要求5所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，所述直线槽筒(10)上加工有长度方向两端是圆弧的直线槽，由此限制所述曲线槽筒(7)的转动角度。

7.如权利要求1所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，还包括用于测量所述曲线槽筒(7)转动角度的角度编码器。

8.如权利要求1所述的曲线槽驱动的机器人关节装置，其特征在于，所述驱动单元(100)和旋转单元(200)外径相同。

Images