CN113459165B - 基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其包括十字形单元、丁字形单元和绳索驱动组件。第一丁字形单元中的第四连接杆和机架固连，第一丁字形单元中的第三安装孔和十字形单元中的第二安装孔连接，十字形单元中的第一安装孔和第二丁字形单元中的第三安装孔连接。第一绳索的第二端依次穿过第一丁字形单元的第三穿线孔和十字形单元的第一穿线孔与第二丁字形单元的第三穿线孔固连，第二绳索的第二端依次穿过第一丁字形单元的第四穿线孔和十字形单元的第二穿线孔与第二丁字形单元的第四穿线孔固连。本发明利用非圆齿轮非线性的控制，减小了电机的使用数目，同时降低了传统仿生机构因闭环控制所带来的复杂性与难操作性。

Description

基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构

技术领域

本发明涉及仿生机构领域，特别涉及一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构。

背景技术

仿生机构是由刚性构件、柔性构件、仿生构件以及动力元件等人为的组合而成的机械系统。通过运动副或仿生关节的联接，系统的各部之间能保持足够确定的相对运动，在控制系统的指挥下，可于某种程度上模拟设计者所期望的某特定生物的运动功能。近年来，仿生机器人应用范围不断增大，对仿生机器人的研究也越来越多，无论是在陆地使用的四足机器人、柔性机械臂，还是在水下使用的仿生机器鱼，其中的仿生脊柱关节都是不可或缺的一部分。

目前，较为常用的仿生机构可分为内置式驱动与外置式驱动。内置式驱动又可大致分为以下三种情况：气动人工肌肉、化学材料驱动和形状记忆合金。外置式驱动可将机器本体与驱动装置分离，使两者相互独立，通过中间机构如绳、钢丝进行桥接，利用电机驱动绳索的伸长和缩短进而控制脊柱机构的运动。相对于内置式驱动，这样的结构布局解放了关节，大大降低了关节的重量，避免了结构臃肿，这种轻量化的机构更容易保证运行的安全性。

然而针对外置式驱动，现有技术中采用多个电机相互串联的机构、仿生机器鱼结构，通过这些电机的协调运动来控制关节的运动，但每个关节都需要一个独立的驱动器，其驱动机构以及控制难度随关节数目的增加而更加复杂化，同时，这类设计中各关节的摩擦也消耗了大量的能量。例如，在基于绳驱动机械臂的研究与设计一文中，机械臂具有六个旋转关节，除末端关节外的五个关节均为绳驱动关节，五个关节分别由五个电机独立驱动，大量电机的使用极大的增大了系统的制造成本，同时使得该结构重量增大、体积增大。例如，文献中提出的绳驱动机械臂转动关节的结构，相互球铰的两个球铰单元在转动过程中存在着极大的摩擦力，且因球面的滑动，当球铰单元增多时，关节无法在竖直位置上保持垂直，可能会产生滑动偏移。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，主要在旋转动力源和仿生机构主体单元之间添加绳索驱动组件，减少了电机和传感器的使用数量，不仅使得仿生机构的重量和体积减小，而且使得仿生机构的控制系统更加简单，操作更加简洁。

本发明提供了一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其包括十字形单元、丁字形单元、弹簧和绳索驱动组件。所述十字形单元，其包括第一连接杆、第二连接杆、第一安装孔、第二安装孔、第一穿线孔和第二穿线孔，所述第一连接杆的中心和所述第二连杆的中心固定连接，所述第一连接杆的两端对称设有第一安装孔和第二安装孔，所述第二连接杆的两端对称设有第一穿线孔和第二穿线孔；所述丁字形单元，其包括第三连接杆、第四连接杆、第三安装孔、第三穿线孔和第四穿线孔，所述第三连杆的第一端和所述第四连杆的中心固定连接，所述第三连杆的第二端设有第三安装孔，所述第四连接杆的两端对称设有第三穿线孔和第四穿线孔。所述绳索驱动组件，其包括第一绳索、第二绳索、从动非圆齿轮同步滚筒、第一轴、从动非圆齿轮、主动非圆齿轮同步滚筒、第二轴和主动非圆齿轮，所述电机的输出端和所述第一轴的第一端固定连接，所述第一轴的第二端和所述主动非圆齿轮的第一端固定连接，所述第一轴的第三端和所述主动非圆齿轮同步滚筒的第一端固定连接，所述主动非圆齿轮同步滚筒的第二端和所述第一绳索的第一端固定连接，所述主动非圆齿轮的第二端和所述从动非圆齿轮的第一端啮合，所述从动非圆齿轮的第二端和所述第二轴的第一端固定连接，所述从动非圆齿轮同步滚筒的第一端和所述第二轴的第二端固定连接，所述从动非圆齿轮同步滚筒的第二端和所述第二绳索的第一端固定连接，所述电机的外壳和所述第二轴的第三端分别与机架固定连接。第一丁字形单元中的第四连接杆和机架固定连接，所述第一丁字形单元中的第三安装孔和所述十字形单元中的第二安装孔连接，所述十字形单元中的第一安装孔和第二丁字形单元中的第三安装孔连接，所述弹簧对称分布在相邻单元的两侧，所述弹簧的两端分别与相邻单元的连接杆的两端连接，所述第一绳索的第二端依次穿过所述第一丁字形单元的第三穿线孔和所述十字形单元的第一穿线孔与所述第二丁字形单元的第三穿线孔固定连接，所述第二绳索的第二端依次穿过所述第一丁字形单元的第四穿线孔和所述十字形单元的第二穿线孔与所述第二丁字形单元的第四穿线孔固定连接。

可优选的是，所述非圆齿轮的节曲线方程的具体表达式为：

式中，n为所有十字形单元和丁字形单元的个数之和，θ为单元间的相对转角，R为滚筒半径，a为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的中心距，L₁和L₂分别为第一绳索和第二绳索的长度变化量，L₁和L₂的具体表达式为：

式中，r为十字形单元或丁字形单元的安装孔回转中心到穿线孔中心的距离，

为十字形单元安装孔回转中心线与穿线孔中心的连线和第一连接杆的夹角。

可优选的是，所述第一连接杆的轴线和所述第二连接杆的轴线互相垂直，所述第三连接杆的轴线和所述第四连接杆的轴线互相垂直，所述第一连接杆的长度和所述第四连接杆的长度相等，所述第二连接杆的长度是所述第三连接杆长度的2倍。

可优选的是，所述丁字形单元，其包括第一丁字形单元和第二丁字形单元，所述第一丁字形单元、所述第二丁字形单元、所述十字形单元和所述弹簧构成仿生机构主体。

可优选的是，所述第一连接杆两端的第一安装孔和第二安装孔的轴线相互平行且与所述仿生机构主体弯曲的平面垂直，所述第二连接杆两端的第一穿线孔和第二穿线孔的轴线与所述第一连接杆两端的安装孔的轴线垂直。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

现有的仿生机构，因驱动单元弯曲的多根绳索在工作过程中处于非线性的绳长与缩短状态，往往需要采用多个电机单独控制每根绳索的绳长或缩短，每个关节都需要一个独立的驱动器。在控制机构精准的弯曲过程中，仿生单元、传动绳、伺服电机，与传感器形成一个闭环控制，其驱动机构以及控制难度随关节数目的增加而更加复杂化。多个电机的使用增加了系统的制造成本，同时使得仿生机构重量增大、体积增大。与现有仿生机构相比，本发明采用一对非圆齿轮非线性的控制关节左右两侧绳索的伸长与缩短，减小了电机的使用数目，同时降低了传统仿生机构因闭环控制所带来的复杂性与难操作性。

附图说明

图1为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构中十字形单元的结构图；

图2为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构丁字形单元的结构图；

图3为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构中仿生机构主体的结构图；

图4为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构中绳索驱动组件的结构图；

图5为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构的整体结构图；

图6为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构中主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的传动比图；

图7为本发明基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构中主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的节曲线图。

主要附图标记：

第一安装孔1，第二安装孔2，第一穿线孔3，第二穿线孔4，第三安装孔5，第三穿线孔6，第四穿线孔7，弹簧8，第一绳索9，第二绳索10，从动非圆齿轮同步滚筒11，第一轴12，从动非圆齿轮13，主动非圆齿轮同步滚筒14，第二轴15，主动非圆齿轮16，第一连接杆17，第二连接杆18，第三连接杆19，第四连接杆20，十字形单元21，第一丁字形单元22，第二丁字形单元23。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

现有的采用绳驱动的仿生机构，一个关节最少需要两个电机分别控制两根绳索的非线性伸长与缩短。在控制仿生机构主体的弯曲运动中，需增加传感器的使用与多个伺服电机，多根绳索组成全闭环伺服控制，控制过程复杂困难。为解决上述问题，提出了基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，如图5所示，包括十字形单元21、丁字形单元、弹簧8和绳索驱动组件。

十字形单元21，如图1所示，包括第一连接杆17、第二连接杆18、第一安装孔1、第二安装孔2、第一穿线孔3和第二穿线孔4，第一连接杆17的中心和第二连杆18的中心固定连接，第一连接杆17的两端对称设有第一安装孔1和第二安装孔2，第二连接杆18的两端对称设有第一穿线孔3和第二穿线孔4。

丁字形单元，如图2所示，包括第三连接杆19、第四连接杆20、第三安装孔5、第三穿线孔6和第四穿线孔7，第三连接杆19的第一端和第四连接杆20的中心固定连接，第三连接杆19的第二端设有第三安装孔5，第四连接杆20的两端对称设有第三穿线孔6和第四穿线孔7。

绳索驱动组件，如图4所示，包括第一绳索9、第二绳索10、从动非圆齿轮同步滚筒11、第一轴12、从动非圆齿轮13、主动非圆齿轮同步滚筒14、第二轴15和主动非圆齿轮16，电机的输出端和第一轴12的第一端固定连接，第一轴12的第二端通过花键或者过盈配合和主动非圆齿轮16的第一端固定连接，第一轴12的第三端通过花键或者过盈配合和主动非圆齿轮同步滚筒14的第一端固定连接，主动非圆齿轮同步滚筒14的第二端和第一绳索9的第一端固定连接，主动非圆齿轮16的第二端和从动非圆齿轮13的第一端啮合，从动非圆齿轮13的第二端通过花键或者过盈配合和第二轴15的第一端固定连接，从动非圆齿轮同步滚筒11的第一端通过花键或者过盈配合和第二轴15的第二端固定连接，从动非圆齿轮同步滚筒15的第二端和第二绳索10的第一端固定连接，电机的外壳和第二轴15的第三端分别与机架固定连接。

如图3所示，第一丁字形单元22中的第四连接杆20和机架固定连接，第一丁字形单元22中的第三安装孔5和十字形单元21中的第二安装孔2铰接，十字形单元21中的第一安装孔1和第二丁字形单元23中的第三安装孔5铰接，弹簧8的两端分别与相邻单元的连接杆的两端连接，当仿生机构主体为直线时，所有弹簧8关于仿生机构主体的中心对称，第一绳索9的第二端依次穿过第一丁字形单元22的第三穿线孔6和十字形单元21的第一穿线孔1与第二丁字形单元23的第三穿线孔6固定连接，第二绳索10的第二端依次穿过第一丁字形单元22的第四穿线孔7和十字形单元21的第二穿线孔2与第二丁字形单元23的第四穿线孔7固定连接。

具体而言，安装于每个仿生机构单元两侧的两个相同弹簧8的目的在于，当第一绳索9和第二绳索10无变化量，仿生机构不弯曲时，可防止仿生机构向两侧弯曲、产生偏移，使得仿生机构处于竖直平衡状态。当末端受到一个外载荷时，如果该外载荷较小，不会引起仿生机构关节的弯曲运动。

进一步，为了保证绳索驱动组件中主动非圆齿轮16和从动非圆齿轮13设计的合理性，主动非圆齿轮16和从动非圆齿轮13的节曲线方程应满足如下具体表达式：

式中，n为所有十字形单元21和丁字形单元的个数之和，θ为单元间的相对转角，R为滚筒半径，a为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的中心距，L₁和L₂分别为第一绳索和第二绳索的长度变化量，L₁和L₂的具体表达式为：

式中，r为十字形单元21或丁字形单元的安装孔回转中心到穿线孔中心的距离，

为十字形单元21安装孔回转中心线与穿线孔中心的连线和第一连接杆17的夹角。

根据非圆齿轮节曲线的设计，如图7所示，为非圆齿轮节曲线的方程得到的非圆齿轮节曲线图像，图6为主动非圆齿轮16和从动非圆齿轮13的传动比图像。绳索的长度变化量公式为在非圆齿轮驱动下，仿生机构发生弯曲运动时，分别缠绕于从动非圆齿轮同步滚筒11和主动非圆齿轮同步滚筒14两侧的第二绳索10和第一绳索9存在非线性的伸长与缩短变化量。

当仿生机构弯曲一定角度时，第一绳索9拉紧缩短所需的绳索变化量与第二绳索10所需伸长的绳索变化量一一对应。第一绳索9和第二绳索10一一对应满足绳索变化的需求，可防止当一侧绳索缩短时，另一侧绳索的伸长量过短导致仿生机构无法弯曲到指定角度，或另一侧绳索伸长量过长导致仿生机构弯曲时无法处于绷紧状态。

具体而言，第一连接杆17的轴线和第二连接杆18的轴线互相垂直，第三连接杆19的轴线和第四连接杆20的轴线互相垂直，第一连接杆17的长度和第四连接杆20的长度相等，第二连接杆18的长度是第三连接杆19长度的2倍。

第一连接杆17两端的第一安装孔1和第二安装孔2的轴线相互平行且仿生机构弯曲的平面垂直，第二连接杆18两端的第一穿线孔3和第二穿线孔4的轴线与第一连接杆17两端的安装孔的轴线垂直，并关于仿生机构中单元的中心对称。

在本发明的一个优选实施例中，丁字形单元，包括第一丁字形单元22和第二丁字形单元23，第一丁字形单元22、第二丁字形单元23、多个十字形单元21和多个弹簧8构成仿生机构主体。仿生机构主体单元间的弹簧8还可以通过橡胶或片弹簧代替；两个弹簧8可通过一个扭转弹簧代替，扭簧安装在单元铰链回转点处。

以下结合实施例对本发明一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构做进一步描述：

本发明的工作原理是这样实现的：

首先，启动绳索驱动组件中的电机，驱动主动非圆齿轮16，将动力通过啮合的非圆齿轮传递给从动非圆齿轮13。非圆齿轮在啮合过程中，啮合点与回转中心的距离始终在改变，如图7所示，即主动非圆齿轮16与从动非圆齿轮13之间的传动比始终在变化，如图6所示，即主动非圆齿轮16与从动非圆齿轮13以变传动比传动。

然后，将动力输入与主动非圆齿轮16连接的主动非圆齿轮同步滚筒14，主动非圆齿轮16带动主动非圆齿轮同步滚筒14做变速运动；若主动非圆齿轮16顺时针转动，主动非圆齿轮同步滚筒14与非圆齿轮16同步顺时针转动。缠绕在主动非圆齿轮同步滚筒14上的第一绳索9因主动非圆齿轮同步滚筒14的顺时针旋转，第一绳索9拉紧，第一绳索9的绳长缩短。

最后，当第一绳索9因主动非圆齿轮同步滚筒14的顺时针旋转产生拉紧缩短状态，则因拉力的存在第一绳索9牵引仿生机构逆时针弯曲。假设第一绳索9逆时针旋转，仿生机构单元间的相对弯曲角度为θ，则由绳索的长度变化量公式可知，第一绳索9的缩短量为L₁。

主动非圆齿轮16顺时针转动的同时，与主动非圆齿轮16啮合的从动非圆齿轮13逆时针旋转，从动非圆齿轮13带动从动非圆齿轮同步滚筒11同步逆时针旋转，缠绕在从动非圆齿轮同步滚筒11上的第二绳索10处于伸长无拉状态。假设仿生机构逆时针旋转时，仿生机构单元间的相对弯曲角度为θ，则由绳索的长度变化量公式可知，第二绳索10所需的伸长量为L₂。

根据上述操作过程，当仿生机构弯曲时，第二绳索10和第一绳索9需和谐的伸长或缩短，进而保证仿生机构的协调运动。在本实施例取n＝6、R＝5、a＝18、r＝12、

两仿生机构单元间的相对弯曲角度θ取值范围为-10°～10°，经非圆齿轮节曲线方程和绳索的长度变化量公式，推导可得主动非圆齿轮16和从动非圆齿轮13的传动比图像如图6所示，以及主动非圆齿轮16和从动非圆齿轮13的节曲线图像如图7所示。

当仿生机构单元间的相对转角为θ时，由绳索的长度变化量公式可求得，两仿生机构单元间第一绳索9和第二绳索10的长短变化量分别为L₁和L₂，取其中一组数据，当θ＝5°时，L₁＝3.554、L₂＝3.718，经分析可得，L₁和L₂呈非线性变化，即第一绳索9L₁和第二绳索10L₂两根绳索的伸长和缩短变化量不成正比。绳子缠绕在对应的同步滚筒上，仿生机构弯曲绳索长度变化时带动对应的同步滚筒转动，由非圆齿轮节曲线方程得，当仿生机构单元间的相对转角为θ时，同步滚筒的转动角度分别为

和

对每一个既定的

和

值，根据非圆齿轮节曲线方程可以确定瞬时回转中心分别到主动非圆齿轮16和从动非圆齿轮13轴心的距离为r₁和r₂，如图7所示。当

时，r₁＝7.197，r₂＝10.803；当

时，r₁＝7.32，r₂＝12.68，分析可知，r₁、r₂为变化量，且两者和为固定值：r₁+r₂＝a。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其包括十字形单元、绳索驱动组件、丁字形单元和弹簧，其特征在于，

所述十字形单元，其包括第一连接杆、第二连接杆、第一安装孔、第二安装孔、第一穿线孔和第二穿线孔，所述第一连接杆的中心和所述第二连杆的中心固定连接，所述第一连接杆的两端对称设有第一安装孔和第二安装孔，所述第二连接杆的两端对称设有第一穿线孔和第二穿线孔；所述丁字形单元，其包括第三连接杆、第四连接杆、第三安装孔、第三穿线孔和第四穿线孔，所述第三连接杆的第一端和所述第四连接杆的中心固定连接，所述第三连接杆的第二端设有第三安装孔，所述第四连接杆的两端对称设有第三穿线孔和第四穿线孔；

所述绳索驱动组件，其包括第一绳索、第二绳索、从动非圆齿轮同步滚筒、第一轴、从动非圆齿轮、主动非圆齿轮同步滚筒、第二轴和主动非圆齿轮，电机的输出端和所述第一轴的第一端固定连接，所述第一轴的第二端和所述主动非圆齿轮的第一端固定连接，所述第一轴的第三端和所述主动非圆齿轮同步滚筒的第一端固定连接，所述主动非圆齿轮同步滚筒的第二端和所述第一绳索的第一端固定连接，所述主动非圆齿轮的第二端和所述从动非圆齿轮的第一端啮合，所述从动非圆齿轮的第二端和所述第二轴的第一端固定连接，所述从动非圆齿轮同步滚筒的第一端和所述第二轴的第二端固定连接，所述从动非圆齿轮同步滚筒的第二端和所述第二绳索的第一端固定连接，所述电机的外壳和所述第二轴的第三端分别与机架固定连接；

丁字形单元包括第一丁字形单元和第二丁字形单元，所述第一丁字形单元中的第四连接杆和机架固定连接，所述第一丁字形单元中的第三安装孔和所述十字形单元中的第二安装孔连接，所述十字形单元中的第一安装孔和第二丁字形单元中的第三安装孔连接；

所述弹簧对称分布在相邻单元的两侧，所述弹簧的两端分别与相邻单元的连接杆的两端连接，所述第一绳索的第二端依次穿过所述第一丁字形单元的第三穿线孔和所述十字形单元的第一穿线孔与所述第二丁字形单元的第三穿线孔固定连接，所述第二绳索的第二端依次穿过所述第一丁字形单元的第四穿线孔和所述十字形单元的第二穿线孔与所述第二丁字形单元的第四穿线孔固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其特征在于，所述非圆齿轮的节曲线方程的具体表达式为：

式中，n为所有十字形单元和丁字形单元的个数之和，θ为单元间的相对转角，R为滚筒半径，a为主动非圆齿轮和从动非圆齿轮的中心距，L₁和L₂分别为第一绳索和第二绳索的长度变化量，L₁和L₂的具体表达式为：

式中，r为十字形单元或丁字形单元的安装孔回转中心到穿线孔中心的距离，

为十字形单元安装孔回转中心线与穿线孔中心的连线和第一连接杆的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其特征在于，所述第一连接杆的轴线和所述第二连接杆的轴线互相垂直，所述第三连接杆的轴线和所述第四连接杆的轴线互相垂直，所述第一连接杆的长度和所述第四连接杆的长度相等，所述第二连接杆的长度是所述第三连接杆长度的2倍。

4.根据权利要求1所述的基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其特征在于，所述第一丁字形单元、所述第二丁字形单元、所述十字形单元和所述弹簧构成仿生机构主体。

5.根据权利要求4所述的基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其特征在于，所述第一连接杆两端的第一安装孔和第二安装孔的轴线相互平行且与所述仿生机构主体弯曲的平面垂直，所述第二连接杆两端的第一穿线孔和第二穿线孔的轴线与所述第一连接杆两端的安装孔的轴线垂直。

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