CN114310842B - 基于共振系统的仿生直驱机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于共振系统的仿生直驱机构，包括机体架、直流电机、角度传感器、减速机构、弹性单元和肢体，直流电机固定在机体架上；角度传感器与直流电机输出轴的一端相连，用于测量直流电机输出轴转动的角度和角速度，反馈给电机控制器；减速机构输入轴与直流电机输出轴的另一端相连，减速机构输出轴与肢体相连，带动肢体进行往复运动；弹性元件一端与减速机构输出轴相连，另一端与机体架相连；弹性元件在减速机构输出端转动时产生拉伸或压缩的变形，储存肢体往复运动时惯性运动的动能。该直驱机构用于驱动微型仿生机器人的肢体实现往复运动，运动轨迹不受连杆齿轮等机械结构的限制，结构简单，重量轻，驱动效率高，控制量自由度多。
Description
技术领域
本发明涉及微型仿生机器人领域，尤其涉及一种基于共振系统的仿生直驱机构。
背景技术
近些年来，微小型尺度下的仿生机器人在灵活性、隐蔽性和机动性上展现出巨大的发展潜力。常见的微型仿生机器人有跳跃机器人、四足机器人、扑翼飞行器和鱼形机器人等。此类仿生机器人运动的驱动方式多种多样，但是几乎都是通过肢体的往复运动产生控制力和力矩的。为实现此类仿生的往复运动轨迹，微型机器人通常采用压电、电磁等方法直接驱动，或是采用旋转电机加连杆的方式驱动。
虽然压电驱动方式在较高电压下可以产生较高的频率且具有较低的能量损失，但是仅在毫米级机器人上得到应用。在更大尺寸的一些机器人上(例如仿蜂鸟扑翼飞行器等)，电机驱动方式更加高效且在低电压运行时有较高的功率密度。但是，电机驱动需要配合连杆等机械结构才可以将电机的旋转运动转化为驱动所需的往复运动。
现有电机加机械结构的驱动方式存在以下缺陷：(1)为了将转动转化为往复运动，在结构和制作上往往较为复杂，且在高速运动下结构产生的振动和非对称惯性力较大。(2)机械结构在传动过程中也会有一定的功率损失。(3)固定的机械传动也限制了肢体的运动自由度，运动轨迹并不能做到像生物一样完全可控，需要额外的控制力。
发明内容
鉴于上述驱动方式的缺点与不足，本发明的目的在于针对厘米级尺寸下的微型仿生机器人提供一种能量损失少、结构简单、控制量多的直驱机构，用于驱动微型仿生机器人的肢体实现往复运动。通过本发明的技术方案，直流电机可以经过减速机构直接驱动肢体往复运动，其运动轨迹不受连杆齿轮等机械结构的限制。通过弹性单元刚度与肢体转动惯量的匹配设计，可以使驱动系统在共振点附近工作，能量转化效率高。通过位置传感器可以实现肢体运动的闭环控制,无需额外的控制机构。此直驱机构可以应用于各类微型仿生机器人上，实现仿生肢体的往复驱动，具有结构简单，重量轻，驱动效率高，控制量自由度多等优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于共振系统的仿生直驱机构，包括机体架、直流电机、角度传感器、减速机构、弹性单元和肢体，其中，
所述直流电机固定在所述机体架上；
所述角度传感器与所述直流电机输出轴的一端相连，用于测量所述直流电机输出轴转动的角度和角速度，反馈给电机控制器；
所述减速机构输入轴与所述直流电机输出轴的另一端相连，所述减速机构输出轴与所述肢体相连，带动所述肢体进行往复运动；
所述弹性元件一端与所述减速机构输出轴相连，另一端与所述机体架相连；所述弹性元件在所述减速机构输出端转动时产生拉伸或压缩的变形，用于储存所述肢体往复运动时惯性运动的动能。
进一步地，所述减速机构为齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构、线传动减速机构的任一种，用于将直流电机的输出力矩变大，用于适配不同肢体往复运动所需的转动力矩。
进一步地，所述肢体为仿昆虫翅翼、仿鱼鳍、仿昆虫肢体的任一种，在往复运动过程中结合自身被动形变可以相应的控制力和控制力矩，用于驱动微型机器人运动。
进一步地，所述角度传感器为绝对式光电编码器、霍尔传感器、磁编码器的任一种。
进一步地，所述弹性元件为扭簧等转动弹性单元、压簧等线弹性单元、弹性绳等非线弹性单元的任一种，所述弹性元件的弹性系数与所述肢体绕所述减速机构的转动惯量相互匹配，形成一个“弹簧-振子”共振系统，使得肢体往复运动的频率与“弹簧-振子”共振系统的固有频率重合，从而可以较高的能量转化效率。
进一步地，所述共振系统的动力学模型通过以下计算获得：
根据直流电机的电力机械模型，得到：
共振系统往复转动过程的力矩平衡方程：
联立电力机械模型与力矩平衡方程，得到共振系统的动力学模型为：
其中，V为直流电机的输入电压；R0为直流电机的相间电阻；I为直流电机的电流；ka为直流电机的转矩常数；N为减速机构的减速比；为肢体的角速度；Jg，Jw分别为减速机构和肢体的转动惯量；M为肢体运动时产生的阻力力矩；/>为直流电机转动时的滑动阻尼，b0为直流电机的阻尼系数；K为弹性元件的刚度；/>为弹性元件产生的弹性力矩；kaI为直流电机产生的扭矩。
进一步地，所述共振系统的固有频率f0通过以下公式计算得到:
其中，Jg，Jw分别为减速机构和肢体的转动惯量；K为弹性元件的刚度。
进一步地，还包括肢体固定摇臂，所述肢体通过所述肢体固定摇臂与所述减速机构输出轴连接。
进一步地，还包括弹性元件固定摇臂和弹性元件固定座，所述弹性元件通过所述弹性元件固定摇臂与所述减速机构输出轴连接，所述弹性元件通过所述弹性元件固定座与所述机体架连接。肢体与机体架通过弹性元件连接，保留了往复运动的自由度，运动角度和对称性均不收机械结构的限制。
本发明的有益效果在于:
1.本发明由弹性元件和肢体组成的共振系统即可以实现较大的运动角度，同时也可以将肢体往复的动能储存在弹性元件的弹性势能中，很好地解决了往复运动的能量耗散问题。
2.本发明的传动机构不需要额外的连杆等机构将转动转化为往复运动，结构简单，可靠性高，具有较好的传动效率。
3.本发明保留了肢体往复运动的自由度，通过角度传感器的反馈可以在往复运动的基础上实现肢体更多的控制量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的一种基于共振系统的仿生直驱机构示意图；
图2是本发明的去除扭簧和齿轮的仿生直驱机构示意图；
附图标号说明：
1.直流电机；2.主动齿轮；3.从动齿轮；4.角度传感器；5.机体架；6.扭簧；7.扭簧固定摇臂；8.传动轴；9.肢体固定摇臂；10.肢体；11.第一紧定螺钉；12.第二紧定螺钉；13.第一轴承；14.第二轴承；15.扭簧固定座。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图1是本发明的一种基于共振系统的仿生直驱机构示意图，图2是本发明的除去齿轮和扭簧的机构示意图。如图1-2所示，一种基于共振系统的仿生直驱机构，包括直流电机1，主动齿轮2，从动齿轮3，角度传感器4，机体架5，扭簧6，扭簧固定摇臂7，传动轴8，肢体固定摇臂9，肢体10，紧定螺钉11、13，轴承12、14，扭簧固定座15，其中，
直流电机1固定在机体架5中，不与机体架5发生相对转动；直流电机输出轴一端固定有主动齿轮2，另一端与角度传感器4相连接。
肢体10固定在肢体固定摇臂9上，固定摇臂9通过紧定螺钉11与传动轴8相连，从动齿轮3与传动轴8固定，并且与主动齿轮2相互啮合；当直流电机1输出往复运动时，从动齿轮3带动传动轴8一起进行往复转动。
机体架5上设置有轴承安装孔，分别安装第一轴承12和第二轴承14；传动轴8通过两个轴承与机体架5相连，可以相对于机体架5进行转动；因此可以带动肢体固定摇臂9和肢体10一起相对机体架5进行往复运动。
扭簧固定摇臂7通过紧定螺钉13与传动轴8相固定，跟随传动轴8一起进行往复转动；扭簧固定摇臂7上设置有销孔，用于扭簧7伸出端的固定；机体架5上设置有扭簧固定座15，用于固定扭簧7的另一个伸出端。
当扭簧固定摇臂7做往复运动时，扭簧两端会产生相对角度差，从而完成往复转动动能与弹簧扭簧弹性势能之间的相互转换。当扭簧6位于中立位置时，肢体10也处于往复运动轨迹的中点；此时扭簧6的弹性势能为零，肢体10转动的角速度最大，转动动能也最大。当扭簧6处于最大转动位置时，肢体10以及减速齿轮3等转动部件的转动动能全部转化为扭簧6的弹性势能。因此，直流电机1仅需要克服肢体10往复转动过程中的阻力做功即可，从而减小了往复运动的能量消耗。
角度传感器4接收直流电机1转动的角度和角速度值，反馈给电机控制器，实现肢体10的闭环控制。
扭簧6与从动齿轮3、肢体10构成一个“弹簧-振子”共振系统，其共振点为效率最大点。根据以上共振系统的组成和设计，对共振系统进行简化，得到如下理论计算模型。
由于直流电机1、主动齿轮2以及传动轴8等部件的转动惯量相对于从动齿轮3和肢体10足够小，因此可将其进行简化，只考虑转动时从动齿轮3的转动惯量Jg和肢体10绕传动轴8的转动惯量Jw两部分；扭簧6的刚度表示为K；肢体10在运动平面内相对于中立位置所转动的角度表示为角速度和角加速度分别为/>
根据直流电机1电力机械模型，可以得到
其中，V为直流电机1的输入电压；R0为直流电机1的相间电阻；I为直流电机1的电流；ka为直流电机1的转矩常数；N为主动齿轮2和从动齿轮3之间的减速比；为肢体10绕传动轴8的角速度。
同时，可以得到共振系统往复转动过程中的绕传动轴8的力矩平衡方程：
其中，Jg，Jw分别为从动齿轮3和肢体10绕传动轴8的转动惯量；M为肢体10运动时产生的阻力绕传动轴8的力矩；为直流电机1转动时的滑动阻尼，b0为直流电机1的阻尼系数；/>为扭簧6产生的弹性力矩；kaI为直流电机1产生的扭矩。
根据上式联立可以得到“弹簧-振子”系统的动力学模型为：
结合上述“弹簧-振子”系统的动力学模型以及角速度传感器可以对系统的运动进行精确的控制。其中动力学模型中涉及到肢体运动阻尼，即肢体10运动时产生的阻力绕传动轴8的力矩M的建模计算，不同的肢体(扑翼，鱼鳍)在运动中的阻尼系数不同，此处不再展开陈述。
此外，从上式可以看出，此系统是一个有阻尼的二阶系统。因此，该共振系统的固有频率可以通过以下公式计算得到:
在该频率下“弹簧-振子”系统可以在较少的输入电压V下产生较大的运动幅度。因此，整个系统的工作点也会选择在该频率附近。其中，减速齿轮和肢体的转动惯量Jg和Jw通过三维建模软件计算得到的；扭簧刚度K根据以下理论公式计算得到的：
其中，E为扭簧的杨氏模量，d为扭簧线径，D为扭簧外径，n为扭簧圈数。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，包括机体架、直流电机、角度传感器、减速机构、弹性元件和肢体，其中，
所述直流电机固定在所述机体架上；
所述角度传感器与所述直流电机输出轴的一端相连，用于测量所述直流电机输出轴转动的角度和角速度，反馈给电机控制器；
所述减速机构输入轴与所述直流电机输出轴的另一端相连，所述减速机构输出轴与所述肢体相连，带动所述肢体进行往复运动；
所述弹性元件一端与所述减速机构输出轴相连，另一端与所述机体架相连；所述弹性元件在所述减速机构输出端转动时产生拉伸或压缩的变形，用于储存所述肢体往复运动时惯性运动的动能；
所述弹性元件为转动弹性单元、线弹性单元、非线弹性单元的任一种，所述弹性元件的弹性系数与所述肢体绕所述减速机构的转动惯量相互匹配，使得所述肢体往复运动的频率与“弹簧-振子”共振系统的固有频率重合；
所述共振系统的动力学模型通过以下计算获得：
根据直流电机的电力机械模型，得到：
共振系统往复转动过程的力矩平衡方程：
联立电力机械模型与力矩平衡方程，得到共振系统的动力学模型为：
其中，V为直流电机的输入电压；R0为直流电机的相间电阻；I为直流电机的电流；ka为直流电机的转矩常数；N为减速机构的减速比；为肢体的角速度；Jg，Jw分别为减速机构和肢体的转动惯量；M为肢体运动时产生的阻力力矩；/>为直流电机转动时的滑动阻尼，b0为直流电机的阻尼系数；K为弹性元件的刚度；/>为弹性元件产生的弹性力矩；kaI为直流电机产生的扭矩。
2.根据权利要求1所述的基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，所述减速机构为齿轮减速机构、蜗轮蜗杆减速机构、线传动减速机构的任一种。
3.根据权利要求1所述的基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，所述肢体为仿昆虫翅翼、仿鱼鳍、仿昆虫肢体的任一种。
4.根据权利要求1所述的基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，所述角度传感器为绝对式光电编码器、霍尔传感器、磁编码器的任一种。
5.根据权利要求1所述的基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，所述共振系统的固有频率f0通过以下公式计算得到:
其中，Jg，Jw分别为减速机构和肢体的转动惯量；K为弹性元件的刚度。
6.根据权利要求1所述的基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，还包括肢体固定摇臂，所述肢体通过所述肢体固定摇臂与所述减速机构输出轴连接。
7.根据权利要求1所述的基于共振系统的仿生直驱机构，其特征在于，还包括弹性元件固定摇臂和弹性元件固定座，所述弹性元件通过所述弹性元件固定摇臂与所述减速机构输出轴连接，所述弹性元件通过所述弹性元件固定座与所述机体架连接。
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