CN114918972B - 一种万向节和仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种万向节和仿生机器人，本发明的万向节包括十字轴、万向节框，还包括固定在十字轴上的电机，电机包括横轴电机、纵轴电机，横轴电机、纵轴电机分别与横框、纵框传动连接，而分别带动横框绕横轴线旋转、纵框绕纵轴线旋转；因为本发明是在十字轴上安装了分别主动驱动两个万向节框进行独立运动的电机，所以本发明是以十字轴为固定端，以十字轴上固定的电机带动万向节框旋转，进而能够带动万向节框的底座所连接的部件进行运动，此结构有利于作为机器人的主动关节来进行驱动，方便机器人的转向控制，使仿生机器人实现更复杂的运动方式，而且它占用空间小，能够在小型仿生机器人领域得到更好的应用。

Description

一种万向节和仿生机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人的结构设计和自动化领域，具体涉及一种万向节和仿生机器人。

背景技术

机器人产业蓬勃发展，极大改变了人类生产和生活方式。在人工智能的背景下，仿生机器人对社会的各个方面都有广泛的运用，尤其是生产制造业,因此得到了研究人员的关注。

而在仿生机器人的设计中，由于关节直接关系到各种运动，所以仿生机器人的关节设计尤为重要，此类关节一般分为两种：平移式关节和旋转式关节。其中的旋转式关节的现有技术可见授权公告号为CN206708251U的专利文献公开的万向节和Detla机器人，该现有技术中的万向节包括十字接头和两个万向节框，十字接头包括呈十字分布的四个连接轴，四个连接轴为两对，每对连接轴同轴且端头相背，万向节框为U形，具有一对并列的连接臂和两连接臂之间的用于容纳十字接头的容纳空间，各连接臂上设置有连接孔，一对连接臂上的连接孔为同轴且处于容纳空间两侧，而与一对连接轴对应适配并转动连接，相对应的连接轴与连接孔通过深沟球轴承转动连接。该万向节可应用于Detla机器人并因采用深沟球轴承而能够减少磨损。但是，该机器人的“Detla驱动电机安装在固定地板上，大大减少了机器人运动过程中的惯量”，即用于实现万向节旋转运动的驱动电机处于不变的固定位置。

由前述的现有技术中的应用于机器人中的万向节介绍可见，固化驱动电机位置的设计，导致现有技术中的该类万向节的缺点是连接方式固定，所以只能用于特定的Delta机器人，且占用空间较大，不能为机器人提供多种运动方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种万向节，通过采用新型设计以改变传统的应用于机器人中的万向节的连接方式，解决了现有技术中万向节连接方式受固化的驱动电机限制而存在的应用范围受限、占用空间大的技术问题。同时还提供使用该万向节的仿生机器人，以解决仿生机器人灵活转向的技术问题。

本发明的一种万向节，包括十字轴、万向节框，十字轴具有相互垂直的两条旋转轴线：横轴线、纵轴线，万向节框包括转动轴线分别与横、纵轴线重合的横框、纵框，每个万向节框包括底座和分布在底座两侧的两个连接臂，还包括固定在十字轴上的电机，电机包括横轴电机、纵轴电机，横轴电机、纵轴电机分别与横框、纵框传动连接，而分别带动横框绕横轴线旋转、纵框绕纵轴线旋转；各万向节框的两个连接臂沿转动轴线间隔设置且有设定的轴向间距、底座与十字轴沿转动轴线的径向间隔设置且有设定的径向间距，而使两个连接臂、底座与十字轴围成设定的预留空间，该预留空间在各万向节框的转动轴线的轴向、径向上广延，而能够容纳十字轴及电机，且在万向节框转动时避免干涉。

本发明提供的万向节，不再如现有技术那样：万向节运动方式是连接在万向节框底座上的轴带着万向节框旋转、进而带动十字轴运动；因为本发明是在十字轴上安装了分别主动驱动两个万向节框进行独立运动的电机，所以本发明是以十字轴为固定端，以十字轴上固定的电机带动万向节框旋转，进而能够带动万向节框的底座所连接的部件进行运动，此结构有利于作为机器人的主动关节来进行驱动，方便机器人的转向控制；并且，本发明中的电机被收纳在万向节框的预留空间中，不再需要占用万向节以外的安装空间，使万向节机构占用空间变小。从而本发明的万向节能够使仿生机器人实现更复杂的运动方式，能满足小型仿生机器人的运动需求，例如转向或翻越障碍等，而且它可以应用于小型的仿生机器人，占用空间小，在小型仿生机器人领域得到更好的应用。

进一步的，所述十字轴为十字架形状的板，十字轴的正反两表面分别安装所述的横轴电机、纵轴电机。板状的十字轴更利于安装电机。

进一步的，所述十字轴上固定有电机架，所述电机安装在电机架上。采用电机架，电机固定更牢靠。

进一步的，所述电机的输出端连接有一个传动齿轮，电机用于驱动传动齿轮转动，所述万向节框的连接臂靠近十字轴的内侧面上固定有绕万向节框的转动轴线延伸的齿条，齿条与电机输出端的传动齿轮传动连接，电机输出端的传动齿轮通过齿条带动万向节框绕万向节框的转动轴线进行旋转。

进一步的，所述齿条为弧形齿条或环形齿条。

进一步的，所述十字轴通过轴承连接装置与两个万向节框转动连接，十字轴具有朝向四个方向的四个连接端，四个连接端分为两对：与横轴线对应的横连接端，与纵轴线对应的纵连接端，每个连接端上设有安装孔，安装孔用于装配轴承连接装置。

进一步的，所述轴承连接装置包括连接轴、轴承、轴套、轴承端盖，连接轴一端与万向节框固定，连接轴另一端穿过轴承端盖、轴承、轴套而插入到十字轴的安装孔中，轴承端盖与十字轴、轴承外圈固定连接，使轴承外圈与十字轴固定，轴套装配在连接轴与轴承内圈之间，使连接轴与轴承内圈连接。采用该轴承连接装置来支撑连接轴，降低其运动过程中的摩擦系数，采用轴承端盖与十字轴、轴承外圈固定连接，使轴承外圈与十字轴固定，并达到防尘和密封的目的，轴套装配在连接轴与轴承内圈之间，使连接轴与轴承内圈连接，轴套用于防止轴在转动过程中因为振动而出现方向偏移。

本发明的一种仿生机器人，包括左臂、右臂、万向节，左臂通过万向节与右臂连接，所述万向节采用上述的万向节。

本发明提供的采用上述万向节的仿生机器人，万向节自带电机而能够主动驱动万向节框实现两个旋转自由度，电机被收纳在万向节框的预留空间中，不再需要占用万向节以外的仿生机器人上的安装空间，使仿生机器人能够实现复杂的运动方式，且实现仿生机器人的小型化。

进一步的，仿生机器人还包括左躯干、右躯干、左旋转关节、右旋转关节，所述左臂、右臂分别为左伸缩臂、右伸缩臂，左躯干通过左旋转关节与左伸缩臂左端连接，左伸缩臂右端通过万向节与右伸缩臂左端连接，右伸缩臂右端通过右旋转关节与右躯干连接，左伸缩臂右端与万向节的一个万向节框的底座连接，右伸缩臂左端与万向节的另一个万向节框的底座连接，左旋转关节、右旋转关节具有水平延伸的关节轴线且能绕关节轴线旋转，左伸缩臂、右伸缩臂能够直线往复移动；所述仿生机器人有六个自由度：左伸缩臂、右伸缩臂提供两个直线移动自由度，左旋转关节、右旋转关节提供两个绕水平轴线旋转的自由度，万向节的两个旋转自由度：一个绕水平轴线旋转，另一个绕垂直于水平轴线的轴线旋转。

进一步的，所述左躯干、右躯干带有用于吸附在地板上的磁吸装置。

本发明提供的具有六自由度的仿生机器人，是一种仿爬行生物的机器人，其具有灵活的运动方式，例如弓形蠕动运动、转向和翻越障碍等，在实际环境中可以表现出丰富的运动能力，能够满足一些特殊场景，应用于救灾现场或勘探。

附图说明

图1是本发明的万向节的实施例的结构示意图；

图2是图1中万向节去掉万向节框的示意图；

图3是图1中万向节框的示意图；

图4是图2中轴承连接装置的爆炸图；

图5是本发明的仿生机器人的实施例的结构示意图；

图6是图5中仿生机器人进行伸缩运动的示意图；

图7是图5中仿生机器人进行弓形蠕动运动的示意图；

图8是图5中仿生机器人进行转向运动的示意图；

图中：

1、十字轴；2、万向节框；21、底座；22、连接臂；23、齿条；24、连接孔；3、轴承连接装置；31、连接轴；32、轴承；33、轴套；34、轴承端盖；4、电机架；5、电机；6、传动齿轮；71、左躯干；81、左旋转关节；91、左伸缩臂；10、万向节；72、右躯干；82、右旋转关节；92、右伸缩臂。

具体实施方式

本发明的万向节10的一种实施例，如图1-图4所示，包括十字轴1、万向节框2、电机5和电机架4以及轴承连接装置3。

十字轴1为十字架形状的板，十字轴1具有相互垂直的两条旋转轴线：横轴线、纵轴线，在本实施例中，横轴线为水平方向，图1中以虚线X标识，纵轴线与横轴线垂直，而处于一个与横轴线垂直的竖直平面内，图1中以Y标识，十字轴1具有朝向四个方向的四个连接端，四个连接端分为两对：与横轴线对应的横连接端，与纵轴线对应的纵连接端，每个连接端上设有安装孔，安装孔用于装配轴承连接装置3，而使十字轴1能够通过轴承连接装置3与两个万向节框2分别绕横轴线、纵轴线转动连接，两个万向节框2：横框、纵框，通过轴承连接装置3连接到上十字轴1，可以分别实现绕横轴线、纵轴线的转动。

十字轴1的正反两表面各安装有一个电机5，电机5由固定在十字轴1上的电机架4固定，两个电机5的输出端各连接有一个传动齿轮6，电机5用于驱动传动齿轮6转动，两个电机5分别为横轴电机和纵轴电机，以分别带动两个万向节框2：横框、纵框，具体传动结构见后面的描述。

如图4所示，轴承连接装置3包括连接轴31、轴承32、轴套33、轴承端盖34。连接轴31作为连接主体，连接轴31一端与万向节框2固定，连接轴31另一端穿过轴承端盖34、轴承32、轴套33而插入到十字轴1的安装孔中，轴承端盖34与十字轴1、轴承32外圈固定连接，使轴承32外圈与十字轴1固定，并达到防尘和密封的目的。轴套33装配在连接轴31与轴承32内圈之间，使连接轴31与轴承32内圈连接，轴套33用于防止轴在转动过程中因为振动而出现方向偏移。轴承32用于支撑连接轴31，降低其运动过程中的摩擦系数。

每个万向节框2均为U形结构，具有转动轴线，在工作时，万向节框2的转动轴线与十字轴1的旋转轴线重合，万向节框2包括底座21和分布在底座21两侧的两个连接臂22，两个连接臂22沿转动轴线间隔设置且有设定的轴向间距、底座21与十字轴1沿转动轴线的径向间隔设置且有设定的径向间距，而使两个连接臂22、底座21与十字轴1围成设定的预留空间，该预留空间在转动轴线的轴向、径向上广延，而能够容纳十字轴1及电机5，且在万向节框2转动时避免干涉。两个连接臂22上各有一个连接孔24，两个连接孔24以转动轴线同轴设置，连接孔24用于固定轴承连接装置3的连接轴31。

连接臂22靠近十字轴1的内侧面上固定有绕万向节框2的转动轴线延伸的齿条23，本实施例中的齿条23是环形齿条23（即内齿圈），在其它实施例中齿条23也可以是为弧形齿条23。齿条23与电机5输出端的传动齿轮6传动连接。当电机5工作时，电机5输出端的传动齿轮6将通过齿条23带动万向节框2绕万向节框2的转动轴线进行旋转，从而达到为万向节10提供设定角度的转向的目的。需要强调的是，现有技术的万向节10运动方式是十字轴1绕着自身轴线带动万向节框2旋转，而本发明是以十字轴1为固定端，以十字轴1上固定的电机5带动万向节框2旋转，进而能够带动万向节框2的底座21所连接的部件进行运动，此结构有利于作为机器人的主动关节来进行驱动，方便机器人的转向控制。

本发明的上述万向节10的实施例在使用时，应用于后述的仿生机器人，即构成本发明的一种仿生机器人的实施例，该仿生机器人能够完成弓形蠕动运动和转向动作。

仿生机器人的整体结构如图5所示，机器人结构呈对称型，包括左躯干71、右躯干72、左伸缩臂91、右伸缩臂92、万向节10（结构如前所述万向节10实施例），每个躯干带有磁吸装置，用于吸附在地板上，可以给机器人提供摩擦力和支撑力。

左躯干71通过左旋转关节81与左伸缩臂91左端连接，左伸缩臂91右端通过万向节10与右伸缩臂92左端连接，右伸缩臂92右端通过右旋转关节82与右躯干72连接，具体的，左伸缩臂91右端与万向节10的一个万向节框2的底座21连接，右伸缩臂92左端与万向节10的另一个万向节框2的底座21连接。其中，左旋转关节81、右旋转关节82具有水平延伸的关节轴线且能绕关节轴线旋转，左伸缩臂91、右伸缩臂92能够直线往复移动。从而机器人共有六个自由度：左伸缩臂91、右伸缩臂92提供两个相当于滑动关节的直线移动自由度，两个旋转关节：左旋转关节81、右旋转关节82提供两个绕水平轴线旋转的自由度，以及万向节10的两个旋转自由度：一个绕水平轴线旋转，另一个绕垂直于水平轴线的轴线旋转。可以完成多种步态行走，包括弓形蠕动运动、转向运动。

如图6所示，当两个伸缩臂：左伸缩臂91、右伸缩臂92伸长时，可以完成伸缩的动作。

如图7所示，由a状态至c状态的弓形蠕动：

初始状态（图7中a状态）下，左躯干71的磁吸装置工作，使机器人吸紧地面，旋转左右两边的左旋转关节81、右旋转关节82，且万向节10绕横轴线旋转，使机器人右半部分前进（图7中b状态），当右躯干72落地时，左躯干71的磁吸装置提供磁力吸紧地面，同时左躯干71的磁吸装置取消吸附，再做重复的动作，使机器人左半部分跟进（图7中c状态），如此循环，机器人可以完成由左向右前进的弓形蠕动。

如图8所示，由d状态至e状态的转向运动：机器人在前进过程中可以通过万向节10绕纵轴线的转向，完成横向的左右转向，最大转向角度为60度。

另外，本发明的其它实施例中，电机与万向节框之间的传动连接方式不限于齿轮齿条，也可以是齿轮与齿轮的传动、链轮链条等传动连接结构。另外，十字轴与万向节框的转动连接结构不限于实施例中的轴承连接装置，也可以是将轴承安装在万向节框的连接孔中，与之对应的在十字轴的四个连接端分别固定连接轴，并转动插装于各连接孔中的轴承中。

Claims (8)

1.一种仿生机器人，包括左臂、右臂、万向节（10），左臂通过万向节（10）与右臂连接，所述万向节（10）包括十字轴（1）、万向节框（2），十字轴（1）具有相互垂直的两条旋转轴线：横轴线、纵轴线，万向节框（2）包括转动轴线分别与横、纵轴线重合的横框、纵框，每个万向节框（2）包括底座（21）和分布在底座（21）两侧的两个连接臂（22），其特征在于，还包括固定在十字轴（1）上的电机（5），电机（5）包括横轴电机、纵轴电机，横轴电机、纵轴电机分别与横框、纵框传动连接，而分别带动横框绕横轴线旋转、纵框绕纵轴线旋转；各万向节框（2）的两个连接臂（22）沿转动轴线间隔设置且有设定的轴向间距、底座（21）与十字轴（1）沿转动轴线的径向间隔设置且有设定的径向间距，而使两个连接臂（22）、底座（21）与十字轴（1）围成设定的预留空间，该预留空间在各万向节框（2）的转动轴线的轴向、径向上广延，而能够容纳十字轴（1）及电机（5），且在万向节框（2）转动时避免干涉；所述仿生机器人还包括左躯干（71）、右躯干（72）、左旋转关节（81）、右旋转关节（82），所述左臂、右臂分别为左伸缩臂（91）、右伸缩臂（92），左躯干（71）通过左旋转关节（81）与左伸缩臂（91）左端连接，左伸缩臂（91）右端通过万向节（10）与右伸缩臂（92）左端连接，右伸缩臂（92）右端通过右旋转关节（82）与右躯干（72）连接，左伸缩臂（91）右端与万向节（10）的一个万向节框（2）的底座（21）连接，右伸缩臂（92）左端与万向节（10）的另一个万向节框（2）的底座（21）连接，左旋转关节（81）、右旋转关节（82）具有水平延伸的关节轴线且能绕关节轴线旋转，左伸缩臂（91）、右伸缩臂（92）能够直线往复移动；所述仿生机器人有六个自由度：左伸缩臂（91）、右伸缩臂（92）提供两个直线移动自由度，左旋转关节（81）、右旋转关节（82）提供两个绕水平轴线旋转的自由度，万向节（10）的两个旋转自由度：一个绕水平轴线旋转，另一个绕垂直于水平轴线的轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的仿生机器人，其特征在于，所述十字轴（1）为十字架形状的板，十字轴（1）的正反两表面分别安装所述的横轴电机、纵轴电机。

3.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述十字轴（1）上固定有电机架（4），所述电机（5）安装在电机架（4）上。

4.根据权利要求2所述的仿生机器人，其特征在于，所述电机（5）的输出端连接有一个传动齿轮（6），电机（5）用于驱动传动齿轮（6）转动，所述万向节框（2）的连接臂（22）靠近十字轴（1）的内侧面上固定有绕万向节框（2）的转动轴线延伸的齿条（23），齿条（23）与电机（5）输出端的传动齿轮（6）传动连接，电机（5）输出端的传动齿轮（6）通过齿条（23）带动万向节框（2）绕万向节框（2）的转动轴线进行旋转。

5.根据权利要求4所述的仿生机器人，其特征在于，所述齿条（23）为弧形齿条（23）或环形齿条（23）。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的仿生机器人，其特征在于，所述十字轴（1）通过轴承连接装置（3）与两个万向节框（2）转动连接，十字轴（1）具有朝向四个方向的四个连接端，四个连接端分为两对：与横轴线对应的横连接端，与纵轴线对应的纵连接端，每个连接端上设有安装孔，安装孔用于装配轴承连接装置（3）。

7.根据权利要求6所述的仿生机器人，其特征在于，所述轴承连接装置（3）包括连接轴（31）、轴承（32）、轴套（33）、轴承端盖（34），连接轴（31）一端与万向节框（2）固定，连接轴（31）另一端穿过轴承端盖（34）、轴承（32）、轴套（33）而插入到十字轴（1）的安装孔中，轴承端盖（34）与十字轴（1）、轴承（32）外圈固定连接，使轴承（32）外圈与十字轴（1）固定，轴套（33）装配在连接轴（31）与轴承（32）内圈之间，使连接轴（31）与轴承（32）内圈连接。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的仿生机器人，其特征在于，所述左躯干（71）、右躯干（72）带有用于吸附在地板上的磁吸装置。