CN202805199U - 三自由度机器人头部运动机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三自由度机器人头部运动机构，包括摇头电机安装座、摇头舵机、摆头舵机和点头舵机驱动的平面两自由度旋转机构、在平面两自由度旋转机构上方的平行四边形四杆机构，摇头舵机驱动转动平台，在转动平台上有支撑座，支撑座上设有安装平板，安装平板上连接支撑柱，支撑座内装有支撑轴承，推力关节轴承反装并固定于支撑柱上，在推力关节轴承上连接头部安装座，该装置利用安装在三个不同轴线上的舵机来实现机器人头部三自由度运动，同时利用平行四边形四杆机构的“变形”将控制机器人头部运动的整个控制机构下移，但仍保持转动角度大小，节约了机器人头部运动空间，降低了头部重心，保证了头部运动的稳定性。

Description

三自由度机器人头部运动机构

技术领域

本实用新型涉及机器人头部运动，尤其涉及机器人头部三个自由度运动。

背景技术

由于机器人头部内部空间有限，要想完成其三个自由度的运动，设计需要着重考虑：其一，电机的安装以及联动位置中心的确定，简称平面控制；其二：利用平行四边形原理确定头部安装平台高度，简称平行四边形控制。

目前，大多数多自由度机器人设计均采用非平面控制，即两个自由度的转动中心点不在同一平面上，这样的结果是：在电机和转动角度一定的情况下，要求机器人内部预留设计空间足够大。显然机器人头部没有这么大的空间来摆放下已经选择好的两个电机；且将电机放在头部内，则需要考虑电机的安装，安装件和传动件等必然会加大机器人头部的重量，对运行稳定性又提出了更高的要求。平行四边形控制技术主要是为了降低设计重心，将电机和安装附件等位置尽量降低。现有技术中存在的重心高，空间拥挤而无法走线的技术难题，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是根据目前机器人头部结构复杂，零件多，重量大，走线困难的实际情况，利用绕平面中心旋转和利用平行四边形四杆机构的变形来增大机器人头部内部空间、降低机器人头部重心，提高头部运动稳定性所提出的一种新型机器人头部三自由度运动机构。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种三自由度机器人头部运动机构，包括摇头电机安装座、摇头电机安装座上安装的摇头舵机、由摆头舵机和点头舵机驱动的平面两自由度旋转驱动机构、在平面两自由度旋转驱动机构上方的平行四边形四杆机构，所述摇头舵机控制整个机器人头部的转动自由度，摆头舵机和点头舵机驱动机器人头部绕XOY平面中心实现两自由度旋转，所述摆头舵机控制机器人头部的摆动自由度，所述点头舵机控制机器人头部的点头自由度，摆头舵机和点头舵机在XOY平面上相互垂直布置，所述摇头舵机驱动转动平台，在转动平台上有两个支撑座，支撑座上设有安装平板，安装平板上连接支撑柱，所述支撑柱同平行四边形四杆机构中心轴同轴设置，支撑座内装有支撑轴承，推力关节轴承反装并固定于支撑柱上，在推力关节轴承上连接头部安装座，所述平行四边形四杆机构的底端与第二万向节连接，所述平行四边形四杆机构的顶端和安装在推力关节轴承上的头部安装座连接。

作为优选方式，所述平面两自由度旋转驱动机构包括第一万向节、第二万向节、摆头传动轴、摆头联轴器、摆头舵机、点头传动轴、点头联轴器、点头舵机、点头电机安装座、转动平台；

所述两根点头传动轴和第一万向节连接，点头传动轴通过点头联轴器和点头舵机连接，点头舵机通过点头电机安装座和转动平台固定在一起，第一万向节成90°方位的一端和摆头传动轴的一端连接，摆头传动轴的另一端和第二万向节配合并和摆头联轴器的一端连接，摆头联轴器的另一端和摆头舵机的一端相连，摆头舵机的另一端和第一万向节相连，整个摆头舵机安装在摆头电机安装座上。

作为优选方式，所述平行四边形四杆机构的底端在第二万向节上沿圆周方向等间距布置。

作为优选方式，头部安装座上沿圆周方向设置等间距分布孔，所述推力关节轴承通过所述等间距分布孔和平行四边形四杆机构的顶端配合连接。

作为优选方式，所述摇头舵机输出轴法兰和摇头联轴器的一端过渡配合，所述摇头联轴器的另一端通过轴承和转动平台连接。

作为优选方式，所述第一万向节成90°方位的一端通过轴承和摆头传动轴的一端连接，摆头传动轴的另一端以花键形式和第二万向节配合并和摆头联轴器的一端以花键形式连接。

作为优选方式，所述摇头舵机输出轴法兰和摇头联轴器的一端配合，摇头联轴器的另一端和转动平台连接。

本实用新型的工作原理如下：

摇头舵机工作时，通过摇头联轴器带动转动平台转动，从而使得安装在转动平台上的所有零部件转动，机器人头部也就实现了摇头运动。

点头舵机工作时，通过点头联轴器、点头传动轴带动第一万向节转动，此时第二万向节在点头传动轴的作用下也跟随着第一万向节转动。等间距安装在第二万向节圆周方向上的平行四边形四杆机构也就会上下移动，从而带动机器人头部安装座绕着推力关节轴承中心而旋转。此时由于摆头联轴器和第二万向节紧连接，因此整个摆头舵机随着第二万向节转动而转动，点头自由度的最大角度为±20°。

摆头舵机工作时，通过摆头联轴器和摆头传动轴带动第二万向节转动。等间距安装在第二万向节圆周方向上的平行四边形四杆机构上下移动，从而带动机器人头部安装座绕着推力关节轴承中心而旋转。由于摆动轴承的断开作用，此时第一万向节并不随着第二万向节转动而转动。摆头自由度的最大角度为±20°。

本实用新型的有益效果：

1、机器人头部安装座通过平行四边形四杆机构的变形实现绕推力关节轴承中心转动，从而实现整个机器人头部的点头和摆头运动。这样就可以不用将驱动电机和传动机构以及其他安装附件安装在机器人头部内部中，从而节省了头部空间，利于走线，降低了头部重心，提高了运动稳定性能。

2、利用平面控制技术将点头和摆头两个自由度绕平面中心旋转，这和传统的多个自由度有多个旋转中心有着本质上的差别，其减少了结构安装空间且同样实现了两个自由度的联动。

附图说明

图1是本实用新型的主视图。

图2是图1中的A-A向剖视图。

图3是本实用新型的右视图。

图4是本实用新型的第二万向节的结构示意图。

图5是本实用新型的第一万向节的结构示意图。

图6是本实用新型的点头联轴器的结构示意图。

图7是本实用新型的摇头联轴器的结构示意图。

图8是本实用新型的坐标朝向示意图，+Y为机器人面部朝向。

其中，1为摇头电机安装座;2为摇头舵机;3为轴承;5为摇头联轴器;7为转动平台  9为摆头舵机;10为摆头电机安装座;11为摆头联轴器;12为摆头传动轴;14为摆动轴承，16为轴承，18为支撑轴承;20为第一万向节;21为第二万向节;22为第二点头传动轴;25为第一点头传动轴;26为点头联轴器;27为第一支撑座;28为第二支撑座;30为点头舵机;31为点头电机安装座，33为安装平板;34为支撑柱;35为平行四边形四杆机构;36为推力关节轴承;37为头部安装座。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

一种三自由度机器人头部运动机构，包括摇头电机安装座1、摇头电机安装座1上安装的摇头舵机2、由摆头舵机9和点头舵机30驱动的平面两自由度旋转驱动机构、在平面两自由度旋转驱动机构上方的平行四边形四杆机构35，所述摇头舵机2控制整个机器人头部的转动自由度（绕图8的Z轴旋转），摆头舵机9和点头舵机30驱动机器人头部绕XOY平面中心实现两自由度旋转，所述摆头舵机9控制机器人头部的摆动自由度（绕图8的Y轴旋转），所述点头舵机30控制机器人头部的点头自由度（绕图8的X轴旋转），摆头舵机9和点头舵机30在XOY平面上相互垂直布置，所述摇头舵机2驱动转动平台7，所述转动平台是点头自由度机构和摆头自由度机构的安装基础，在转动平台7上有两个支撑座27、28，支撑座27、28上设有安装平板33，安装平板33上连接支撑柱34，所述支撑柱34同平行四边形四杆机构35中心轴同轴设置，支撑座28内装有支撑轴承18，推力关节轴承36反装并固定于支撑柱34上，在推力关节轴承36上连接头部安装座37，所述平行四边形四杆机构35的底端与第二万向节21连接，所述平行四边形四杆机构35的顶端和安装在推力关节轴承36上的头部安装座37连接。

所述平面两自由度旋转驱动机构包括第一万向节20、第二万向节21、摆头传动轴12、摆头联轴器11、摆头舵机9、点头传动轴25、22，点头联轴器26、点头舵机30 、点头电机安装座31、转动平台7；

所述两根点头传动轴22、25和第一万向节20连接，点头传动轴25通过点头联轴器26和点头舵机30连接，点头舵机30通过点头电机安装座31和转动平台7固定在一起，第一万向节20成90°方位的一端和摆头传动轴12的一端连接，摆头传动轴12的另一端和第二万向节21配合并和摆头联轴器11的一端连接，摆头联轴器11的另一端和摆头舵机9的一端相连，摆头舵机9的另一端和第一万向节20相连，整个摆头舵机9安装在摆头电机安装座10上。

所述平行四边形四杆机构35的底端在第二万向节21上沿圆周方向等间距布置。

头部安装座37上沿圆周方向设置等间距分布孔，所述推力关节轴承36通过所述等间距分布孔和平行四边形四杆机构35的顶端配合连接。

所述摇头舵机2输出轴法兰和摇头联轴器5的一端过渡配合，所述摇头联轴器5的另一端通过轴承3和转动平台7连接。

所述第一万向节20成90°方位的一端通过轴承16和摆头传动轴12的一端连接，摆头传动轴12的另一端以花键形式和第二万向节21配合并和摆头联轴器11的一端以花键形式连接。

所述摇头舵机2输出轴法兰和摇头联轴器5的一端配合，摇头联轴器5的另一端和转动平台7连接。

本实用新型的工作原理如下：

摇头舵机2工作时，通过摇头联轴器5带动转动平台7转动，从而使得安装在转动平台7上的所有零部件转动，机器人头部也就实现了摇头运动。

点头舵机30工作时，通过点头联轴器26、点头传动轴25、22带动第一万向节20转动，此时第二万向节21在点头传动轴25、22的作用下也跟随着第一万向节20转动。等间距安装在第二万向节21圆周方向上的平行四边形四杆机构35也就会上下移动，从而带动机器人头部安装座37绕着推力关节轴承36中心而旋转。此时由于摆头联轴器11和第二万向节21紧连接，因此整个摆头舵机9随着第二万向节21转动而转动，点头自由度的最大角度为±20°。

摆头舵机9工作时，通过摆头联轴器11和摆头传动轴12带动第二万向节21转动。等间距安装在第二万向节21圆周方向上的平行四边形四杆机构35上下移动，从而带动机器人头部安装座37绕着推力关节轴承36中心而旋转。由于摆动轴承14的断开作用，此时第一万向节20并不随着第二万向节21转动而转动。摆头自由度的最大角度为±20°。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：包括摇头电机安装座(1)、摇头电机安装座(1)上安装的摇头舵机(2)、由摆头舵机(9)和点头舵机（30）驱动的平面两自由度旋转驱动机构、在平面两自由度旋转驱动机构上方的平行四边形四杆机构(35)，所述摇头舵机(2)控制整个机器人头部的转动自由度，摆头舵机(9)和点头舵机（30）驱动机器人头部绕XOY平面中心实现两自由度旋转，所述摆头舵机(9)控制机器人头部的摆动自由度，所述点头舵机（30）控制机器人头部的点头自由度，摆头舵机(9)和点头舵机（30）在XOY平面上相互垂直布置，所述摇头舵机(2)驱动转动平台(7)，在转动平台(7)上有两个支撑座(27、28），支撑座(27、28）上设有安装平板（33），安装平板（33）上连接支撑柱（34），所述支撑柱（34）同平行四边形四杆机构（35）中心轴同轴设置，支撑座（28）内装有支撑轴承(18)，推力关节轴承（36）反装并固定于支撑柱（34）上，在推力关节轴承（36）上连接头部安装座（37），所述平行四边形四杆机构(35)的底端与第二万向节（21）连接，所述平行四边形四杆机构(35)的顶端和安装在推力关节轴承（36）上的头部安装座（37）连接。

2.如权利要求1所述的三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：所述平面两自由度旋转驱动机构包括第一万向节（20）、第二万向节（21）、摆头传动轴（12）、摆头联轴器（11）、摆头舵机（9）、点头传动轴（25、22）、点头联轴器（26）、点头舵机(30) 、点头电机安装座(31)、转动平台（7）；

所述两根点头传动轴（22、25）和第一万向节（20）连接，点头传动轴（25）通过点头联轴器（26）和点头舵机(30)连接，点头舵机(30)通过点头电机安装座(31)和转动平台（7）固定在一起，第一万向节（20）成90°方位的一端和摆头传动轴（12）的一端连接，摆头传动轴（12）的另一端和第二万向节（21）配合并和摆头联轴器（11）的一端连接，摆头联轴器（11）的另一端和摆头舵机(9)的一端相连，摆头舵机（9)的另一端和第一万向节(20)相连，整个摆头舵机（9)安装在摆头电机安装座(10)上。

3.如权利要求1所述的三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：所述平行四边形四杆机构(35)的底端在第二万向节（21）上沿圆周方向等间距布置。

4.如权利要求1所述的三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：头部安装座（37）上沿圆周方向设置等间距分布孔，所述推力关节轴承（36）通过所述等间距分布孔和平行四边形四杆机构（35）的顶端配合连接。

5.如权利要求2所述的三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：所述摇头舵机(2)输出轴法兰和摇头联轴器(5)的一端过渡配合，所述摇头联轴器 (5)的另一端通过轴承(3)和转动平台(7)连接。

6.如权利要求2所述的三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：所述第一万向节（20）成90°方位的一端通过轴承（16）和摆头传动轴（12）的一端连接，摆头传动轴（12）的另一端以花键形式和第二万向节（21）配合并和摆头联轴器（11）的一端以花键形式连接。

7.如权利要求1所述的三自由度机器人头部运动机构，其特征在于：所述摇头舵机(2)输出轴法兰和摇头联轴器(5)的一端配合，摇头联轴器 (5)的另一端和转动平台(7)连接。

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