CN218984862U - 一种机器人腰部关节的卸荷驱动器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种机器人腰部关节的卸荷驱动器。该卸荷驱动器包括传动机构、驱动机构、卸荷机构以及给卸荷机构施力的滚轮；所述传动机构包括一号转轴和二号转轴，还包括设于一号转轴上的一号齿轮以及与一号齿轮内啮合的二号齿轮，所述一号齿轮和二号齿轮的半径比为1:2，所述二号转轴上设有与一号齿轮外啮合的三号齿轮，所述传动机构用于传递机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩；本实用新型具有较好的工程实用性，且能有效改善所置关节处的力学性能、提高控制的精度和效率，从而降低了驱动器的成本，且控制方法简单。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人腰部关节的卸荷驱动器。
背景技术
运动机器人的主动关节通过嵌入驱动器实现运动和力的任务，驱动器的输出功率对应于机器人的运动能力。驱动器在控制算法作用下，需要输出与所需扭矩曲线尽量一致的扭矩，这要求驱动器在减速器结构、控制器设计、控制算法有效性等方面，均达到一定精度，因此，驱动器成本较高，控制难度较大。选择功率较大的驱动器，会使机构尺寸增大，机器人关节单元的能耗升高、紧凑度变差。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述背景技术中提出的问题而提供一种机器人腰部关节的卸荷驱动器。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，包括传动机构、驱动机构、卸荷机构以及给卸荷机构施力的滚轮；
所述传动机构包括一号转轴和二号转轴，还包括设于一号转轴上的一号齿轮以及与一号齿轮内啮合的二号齿轮，所述一号齿轮和二号齿轮的半径比为1:2，所述二号转轴上设有与一号齿轮外啮合的三号齿轮，所述传动机构用于传递机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩；
所述驱动机构与二号转轴连接且用于带动二号转轴转动，所述驱动机构用于改变机器人腰部关节的运动学状态；
所述滚轮设于二号齿轮上；
所述卸荷机构包括用于提供平衡力的弹性元件，所述卸荷机构用于平衡机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩。
优选的，所述驱动机构包括安装于二号转轴上的联轴器以及与联轴器连接的驱动电机。
优选的，所述驱动电机为直流无刷电机。
优选的，所述卸荷机构还包括与滚轮接触的上压板以及限制上压板移动方向的直线导杆，所述弹性元件与上压板连接。
优选的，所述弹性元件为氮气弹簧。
优选的，所述滚轮与二号齿轮之间还设有固定滚轮的扇形板。
本实用新型的有益效果在于：
1)本实用新型是用于机器人腰部关节的卸荷驱动器，可对机器人上半身重力产生的正弦规律变化的扭矩实现平衡。在需要对关节转角进行改变时，驱动器中的驱动电机对系统提供扭矩补偿。加入被动弹簧卸荷机构，减少了控制机器人腰部转角时的扭矩需求；由于加入弹簧储能元件，减速器抵抗冲击的能力有所提高。依据相应原理设计的本方案结构新颖，具有较好的工程实用性，且能有效改善所置关节处的力学性能、提高控制的精度和效率，从而降低了驱动器的成本，且控制方法简单；
2)本实用新型将人型机器人腰部关节倍角重力平衡方法应用于驱动器中，采用被动结构设计，对机器人上半身重力所产生的扭矩进行平衡，再通过外加电机输入，改变腰部关节的运动学状态，结构简单，不需要选择功率较大的驱动器，从而使得机构尺寸减小，机器人关节单元的能耗降低、紧凑度提升。
附图说明
图1是本实用新型应用于机器人的工作原理示意图；
图2是本实用新型的结构简图；
图3是本实用新型的主视图；
图4是本实用新型的局部结构剖视图；
图5是本实用新型中弹性元件和滚轮的位置关系示意图；
图6是本实用新型中弹性元件和上压板的位置关系示意图。
图中：3、滚轮；4、一号转轴；5、二号转轴；6、一号齿轮；7、二号齿轮；8、三号齿轮；9、弹性元件；10、驱动电机；11、上压板；12、直线导杆；13、扇形板；14、薄壁交叉滚子轴承。
具体实施方式
下面对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1-6所示，一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，包括传动机构、驱动机构、卸荷机构以及给卸荷机构施力的滚轮3；
所述传动机构包括一号转轴4和二号转轴5，还包括设于一号转轴4上的一号齿轮6以及与一号齿轮6内啮合的二号齿轮7，所述一号齿轮6和二号齿轮7的半径比为1:2，所述二号转轴5上设有与一号齿轮6外啮合的三号齿轮8，所述传动机构用于传递机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩；
所述驱动机构与二号转轴5连接且用于带动二号转轴5转动，所述驱动机构用于改变机器人腰部关节的运动学状态；
所述滚轮3设于二号齿轮7上；
所述卸荷机构包括用于提供平衡力的弹性元件9，所述卸荷机构用于平衡机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩。
在上述实施例中，机器人上半身质量m假设位于质心处且距离转动中心为L，在弯腰过程中转角为θ，产生正弦规律变化的扭矩，数学表达式为T＝mgLsinθ，符合所提卸荷驱动器的平衡特性：能在规定工作范围内提供符合正弦规律的平衡扭矩。腰部关节倍角重力平衡方法为：当输入端转角为θ时，平衡端转角为θ/2；平衡端设计有卸荷机构，卸荷机构产生的弹性力f，其表达式为f＝kd·sin(θ/2)，式中k为弹簧刚度系数、dsin(θ/2)为卸荷机构固接滚轮与转动中心连线在竖直方向的投影。计算所得平衡扭矩的表达式为M＝fdcos(θ/2)＝1/2·kd2·sinθ，式中dcos(θ/2)为卸荷机构固接滚轮与转动中心连线在水平方向的投影。经三角函数倍角公式化简，可消除输入端输入扭矩中的sinθ项，即实现卸荷机构产生的非线性时变扭矩与上半身重力产生的非线性时变扭矩在每一瞬时的力矩平衡。同时，改变相应的参数，可对不同机器人上半身质量m产生的扭矩进行平衡。
其中，一号齿轮6安装在一号转轴4点a处，横跨齿轮箱两端的一号转轴4作为机器人上半身的连接位，是输入扭矩τ的作用位置。二号齿轮7上设有滚轮3，滚轮3在随二号齿轮7作圆周运动过程中，对卸荷机构施力，卸荷机构中的弹性元件9将力平衡，达到被动平衡机器人上半身重力所产生扭矩的效果。驱动机构与二号转轴5相连，二号转轴5在点b处安装三号齿轮8，驱动机构用于主动改变腰部关节的转角，当达到新的转角后，卸荷机构自适应调整输出扭矩，对新姿态下产生的扭矩进行平衡。
设置半径比为1:2是为了使传动机构的转动角度满足二倍角关系要求，机器人上半身到达指定转角后，电机停止扭矩补偿，被动卸荷模块生成相应扭矩，再次对变化位姿的机器人上半身重力产生的扭矩进行平衡。内啮合二号齿轮7连接于薄壁交叉滚子轴承14上，保证内啮合传动的稳定性。
作为本实用新型的进一步方案，所述驱动机构包括安装于二号转轴5上的联轴器以及与联轴器连接的驱动电机10。
作为本实用新型的进一步方案，所述驱动电机10为直流无刷电机。
在上述实施例中，直流无刷电机通过联轴器与二号转轴5相连，当机器人上半身位姿需要调整时，直流无刷电机的补充扭矩经联轴器到达三号齿轮8，再传递至二号齿轮7，至机器人腰部；机器人上半身到达指定转角后，电机停止扭矩补偿，被动卸荷机构生成相应扭矩，再次对变化位姿后的机器人上半身重力产生的扭矩进行平衡。
作为本实用新型的进一步方案，所述卸荷机构还包括与滚轮3接触的上压板11以及限制上压板11移动方向的直线导杆12，所述弹性元件9与上压板11连接。
作为本实用新型的进一步方案，所述弹性元件9为氮气弹簧。
在上述实施例中，当滚轮3接触到上压板11时对上压板11施加压力，使得上压板11被挤压产生位移，同时对弹性元件9产生挤压。弹性元件9自身具有的弹性对上压板11的挤压产生抵抗，从而实现对压力的卸荷。直线导杆12起到限制上压板11移动方向的作用，使得弹性元件9做竖直伸缩。
作为本实用新型的进一步方案，所述滚轮3与二号齿轮7之间还设有固定滚轮3的扇形板13。
在上述实施例中，扇形板13固定在二号齿轮7上，滚轮的轴固定安装在扇形板13上，滚轮绕滚轮的轴转动。工作时，滚轮的轴绕二号齿轮7的转动中心做圆周运动，滚轮在上压板11上滚动，由于卸荷机构内弹性元件9的两侧安装直线导杆12，因此滚轮的轴的圆周运动转化为卸荷弹簧方向的竖直移动。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，其特征在于：包括传动机构、驱动机构、卸荷机构以及给卸荷机构施力的滚轮(3)；
所述传动机构包括一号转轴(4)和二号转轴(5)，还包括设于一号转轴(4)上的一号齿轮(6)以及与一号齿轮(6)内啮合的二号齿轮(7)，所述一号齿轮(6)和二号齿轮(7)的半径比为1:2，所述二号转轴(5)上设有与一号齿轮(6)外啮合的三号齿轮(8)，所述传动机构用于传递机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩；
所述驱动机构与二号转轴(5)连接且用于带动二号转轴(5)转动，所述驱动机构用于改变机器人腰部关节的运动学状态；
所述滚轮(3)设于二号齿轮(7)上；
所述卸荷机构包括用于提供平衡力的弹性元件(9)，所述卸荷机构用于平衡机器人上半身弯腰过程中产生的正弦规律变化的扭矩。
2.根据权利要求1所述的一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，其特征在于：所述驱动机构包括安装于二号转轴(5)上的联轴器以及与联轴器连接的驱动电机(10)。
3.根据权利要求2所述的一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，其特征在于：所述驱动电机(10)为直流无刷电机。
4.根据权利要求1所述的一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，其特征在于：所述卸荷机构还包括与滚轮(3)接触的上压板(11)以及限制上压板(11)移动方向的直线导杆(12)，所述弹性元件(9)与上压板(11)连接。
5.根据权利要求4所述的一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，其特征在于：所述弹性元件(9)为氮气弹簧。
6.根据权利要求1所述的一种机器人腰部关节的卸荷驱动器，其特征在于：所述滚轮(3)与二号齿轮(7)之间还设有固定滚轮(3)的扇形板(13)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202223303527.0U CN218984862U (zh) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | 一种机器人腰部关节的卸荷驱动器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202223303527.0U CN218984862U (zh) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | 一种机器人腰部关节的卸荷驱动器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN218984862U true CN218984862U (zh) | 2023-05-09 |
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ID=86192209
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202223303527.0U Active CN218984862U (zh) | 2022-12-09 | 2022-12-09 | 一种机器人腰部关节的卸荷驱动器 |
Country Status (1)
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|---|---|
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2022
- 2022-12-09 CN CN202223303527.0U patent/CN218984862U/zh active Active
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