多足機器人仿生彈性驅動關節模塊的製作方法
2023-06-23 17:24:21 3
專利名稱：多足機器人仿生彈性驅動關節模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機器人驅動關節模塊，特別是一種採用模塊化結構設計 的多足機器人彈性驅動關節模塊。
(二)
背景技術：
仿生學(Bionics)是20世紀60年代出現的一門綜合性科學，它由生命科 學與工程技術學科相互滲透、相互結合而成，通過學習、模仿、複製和再造生物 系統的結構、功能、工作原理及控制機制，來改進現有的或創造性的機械、儀器、 建築和工藝過程。由於仿生機器人所具有的靈巧動作對於人類的生產和科學研究 活動有著極大的幫助，仿生機器人成為了當今機器人研究領域的一個重要方向。
現在仿生多足步行機器人的步態、姿態的參數都是直接從對人或動物的行走 姿態的研究中獲得。人和動物的步行是靠腿部骨骼、肌肉和關節的彈性和柔韌性 以及人類或動物高級神經系統的指揮來產生協調動作的。但目前步行機器人大多 採用的是剛性腿結構，腿關節間沒有很好的彈性，因此在高速步行中足部對地面 瞬間會產生較大衝擊，造成了各關節的劇烈振動，極易對機體造成損害，影響了 機器人行走的穩定性。有時不得不以犧牲運動速度來換取機器人行走的穩定與安 全。因此如何減少衝擊已成為步行機器人技術發展中的一個迫切需要解決的問 題。
在機器人運行過程中，機器人的質量、轉動慣量、擺動速度和步行速度相對 固定，所以通過減少機器人的質量和轉動慣量或降低擺動速度和步行速度的方 法來減少衝擊，是與實際情況極不相符的。故只有考慮在步行機構中加入彈性元 件或用高彈性材料，使其具有彈性功能，這樣既不降低速度，又可以減少地面 對機器人的衝擊，極利於機器人快速平穩地連續步行。
在國內由馬建旭等人設計的一種新型的彈性步行機構(馬建旭、馬培稱、楊 保忠、王愛平，四足步行機器人中一種新型腿結構緩衝特性，上海交通大學學報, 1999, (07))，由四組並聯彈性元件和以機器人腿外殼為機架的四連杆機構複合而 成。步行機器人足著地時，機體由於下踩的慣性，通過機器人腿帶動下連杆壓縮
彈簧向下運動，下連杆又帶動上連杆擺動，由於彈簧導向杆與支撐足相連，則 連杆的上鉸鏈與靜止端連接.在兩個連杆由於彈簧的壓縮而呈一條直線時，連 杆機構到達死點位置，通過控制電磁鐵吸住連杆l以使連杆機構保持在死點位 置，從而把彈簧中吸收的衝擊能鎖定在彈性腿中。然後在一定步態下控制彈性腿 中的電磁吸盤使其失電而使彈性腿中存儲的能量釋放出來，輔助機器人抬腿擺 動。該結構雖然在一定程度上解決了機器人關節的彈性問題，但是其結構過於復 雜，而且只能產生直線運動，並不能應用於多足機器人的每一個關節，該機構的 外型過大，不利於仿生機器人的小型化。
在國外有麻省理工學院腿部實驗室的David W. Robinson等人設計的彈性驅 動器，(Gill A Pratt, Lexington, MA(US), David W Robinson， Manchester, NH(US) FORCE-CONTROLLED HYDRO-ELASTIC ACTUATOR, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA(US) .2002)有電機和液壓缸兩種驅動模式，由電 機驅動時，電機帶動滾珠絲槓產生直線運動，螺帽通過四個壓縮彈簧與輸出機構 連接，其結構特點是在動力源與負載之間裝有一組彈簧，使其單獨承擔動力源的 驅動力及負載的反作用力。該結構同樣存在只能產生直線運動、外型過大等缺點， 不能廣泛應用於小型化的仿生多足機器人。
發明內容
本發明的目的在於提供一種結構緊湊、傳動比大、傳動平穩、具有可靠的自 鎖性的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊。
本發明的目的是這樣實現的
伺服電機6通過四個連接銅柱5和四個固定螺絲4與連接法蘭3固 關，連接 法蘭3又通過固定螺絲1與電機後端蓋2固聯，伺服電機6通過螺絲8與方形箱 體25固聯，伺服電機6輸出軸由內向外安裝的分別是推力軸承7、蝸杆17、支 撐軸承I 20、鋼球21和可調端蓋22,蝸杆17通過固定銷9與伺服電機6輸出 軸固聯，可調端蓋22通過螺紋與方形箱體25相連，蝸輪18與其輸出軸加工為 一體，通過蝸輪支撐軸承26安裝在方形箱體25上，其中一端安裝有一個銅套 35，銅套35內部為一個蝸輪支撐軸承26、外端有可調固緊螺絲16進行位置調 節，兩個蝸輪輸出塊12通過銷釘11與蝸輪18輸出軸固聯，每個蝸輪輸出塊12 兩側分別聯接有兩個旋向相同的扭簧10，即方形箱體兩側的扭簧10旋向相反。
本發明還餓可以包括這樣一些結構特徵
1、 還包括電機編碼器34，電機編碼器34通過編碼器固定支架33和連接法 蘭3固連。
2、 在蝸輪18輸出軸一端安裝有一個電位計31，電位計31通過電位計支撐 架30固定在方形箱體25上。
3、 在傳遞關節塊I136和方形箱體25之間安裝卡簧27。
4、 在傳遞關節塊I15和傳遞關節塊II36之間通過連接板14聯接，兩個傳 遞關節塊I 15之間通過固定加強板23聯接。
本發明採用蝸輪蝸杆模塊化傳動機構來帶動兩對扭簧，通過扭簧的傳遞來實 現腿部關節的傳動。機器人在動態行走時所產生的衝擊能量通過扭簧傳遞到為機 器人各關節提供動力的驅動器上，使機器人在高速行走時得到緩衝並達到節能， 提高了機器人的能效。它具有結構緊湊、傳動比大:傳動平穩、可靠的自鎖性以 及實現了彈性驅動關節模塊化等優點，多足機器人的每一個關節都可用該模塊組 合而成，實現了真正意義上的模塊化和小型化。
本發明的意義在於尋找一種新的高效率、小型化、模塊化、具有仿生特徵的 彈性驅動傳動方式，為設計一種對複雜地形高度適應、性能可靠、體積小巧、在 高速行走時具有關節緩衝能力的多足機器人提供技術基礎，具有很高的研究價值 和廣闊的應用前景。
仿生彈性驅動關節模塊可作為足式機器人設計的基本驅動單元，此結構具有 通用性強、彈性驅動、輸出自鎖、可調保護電機、傳動角度大(< 270 ° )、易 加工、易組裝和維修等優點。本發明所述的彈性驅動關節模塊不僅可以應用在各 種多足如雙足、四足、六足、八足等機器人上，甚至還可以用於蛇形等爬行機器 人上。
(四)
圖1是本發明的仿生彈性驅動關節模塊俯視圖； 圖2是本發明的仿生彈性驅動關節模塊立體圖； 圖3是本發明的仿生彈性驅動關節模塊立體圖(仰視)。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述
結合圖l至圖3，每一個模塊化傳動結構都由一個伺服電機經減速器減速驅 動，傳動機構採用渦輪蝸杆機構，使輸入、輸出軸線正交，並具有自鎖和可調特 性，蝸輪輸出塊將蝸輪的運動通過兩組扭簧傳遞到關節輸出件上。該模塊具體主 要包括固定螺絲l、電機後端蓋2、連接法蘭3、四個固定螺絲4、四個連接銅柱 5、伺服電機6、推力軸承7、電機與箱體固定螺絲8、固定銷9、扭簧IO、銷釘ll、 蝸輪輸出塊12、固定螺絲13、連接板14、傳遞關節塊I15、可調固緊螺絲16、蝸 杆17、蝸輪18、固定螺絲19、支撐軸承I20、鋼球21、可調端蓋22、固定加強板 23、固定螺絲24、方形箱體25、蝸輪支撐軸承26、卡簧27、支撐軸承I128、固定 螺絲29、電位計支撐架30、電位計31、支撐軸承I1132、編碼器固定支架33、電機 編碼器34、銅套35和傳遞關節塊I136。
仿生彈性驅動關節模塊的技術方案如下伺服電機6為整個模塊提供動力， 伺服電機6通過四個連接銅柱5和四個固定螺絲4與連接法蘭3固聯，連接法蘭 3又通過固定螺絲1與電機後端蓋2固聯。電機後端蓋2後可繼續聯接彈性驅動 關節模塊，電機編碼器34通過編碼器固定支架33和連接法蘭3固連，電機編碼 器34可測出電機的轉動位置，產生反饋信號，指導上層控制。伺服電機6通過 螺絲8與方形箱體25固聯，伺服電機6輸出軸由內向外安裝的分別是推力軸承 7、蝸杆17、支撐軸承I 20、鋼球21和可調端蓋22，蝸杆17通過固定銷9與伺 服電機6輸出軸固聯，可調端蓋22通過螺紋與方形箱體25相連，固定螺絲19 的作用是阻止可調端蓋22與方形箱體25的位置調節好後發生相對轉動。伺服電 機6輸出軸向後端有推力軸承7的支撐，前端有鋼球21的限位，徑向有支撐軸 承20的支撐，所以在各種作用力的作用下伺服電機6的電機軸都不會被壓入或 是拔出，有效的保護了伺服電機6不受損害，延長了使用壽命。蝸輪18與其輸 出軸加工為一體，通過蝸輪支撐軸承26安裝在方形箱體25上，其中一端安裝有 一個銅套35，銅套35內部為一個蝸輪支撐軸承26，外端有可調固緊螺絲16進 行位置調節，銅套35外徑要略大於蝸輪18的外徑，為的是能使蝸輪18安裝進 方形箱體25上。兩個蝸輪輸出塊12通過銷釘11與蝸輪18輸出軸固聯，每個蝸 輪輸出塊12兩側分別聯接有兩個旋向相同的扭簧10，即方形箱體兩側的扭簧10 旋向相反，以如圖1所示的上面的扭簧10為例，最上面的扭簧一端與傳遞關節 塊I 15聯接，另一端與蝸輪輸出塊12聯接，而第二個扭簧一端與蝸輪輸出塊12
聯接，另一端與傳遞關節塊II36聯接，兩個扭簧的旋向相同。扭簧10的作用是 緩衝機器人在運動過程中的衝擊能量。在蝸輪18輸出軸一端安裝有一個電位計 31，電位計31通過電位計支撐架30固定在方形箱體25上，電位計31的作用是 測出蝸輪輸出塊12與傳遞關節塊I 15之間的轉動角度，從而確定機器人在運動 過程中受到的衝擊是否巳經超出模塊的額定設計值，如果超過，機器人立即停止 運動。同時通過一定的折算，電位計31還可以測出電機的轉動角度，為系統控 制提供位置信號。在傳遞關節塊II36和方形箱體25之間安裝卡簧27，起限位和 固定的作用。此外在傳遞關節塊I 15和傳遞關節塊II36之間通過連接板14聯接， 兩個傳遞關節塊I 15之間通過固定加強板23聯接。
權利要求
1、一種多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，伺服電機[6]通過四個連接銅柱[5]和四個固定螺絲[4]與連接法蘭[3]固聯，連接法蘭[3]又通過固定螺絲[1]與電機後端蓋[2]固聯，其特徵是伺服電機[6]通過螺絲[8]與方形箱體[25]固聯，伺服電機[6]輸出軸由內向外安裝的分別是推力軸承[7]、蝸杆[17]、支撐軸承I[20]、鋼球[21]和可調端蓋[22]，蝸杆[17]通過固定銷[9]與伺服電機[6]輸出軸固聯，可調端蓋[22]通過螺紋與方形箱體[25]相連，蝸輪[18]與其輸出軸加工為一體，通過蝸輪支撐軸承[26]安裝在方形箱體[25]上，其中一端安裝有一個銅套[35]，銅套[35]內部為一個蝸輪支撐軸承[26]、外端有可調固緊螺絲[16]進行位置調節，兩個蝸輪輸出塊[12]通過銷釘[11]與蝸輪[18]輸出軸固聯，每個蝸輪輸出塊[12]兩側分別聯接有兩個旋向相同的扭簧[10]，即方形箱體兩側的扭簧[10]旋向相反。
2、 根據權利要求1所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵是 還包括電機編碼器[34]，電機編碼器[34]通過編碼器固定支架[33]和連接法蘭[3] 固連。
3、 根據權利要求1或2所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵 是在蝸輪[18]輸出軸一端安裝有一個電位計[31]，電位計[31]通過電位計支撐 架[30]固定在方形箱體[25]上。
4、 根據權利要求1或2所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵 是在傳遞關節塊II[36]和方形箱體[25]之間安裝卡簧[27]。
5、 根據權利要求3所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵是 在傳遞關節塊II [36]和方形箱體[25]之間安裝卡簧[27]。
6、 根據權利要求1或2所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵 是在傳遞關節塊I[15]和傳遞關節塊II[36]之間通過連接板[14]聯接，兩個傳 遞關節塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯接。
7、 根據權利要求3所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵是 在傳遞關節塊I [15]和傳遞關節塊II[36]之間通過連接板[14]聯接，兩個傳遞關 節塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯接。
8、 根據權利要求4所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵是 在傳遞關節塊I [15]和傳遞關節塊II[36]之間通過連接板[14]聯接，兩個傳遞關 節塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯接。
9、 根據權利要求5所述的多足機器人仿生彈性驅動關節模塊，其特徵是 在傳遞關節塊I [15]和傳遞關節塊n[36]之間通過連接板[14]聯接，兩個傳遞關 節塊I [15]之間通過固定加強板[23]聯接。
全文摘要
本發明提供的是一種多足機器人仿生彈性驅動關節模塊。伺服電機通過連接銅柱與連接法蘭固聯，連接法蘭又與電機後端蓋固聯，伺服電機與方形箱體固聯，伺服電機輸出軸由內向外安裝的分別是推力軸承、蝸杆、支撐軸承、鋼球和可調端蓋，蝸杆與伺服電機輸出軸固聯，可調端蓋與方形箱體相連，蝸輪通過蝸輪支撐軸承安裝在方形箱體上，兩個蝸輪輸出塊與蝸輪輸出軸固聯，每個蝸輪輸出塊兩側分別聯接有兩個旋向相同的扭簧，即方形箱體兩側的扭簧旋向相反。本發明為設計一種對複雜地形高度適應、性能可靠、體積小巧、在高速行走時具有關節緩衝能力的多足機器人提供了技術基礎，具有很高的研究價值和廣闊的應用前景。
文檔編號B25J17/00GK101380739SQ20081013731
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月14日 優先權日2008年10月14日
發明者劉德峰, 磊 吳, 博 尹, 林 李, 剛 王, 王立權, 穆星科, 曦 陳, 陳東良 申請人:哈爾濱工程大學