一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)，其特征在于該關節(jié)包括電機、關節(jié)連接板、電機架、聯(lián)軸器、錐齒輪換向器、第一連接板、連接架、柔性輸出端、第二連接板、支撐板、關節(jié)安裝板和支撐端；關節(jié)連接板與關節(jié)安裝板通過支撐板固連，電機通過螺栓與電機架固連，電機架通過螺栓與關節(jié)安裝板固連；電機通過聯(lián)軸器與錐齒輪換向器相連，錐齒輪換向器的輸出軸一端從里向外依次通過柔性輸出端套筒、第二支撐軸承與柔性輸出端相連，錐齒輪換向器的輸出軸的另一端從里向外依次通過支撐端套筒和第一支撐軸承與支撐端相連，所述支撐端與第一連接板相連。
【專利說明】一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及機器人技術，具體為一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)。

【背景技術】
[0002]四足機器人憑借其在行走過程中的離散接觸特性，在復雜環(huán)境中的探索和工作，表現(xiàn)出了很強的適應性，尤其在有障礙物的通道(如管道、臺階、樓梯、斜坡)上或很難接近的工作場地上具有更廣闊的發(fā)展前景。目前四足機器人的研宄大多處于試驗階段，特別是機器人在步行過程中的可靠性、穩(wěn)定性、速度以及與地面接觸的柔性等方面仍然具有諸多問題。四足機器人在實際行走過程中，足部著地瞬間會產(chǎn)生巨大的沖力，這個沖力由足部通過腿部傳遞至機器人各關節(jié)及機身，以至于機器人各關節(jié)及機身均會產(chǎn)生劇烈振動，降低傳感精度，損壞部分靈敏部件，并影響機器人運動的穩(wěn)定性。尤其是機器人在快步行走過程中，更易產(chǎn)生連續(xù)劇烈振蕩導致機體損害，使機器人無法工作。
[0003]如何降低機器人行走過程中與地面接觸產(chǎn)生的沖力，降低機器人機身、傳感器和各靈敏部件的損壞，是當前四足機器人進一步要研宄的重要內(nèi)容。為此，人們從生物界尋找到了靈感，對機器人腿部關節(jié)采用柔性仿生驅(qū)動的方式，降低機器人足部著地過程的沖擊力，同時又可以完成既定任務，提高機器人的適應性。目前，四足機器人的驅(qū)動性能及良好地適應性主要取決于是否具有大功率的驅(qū)動裝置，緊湊的仿生結(jié)構(gòu)，精確的控制系統(tǒng)等。
[0004]關節(jié)柔性仿生驅(qū)動已成為目前四足機器人一個重要的研宄方向，麻省理工學院的一位學者Pratt，首次將串聯(lián)彈性驅(qū)動器(Series Elastic Actuator，SEA)應用到步行機器人的驅(qū)動。串聯(lián)彈性驅(qū)動器將彈性元件串聯(lián)在剛性驅(qū)動器之后，使其能夠承受剛性驅(qū)動器的驅(qū)動力和負載反饋過來的力，實現(xiàn)精確地力控制。
[0005]如申請?zhí)枮?01110101853.0的中國專利公開了一種圓筒式的串聯(lián)彈性驅(qū)動器，它包括:伺服電機、連接筒、編碼器、聯(lián)軸器、絲杠、推力圓柱、螺母、彈簧、彈簧驅(qū)動板、驅(qū)動筒、外殼和驅(qū)動輸出端等。伺服電機還通過連接筒里的聯(lián)軸器與絲杠相連，螺母圓周上開有三個成120°螺紋孔，每個螺紋孔處分別安裝推力圓柱，三個推力圓柱的兩側(cè)分別安裝彈簧驅(qū)動板，兩個彈簧驅(qū)動板的外側(cè)分別安裝彈簧，驅(qū)動筒和驅(qū)動輸出端相連。該結(jié)構(gòu)雖然解決了機器人柔性的問題，但是其只能產(chǎn)生直線運動，不利于應用在四足機器人上；且該結(jié)構(gòu)體積大，不利于機器人的實際應用和小型化。
實用新型內(nèi)容
[0006]針對現(xiàn)有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是，提供一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)，該關節(jié)具有生物仿生性能，結(jié)構(gòu)緊湊、耗能低，工作效率高，可以實現(xiàn)柔性力輸出。
[0007]本實用新型解決所述技術問題的技術方案是，設計一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)，其特征在于該關節(jié)包括電機、關節(jié)連接板、電機架、聯(lián)軸器、錐齒輪換向器、第一連接板、連接架、柔性輸出端、第二連接板、支撐板、關節(jié)安裝板和支撐端；關節(jié)連接板與關節(jié)安裝板通過支撐板固連，電機通過螺栓與電機架固連，電機架通過螺栓與關節(jié)安裝板固連；電機通過聯(lián)軸器與錐齒輪換向器相連，錐齒輪換向器的輸出軸一端從里向外依次通過柔性輸出端套筒、第二支撐軸承與柔性輸出端相連，錐齒輪換向器的輸出軸的另一端從里向外依次通過支撐端套筒和第一支撐軸承與支撐端相連，所述支撐端與第一連接板相連；所述柔性輸出端包括彈簧安裝架、彈簧和輸出盤，所述彈簧安裝架為四枝相同的十字型板狀架，彈簧安裝架的每枝的末端具有向兩側(cè)伸出的垂直短齒，所述彈簧安裝架中心處設有帶鍵槽的安裝孔，平鍵通過鍵槽的安裝孔將彈簧安裝架與錐齒輪換向器的輸出軸固連；所述輸出盤安裝通過第二支撐軸承固定在錐齒輪換向器的輸出軸上，輸出盤為環(huán)狀圓盤，輸出盤的內(nèi)壁均勻分布有四個向盤心水平伸出的內(nèi)凸板，內(nèi)凸板頂端向兩側(cè)伸出彈簧固定齒，當彈簧安裝架的四枝分別位于相鄰兩內(nèi)凸板的中間位置時，彈簧安裝架的垂直短齒正好與彈簧固定齒相對，且此時位于同一枝上的垂直短齒之間的連線及其與相鄰彈簧固定齒的連線及其延長線能夠組成正方形；所述彈簧分別安裝于彈簧固定齒和短齒之間，共八條彈簧；輸出盤的外側(cè)面與第二連接板固連；第二連接板與第一連接板通過連接架固連。
[0008]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型采用電機驅(qū)動，錐齒輪換向器以及旋轉(zhuǎn)輸出的形式，使得本實用新型結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的直線型的串聯(lián)彈性驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，小巧，更加適用于關節(jié)型機器人；其次，本實用新型采用彈簧-錐齒輪換向器的串聯(lián)彈性驅(qū)動器形式，能更好的實現(xiàn)動物仿生機理，能夠儲存和釋放能量，實現(xiàn)柔性輸出，能量利用率高；再次，本實用新型在彈簧安裝架和輸出盤間對稱安裝彈簧不僅可以起到減震緩沖的作用，減少剛性沖擊，提高關節(jié)關鍵部件如電機和減速器的使用壽命，同時該結(jié)構(gòu)的設置提高了關節(jié)部位的耐擾動性，可直接實現(xiàn)關節(jié)部位的回轉(zhuǎn)運動，活動范圍更大。本實用新型還為設計具有較強環(huán)境適應能力的機器人奠定基礎，具有較高應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)一種實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2為本實用新型用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)一種實施例的柔性輸出端8的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3為本實用新型用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)一種實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖中:1-電機，2-關節(jié)連接板，3-電機架，4-聯(lián)軸器，5-錐齒輪換向器，6-第一連接板，7-連接架，8-柔性輸出端，9-第二連接板，10-支撐板，11-關節(jié)安裝板，12-支撐端；801-彈簧安裝架，802-平鍵，803-彈簧，804-輸出盤，805-第二支撐軸承，806-柔性輸出端套筒，8041-內(nèi)凸板，121-第一支撐軸承，122-支撐端套筒。

【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合實施例及其附圖詳細敘述本實用新型。實施例是以本實用新型所述技術方案為前提進行的具體實施，給出了詳細的實施方式和過程。但本申請的權利要求保護范圍不限于所述實施例的描述范圍。
[0014]本實用新型用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)(簡稱關節(jié)，參見圖1-3)包括電機1、關節(jié)連接板2、電機架3、聯(lián)軸器4、錐齒輪換向器5、第一連接板6、連接架7、柔性輸出端8、第二連接板9、支撐板10、關節(jié)安裝板11和支撐端12 ;關節(jié)連接板2與關節(jié)安裝板11通過支撐板10固連，電機1通過螺栓與電機架3固連，電機架3通過螺栓與關節(jié)安裝板11固連；電機1通過聯(lián)軸器4與錐齒輪換向器5相連，錐齒輪換向器5的輸出軸一端從里向外依次通過柔性輸出端套筒806、第二支撐軸承805與柔性輸出端8相連，錐齒輪換向器5的輸出軸的另一端通過支撐端套筒122和第一支撐軸承121與支撐端12相連，所述支撐端12與第一連接板6相連；所述柔性輸出端8包括彈簧安裝架801、彈簧803和輸出盤804，所述彈簧安裝架801為四枝相同的十字型板狀架，彈簧安裝架801的每枝的末端具有向兩側(cè)伸出的垂直短齒，所述彈簧安裝架801中心處設有帶鍵槽的安裝孔，平鍵802通過鍵槽的安裝孔將彈簧安裝架801與錐齒輪換向器5的輸出軸固連；所述輸出盤804安裝通過第二支撐軸承805固定在錐齒輪換向器5的輸出軸上，輸出盤804為環(huán)狀圓盤，輸出盤804的內(nèi)壁均勾分布有四個向盤心水平伸出的內(nèi)凸板8041，內(nèi)凸板8041頂端向兩側(cè)伸出彈簧固定齒，當彈簧安裝架801的四枝分別位于相鄰兩內(nèi)凸板8041的中間位置時，彈簧安裝架801的垂直短齒正好與彈簧固定齒相對，且此時位于同一枝上的垂直短齒之間的連線及其與相鄰彈簧固定齒的連線及其延長線能夠組成正方形；所述彈簧803分別安裝于彈簧固定齒和短齒之間，共八條彈簧；輸出盤804的外側(cè)面與第二連接板9固連；第二連接板9與第一連接板6通過連接架7固連。
[0015]本實用新型的動力傳輸?shù)木唧w過程是:電機1連接聯(lián)軸器4將動力傳至1:1的錐齒輪換向器5，錐齒輪換向器5的輸出軸一端與柔性輸出端8相連，這時錐齒輪換向器5的輸出軸轉(zhuǎn)動并帶動彈簧安裝架801旋轉(zhuǎn)，對位于同一枝上兩側(cè)的彈簧803分別進行壓縮和拉伸，彈簧803推動輸出盤804轉(zhuǎn)動進而傳遞動力，同時彈簧803起到緩沖作用實現(xiàn)柔性力輸出；由于八條彈簧分4組對稱布置，當電機1反向轉(zhuǎn)動時，同一枝上兩側(cè)的彈簧803受力改變分別由原來的壓縮和拉伸改變?yōu)槔旌蛪嚎s，依然可以實現(xiàn)動力傳遞，輸出柔性力；輸出盤804將動力傳至第二連接板9，輸出動力。此外，錐齒輪換向器5的輸出軸另一端通過支撐端套筒122、第一支撐軸承121與支撐端12相連，支撐端12與第一連接板6相連，第一連接板6跟隨第二連接板9 一塊轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了錐齒輪換向器5的輸出軸與第一連接板6的相對轉(zhuǎn)動，柔性輸出端8通過安裝在錐齒輪換向器5的輸出軸上的柔性輸出端套筒806、第二支撐軸承805實現(xiàn)與錐齒輪換向器5的相對轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)柔性力的連續(xù)輸出。
[0016]本實用新型在使用時通過連接在第一連接板6和第二連接板9上的關節(jié)架7與機器人腿部或者下一關節(jié)相連，安裝方便，操作簡單，可提高該關節(jié)使用范圍。該關節(jié)柔性輸出端8上的彈簧803起到減震緩沖的作用，減少剛性沖擊，提高關節(jié)關鍵部件如電機1和錐齒輪換向器5的使用壽命；并且彈簧803可以儲存和釋放能量，提高能量使用效率，耗能較低。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單緊湊、耗能較低、工作效率高，同時可以降低機器人行走過程中的沖擊力，進一步提高了機器人各個部件的使用壽命。
[0017]本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術。
【權利要求】
1.一種用于關節(jié)型機器人的柔性關節(jié)，其特征在于該關節(jié)包括電機、關節(jié)連接板、電機架、聯(lián)軸器、錐齒輪換向器、第一連接板、連接架、柔性輸出端、第二連接板、支撐板、關節(jié)安裝板和支撐端；關節(jié)連接板與關節(jié)安裝板通過支撐板固連，電機通過螺栓與電機架固連，電機架通過螺栓與關節(jié)安裝板固連；電機通過聯(lián)軸器與錐齒輪換向器相連，錐齒輪換向器的輸出軸一端從里向外依次通過柔性輸出端套筒、第二支撐軸承與柔性輸出端相連，錐齒輪換向器的輸出軸的另一端從里向外依次通過支撐端套筒和第一支撐軸承與支撐端相連，所述支撐端與第一連接板相連；所述柔性輸出端包括彈簧安裝架、彈簧和輸出盤，所述彈簧安裝架為四枝相同的十字型板狀架，彈簧安裝架的每枝的末端具有向兩側(cè)伸出的垂直短齒，所述彈簧安裝架中心處設有帶鍵槽的安裝孔，平鍵通過鍵槽的安裝孔將彈簧安裝架與錐齒輪換向器的輸出軸固連；所述輸出盤安裝通過第二支撐軸承固定在錐齒輪換向器的輸出軸上，輸出盤為環(huán)狀圓盤，輸出盤的內(nèi)壁均勻分布有四個向盤心水平伸出的內(nèi)凸板，內(nèi)凸板頂端向兩側(cè)伸出彈簧固定齒，當彈簧安裝架的四枝分別位于相鄰兩內(nèi)凸板的中間位置時，彈簧安裝架的垂直短齒正好與彈簧固定齒相對，且此時位于同一枝上的垂直短齒之間的連線及其與相鄰彈簧固定齒的連線及其延長線能夠組成正方形；所述彈簧分別安裝于彈簧固定齒和短齒之間，共八條彈簧；輸出盤的外側(cè)面與第二連接板固連；第二連接板與第一連接板通過連接架固連。
【文檔編號】B25J17/02GK204235562SQ201420688943
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權日:2014年11月17日
【發(fā)明者】張小俊, 史延雷, 梁飛, 張明路 申請人:河北工業(yè)大學