本發(fā)明涉及機(jī)器人研究和工程領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)：

機(jī)器人是集控制、機(jī)械、電子、材料等學(xué)科于一體的交叉學(xué)科，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分提出了更高的指標(biāo)要求。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式直接影響到機(jī)器人的整體性能，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注。

機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式主要包括氣動(dòng)人工肌肉、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓伺服驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)人工肌肉具有質(zhì)量相對(duì)較輕、價(jià)格低、容易維護(hù)以及良好的柔順性等優(yōu)點(diǎn)，但其控制精度相對(duì)較低。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可靠性高，但功率密度較低。當(dāng)前驅(qū)動(dòng)技術(shù)下，若想達(dá)到較強(qiáng)的負(fù)載能力，則電機(jī)的體積、質(zhì)量都較大，這將導(dǎo)致機(jī)器人十分笨重。

相對(duì)于氣動(dòng)人工肌肉和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓伺服驅(qū)動(dòng)具有高功率密度、高剛度、高精度以及高負(fù)載等顯著優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)方式所采用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常導(dǎo)致機(jī)器人具有較小的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。

具體而言，如圖1a-1c所示，現(xiàn)有的關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括以下三種形式：如圖1a所示，第一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)單元101a一端為固定鉸鏈105a、另一端為活動(dòng)鉸鏈103a,通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)單元101a的輸出桿102a的伸縮帶動(dòng)連桿104a擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)；如圖1b所示，第二種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)單元101b被固定，只有輸出桿102b能夠伸縮，連桿104b上安裝有滑槽導(dǎo)軌105b，當(dāng)輸出桿102b伸縮時(shí)可使活動(dòng)鉸鏈103b在滑槽導(dǎo)軌105b內(nèi)滑動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿104b擺動(dòng)；如圖1c所示，第三種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是將第二種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)軌滑槽替換成兩端具有活動(dòng)鉸鏈103c的連桿106c。不難看出，第一種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要得到較大的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，液壓驅(qū)動(dòng)單元101a的輸出桿102a的運(yùn)動(dòng)范圍必須很大，并且連桿104a在擺動(dòng)過(guò)程中，液壓驅(qū)動(dòng)單元101a也要進(jìn)行較大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)；第二種以及第三種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然液壓驅(qū)動(dòng)單元101b、101c并不隨著連桿104b、104c轉(zhuǎn)動(dòng)，但是輸出桿102b、102c的運(yùn)動(dòng)范圍直接限制了連桿104b、104c的擺動(dòng)角度，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人較大的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

因此，為了提高機(jī)器人的整體性能，需要設(shè)計(jì)一種具備動(dòng)態(tài)特性高、負(fù)載能力大且體積相對(duì)較小的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述傳統(tǒng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所存在的運(yùn)動(dòng)范圍較小、動(dòng)態(tài)特性差以及體積龐大等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其通過(guò)將液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元與特殊四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合，利用了該四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)放大原理，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)特性高，還可以間接縮小液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)范圍，從而節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，使機(jī)器人關(guān)節(jié)更加緊湊。此外，由于液壓驅(qū)動(dòng)單元具有足夠大的輸出力，即使由于四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)放大而導(dǎo)致關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力有所下降，但仍然能滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力和高負(fù)載的需求。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：

液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元，所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的固定端與第一固定鉸鏈連接；以及

四連桿機(jī)構(gòu)，所述四連桿機(jī)構(gòu)包括固定機(jī)架、與所述固定機(jī)架連接的第一搖桿和第二搖桿，以及與所述第一搖桿和所述第二搖桿連接的連桿，

其中，所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的活動(dòng)端與所述第一搖桿連接，以通過(guò)所述活動(dòng)端的伸縮帶動(dòng)所述第一搖桿擺動(dòng)，來(lái)改變由所述固定機(jī)架與所述第二搖桿構(gòu)成的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

根據(jù)實(shí)施例，所述固定機(jī)架包括設(shè)置在機(jī)器人的第一部位上的第二固定鉸鏈以及設(shè)置在機(jī)器人的第一部位與第二部位連接處的第三固定鉸鏈。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一固定鉸鏈設(shè)置在機(jī)器人的第一部位上。

根據(jù)實(shí)施例，所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的所述活動(dòng)端通過(guò)第一活動(dòng)鉸鏈與所述第一搖桿和所述連桿連接，并且所述連桿通過(guò)第二活動(dòng)鉸鏈與所述第二搖桿連接。

根據(jù)實(shí)施例，所述第一部位為機(jī)器人的大腿并且所述第二部位為機(jī)器人的小腿。

根據(jù)實(shí)施例，所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元包括液壓伺服閥，用于控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)實(shí)施例，所述液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元還包括安裝在所述液壓缸上的LVDT(Linear Variable Differential Transformer)直線位移傳感器，用于檢測(cè)輸出桿的運(yùn)動(dòng)，其中所述LVDT傳感器的芯通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與所述液壓缸的輸出桿連接。

附圖說(shuō)明

圖1a-1c為現(xiàn)有的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為安裝有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖2示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元201，其固定端與第一固定鉸鏈D連接；以及四連桿機(jī)構(gòu)，該四連桿機(jī)構(gòu)包括固定機(jī)架202、與固定機(jī)架202連接的第一搖桿203和第二搖桿204，以及與第一和第二搖桿203、204連接的連桿205。

進(jìn)一步地，如圖2所示，液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元201的活動(dòng)端與第一搖桿203連接，以通過(guò)活動(dòng)端的伸縮帶動(dòng)第一搖桿203擺動(dòng)，來(lái)改變由固定機(jī)架202與第二搖桿204構(gòu)成的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ。

并且，固定機(jī)架202包括第二固定鉸鏈H以及第三固定鉸鏈G。液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元201的活動(dòng)端通過(guò)第一活動(dòng)鉸鏈E與第一搖桿203和連桿205連接，并且連桿205通過(guò)第二活動(dòng)鉸鏈F與第二搖桿204連接。

并且，如圖2所示，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ與液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元201的總長(zhǎng)度l_ED之間的函數(shù)關(guān)系可以通過(guò)以下等式獲得。

根據(jù)本實(shí)施例，角度∠GHD為定值,滿足∠GHD＝161.6°，長(zhǎng)度滿足l_DH＝223.3mm，l_HE＝60mm，l_HG＝38mm，l_GF＝40mm，l_EF＝50mm，上述角度和桿長(zhǎng)均為示例性的，滿足運(yùn)動(dòng)放大和實(shí)際需要的數(shù)值設(shè)定均是可行的：

∠EHD＝2π-∠GHD-∠GHF-∠FHE

如圖2所示，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

通過(guò)將具有運(yùn)動(dòng)放大功能的四連桿機(jī)構(gòu)與液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元相結(jié)合，增大了機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；并且避免了機(jī)器人關(guān)節(jié)在進(jìn)行較大角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元自身較大角度擺動(dòng)，從而節(jié)省了結(jié)構(gòu)空間，使機(jī)器人關(guān)節(jié)更加緊湊。

圖3示出了安裝有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，仿人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)包括大腿301、小腿302和液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元303。大腿301與小腿302通過(guò)固定鉸鏈G連接，液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元303的固定端與設(shè)置在機(jī)器人大腿301上的固定鉸鏈D連接，而液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元303的活動(dòng)端通過(guò)活動(dòng)鉸鏈E與連桿304、連桿305連接。連桿304除了與液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元303的活動(dòng)鉸鏈E連接，其另一端與設(shè)置在小腿302上的活動(dòng)鉸鏈F連接。連桿305除了與液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元303的活動(dòng)鉸鏈E連接，其另一端與設(shè)置在大腿301上的固定鉸鏈H連接。

如圖3所示，鉸鏈E、F、G和H構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，以通過(guò)液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元303的活動(dòng)端的伸縮帶動(dòng)連桿305擺動(dòng)，來(lái)改變由固定機(jī)架GH與搖桿GF構(gòu)成的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元包括液壓缸401，其固定端通過(guò)關(guān)節(jié)軸承402與固定鉸鏈D連接，其輸出桿403通過(guò)關(guān)節(jié)軸承404與活動(dòng)鉸鏈E連接。

液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元還包括液壓伺服閥405，用于控制液壓缸401的運(yùn)動(dòng)。并且，液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元還包括LVDT(Linear Variable Differen tial Transformer)直線位移傳感器406，用于檢測(cè)輸出桿403的運(yùn)動(dòng)。其中，LVDT位移傳感器406通過(guò)兩個(gè)固定架407安裝在液壓缸401上，并且LVDT位移傳感器406的芯408通過(guò)關(guān)節(jié)軸承409與液壓缸401的輸出桿403連接。

圖3和4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于仿人機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)的實(shí)施例；然而，本發(fā)明不限于此，例如應(yīng)用于仿人機(jī)器人的其他部位的關(guān)節(jié)、其它仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)也是可行的。

如上所述，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其通過(guò)將液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元與具有運(yùn)動(dòng)放大功能的四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)特性高、負(fù)載能力大的優(yōu)點(diǎn)，還可以間接縮小液壓伺服驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)范圍，從而節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，使機(jī)器人關(guān)節(jié)更加緊湊。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。