專利名稱：機械關節(jié)及仿生機械恐龍的腿部結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及四足機器人，具體涉及機械關節(jié)及仿生機械恐龍的腿部結構。
背景技術：
機器人技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高新技術，它綜合了機械、微電子與計算機、自動控制、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，是機電一體化技術的典型載體。大型四足仿生機械恐龍是四足步行機器人的一種重要應用，廣泛應用于娛樂、影視等領域。眾所周知，仿生機械恐龍的各種動作都是通過各個關節(jié)的運動實現(xiàn)的。其中，仿生機械恐龍最基本的動作是行走動作，行走動作的實現(xiàn)主要是通過腿部關節(jié)結構實現(xiàn)的。
現(xiàn)有機械恐龍的腿部結構主要由大腿關節(jié)和小腿關節(jié)兩個機械關節(jié)組成，用于實現(xiàn)大腿和小腿的屈伸，完成抬腿動作。但是，現(xiàn)有機械恐龍的腿部結構中的機械關節(jié)存在以下一些缺陷(I)結構笨重?，F(xiàn)有的機械關節(jié)一般采用箱式結構，重量較大，因此需要選用大功率驅(qū)動電機，自重較重、成本較高。(2)安全性差。由于大型四足仿生機械恐龍的整體重量較大，因此，腿部結構中的機械關節(jié)多采用齒輪傳動以提高驅(qū)動力。但是，齒輪傳動不具有自鎖性，在運動過程中，容易出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定因素。(3)采用現(xiàn)有腿部結構的機械恐龍穩(wěn)定性較差。對于大型四足仿生機械恐龍而言，行走的穩(wěn)定性控制是非常重要的，現(xiàn)有的控制方法是通過調(diào)整腿部姿態(tài)控制整體重心位于立足點所圍區(qū)域內(nèi)，但是，這種方式的調(diào)整難度較大，穩(wěn)定性較差。有鑒于此，需要對大型四足仿生機械恐龍的腿部結構進行優(yōu)化設計，使其具有結構簡單，重量輕，并且具有三個自由度，從而可以使機械恐龍通過左、右側(cè)傾來進一步調(diào)整重心，提高大型四足仿生機械恐龍行走的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是解決如何簡化大型四足仿生機械恐龍的腿部結構，提聞行走穩(wěn)定性的問題。為了解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是提供一種機械關節(jié)，包括第一支架和第二支架，所述第一支架包括第一、第二側(cè)板以及伺服電機，所述第一、第二側(cè)板平行設置，所述伺服電機固定在所述第一、第二側(cè)板之間，所述伺服電機的輸出端固定連接一個蝸桿；所述第二支架的一端固定設有一轉(zhuǎn)軸，所述第一、第二側(cè)板的一端分別轉(zhuǎn)動設置在所述轉(zhuǎn)軸的兩端，所述轉(zhuǎn)軸的中部固定設有蝸輪，所述蝸輪與所述蝸桿嚙合。在上述機械關節(jié)中，所述蝸輪具有一個軸套部和一個齒部，所述齒部為扇形不完全蝸輪，并通過扇形連接部與所述軸套部連接，所述扇形連接部的厚度小于齒部的厚度，且沿周向均布設有多個通孔。
在上述機械關節(jié)中，所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別設有滾動軸承，所述滾動軸承的兩側(cè)分別設有第一、二擋板，所述第一、第二側(cè)板的一端分別套裝在所述滾動軸承上并通過所述第一、第二擋板軸向限位。在上述機械關節(jié)中，所述伺服電機為減速電機。本發(fā)明還提供了一種仿生機械恐龍的腿部結構，包括依次連接的髖關節(jié)、大腿關節(jié)和小腿關節(jié)，所述髖關節(jié)、大腿關節(jié)和小腿關節(jié)采用如權利要求I所述的機械關節(jié)，所述大腿關節(jié)和小腿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線平行，所述髖關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線與所述大腿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線垂直。在上述仿生機械恐龍腿部結構中，所述髖關節(jié)上的第二支架的兩端分別設有第一、第二缺口，所述第一、第二缺口上分別設有貫穿其缺口側(cè)壁的第一、第二貫穿通孔，所述第一、第二貫穿通孔的軸線相互垂直，所述轉(zhuǎn)軸穿裝在所述第一貫穿通孔內(nèi)。在上述仿生機械恐龍腿部結構中，所述第一、第二側(cè)板的一端具有一個弧形凸出 部，另一端具有一個與所述弧形凸出部相適配的弧形凹陷部，所述弧形凸出部的一側(cè)設有一個矩形凸出部，所述伺服電機傾斜設置且固定在所述矩形凸出部上。在上述仿生機械恐龍腿部結構中，所述側(cè)板上以及所述矩形凸出部上分別開有通孔。在上述仿生機械恐龍腿部結構中，所述髖關節(jié)的第二支架具有一個四棱柱狀的支架主體，所述第一、第二缺口分別設置在所述支架主體的兩端，所述支架主體的側(cè)壁上分別設有貫通的矩形通孔。在上述仿生機械恐龍腿部結構中，所述轉(zhuǎn)軸通過鍵與所述第一貫穿通孔連接。本發(fā)明，利用板式結構取代箱式結構，結構緊湊、簡單，大大降低了整體重量，并且傳動機構采用了蝸桿結構，具有自鎖性，提高了伺服電機的使用壽命。


圖I為本發(fā)明提供的機械關節(jié)立體結構示意圖；圖2為圖I所示的機械關節(jié)內(nèi)部結構示意圖；圖3為圖I所示的機械關節(jié)側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明中的第一支架的結構示意圖；圖5為本發(fā)明中的第二支架的結構示意圖；圖6為圖5所示第二支架與轉(zhuǎn)軸、齒輪的分解裝配構示意圖；圖7為本發(fā)明中的齒輪結構示意圖；圖8為本發(fā)明提供的仿生機械恐龍腿部結構結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的機械關節(jié)具有結構簡單、緊湊，體積小，重量輕等優(yōu)點，而且該機械關節(jié)具有三個自由度，非常適合應用于大型四足仿生機械恐龍。下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作出詳細的說明。圖I為本發(fā)明提供的機械關節(jié)立體結構示意圖，圖2為圖I所示的機械關節(jié)內(nèi)部結構示意圖(除去第一或第二側(cè)板)，圖3為圖I所示的機械關節(jié)側(cè)視圖，如圖I、圖2、圖3所示，機械關節(jié)包括第一支架10和第二支架20。第一支架10的結構如圖4所示，包括第一、第二側(cè)板11、12以及伺服電機13，第一、第二側(cè)板11、12平行設置，伺服電機13固定在第一、第二側(cè)板11、12之間，伺服電機13為減速電機，其輸出端固定連接一個蝸桿14。第二支架20的下端固定設有一轉(zhuǎn)軸21，第二支架20的上端設有與相鄰關節(jié)連接的安裝孔，轉(zhuǎn)軸21的兩端分別轉(zhuǎn)動設置在第一、第二側(cè)板11、12上，轉(zhuǎn)軸21的中部通過鍵連接固定設有蝸輪22，蝸輪22與蝸桿14嚙合。伺服電機13轉(zhuǎn)動時，通過蝸桿14帶動蝸輪22轉(zhuǎn)動，由于蝸輪22與第二支架20固定，因此，第二支架20隨伺服電機13的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，使第一支架10與第二支架20之間的夾角增大或減小。再參見圖5、圖6，圖5為本發(fā)明中的第二支架的結構示意圖，圖6為圖5所示第二支架的分解結構示意圖。第二支架20的下端設有第一缺口 27，蝸輪22位于第一缺口 27內(nèi)且與轉(zhuǎn)軸21通過鍵連接，同時，鍵也將轉(zhuǎn)軸21和第二支架20連接。轉(zhuǎn)軸21的兩端伸出第二支架20后分別設有滾動軸承23，滾動軸承23的兩側(cè)分別設有第一、二擋板24、25，第一擋板24呈圓片狀，第二擋板25具有一個圓片狀擋板本體251，且擋板本體251的中心處設有一個軸套252，第一、二擋板24、25分別設置在第一缺口 27的一個側(cè)壁的兩側(cè)，第一、第 二側(cè)板11、12的上端分別套裝在滾動軸承23上，且第二擋板25上的軸套252同時套裝在滾動軸承23的外圈上，蓋板26設置在第二擋板25的外側(cè)，第一、第二擋板24、25以及蓋板26均固定在第一缺口 27的側(cè)壁上，第一擋板24通過轉(zhuǎn)軸21上的軸肩進行軸向限位，第一、第二擋板24、25用于防止第一、第二側(cè)板11、12沿轉(zhuǎn)軸21的軸向移動,蓋板26用于封堵轉(zhuǎn)軸21上的鍵，防止鍵滑出，滾動軸承23的內(nèi)圈則通過轉(zhuǎn)軸21上的彈簧擋圈限位。第二擋板25的結構，可以使第一、第二側(cè)板的厚度小于滾動軸承的厚度，減輕了第一、第二側(cè)板的重量。為了減輕機械關節(jié)重量，本發(fā)明對蝸輪21的結構進行了優(yōu)化設計，如圖7所示，蝸輪21具有一個軸套部211和一個齒部212，軸套部211用于與轉(zhuǎn)軸21連接，齒部212用于與蝸桿14嚙合。齒部212為扇形不完全蝸輪，并通過扇形連接部213與軸套部211連接，扇形連接部213的厚度小于齒部212的厚度，且沿周向均布設有多個通孔214，通過扇形不完全蝸輪形成的齒部212以及設置通孔214，既滿足了使用要求，又可以大大減輕蝸輪21的重量。第一、第二側(cè)板11、12結構相同，下面第一側(cè)板12為例進行說明。如圖I、圖4所示，第二側(cè)板12的一端具有一個弧形凸出部121，另一端具有一個與弧形凸出部121相適配的弧形凹陷部122，弧形凸出部122的一側(cè)設有一個傾斜設置的矩形部123，伺服電機13傾斜設置且固定在矩形部123上。第二側(cè)板12以及矩形部123上分別開有通孔124，從而進一步減輕了第二側(cè)板12的重量。本發(fā)明還提供了一種仿生機械恐龍的腿部結構(仿生機械恐龍的機械腿)，采用了開鏈式機構，具有三個自由度，關節(jié)驅(qū)動方式為伺服電機，傳動減速器采用了蝸輪蝸桿減速器，在仿生恐龍需要外輪廓包裝的基本原則下，盡量減小腿部外包裝直徑的大小。如圖8所示，腿部結構包括依次連接的髖關節(jié)100、大腿關節(jié)200和小腿關節(jié)300，小腿關節(jié)300和下端固定設有減震橡膠墊塊400。髖關節(jié)、大腿關節(jié)和小腿關節(jié)均采用上述結構的機械關節(jié)，其中大腿關節(jié)和小腿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線相互平行，大腿關節(jié)中的第一支架與小腿關節(jié)中的第二支架固定，大腿關節(jié)和小腿關節(jié)中的伺服電機的軸線方向沿腿部連桿方向(第一、第二側(cè)板的縱向)設置；髖關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線與大腿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線相互垂直，髖關節(jié)中的第一支架與大腿關節(jié)中的第二支架固定，髖關節(jié)中的伺服電機的軸線朝向軀體內(nèi)部。這樣，通過髖關節(jié)可以改變大腿關節(jié)和小腿關節(jié)與髖關節(jié)之間在左、右方向上的夾角，實現(xiàn)機械恐龍的左、右側(cè)傾動作，通過大腿關節(jié)和小腿關節(jié)可以改變二者之間的夾角，實現(xiàn)抬腿、落腿動作。再參見圖8，大腿關節(jié)和小腿關節(jié)中的伺服電機均位于相應關節(jié)中的齒輪下方，這樣，使得腿部結構更加緊湊。另外，在上述腿部結構中，大腿關節(jié)中的第二支架的下端分別與小腿關節(jié)中第一支架的第一、第二側(cè)板上端內(nèi)側(cè)固定，這樣，大腿關節(jié)中的第一、第二側(cè)板下端的弧形凹陷部與小腿關節(jié)中第一支架的第一、第二側(cè)板上端的弧形凸出部相對應，可以避免在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生干涉。而髖關節(jié)的第二支架較長，上部用于與機械恐龍的軀干固定連接，如圖6所示，髖關節(jié)的第二支架具有一個四棱柱狀的支架主體110，第一、第二缺口 27、28分別設置在支架主體110的兩端，第一、第二缺口 27、28上分別設有貫穿其側(cè)壁的第一、第二貫穿通孔111、112，第一、第二貫穿通孔111、112的軸線相互垂直，轉(zhuǎn)軸21穿裝在第一貫穿通孔111內(nèi)，并通過鍵結構固定連接，支架主體110的側(cè)壁上分別設有貫通的矩形通孔113，用于減輕支架主體110的重量，且第一、第二缺口 27、28的端部呈圓弧形，可以避 免轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生干涉。綜上所述，本發(fā)明提供的仿生機械恐龍的腿部結構具有以下突出的優(yōu)點(I)增加了髖關節(jié)，從而使機械恐龍可以左、右側(cè)傾，方便了行走穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)。(2)結構簡單、緊湊。利用板式結構取代箱式結構，大大降低了整體重量。(3)傳動機構采用了蝸桿結構，具有自鎖性，因此，在機械恐龍停止運動的狀態(tài)下，各關節(jié)能夠繼續(xù)保持原有的狀態(tài)，保持穩(wěn)定性；并且伺服電機不受力，提高了伺服電機的使用壽命。本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結構變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.機械關節(jié)，其特征在于，包括 第一支架，所述第一支架包括第一、第二側(cè)板以及伺服電機，所述第一、第二側(cè)板平行設置，所述伺服電機固定在所述第一、第二側(cè)板之間，所述伺服電機的輸出端固定連接一個蝸桿； 第二支架，其一端固定設有一轉(zhuǎn)軸，所述第一、第二側(cè)板的一端分別轉(zhuǎn)動設置在所述轉(zhuǎn)軸的兩端，所述轉(zhuǎn)軸的中部固定設有蝸輪，所述蝸輪與所述蝸桿嚙合。
2.如權利要求I所述的機械關節(jié)，其特征在于， 所述蝸輪具有一個軸套部和一個齒部，所述齒部為扇形不完全齒輪，并通過扇形連接部與所述軸套部連接，所述扇形連接部的厚度小于齒部的厚度，且沿周向均布設有多個通孔。
3.如權利要求I所述的機械關節(jié)，其特征在于 所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別設有滾動軸承，所述滾動軸承的兩側(cè)分別設有第一、二擋板，所述第一、第二側(cè)板的一端分別套裝在所述滾動軸承上并通過所述第一、第二擋板軸向限位。
4.如權利要求I所述的機械關節(jié)，其特征在于 所述伺服電機為減速電機。
5.仿生機械恐龍的腿部結構，其特征在于包括依次連接的髖關節(jié)、大腿關節(jié)和小腿關節(jié)，所述髖關節(jié)、大腿關節(jié)和小腿關節(jié)采用如權利要求I所述的機械關節(jié)，所述大腿關節(jié)和小腿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線平行，所述髖關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線與所述大腿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸軸線垂直。
6.如權利要求5所述的仿生機械恐龍的腿部結構，其特征在于， 所述髖關節(jié)的第二支架的兩端分別設有第一、第二缺口，所述第一、第二缺口上分別設有貫穿其缺口側(cè)壁的第一、第二貫穿通孔，所述第一、第二貫穿通孔的軸線相互垂直，所述轉(zhuǎn)軸穿裝在所述第一貫穿通孔內(nèi)。
7.如權利要求6所述的仿生機械恐龍的腿部結構，其特征在于 所述第一、第二側(cè)板的一端具有一個弧形凸出部，另一端具有一個與所述弧形凸出部相適配的弧形凹陷部，所述弧形凸出部的一側(cè)設有一個矩形凸出部，所述伺服電機傾斜設置且固定在所述矩形凸出部上。
8.如權利要求7所述的仿生機械恐龍的腿部結構，其特征在于 所述側(cè)板上以及所述矩形凸出部上分別開有通孔。
9.如權利要求6所述的仿生機械恐龍的腿部結構，其特征在于 所述髖關節(jié)的第二支架具有一個四棱柱狀的支架主體，所述第一、第二缺口分別設置在所述支架主體的兩端，所述支架主體的側(cè)壁上分別設有貫通的矩形通孔。
10.如權利要求9所述的仿生機械恐龍的腿部結構，其特征在于所述轉(zhuǎn)軸通過鍵與所述第一貫穿通孔連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機械關節(jié)，機械關節(jié)，包括第一支架和第二支架，所述第一支架包括第一、第二側(cè)板以及伺服電機，所述第一、第二側(cè)板平行設置，所述伺服電機固定在所述第一、第二側(cè)板之間，所述伺服電機的輸出端固定連接一個蝸桿；所述第二支架的一端固定設有一轉(zhuǎn)軸，所述第一、第二側(cè)板的一端分別轉(zhuǎn)動設置在所述轉(zhuǎn)軸的兩端，所述轉(zhuǎn)軸的中部固定設有蝸輪，所述蝸輪與所述蝸桿嚙合。本發(fā)明，利用板式結構取代箱式結構，結構緊湊、簡單，大大降低了整體重量，并且傳動機構采用了蝸桿結構，具有自鎖性，提高了伺服電機的使用壽命。在此基礎上，本發(fā)明還提供了一種仿生機械恐龍的腿部結構。
文檔編號B62D57/032GK102795274SQ20121030119
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權日2012年8月22日
發(fā)明者韓曉建, 朱位, 孫宇, 齊威 申請人:中科宇博(北京)文化有限公司