CN101380739A - 多足机器人仿生弹性驱动关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多足机器人仿生弹性驱动关节模块。伺服电机通过连接铜柱与连接法兰固联，连接法兰又与电机后端盖固联，伺服电机与方形箱体固联，伺服电机输出轴由内向外安装的分别是推力轴承、蜗杆、支撑轴承、钢球和可调端盖，蜗杆与伺服电机输出轴固联，可调端盖与方形箱体相连，蜗轮通过蜗轮支撑轴承安装在方形箱体上，两个蜗轮输出块与蜗轮输出轴固联，每个蜗轮输出块两侧分别联接有两个旋向相同的扭簧，即方形箱体两侧的扭簧旋向相反。本发明为设计一种对复杂地形高度适应、性能可靠、体积小巧、在高速行走时具有关节缓冲能力的多足机器人提供了技术基础，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。

Description

多足机器人仿生弹性驱动关节模块

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人驱动关节模块，特别是一种采用模块化结构设计的多足机器***性驱动关节模块。

(二)背景技术

仿生学(Bionics)是20世纪60年代出现的一门综合性科学，它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物***的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造性的机械、仪器、建筑和工艺过程。由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助，仿生机器人成为了当今机器人研究领域的一个重要方向。

现在仿生多足步行机器人的步态、姿态的参数都是直接从对人或动物的行走姿态的研究中获得。人和动物的步行是靠腿部骨骼、肌肉和关节的弹性和柔韧性以及人类或动物高级神经***的指挥来产生协调动作的。但目前步行机器人大多采用的是刚性腿结构，腿关节间没有很好的弹性，因此在高速步行中足部对地面瞬间会产生较大冲击，造成了各关节的剧烈振动，极易对机体造成损害，影响了机器人行走的稳定性。有时不得不以牺牲运动速度来换取机器人行走的稳定与安全。因此如何减少冲击已成为步行机器人技术发展中的一个迫切需要解决的问题。

在机器人运行过程中，机器人的质量、转动惯量、摆动速度和步行速度相对固定，所以通过减少机器人的质量和转动惯量或降低摆动速度和步行速度的方法来减少冲击，是与实际情况极不相符的。故只有考虑在步行机构中加入弹性元件或用高弹性材料，使其具有弹性功能，这样既不降低速度，又可以减少地面对机器人的冲击，极利于机器人快速平稳地连续步行。

在国内由马建旭等人设计的一种新型的弹性步行机构(马建旭、马培荪、杨保忠、王爱平，四足步行机器人中一种新型腿结构缓冲特性，上海交通大学学报，1999，(07))，由四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构复合而成。步行机器人足着地时，机体由于下踩的惯性，通过机器人腿带动下连杆压缩弹簧向下运动，下连杆又带动上连杆摆动，由于弹簧导向杆与支撑足相连，则连杆的上铰链与静止端连接.在两个连杆由于弹簧的压缩而呈一条直线时，连杆机构到达死点位置，通过控制电磁铁吸住连杆1以使连杆机构保持在死点位置，从而把弹簧中吸收的冲击能锁定在弹性腿中。然后在一定步态下控制弹性腿中的电磁吸盘使其失电而使弹性腿中存储的能量释放出来，辅助机器人抬腿摆动。该结构虽然在一定程度上解决了机器人关节的弹性问题，但是其结构过于复杂，而且只能产生直线运动，并不能应用于多足机器人的每一个关节，该机构的外型过大，不利于仿生机器人的小型化。

在国外有麻省理工学院腿部实验室的David W.Robinson等人设计的弹性驱动器，(Gill A Pratt，Lexington，MA(US)，David W Robinson，Manchester，NH(US)FORCE-CONTROLLED HYDRO-ELASTIC ACTUATOR，Massachusetts Instituteof Technology，Cambridge，MA(US).2002)有电机和液压缸两种驱动模式，由电机驱动时，电机带动滚珠丝杠产生直线运动，螺帽通过四个压缩弹簧与输出机构连接，其结构特点是在动力源与负载之间装有一组弹簧，使其单独承担动力源的驱动力及负载的反作用力。该结构同样存在只能产生直线运动、外型过大等缺点，不能广泛应用于小型化的仿生多足机器人。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、传动比大、传动平稳、具有可靠的自锁性的多足机器人仿生弹性驱动关节模块。

本发明的目的是这样实现的：

伺服电机6通过四个连接铜柱5和四个固定螺丝4与连接法兰3固联，连接法兰3又通过固定螺丝1与电机后端盖2固联，伺服电机6通过螺丝8与方形箱体25固联，伺服电机6输出轴由内向外安装的分别是推力轴承7、蜗杆17、支撑轴承I20、钢球21和可调端盖22，蜗杆17通过固定销9与伺服电机6输出轴固联，可调端盖22通过螺纹与方形箱体25相连，蜗轮18与其输出轴加工为一体，通过蜗轮支撑轴承26安装在方形箱体25上，其中一端安装有一个铜套35，铜套35内部为一个蜗轮支撑轴承26、外端有可调固紧螺丝16进行位置调节，两个蜗轮输出块12通过销钉11与蜗轮18输出轴固联，每个蜗轮输出块12两侧分别联接有两个旋向相同的扭簧10，即方形箱体两侧的扭簧10旋向相反。

本发明还饿可以包括这样一些结构特征：

1、还包括电机编码器34，电机编码器34通过编码器固定支架33和连接法兰3固连。

2、在蜗轮18输出轴一端安装有一个电位计31，电位计31通过电位计支撑架30固定在方形箱体25上。

3、在传递关节块II36和方形箱体25之间安装卡簧27。

4、在传递关节块I15和传递关节块II36之间通过连接板14联接，两个传递关节块I15之间通过固定加强板23联接。

本发明采用蜗轮蜗杆模块化传动机构来带动两对扭簧，通过扭簧的传递来实现腿部关节的传动。机器人在动态行走时所产生的冲击能量通过扭簧传递到为机器人各关节提供动力的驱动器上，使机器人在高速行走时得到缓冲并达到节能，

提高了机器人的能效。它具有结构紧凑、传动比大、传动平稳、可靠的自锁性以及实现了弹性驱动关节模块化等优点，多足机器人的每一个关节都可用该模块组合而成，实现了真正意义上的模块化和小型化。

本发明的意义在于寻找一种新的高效率、小型化、模块化、具有仿生特征的弹性驱动传动方式，为设计一种对复杂地形高度适应、性能可靠、体积小巧、在高速行走时具有关节缓冲能力的多足机器人提供技术基础，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。

仿生弹性驱动关节模块可作为足式机器人设计的基本驱动单元，此结构具有通用性强、弹性驱动、输出自锁、可调保护电机、传动角度大(<270°)、易加工、易组装和维修等优点。本发明所述的弹性驱动关节模块不仅可以应用在各种多足如双足、四足、六足、八足等机器人上，甚至还可以用于蛇形等爬行机器人上。

(四)附图说明

图1是本发明的仿生弹性驱动关节模块俯视图；

图2是本发明的仿生弹性驱动关节模块立体图；

图3是本发明的仿生弹性驱动关节模块立体图(仰视)。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1至图3，每一个模块化传动结构都由一个伺服电机经减速器减速驱动，传动机构采用涡轮蜗杆机构，使输入、输出轴线正交，并具有自锁和可调特性，蜗轮输出块将蜗轮的运动通过两组扭簧传递到关节输出件上。该模块具体主要包括：固定螺丝1、电机后端盖2、连接法兰3、四个固定螺丝4、四个连接铜柱5、伺服电机6、推力轴承7、电机与箱体固定螺丝8、固定销9、扭簧10、销钉11、蜗轮输出块12、固定螺丝13、连接板14、传递关节块I15、可调固紧螺丝16、蜗杆17、蜗轮18、固定螺丝19、支撑轴承I20、钢球21、可调端盖22、固定加强板23、固定螺丝24、方形箱体25、蜗轮支撑轴承26、卡簧27、支撑轴承II28、固定螺丝29、电位计支撑架30、电位计31、支撑轴承III32、编码器固定支架33、电机编码器34、铜套35和传递关节块II36。

仿生弹性驱动关节模块的技术方案如下：伺服电机6为整个模块提供动力，伺服电机6通过四个连接铜柱5和四个固定螺丝4与连接法兰3固联，连接法兰3又通过固定螺丝1与电机后端盖2固联。电机后端盖2后可继续联接弹性驱动关节模块，电机编码器34通过编码器固定支架33和连接法兰3固连，电机编码器34可测出电机的转动位置，产生反馈信号，指导上层控制。伺服电机6通过螺丝8与方形箱体25固联，伺服电机6输出轴由内向外安装的分别是推力轴承7、蜗杆17、支撑轴承I20、钢球21和可调端盖22，蜗杆17通过固定销9与伺服电机6输出轴固联，可调端盖22通过螺纹与方形箱体25相连，固定螺丝19的作用是阻止可调端盖22与方形箱体25的位置调节好后发生相对转动。伺服电机6输出轴向后端有推力轴承7的支撑，前端有钢球21的限位，径向有支撑轴承20的支撑，所以在各种作用力的作用下伺服电机6的电机轴都不会被压入或是拔出，有效的保护了伺服电机6不受损害，延长了使用寿命。蜗轮18与其输出轴加工为一体，通过蜗轮支撑轴承26安装在方形箱体25上，其中一端安装有一个铜套35，铜套35内部为一个蜗轮支撑轴承26，外端有可调固紧螺丝16进行位置调节，铜套35外径要略大于蜗轮18的外径，为的是能使蜗轮18安装进方形箱体25上。两个蜗轮输出块12通过销钉11与蜗轮18输出轴固联，每个蜗轮输出块12两侧分别联接有两个旋向相同的扭簧10，即方形箱体两侧的扭簧10旋向相反，以如图1所示的上面的扭簧10为例，最上面的扭簧一端与传递关节块I15联接，另一端与蜗轮输出块12联接，而第二个扭簧一端与蜗轮输出块12联接，另一端与传递关节块II36联接，两个扭簧的旋向相同。扭簧10的作用是缓冲机器人在运动过程中的冲击能量。在蜗轮18输出轴一端安装有一个电位计31，电位计31通过电位计支撑架30固定在方形箱体25上，电位计31的作用是测出蜗轮输出块12与传递关节块I15之间的转动角度，从而确定机器人在运动过程中受到的冲击是否已经超出模块的额定设计值，如果超过，机器人立即停止运动。同时通过一定的折算，电位计31还可以测出电机的转动角度，为***控制提供位置信号。在传递关节块II36和方形箱体25之间安装卡簧27，起限位和固定的作用。此外在传递关节块I15和传递关节块II36之间通过连接板14联接，两个传递关节块I15之间通过固定加强板23联接。

Claims (9)

1、一种多足机器人仿生弹性驱动关节模块，伺服电机[6]通过四个连接铜柱[5]和四个固定螺丝[4]与连接法兰[3]固联，连接法兰[3]又通过固定螺丝[1]与电机后端盖[2]固联，其特征是：伺服电机[6]通过螺丝[8]与方形箱体[25]固联，伺服电机[6]输出轴由内向外安装的分别是推力轴承[7]、蜗杆[17]、支撑轴承I[20]、钢球[21]和可调端盖[22]，蜗杆[17]通过固定销[9]与伺服电机[6]输出轴固联，可调端盖[22]通过螺纹与方形箱体[25]相连，蜗轮[18]与其输出轴加工为一体，通过蜗轮支撑轴承[26]安装在方形箱体[25]上，其中一端安装有一个铜套[35]，铜套[35]内部为一个蜗轮支撑轴承[26]、外端有可调固紧螺丝[16]进行位置调节，两个蜗轮输出块[12]通过销钉[11]与蜗轮[18]输出轴固联，每个蜗轮输出块[12]两侧分别联接有两个旋向相同的扭簧[10]，即方形箱体两侧的扭簧[10]旋向相反。

2、根据权利要求1所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：还包括电机编码器[34]，电机编码器[34]通过编码器固定支架[33]和连接法兰[3]固连。

3、根据权利要求1或2所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在蜗轮[18]输出轴一端安装有一个电位计[31]，电位计[31]通过电位计支撑架[30]固定在方形箱体[25]上。

4、根据权利要求1或2所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在传递关节块II[36]和方形箱体[25]之间安装卡簧[27]。

5、根据权利要求3所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在传递关节块II[36]和方形箱体[25]之间安装卡簧[27]。

6、根据权利要求1或2所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在传递关节块I[15]和传递关节块II[36]之间通过连接板[14]联接，两个传递关节块I[15]之间通过固定加强板[23]联接。

7、根据权利要求3所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在传递关节块I[15]和传递关节块II[36]之间通过连接板[14]联接，两个传递关节块I[15]之间通过固定加强板[23]联接。

8、根据权利要求4所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在传递关节块I[15]和传递关节块II[36]之间通过连接板[14]联接，两个传递关节块I[15]之间通过固定加强板[23]联接。

9、根据权利要求5所述的多足机器人仿生弹性驱动关节模块，其特征是：在传递关节块I[15]和传递关节块II[36]之间通过连接板[14]联接，两个传递关节块I[15]之间通过固定加强板[23]联接。

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