CN112873266B - 仿人机器人及其二自由度模块化仿人机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿人机器人及其二自由度模块化仿人机器人关节，属于仿人机器人技术领域。本发明的二自由度模块化仿人机器人关节包括两组相同的驱动和传动机构，该驱动和传动机构为：电机轴与丝杠一端连接，滑块的中间孔与丝杠啮合，滑块下端通孔与连杆一的一端套接，连杆一另一端通过十字轴组件一与连杆二一端连接，连杆二另一端与关节轴承组件固连，关节轴承组件与U型架的执行端固连。本发明能减小仿人机器人手臂或腿部关节运动时机构的转动惯量，结构稳定、灵活度高，并可根据不同的使用需求选择不同类型的丝杠进行针对性设计。

Description

仿人机器人及其二自由度模块化仿人机器人关节

技术领域

本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及仿人机器人及其二自由度模块化仿人机器人关节。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，仿人机械关节越来越多地被应用到各行业中。但是目前的仿人机械关节仍存在如下问题：拟人化程度低而无法完成一些特定任务，或者具备一定的拟人化程度，但是负载、机械强度和运动空间不够，导致仿人机械关节只具备一些演示功能或者应用在低载荷的场合；这些问题都限制了仿人机械关节的广泛应用。

当仿人机器人使用机械关节终端执行任务尤其是带负载的任务时，腕关节或踝关节作为执行端的连接部位，远离躯干，需要尽量减轻重量，同时可承受一定的力和力矩，还需要足够的自由度、运动空间和灵活性，所以腕关节和踝关节的设计是仿人机械关节设计的重点和难点之一。

现有的仿人机械关节主要有串联型和并联型两种，串联型关节的主要问题是结构重心容易靠近执行端，机构转动惯量大，线缆布局难度较高。并联型关节也同样存在着一些问题，如：工作空间小，刚度低，或者结构过于复杂，装拆困难。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种仿人机器人及其二自由度模块化仿人机器人关节。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种二自由度模块化仿人机器人关节，包括两组相同的驱动和传动机构，每组驱动和传动机构包括电机、丝杠、滑块、连杆一、十字轴组件一、连杆二、关节轴承组件和U型架，所述滑块上设有3个位于同一条直线上的通孔；

所述电机的输出轴与丝杠一端连接，滑块中间孔与丝杠啮合，滑块下端通孔与连杆一的一端套接，连杆一的另一端通过十字轴组件一与连杆二的一端连接，连杆二的另一端与关节轴承组件固连，关节轴承组件与U型架的执行端固连。

进一步地，所述电机固定安装在电机框架内部，所述电机框架内侧固连有轴承座，所述轴承座上安装有丝杠轴承，所述丝杠轴承用于支撑丝杠一端，所述丝杠另一端通过安装在末端支撑架上的丝杠轴承支撑。

更进一步地，所述末端支撑架通过十字轴组件二与U型架的开口端连接。

更进一步地，所述轴承座与末端支撑架之间固连有导向杆，所述导向杆穿过滑块的上端通孔，且导向杆与滑块的上端通孔间隙配合。

进一步地，所述滑块的下端通孔通过锁紧螺钉与连杆一的一端套接。

进一步地，所述关节轴承组件包括关节轴承螺母、关节轴承、压环和关节轴承轴，所述关节轴承通过关节轴承轴与U型架封闭端固连，并通过压环和关节轴承螺母轴向定位和锁紧。

更进一步地，所述十字轴组件一和十字轴组件二均由4个十字轴螺套和1个十字轴组成，4个十字轴螺套分别安装在两个连接件的一对连接孔内，且十字轴螺套与十字轴固连。

进一步地，所述关节轴承组件与U型架的执行端固连，具体为：两组关节轴承组件与U型架执行端固连的位置位于U型架执行端连接面的对角线上。

进一步地，丝杠选用滚珠丝杠或梯形丝杠。

一种仿人机器人，包括上述二自由度模块化仿人机器人关节。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的二自由度模块化仿人机器人关节包括两组相同的驱动和传动机构，该驱动和传动机构为：电机轴与丝杠一端连接，滑块的中间孔与丝杠啮合，滑块下端通孔与连杆一的一端套接，连杆一另一端通过十字轴组件一与连杆二一端连接，连杆二另一端与关节轴承组件固连，关节轴承组件与U型架的执行端固连；本发明的驱动机构远离执行端，减小仿人机器人手臂或腿运动时的转动惯量，减小线缆布局的难度。

(2)本发明采用2PUS+U的并联传动方式，通过控制2台电机的耦合运动控制执行端的运动，实现手臂或腿的俯仰和偏摆运动，关节运动空间较大、灵活度高。

(3)本发明中两组关节轴承组件与U型架执行端固连的位置位于U型架执行端连接面的对角线上，结构较简单，稳定性高。

(4)本发明中可根据不同的使用要求选择不同类别的丝杠，如选用滚珠丝杠可获得更高的传动效率，选用梯形丝杠可通过选择合适的螺纹升角实现结构自锁，提高仿人机器人关节的安全性。

附图说明

图1为本发明所述二自由度模块化仿人机器人关节轴测图；

图2为本发明所述二自由度模块化仿人机器人关节***图；

图中，1、电机框架；2、电机；3、联轴器；4、丝杠轴承；5、轴承座；6、丝杠；7、锁紧螺钉；8、滑块；9、导向杆；10、连杆一；11、十字轴组件一；12、连杆二；13、关节轴承组件；14、末端支撑架；15、十字轴组件二；16、U型架；111、十字轴螺套一；112、十字轴一；131、关节轴承螺母；132、关节轴承；133、压环；134、关节轴承轴；151、十字轴螺套二；152、十字轴二。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，一种二自由度模块化仿人机器人关节包括两组相同的驱动和传动机构，每组驱动和传动机构由电机2、联轴器3、丝杠6、锁紧螺钉7、滑块8、连杆一10、十字轴组件一11、连杆二12、关节轴承组件13和丝杠轴承4组成。每组驱动和传动机构均固定安装在由电机框架1、导向杆9和末端支撑架14组成的结构框架上；两组驱动和传动机构的运动末端均连接U型架16的执行端，共同驱动U型架16运动。

如图1所示，电机2固定安装在电机框架1内部，电机轴通过联轴器3与丝杠6连接，丝杠6通过两端的丝杠轴承4提供支撑，2个丝杠轴承4分别安装在轴承座5和末端支撑架14的轴承孔内，轴承座5与电机框架1固连，电机2的输出轴转动可转化为丝杠6稳定的转动。滑块8上设有3个平行的通孔，中间孔通过内螺纹与丝杠6的外螺纹啮合，两端通孔分别与导向杆9和连杆一10配合；上端通孔与导向杆9为间隙配合，在导向杆9的定位和导向作用下，当丝杠6转动时，滑块8可沿丝杠6进行轴向直线运动，构成P型运动关节；导向杆9的两端分别与轴承座5和末端支撑架14固连；下端通孔通过锁紧螺钉7与连杆一10的一端固连，且滑块8可沿连杆一10相对直线运动，在滑块8直线运动时，带动连杆一10做相同的运动。十字轴组件一11的一对轴与连杆一10的另一端连接，十字轴组件一11的另一对轴与连杆二12的一端连接，十字轴组件一11能同时与连杆一10和连杆二12相对转动；连杆一10通过十字轴组件一11与连杆二12连接，构成U型运动关节。连杆二12的另一端与关节轴承组件13固连，同时关节轴承组件13的关节轴承轴134与U型架16固连，构成S型运动关节。十字轴组件二15的一对轴与U型架16的开口端连接，另一对轴与两末端支撑架14连接，十字轴组件二15能同时与U型架16和末端支撑架14相对转动，构成U型运动关节。U型架16可通过执行端连接面上的螺纹孔与执行端(机械手或机械足)固连。

两个驱动和传动机构的U型运动关节分别位于U型架16执行端连接面的对角线位置，当连杆一10直线运动时，通过十字轴组件一11带动连杆二12运动，进而通过关节轴承组件13带动U型架16绕十字轴组件二15的两对轴的轴线转动。当两个电机2的运动状态改变时，带动滑块8改变运动状态，进而共同驱动U型架16转动，并最终驱动与U型架16执行端连接面连接的末端实现预期的复合运动。

本发明的丝杠6可以选用滚珠丝杠或梯形丝杠。

如图2所示，关节轴承组件13由关节轴承螺母131、关节轴承132、压环133和关节轴承轴134组成；关节轴承132通过关节轴承轴134与U型架16连接，并通过压环133和关节轴承螺母131轴向定位和锁紧。十字轴组件一11由4个十字轴螺套一111和1个十字轴一112组成，4个十字轴螺套一111分别安装在连杆一10和连杆二12的一对连接孔内，十字轴螺套一111通过端部的凸台轴向定位，并可在连接孔内转动，十字轴螺套一111通过内螺纹与十字轴一112对应的外螺纹固连。十字轴组件二15由4个十字轴螺套二151和1个十字轴二152组成，4个十字轴螺套二151分别安装在末端支撑架14和U型架16的一对连接孔内，十字轴螺套二151通过端部的凸台轴向定位，并可在连接孔内转动，十字轴螺套二151通过内螺纹与十字轴二152的外螺纹固连。

驱动和传动机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数目等于机构自由度数目F；机构自由度数目的计算公式为：

F＝6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1

其中：F是机构自由度数目，n是的数目；P5是有1个自由度、5个约束的运动副；P4是有2个自由度，4个约束的运动副；P3是有3个自由度，3个约束的运动副；P2是有4个自由度，2个约束的运动副；P1是有5个自由度，2个约束的运动副。

本发明中活动构件为5个，具体包括滑块8和连杆一10组成的构件、十字轴组件一11、连杆二12和关节轴承组件13组成的构件、十字轴组件二15和U型架16。

本发明采用2PUS+U(两自由度球面并联肩胛带机构)的并联传动方式，滑块8和连杆一10组成的构件、丝杠6和导向杆9组成P5级的移动副(共2个)，滑块8和连杆一10组成的构件、十字轴组件一11以及连杆二12和关节轴承组件13组成的构件，共同组成的十字轴关节为P4级的运动副(共2个)，连杆二12和关节轴承组件13组成的构件与U型架16组成P3级的球面副(共2个)，末端支撑架14、十字轴组件二15与U型架16组成的十字轴关节为P4级的运动副(共1个)。所以自由度数目为：

F＝6x5-5x2-4x3-3x2＝2

本发明由两台电机2驱动两根丝杠6转动，原动件数目与自由度数目相同，具有确定的运动轨迹。通过调整电机2的运动状态，可控制与U型架16固连的执行端实现pitch和yaw两个方向的复合运动。

实施例2

一种仿人机器人，包括实施例1中的二自由度模块化仿人机器人关节，其结构和工作过程在实施例1中已详细说明，在此不再赘述。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种二自由度模块化仿人机器人关节，其特征在于，包括两组相同的驱动和传动机构，每组驱动和传动机构包括电机（2）、丝杠（6）、滑块（8）、连杆一（10）、十字轴组件一（11）、连杆二（12）、关节轴承组件（13），所述滑块（8）上设有3个位于同一条直线上的通孔；

所述电机（2）的输出轴与丝杠（6）一端连接，滑块（8）中间孔与丝杠（6）啮合，滑块（8）下端通孔与连杆一（10）的一端套接，连杆一（10）的另一端通过十字轴组件一（11）与连杆二（12）的一端连接，连杆二（12）的另一端与关节轴承组件（13）固连，关节轴承组件（13）与U型架（16）的执行端固连；所述关节轴承组件（13）与U型架（16）的执行端固连，具体为：两组关节轴承组件（13）与U型架（16）执行端固连的位置位于U型架（16）执行端连接面的对角线上；

所述电机（2）固定安装在电机框架（1）内部，所述电机框架（1）内侧固连有轴承座（5），所述轴承座（5）上安装有丝杠轴承（4），所述丝杠轴承（4）用于支撑丝杠（6）一端，所述丝杠（6）另一端通过安装在末端支撑架（14）上的丝杠轴承（4）支撑；所述末端支撑架（14）通过十字轴组件二（15）与U型架（16）的开口端连接；

所述轴承座（5）与末端支撑架（14）之间固连有导向杆（9），所述导向杆（9）穿过滑块（8）的上端通孔，且导向杆（9）与滑块（8）的上端通孔间隙配合。

2.根据权利要求1所述的二自由度模块化仿人机器人关节，其特征在于，所述滑块（8）的下端通孔通过锁紧螺钉（7）与连杆一（10）的一端套接。

3.根据权利要求1所述的二自由度模块化仿人机器人关节，其特征在于，所述关节轴承组件（13）包括关节轴承螺母（131）、关节轴承（132）、压环（133）和关节轴承轴（134），所述关节轴承（132）通过关节轴承轴（134）与U型架（16）封闭端固连，并通过压环（133）和关节轴承螺母（131）轴向定位和锁紧。

4.根据权利要求1所述的二自由度模块化仿人机器人关节，其特征在于，所述十字轴组件一（11）和十字轴组件二（15）均由4个十字轴螺套和1个十字轴组成，4个十字轴螺套分别安装在两个连接件的一对连接孔内，且十字轴螺套与十字轴固连。

5.根据权利要求1所述的二自由度模块化仿人机器人关节，其特征在于，所述丝杠（6）选用滚珠丝杠或梯形丝杠。

6.一种仿人机器人，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的二自由度模块化仿人机器人关节。

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