CN115303382B - 足式机器人关节驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种足式机器人关节驱动装置及方法，其中，所述足式机器人关节驱动装置包括壳体以及设置在壳体上的第一关节驱动机构、第二关节驱动机构、调节机构、第一连杆和第二连杆，所述调节机构分别与所述第一关节驱动机构输出端以及第二关节驱动机构的输出端耦合，所述第一关节驱动机构的输出端与第一连杆连接，所述第二关节驱动机构的输出端连接有用于使第二连杆随所述第一连杆动作的联动组件，所述联动组件可转动地设置在所述第一连杆上，所述第二连杆设置在所述联动组件上，所述第一连杆和第二连杆分别连接足式机器人关节臂。本方案实现了两个关节的协调动作。

Description

足式机器人关节驱动装置及方法

技术领域

本发明属于足式机器人关节驱动领域，特别是涉及一种足式机器人关节驱动装置。

背景技术

人的手臂中作为运动驱动执行器的肌肉，具有单关节肌与双关节肌两种。其中，单关节肌实现对各个关节的独立驱动，而双关节肌可以同步实现两个关节的驱动，具有双关节同时驱动的特性。

足式机器人模拟人体动作，因其步态多样、通过性强，目前已被应用于环境复杂的工业巡检等场景。而现有的足式机器人中每一个关节都是由单独的驱动执行器进行驱动，即单关节驱动。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种足式机器人关节驱动装置及方法，以实现足式机器人双关节的同步驱动。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种足式机器人关节驱动装置，包括：壳体以及设置在壳体上的第一关节驱动机构、第二关节驱动机构、调节机构、第一连杆和第二连杆，所述调节机构分别与所述第一关节驱动机构输出端以及第二关节驱动机构的输出端耦合所述第一关节驱动机构的输出端与第一连杆连接，所述第二关节驱动机构的输出端连接有用于使第二连杆随所述第一连杆动作的联动组件，所述联动组件可转动地设置在所述第一连杆上，所述第二连杆设置在所述联动组件上，所述第一连杆和第二连杆分别连接足式机器人关节臂。

可选地，所述第一关节驱动机构包括第一驱动电机以及用于带动第一连杆转动的第一转轴，所述第一驱动电机的输出端与所述第一转轴固定连接，所述第一转轴可沿自身轴线转动地安装在所述壳体上。

可选地，所述第二关节驱动机构包括第二驱动电机以及用于带动联动组件动作的第二转轴，所述第二驱动电机的输出端与所述第二转轴固定连接，所述第二转轴可沿自身轴线转动地安装在所述壳体上。

可选地，所述联动组件包括第三转轴和第四转轴，所述第一转轴和所述第三转轴之间设置有用于带动第一连杆动作的第一传动组件，所述第一连杆固定安装在所述第一传动组件上所述第二转轴和所述第三转轴之间设置有用于使第三转轴随第二转轴转动的第二传动组件，且所述第二转轴和所述调节机构的输入端之间设置有用于使调节机构随所述第二转轴转动的第三传动组件；所述第三转轴和所述第四转轴之间设置有用于使第四转轴随所述第三转轴转动的第四传动组件，所述第二连杆固定安装在所述第四转轴上。

可选地，所述第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件和第四传动组件均包括主动轮、从动轮以及用于使从动轮随主动轮转动的皮带。

可选地，所述第一传动组件的主动轮套设在所述第一转轴上，且所述第一传动组件的主动轮与所述第一转轴固定；所述第一传动组件的从动轮套设在所述第三转轴上，且所述第一传动组件的从动轮可相对于所述第三转轴转动；所述第一连杆的一端与所述第一传动组件的从动轮固定，所述第一连杆的另一端套设在所述第四转轴上。

可选地，所述第二传动组件的主动轮套设在所述第二转轴上，且所述第二传动组件的主动轮与所述第二转轴固定，所述第二传动组件的从动轮套设在所述第三转轴上，且所述第二传动组件的从动轮可相对于所述第三转轴转动。

可选地，所述第三传动组件的主动轮套设在所述第二转轴上，且所述第三传动组件的主动轮与所述第二转轴固定，所述第三传动组件的从动轮与所述调节机构的输入端连接；所述第四传动组件的主动轮套设在所述第三转轴上，且所述第四传动组件的主动轮与所述第三转轴固定，所述第四传动组件的从动轮套设在所述第四转轴上，且所述第四传动组件的从动轮与所述第四转轴固定。

可选地，所述调节机构包括第三驱动电机以及少齿差行星齿轮传动组件，所述少齿差行星齿轮传动组件包括销轴盘、外齿轮、内齿轮、公转轴以及受所述第二关节驱动机构驱动的自转偏心轴，所述销轴盘上设置有销轴，所述外齿轮上对应销轴开设有销孔，所述外齿轮至少设置有两个，两个外齿轮中心分别固定安装在所述自转偏心轴上，所述第三驱动电机的输出端与所述公转轴连接，所述公转轴与所述销轴盘连接，所述外齿轮安装在所述内齿轮内，且所述外齿轮与所述内齿轮啮合；所述第一转轴上固定有传动齿轮，所述传动齿轮与所述内齿轮的外齿圈啮合。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种足式机器人关节驱动方法，应用于所述足式机器人关节驱动装置，所述方法包括：

控制第一关节驱动机构驱动第一连杆动作，以通过第一连杆带动第二连杆动作；

控制第二关节驱动机构驱动第二连杆动作；

控制调节机构与第一关节驱动机构的输出端和第二关节驱动机构的输出端耦合，以调节所述第一连杆和第二连杆的输出力度。

如上所述，本发明的足式机器人关节驱动装置及方法，具有以下有益效果：

在本实方案，通过第一关节驱动机构驱动第一连杆动作，以带动联动组件动作，通过联动组件动作，使得第二连杆随第一连杆动作，进而使得关节臂两端的关节分别动作。通过第二关节驱动机构驱动联动组件动作，以实现第二连杆的单独动作。通过调节机构进行第一连杆和第二连杆输出力度的调节。

附图说明

图1为本发明实施例中足式机器人关节驱动装置的剖结构示意图。

图2为本发明实施例中少齿差行星齿轮传动组件的结构示意图。

具体实施方式

说明书附图中的附图标记包括：第一驱动电机101、第一转轴102、第一传动组件103、传动齿轮104、第一连杆2、第二驱动电机301、第二转轴302、第二传动组件303、第三转轴4、第二连杆5、第四传动组件6、第三驱动电机7、少齿差行星齿轮传动组件8、销轴盘801、销轴802、内齿轮803、自转偏心轴804、外齿轮805、公转轴806、第三传动组件9、第四转轴10。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

本申请提供的足式机器人关节驱动装置，具体参考图1和图2。

本实施例提供了一种足式机器人关节驱动装置，包括：壳体以及设置在壳体上的第一关节驱动机构、第二关节驱动机构、调节机构、第一连杆2和第二连杆5，调节机构分别与第一关节驱动机构输出端以及第二关节驱动机构的输出端耦合，第一关节驱动机构的输出端与第一连杆2连接，第二关节驱动机构的输出端连接有用于使第二连杆5随第一连杆2动作的联动组件，联动组件可转动地设置在第一连杆2上，第二连杆5设置在联动组件上，第一连杆2和第二连杆5分别连接足式机器人关节臂。

在本实施例中，通过第一关节驱动机构驱动第一连杆2动作，以带动联动组件动作，通过联动组件动作，使得第二连杆5随第一连杆2动作。通过第二关节驱动机构驱动联动组件动作，以实现第二连杆5的单独动作。通过调节机构进行第一连杆2和第二连杆5输出力度的调节。

示例性的，第一连杆2和第二连杆5分别位于足式机器人关节臂的两端，与足式机器人关节臂连接位置构成足式机器人关节。

在一示例性实施例中，第一关节驱动机构包括第一驱动电机101以及用于带动第一连杆2转动的第一转轴102，第一驱动电机101的输出端与第一转轴102固定连接，第一转轴102可沿自身轴线转动地安装在壳体上。

在本实施例中，通过第一驱动电机101驱动第一转轴102转动，以带动第一连杆2和联动组件动作。

在一示例性实施例中，第二关节驱动机构包括第二驱动电机301以及用于带动联动组件动作的第二转轴302，第二驱动电机301的输出端与第二转轴302固定连接，第二转轴302可沿自身轴线转动地安装在壳体上。

在本实施例中，通过第二驱动电机301驱动第二转轴302转动，以带动联动组件动作，进而通过联动组件带动第二连杆5动作。

在一示例性实施例中，联动组件包括第三转轴4和第四转轴10，第一转轴102和第三转轴4之间设置有用于带动第一连杆2动作的第一传动组件103，第一连杆2固定安装在第一传动组件103上，第二转轴302和第三转轴4之间设置有用于使第三转轴4随第二转轴302转动的第二传动组件303，且第二转轴302和调节机构的输入端之间设置有用于使调节机构随第二转轴302转动的第三传动组件9；第三转轴4和第四转轴10之间设置有用于使第四转轴10随第三转轴4转动的第四传动组件6，第二连杆5固定安装在第四转轴10上。

值得说明的是，第一驱动电机101动作时，带动第一转轴102转动，此时第三转轴4不会在第一传动组件103的带动下沿自身轴线转动。由于第一连杆2固定安装在第一传动组件103上，使得第一连杆2将随第一传动组件103的转动而动作，此时，第一连杆2、第四转轴10将以第三转轴4为旋转中心进行转动。当第二驱动电机301动作时，带动第二转轴302转动，此时第二转轴302带动第三转轴4转动，然后通过第四传动组件6带动第四转轴10转动，使得与第四转轴10固定的第二连杆5转动。

在一示例性实施例中，第一传动组件103、第二传动组件303、第三传动组件9和第四传动组件6均包括主动轮、从动轮以及用于使从动轮随主动轮转动的皮带，实现柔性传动。

值得说明的是，本方案中通过主动轮、从动轮转动，以实现两个轴之间的同步转动。且皮带的设置，使得第四转轴10可以以第三转轴4为旋转中心旋转。

在一示例性实施例中，第一传动组件103的主动轮套设在第一转轴102上，且第一传动组件103的主动轮与第一转轴102固定；第一传动组件103的从动轮套设在第三转轴4上，且第一传动组件103的从动轮可相对于第三转轴4转动；第一连杆2的一端与第一传动组件103的从动轮固定，第一连杆2的另一端套设在第四转轴10上。

示例性的，第一连杆2通过套筒套设在第三转轴4和第四转轴10上。

值得说明的是，第一传动组件103的从动轮与第三转轴4之间通过套筒安装，使得第一转轴102转动时，无法带动第三转轴4沿自身轴线转动。

在一示例性实施例中，第二传动组件303的主动轮套设在第二转轴302上，且第二传动组件303的主动轮与第二转轴302固定，第二传动组件303的从动轮套设在第三转轴4上，且第二传动组件303的从动轮可相对于第三转轴4转动。

值得说明的是，第二传动组件303的主动轮与第二转轴302固定，第二传动组件303的从动轮与第三转轴4固定，使得第二转轴302转动时，将带动第三转轴4转动。

在一示例性实施例中，第三传动组件9的主动轮套设在第二转轴302上，且第三传动组件9的主动轮与第二转轴302固定，第三传动组件9的从动轮与调节机构的输入端连接；第四传动组件6的主动轮套设在第三转轴4上，且第四传动组件6的主动轮与第三转轴4固定，第四传动组件6的从动轮套设在第四转轴10上，且第四传动组件6的从动轮与第四转轴10固定。

在本实施例中，第二转轴302转动，将带动第三传动组件9的主动轮转动，进而带动第三传动组件9的从动轮动作，使得调节机构动作。

在一示例性实施例中，调节机构包括第三驱动电机7以及少齿差行星齿轮传动组件8，少齿差行星齿轮传动组件8包括销轴盘801、外齿轮805、内齿轮803、公转轴806以及受第二关节驱动机构驱动的自转偏心轴804，销轴盘801上设置有销轴802，外齿轮805上对应销轴802开设有销孔，外齿轮805至少设置有两组，两组外齿轮805中心分别固定安装在自转偏心轴804上，第三驱动电机7的输出端与公转轴806连接，公转轴806与销轴盘801连接，外齿轮805安装在内齿轮803内，且外齿轮805与内齿轮803啮合；第一转轴102上固定有传动齿轮104，传动齿轮104与内齿轮803的外齿圈啮合。

值得说明的是，少齿差行星齿轮传动组件8具有较大传动比，在传动比为11以上时，能有效提高足式机器人动作位置控制的精准性。通过少齿差行星齿轮传动组件8，实现了足式机器人双关节的同时驱动，同时实现足式机器人的位姿控制和输出力度的控制，提高了机器人运动的安全性。通过对第一驱动电机101、第二驱动电机301以及第三驱动电机7的输出设置，可以对足式机器人关节的出力特性进行调控，优化机器人关节的力学特性。且足式机器人双关节的同时驱动并不依赖于力矩传感器以及复杂的控制算法，降低了成本及作业***的复杂度。

在本实施例中，通过第二转轴302带动自转偏心轴804转动，使得未偏心安装的外齿轮805和偏心安装的外齿轮805均实现自转，通过第三驱动电机7驱动外齿轮805进行公转。外齿轮805转动将带动内齿轮803转动，使得内齿轮803的外齿圈带动传动齿轮104转动，进而实现第一连杆2输出力度的控制，由于自转偏心轴804与第二转轴302同步转动，实现第二连杆5输出力度的控制。

另外，针对上述足式机器人关节驱动装置，本申请还提供了一种足式机器人关节驱动方法，包括：

步骤S1：控制第一关节驱动机构驱动第一连杆2动作，以通过第一连杆2带动第二连杆5动作。

示例性的，通过控制第一驱动电机101动作，使得第一转轴102动作，并通过第一联动组件带动第一连杆2动作，使得第一连杆2、第四转轴10和第二连杆5以第三转轴4为旋转轴转动。

步骤S2：控制第二关节驱动机构驱动第二连杆5动作。

示例性的，通过控制第二驱动电机301动作，使得第二转轴302转动，通过第二传动组件303带动第三转轴4转动，进而使得第二连杆5以第四转轴10为旋转轴转动。

步骤S3：控制调节机构与第一关节驱动机构的输出端和第二关节驱动机构的输出端耦合，以调节第一连杆2和第二连杆5的输出力度。

示例性的，第二驱动电机301通过第三传动组件9带动调节机构中的少齿差行星齿轮传动组件8的自转偏心轴804转动，通过第三驱动电机7带动少齿差行星齿轮传动组件8中的公转轴806转动，进而使得外齿轮805进行公转和自转。通过外齿轮805与内齿轮803的啮合，内齿轮803与第一转轴102上传动齿轮104的啮合，控制第一转轴102的输出力度，通过自转偏心轴804与第二转轴302的同步动作，控制第二连杆5的输出力度。

在一示例性实施例中，当关节在自由空间需要驱动第一连杆2和第二连杆5分别运动到指定位置时，第一驱动电机101或第二驱动电机301动作，第二驱动电机301处于静止锁定状态。当第一驱动电机101顺时针旋转时，传动齿轮104顺时针旋转，与传动齿轮104相啮合的内齿轮803将逆时针旋转，第一连杆2产生逆时针旋转运动，从而旋转到指定位置。当第三驱动电机7逆时针旋转时，将带动第二连杆5逆时针旋转，从而旋转到指定位置。

在一示例性实施例中，当第一连杆2和第二连杆5的输出需要进行力度控制时，第一驱动电机101、第二驱动电机301以及第三驱动电机7共同进行驱动控制。当第一驱动电机101和第二驱动电机301顺时针旋转时，驱动第一连杆2和第二连杆5顺时针旋转动作，带动外齿轮805进行自转与公转运动，从而使得销轴盘801的运动受到第一连杆2和第二连杆5的耦合作用。当第三驱动电机7驱动销轴盘801转动时，将带动外齿轮805做旋转动作，施加在外齿轮805上的力矩将反作用于自转偏心轴804和内齿轮803上，自转偏心轴804和内齿轮803再通过齿轮啮合将力矩传递至第一连杆2和第二连杆5，实现第一连杆2和第二连杆5的出力控制。当第三驱动电机7的输出扭矩发生改变时，第一连杆2的输出力矩将随之改变，并且通过同时与自转偏心轴804以及内齿轮803的内齿啮合的外齿轮805，可以将第三驱动电机7的力矩传递至内齿轮803上，从而使影响第一连杆2的输出力矩。反之，第一驱动电机101的输出扭矩发生变化，将同时影响第一连杆2和第二连杆5的输出力矩。

本实施例中通过少齿差行星齿轮传动组件8，实现足式机器人双关节的同时驱动，将机器人关节由第一驱动带电机、第二驱动电机301、第三驱动电机7与关节臂的刚性连接转变为由第一传动组件103至第四传动组件6组成的柔性连接，实现机器人关节的位姿控制与出力控制，优化了足式机器人关节的运动特性，降低了控制***的成本和复杂程度。

由于足式机器人关节驱动装置中已经阐述了足式机器人关节驱动方法中的部分内容，在此，不再对所述方法进行过多叙述。

值得说明的是，方法中的步骤S1-S3的标号顺序并不限制各个步骤之间的先后顺序。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种足式机器人关节驱动装置，其特征在于，包括：壳体以及设置在壳体上的第一关节驱动机构、第二关节驱动机构、调节机构、第一连杆和第二连杆，所述调节机构分别与所述第一关节驱动机构输出端以及第二关节驱动机构的输出端耦合，所述第一关节驱动机构的输出端与第一连杆连接，所述第二关节驱动机构的输出端连接有用于使第二连杆随所述第一连杆动作的联动组件，所述联动组件可转动地设置在所述第一连杆上，所述第二连杆设置在所述联动组件上，所述第一连杆和第二连杆分别连接足式机器人关节臂；

所述第一关节驱动机构包括第一驱动电机以及用于带动第一连杆转动的第一转轴，所述第一驱动电机的输出端与所述第一转轴固定连接，所述第一转轴可沿自身轴线转动地安装在所述壳体上；

所述第二关节驱动机构包括第二驱动电机以及用于带动联动组件动作的第二转轴，所述第二驱动电机的输出端与所述第二转轴固定连接，所述第二转轴可沿自身轴线转动地安装在所述壳体上；

所述联动组件包括第三转轴和第四转轴，所述第一转轴和所述第三转轴之间设置有用于带动第一连杆动作的第一传动组件，所述第一连杆固定安装在所述第一传动组件上，所述第二转轴和所述第三转轴之间设置有用于使第三转轴随第二转轴转动的第二传动组件，且所述第二转轴和所述调节机构的输入端之间设置有用于使调节机构随所述第二转轴转动的第三传动组件；所述第三转轴和所述第四转轴之间设置有用于使第四转轴随所述第三转轴转动的第四传动组件，所述第二连杆固定安装在所述第四转轴上。

2.根据权利要求1所述的足式机器人关节驱动装置，其特征在于，所述第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件和第四传动组件均包括主动轮、从动轮以及用于使从动轮随主动轮转动的皮带。

3.根据权利要求2所述的足式机器人关节驱动装置，其特征在于，所述第一传动组件的主动轮套设在所述第一转轴上，且所述第一传动组件的主动轮与所述第一转轴固定；所述第一传动组件的从动轮套设在所述第三转轴上，且所述第一传动组件的从动轮可相对于所述第三转轴转动；所述第一连杆的一端与所述第一传动组件的从动轮固定，所述第一连杆的另一端套设在所述第四转轴上。

4.根据权利要求3所述的足式机器人关节驱动装置，其特征在于，所述第二传动组件的主动轮套设在所述第二转轴上，且所述第二传动组件的主动轮与所述第二转轴固定，所述第二传动组件的从动轮套设在所述第三转轴上，且所述第二传动组件的从动轮可相对于所述第三转轴转动。

5.根据权利要求4所述的足式机器人关节驱动装置，其特征在于，所述第三传动组件的主动轮套设在所述第二转轴上，且所述第三传动组件的主动轮与所述第二转轴固定，所述第三传动组件的从动轮与所述调节机构的输入端连接；所述第四传动组件的主动轮套设在所述第三转轴上，且所述第四传动组件的主动轮与所述第三转轴固定，所述第四传动组件的从动轮套设在所述第四转轴上，且所述第四传动组件的从动轮与所述第四转轴固定。

6.根据权利要求2所述的足式机器人关节驱动装置，其特征在于，所述调节机构包括第三驱动电机以及少齿差行星齿轮传动组件，所述少齿差行星齿轮传动组件包括销轴盘、外齿轮、内齿轮、公转轴以及受所述第二关节驱动机构驱动的自转偏心轴，所述销轴盘上设置有销轴，所述外齿轮上对应销轴开设有销孔，所述外齿轮至少设置有两个，两个外齿轮中心分别固定安装在所述自转偏心轴上，所述第三驱动电机的输出端与所述公转轴连接，所述公转轴与所述销轴盘连接，所述外齿轮安装在所述内齿轮内，且所述外齿轮与所述内齿轮啮合；所述第一转轴上固定有传动齿轮，所述传动齿轮与所述内齿轮的外齿圈啮合。

7.一种足式机器人关节驱动方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任一项所述的足式机器人关节驱动装置，所述方法包括：

控制第一关节驱动机构驱动第一连杆动作，以通过第一连杆带动第二连杆动作；

控制第二关节驱动机构驱动第二连杆动作；

控制调节机构与第一关节驱动机构的输出端和第二关节驱动机构的输出端耦合，以调节所述第一连杆和第二连杆的输出力度。