CN115922730A - 一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法，其包括转轴、保护筒、减速组件、供电线圈和连接柱，其中转轴与驱动电机的输出轴连接，多个减速组件设置在保护筒内，每个减速组件包括第一电磁铁片和第一磁性片，第一磁性片通过柔性片与保护筒的内壁连接，并悬置在保护筒的内部，第一磁性片靠近转轴的一侧设有磁力隔绝片，电磁隔绝片上设有摩擦块；供电线圈通过内设有电线的连接柱与多个减速组件连接；需要将转轴的转速快速下降至需要转速时，控制供电线圈使第一电磁铁片通电，以使第一磁性片的摩擦块向转轴移动，通过以上的设置利用磁力推动摩擦块产生阻力，避免惯性的影响，从而准确快速控制转速，其结构简单，制造成本较低。

Description

一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法。

背景技术

机器人能模仿人手和臂的某些动作，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机器人包括手部、臂部及机器人关节，机器人关节用以将该手部及臂部相互连接以使手部能相对于臂部实现多自由度运动，特别是一些类人机器人的颈椎关节的转动速度的控制尤为重要，其中一般通过减速器进行控制。

现有技术中一般减速器主要包括摆线针轮齿轮箱，普通行星齿轮箱，蜗轮蜗杆齿轮箱和谐波齿轮箱，普通单级和双级行星齿轮箱的减速比范围较小，蜗轮蜗杆齿轮箱减速比较大，但是输入转速低应用范围受限，目前应用最关键的是摆线针轮减速箱为曲轴驱动，传动精度较高，机构复杂，加工工艺要求极高；谐波减速箱是面接触多齿啮合，结构紧密但是输出为弹性片式杯型环，啮合位与输出部须弹性变形，结构抗冲击***叉，因此随着新技术的发展和应用对齿轮箱及关节的要求持续不断提高。另外，现有一种通过双变厚行星齿轮驱动双变厚行星齿圈的传动结构，但该结构输出的间隙和回程差较大，同时，双变厚齿轮加工工艺比较复杂，需要通过一个花键或者非圆结构连接起来，导致间隙调整较为困难。

以上的所介绍的减速的结构复杂，并且制造成本较低，因此亟需要一种结构简单、制造成本较低的减速结构，以控制颈椎关节的转动速。

发明内容

本申请实施例提供一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法，以解决相关技术中颈椎关节的减速器结构复杂、制造成本较高的问题。

第一方面，提供了一种机器人颈椎关节速度控制装置，包括：

保护筒，其一端同轴连接有驱动电机，并且其内设有转轴，转轴的一端与驱动电机的输出轴连接，另一端从保护筒中穿设而出，并用于和负载连接；

多个减速组件，其设置在所述保护筒内，并且以所述保护筒的中心轴为圆心呈圆形分布；每个减速组件包括第一电磁铁片和第一磁性片，第一电磁铁片与所述保护筒的内壁连接，第一磁性片通过柔性片与保护筒的内壁连接，并悬置在保护筒的内部，其中第一磁性片与对应的第一电磁铁片均位于同一个半径上；第一磁性片靠近转轴的一侧设有磁力隔绝片，电磁隔绝片上设有摩擦块；

供电线圈，其设置在所述保护筒的外侧，并通过内设有电线的连接柱与多个所述减速组件连接；供电线圈上设有电线接口。

一些实施例中，还包括姿态调节装置，姿态调节装置与所述电机远离其输出轴的一端连接，以用于调节负载的姿态。

一些实施例中，所述姿态调节装置包括：

基座，其内设有球形空间，并且一端具有与球形空间连通的开口；

芯柱，其与一端与所述电机连接，另一端设有穿设开口，并位于球形空间内的球形部；球形部的外侧设有多个第二磁性片；多个第二磁性片以球心为中心成圆形分布；

多个第二电磁铁片，其多个所述第二磁性片一一对应，并安装所述基座上；

橡胶支撑部，其设置在所述球形部和球形空间的内壁之间。

一些实施例中，所述橡胶支撑部的外表面涂覆有润滑剂。

一些实施例中，所述球形部的外表面上开设有安装槽，第二磁性片设置在安装槽内，以使第二磁性片的外表面与所述球形部的外表面形成完整的球面。

一些实施例中，基座包括两端开口的矩形外壳，矩形外壳的其中一个开口密封连接有密封盖，密封盖上设有安装块。

一些实施例中，所述驱动电机上设有安装圈，所述保护筒的端部上设有螺纹孔，安装圈通过安装螺钉与螺纹孔连接。

一些实施例中，所述柔性片采用硅胶材料制成。

一些实施例中，所述转轴的外表面上设有与摩擦块接触的耐磨层；或，

所述转轴的外表面上设有与摩擦块对应的环形槽，环形槽内设有耐磨环。

第二方面，提供了一种种机器人颈椎关节速度控制方法，其包括：

提供机器人颈椎关节速度控制装置，并安装在机器人的颈椎关节处；

获取控制指令，并按照如下方式进行控制：

当控制指令为需要使转轴停止转动时，控制驱动电机的电源关闭的同时，控制供电线圈使所述第一电磁铁片通电，并产生合适的磁力，以使所述第一磁性片的摩擦块向转轴移动，最终对转轴锁紧；

当控制指令为需要将转轴的转速快速下降至需要转速时，控制驱动电机的转速的同时，控制供电线圈使所述第一电磁铁片通电，并产生合适的磁力，以使所述第一磁性片的摩擦块向转轴移动，最终对转轴施加合适的阻力，以抵消惯性的影响，快速达到需要转速；

当控制指令不需要减速时，控制供电线圈使所述第一电磁铁片断通电。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

(1)本申请实施例提供了一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法，由于转轴的一端与驱动电机的输出轴连接，另一端从保护筒中穿设而出，并用于和负载连接；多个减速组件设置在保护筒内，并且以保护筒的中心轴为圆心呈圆形分布；每个减速组件包括第一电磁铁片和第一磁性片，第一电磁铁片与保护筒的内壁连接，第一磁性片通过柔性片与保护筒的内壁连接，并悬置在保护筒的内部，其中第一磁性片与对应的第一电磁铁片均位于同一个半径上；第一磁性片靠近转轴的一侧设有磁力隔绝片，电磁隔绝片上设有摩擦块；供电线圈设置在保护筒的外侧，并通过内设有电线的连接柱与多个减速组件连接；在使用时，当控制指令为需要使转轴停止转动时，控制驱动电机的电源关闭的同时，控制供电线圈使第一电磁铁片通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片的摩擦块向转轴移动，最终对转轴锁紧；当控制指令为需要将转轴的转速快速下降至需要转速时，控制驱动电机的转速的同时，控制供电线圈使第一电磁铁片通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片的摩擦块向转轴移动，最终对转轴施加合适的阻力，以抵消惯性的影响，快速达到需要转速；通过以上的设置利用磁力推动摩擦块产生阻力，避免惯性的影响，从而准确快速控制转速，其结构简单，制造成本较低，只需要控制产生的磁力就可以。

(2)由于磁力隔绝片可以避免在常态下，第一磁性片与转轴相互靠近的情况的发生，因为我们需要的是第一磁性片与第一电磁铁片之间的磁力，而不是第一磁性片与转轴之间的磁力。

(3)姿态调节装置包括基座，其内设有球形空间，并且一端具有与球形空间连通的开口；芯柱，其与一端与所述电机连接，另一端设有穿设开口，并位于球形空间内的球形部；球形部的外侧设有多个第二磁性片；多个第二磁性片以球心为中心成圆形分布；多个第二电磁铁片，其多个所述第二磁性片一一对应，并安装所述基座上；橡胶支撑部，其设置在所述球形部和球形空间的内壁之间；通过以上的结构设置，在常态下所有第二电磁铁片均通电，其与第二磁性片之间产生的磁力相互抵消，可以使球形部的姿态稳定，当需要球形部偏置时，控制对应侧的第二磁性片电流减小，其余的第二磁性片电流增大，从而实现调节。其中橡胶支撑部的设置是为提供一定的支撑力，保持姿态稳定，并且利用其具有弹力的特性使球形部具有一些复位的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的机器人颈椎关节速度控制装置的第一视角的***示意图；

图2为本申请实施例提供的机器人颈椎关节速度控制装置的第二视角的***示意图；

图3为本申请实施例提供的转轴、保护筒与减速组件的第一视角结构图；

图4为本申请实施例提供的转轴、保护筒与减速组件的第二视角结构图；

图5为本申请实施例提供的转轴、保护筒与减速组件的第三视角结构图；

图6为本申请实施例提供的转轴、保护筒与减速组件的第四视角结构图；

图7为本申请实施例提供的驱动电机与姿态调节装置的连接示意图；

图8为本申请实施例提供的基座和第二电磁铁片的连接示意图；

图9为本申请实施例提供的球形部和驱动电机的连接示意图；

图10为本申请实施例提供的密封盖的结构示意图。

图中：1、保护筒；2、驱动电机；3、转轴；4、第一电磁铁片；5、第一磁性片；6、摩擦块；7、柔性片；8、供电线圈；9、连接柱；10、电线接口；11、姿态调节装置；1100、基座；1101、球形部；1102、第二磁性片；1103、第二电磁铁片；1104、橡胶支撑部；1105、密封盖；1106、安装块；12、安装圈。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

由于颈椎关节的转动不需要很大的扭矩，相比较手部腿部的关节的转动所需要的扭矩是相对较小的，故而提出了本申请的机器人颈椎关节速度控制装置。另外为实现准确快速的控制关节的移动速度，其惯性的影响是需要考虑的。

本申请实施例提供一种机器人颈椎关节速度控制装置及控制方法，以解决相关技术中颈椎关节的减速器结构复杂、制造成本较高的问题。

请参阅图1-图10，一种机器人颈椎关节速度控制装置，其包括：

保护筒1，其一端同轴连接有驱动电机2，并且其内设有转轴3，转轴3的一端与驱动电机2的输出轴连接，另一端从保护筒1中穿设而出，并用于和负载连接；

多个减速组件，其设置在保护筒1内，并且以保护筒1的中心轴为圆心呈圆形分布；每个减速组件包括第一电磁铁片4和第一磁性片5，第一电磁铁片4与保护筒1的内壁连接，第一磁性片5通过柔性片7与保护筒1的内壁连接，并悬置在保护筒1的内部，其中第一磁性片5与对应的第一电磁铁片4均位于同一个半径上；第一磁性片5靠近转轴3的一侧设有磁力隔绝片，电磁隔绝片上设有摩擦块6；

供电线圈8，其设置在保护筒1的外侧，并通过内设有电线的连接柱9与多个减速组件连接；供电线圈8上设有电线接口10。

在使用时，当控制指令为需要使转轴3停止转动时，控制驱动电机2的电源关闭的同时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片5的摩擦块6向转轴3移动，最终对转轴3锁紧；当控制指令为需要将转轴3的转速快速下降至需要转速时，控制驱动电机2的转速的同时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片5的摩擦块6向转轴3移动，最终对转轴3施加合适的阻力，以抵消惯性的影响，快速达到需要转速；通过以上的设置利用磁力推动摩擦块6产生阻力，避免惯性的影响，从而准确快速控制转速，其结构简单，制造成本较低，只需要控制产生的磁力就可以。

由于磁力隔绝片可以避免在常态下，第一磁性片5与转轴3相互靠近的情况的发生，因为我们需要的是第一磁性片5与第一电磁铁片4之间的磁力，而不是第一磁性片5与转轴3之间的磁力。

在一些优选的实施例中，还包括姿态调节装置11，姿态调节装置11与驱动电机2远离其输出轴的一端连接，以用于调节负载的姿态。下面对姿态调节装置11进行以下的具体说明：

姿态调节装置11包括：

基座1100，其内设有球形空间，并且一端具有与球形空间连通的开口；芯柱，其与一端与驱动电机2连接，另一端设有穿设开口，并位于球形空间内的球形部1101；球形部1101的外侧设有多个第二磁性片1102；多个第二磁性片1102以球心为中心成圆形分布；多个第二电磁铁片1103，其多个第二磁性片1102一一对应，并安装基座1100上；橡胶支撑部1104，其设置在球形部1101和球形空间的内壁之间。

通过以上的结构设置，在常态下所有第二电磁铁片1103均通电，其与第二磁性片1102之间产生的磁力相互抵消，可以使球形部1101的姿态稳定，当需要球形部1101偏置时，控制对应侧的第二磁性片1102电流减小，其余的第二磁性片1102电流增大，从而实现调节。其中橡胶支撑部1104的设置是为提供一定的支撑力，保持姿态稳定，并且利用其具有弹力的特性使球形部1101具有一些复位的功能。

其中应当理解的是，为实现更为精确的姿态的控制，第二磁性片1102的数量可以尽量的设置多一点，从而控制的角度更为准确。

进一步的，为减少球形部1101与橡胶支撑部1104之间的摩擦阻力，在橡胶支撑部1104的外表面涂覆有润滑剂。并且球形部1101的外表面上开设有安装槽，第二磁性片1102设置在安装槽内，以使第二磁性片1102的外表面与球形部1101的外表面形成完整的球面，使得第二磁性片1102与球形部1101形成一个完整的光滑的整体，便于调节。

进一步的，基座1100包括两端开口的矩形外壳，矩形外壳的其中一个开口密封连接有密封盖1105，密封盖1105上设有安装块1106；这样的设置便于进行安装球形部1101和橡胶支撑部1104，以及机器人本体通过安装块1106与本装置进行连接。

在一些优选的实施例中，驱动电机2上设有安装圈12，保护筒1的端部上设有螺纹孔，安装圈12通过安装螺钉与螺纹孔连接，其实现了驱动电机2的可拆卸连接；

另外，柔性片7采用硅胶材料制成，这样不仅便于进行安装，也便于摩擦块6的移动，减少使柔性片7变形的力；

进一步的，转轴3的外表面上设有与摩擦块6接触的耐磨层；或，

转轴3的外表面上设有与摩擦块6对应的环形槽，环形槽内设有耐磨环。以上的两种方式均可以实现延长使用寿命的作用。

本申请还提出了一种机器人颈椎关节速度控制方法，其包括：

提供上述的机器人颈椎关节速度控制装置，并安装在机器人的颈椎关节处；

获取控制指令，并按照如下方式进行控制：

当控制指令为需要使转轴3停止转动时，控制驱动电机2的电源关闭的同时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片5的摩擦块6向转轴3移动，最终对转轴3锁紧；

当控制指令为需要将转轴3的转速快速下降至需要转速时，控制驱动电机2的转速的同时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片5的摩擦块6向转轴3移动，最终对转轴3施加合适的阻力，以抵消惯性的影响，快速达到需要转速；

当控制指令不需要减速时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4断通电。

本申请原理：

在使用时，当控制指令为需要使转轴3停止转动时，控制驱动电机2的电源关闭的同时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片5的摩擦块6向转轴3移动，最终对转轴3锁紧；当控制指令为需要将转轴3的转速快速下降至需要转速时，控制驱动电机2的转速的同时，控制供电线圈8使第一电磁铁片4通电，并产生合适的磁力，以使第一磁性片5的摩擦块6向转轴3移动，最终对转轴3施加合适的阻力，以抵消惯性的影响，快速达到需要转速；通过以上的设置利用磁力推动摩擦块6产生阻力，避免惯性的影响，从而准确快速控制转速，其结构简单，制造成本较低，只需要控制产生的磁力就可以。

由于磁力隔绝片可以避免在常态下，第一磁性片5与转轴3相互靠近的情况的发生，因为我们需要的是第一磁性片5与第一电磁铁片4之间的磁力，而不是第一磁性片5与转轴3之间的磁力

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于，其包括：

保护筒(1)，其一端同轴连接有驱动电机(2)，并且其内设有转轴(3)，转轴(3)的一端与驱动电机(2)的输出轴连接，另一端从保护筒(1)中穿设而出，并用于和负载连接；

多个减速组件，其设置在所述保护筒(1)内，并且以所述保护筒(1)的中心轴为圆心呈圆形分布；每个减速组件包括第一电磁铁片(4)和第一磁性片(5)，第一电磁铁片(4)与所述保护筒(1)的内壁连接，第一磁性片(5)通过柔性片(7)与保护筒(1)的内壁连接，并悬置在保护筒(1)的内部，其中第一磁性片(5)与对应的第一电磁铁片(4)均位于同一个半径上；第一磁性片(5)靠近转轴(3)的一侧设有磁力隔绝片，电磁隔绝片上设有摩擦块(6)；

供电线圈(8)，其设置在所述保护筒(1)的外侧，并通过内设有电线的连接柱(9)与多个所述减速组件连接；供电线圈(8)上设有电线接口(10)。

2.如权利要求1所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

还包括姿态调节装置(11)，姿态调节装置(11)与所述驱动电机(2)远离其输出轴的一端连接，以用于调节负载的姿态。

3.如权利要求2所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于，所述姿态调节装置(11)包括：

基座(1100)，其内设有球形空间，并且一端具有与球形空间连通的开口；

芯柱，其与一端与所述驱动电机(2)连接，另一端设有穿设开口，并位于球形空间内的球形部(1101)；球形部(1101)的外侧设有多个第二磁性片(1102)；多个第二磁性片(1102)以球心为中心成圆形分布；

多个第二电磁铁片(1103)，其多个所述第二磁性片(1102)一一对应，并安装所述基座(1100)上；

橡胶支撑部(1104)，其设置在所述球形部(1101)和球形空间的内壁之间。

4.如权利要求3所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

所述橡胶支撑部(1104)的外表面涂覆有润滑剂。

5.如权利要求3所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

所述球形部(1101)的外表面上开设有安装槽，第二磁性片(1102)设置在安装槽内，以使第二磁性片(1102)的外表面与所述球形部(1101)的外表面形成完整的球面。

6.如权利要求3所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

基座(1100)包括两端开口的矩形外壳，矩形外壳的其中一个开口密封连接有密封盖(1105)，密封盖(1105)上设有安装块(1106)。

7.如权利要求1所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

所述驱动电机(2)上设有安装圈(12)，所述保护筒(1)的端部上设有螺纹孔，安装圈(12)通过安装螺钉与螺纹孔连接。

8.如权利要求1所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

所述柔性片(7)采用硅胶材料制成。

9.如权利要求1所述的机器人颈椎关节速度控制装置，其特征在于：

所述转轴(3)的外表面上设有与摩擦块(6)接触的耐磨层；或，

所述转轴(3)的外表面上设有与摩擦块(6)对应的环形槽，环形槽内设有耐磨环。

10.一种机器人颈椎关节速度控制方法，其特征在于，其包括：

提供如权利要求1-9任一项所述的机器人颈椎关节速度控制装置，并安装在机器人的颈椎关节处；

获取控制指令，并按照如下方式进行控制：

当控制指令为需要使转轴(3)停止转动时，控制驱动电机(2)的电源关闭的同时，控制供电线圈(8)使所述第一电磁铁片(4)通电，并产生合适的磁力，以使所述第一磁性片(5)的摩擦块(6)向转轴(3)移动，最终对转轴(3)锁紧；

当控制指令为需要将转轴(3)的转速快速下降至需要转速时，控制驱动电机(2)的转速的同时，控制供电线圈(8)使所述第一电磁铁片(4)通电，并产生合适的磁力，以使所述第一磁性片(5)的摩擦块(6)向转轴(3)移动，最终对转轴(3)施加合适的阻力，以抵消惯性的影响，达到需要转速；

当控制指令不需要减速时，控制供电线圈(8)使所述第一电磁铁片(4)断通电。

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