CN1351923A - 拟人机器人髋关节传动结构装置 - Google Patents
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Abstract
一种拟人机器人髋关节传动结构装置,属拟人机器人技术领域。该髋关节传动结构装置由髋横滚方向传动***、髋俯仰方向关节传动***,髋偏航方向关节传动***和髋关节支架结构装置四部分组成。髋横滚方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、曲柄摇杆机构和髋横滚方向关节轴所组成。髋俯仰方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、丝杆螺母传动装置、曲柄滑块连杆机构和髋俯仰方向关节轴所组成。髋偏航方向关节传动***由电机、齿轮减速装置,蜗轮、蜗杆和髋偏航方向节轴所组成。髋关节支架结构装置由髋关节传动主支架结构装置和大腿关节支架结构装置所组成。本发明髋关节传动装置有利于承载,简化结构,便于实现模块式装配,降低制造、加工和装配难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种拟人机器人髋关节传动结构装置，属拟人机器人技术领域。
背景技术
腿部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一，因为它对整个拟人机器人的能量效率有很大的影响。要实现拟人功能，拟人机器人都必须自身携带能源，由于拟人机器人重量和体积是有限制的，所携带的能源在重量和体积上也受一定限制，只能用其有限的能源来完成作业。要想获得更远距离的拟人式步行和更长时间的工作，唯一的方法是提高步行腿的效率，其中腿部结构的合理设计是提高效率的重要并有效的途径。
在拟人机器人步行腿研究中，国内外都是以人为对象，通过机械仿生人的双足运动特性，并进行必要的简化，从各种步态入手，采用不同的结构传动装置，做了许多实验，积累了较丰富的经验。根据功能仿生、机械结构实现原理，目前的拟人机器人均采用双腿2*6＝12个关节自由度来实现拟人功能，其关节自由度分配如图1所示。
图1是拟人机器人下肢关节结构示意图。其中，1是拟人机器人脚，2是拟人机器人踝的横滚方向关节轴，3是拟人机器人踝的俯仰方向关节轴，4是拟人机器人小腿，5是拟人机器人膝的俯仰方向关节轴，6是拟人机器人大腿，7是拟人机器人髋的横滚方向关节轴，8是拟人机器人髋架，9是拟人机器人髋的偏航方向关节轴，10是拟人机器人上身，11是拟人机器人髋的俯仰关节轴。
目前国内、外典型的拟人机器人下肢髋关节传动结构装置均采用复合结构，并采用十字正交轴来实现髋横滚和俯仰两个方向关节运动，这种结构在占用较小空间体积的条件下能很好地满足拟人机器人髋关节运动功能，并容易与髋的偏航方向关节运动形成三轴垂直正交共点，这有利于提高传动性能、减少运动干涉性，简化控制算法，进而有利于控制规化。
从查阅的中国专利信息网等有关资料来看，目前公布的有关拟人机器人髋关节传动结构装置中，最有代表性、最典型的是日本本田公司推出的Honda机器人系列，其髋关节传动结构装置如图2、图3所示。
图2、图3为日本本田公司推出的Honda机器人P2髋关节复合结构传动装置图，图2为主视图，图3为俯视图。其中，6是拟人机器人大腿，7是拟人机器人髋的横滚方向关节轴，8是拟人机器人髋架，11是拟人机器人髋的俯仰方向关节轴，12是拟人机器人髋关节主支架，13是拟人机器人髋俯仰方向关节运动驱动电机装置，14是带传动装置中的传动带，15是拟人机器人髋横滚方向关节运动驱动电机装置，16是带传动装置中的主动带轮，17是带传动装置中的从动带轮，18是拟人机器人髋俯仰方向关节传动用谐波齿轮减速器，19是拟人机器人髋横滚方向关节传动用谐波齿轮减速器。
拟人机器人髋横滚方向关节传动用谐波齿轮减速器19的钢轮与拟人机器人髋架8安装固定，其波形发生器与带传动装置中的从动带轮17通过轴固联，以实现同步周转，其柔轮与拟人机器人髋横滚方向关节轴7(该轴固装在拟人机器人髋关节主支架12上)固联，以实现同步周转，水平安装在髋架上端的拟人机器人髋横滚方向关节运动驱动电机装置15通过带传动装置14、16、17和谐波齿轮减速器19实现减速、换向、增大传动力矩，并运用谐波齿轮减速器差动齿轮传动特性使拟人机器人髋关节主支架12与拟人机器人髋架8绕拟人机器人髋横滚方向关节轴7相对转动，从而实现拟人机器人髋横滚方向关节运动；拟人机器人髋俯仰方向关节运动实现原理和功能类同拟人机器人髋横滚方向关节运动，只是少一级带传动减速装置。
该拟人机器人髋关节传动装置能很好地满足本田公司所采用的谐波齿轮减速传动方案，髋横滚和俯仰两方向关节传动轴垂直正交，较好的满足了占用体积较小的条件，且髋的横滚、俯仰和偏航三个方向关节传动轴垂直正交共点，有利于提高传动性能、减少运动干涉性，简化控制算法，进而有利于控制规化。但该拟人机器人髋关节传动结构装置非规则面和需加工面偏多，结构偏于复杂，所需制造、加工和装配精度要求较高，有一定的技术难度，且零部件偏多，不利于装拆和承载。其髋俯仰方向关节运动驱动电机装置13内嵌于髋关节传动支架装置中，髋横滚和俯仰方向关节传动用谐波齿轮减速器的装配方案，一方面要求驱动电机和谐波齿轮减速器体积尽量小、重量尽量轻，即使在日本，这些也需要定做，另一方面也使该髋关节装置弯曲强度有所降低，为满足所需强度，不可避免地需要高强重比等高性能材料和高质量的铸造技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种拟人机器人髋横滚、髋俯仰和髋偏航方向关节运动的髋关节传动结构装置，其特点是该装置结构简单紧凑，易于加工装配。
本发明拟人机器人髋关节传动结构装置由髋横滚方向关节传动***，髋俯仰方向关节传动***，髋偏航方向关节传动***和髋关节支架结构装置四部分组成。所说的髋横滚方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、曲柄摇杆连杆机构和髋横滚方向的关节轴所组成。所说的髋俯仰方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、丝杆螺母传动装置，曲柄滑块连杆机构和髋俯仰方向关节轴所组成，所说的髋偏航方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、蜗轮蜗杆和髋偏航方向关节轴所组成。所说的髋关节支架结构装置由髋关节传动主支架结构装置和大腿关节支架结构装置所组成，该髋关节支架结构装置为框形结构，并带有实现髋横滚方向和髋俯仰方向关节传动用的支轴，在该支架上开有安装髋横滚方向，髋俯仰方向，髋偏航方向关节轴及电机的安装孔。
本发明的髋关节传动结构装置，简化结构，便于实现模块式装配，降低制造、加工和装配难度。
附图说明
图1：是拟人机器人下肢关节结构示意图。
图2、图3：是已有技术P2机器人中髋关节复合结构传动装置装配图，图2为主视图，图3为俯视图。
图4：是本发明拟人机器人髋关节上的传动主支架结构装置主视图。
图5：是本发明拟人机器人髋关节上的传动主支架结构装置左视图。
图6：是本发明拟人机器人髋关节上的大腿关节支架结构装置主视图。
图7：是本发明拟人机器人髋关节上的大腿关节支架结构装置俯视图。
图8：是本发明拟人机器人髋关节传动结构装置D-D主剖视图。
图9：是本发明拟人机器人髋关节传动结构装置A向视图。
图10：是本发明拟人机器人髋关节传动结构装置俯视图。
具体实施方式
结合附图说明本发明拟人机器人髋关节传动结构装置各部分的动作的实施例如下：
本发明髋关节传动结构装置由髋横滚方向关节传动***，髋俯仰方向关节传动***，髋偏航方向关节传动***和髋关节支架结构装置四部分组成。所说的髋横滚方向关节传动***(见图8、图9)的电机28其输出轴带动齿轮31，齿轮31带动偏心曲柄轮32，曲柄轮32与连杆33相连，连杆33的一端有孔，可与大腿关节支架结构装置20上的支轴21相配(见图6、图7)连杆33运动时可带动大腿关节支架结构装置20回绕髋横滚方向关节轴7转动，从而实现拟人机器人的髋横滚动作。所说的髋俯仰方向关节传动***的电机35(见图8)通过减速齿轮23带动丝杆24，丝杆24上装有螺母26，螺母26上有滑块可沿着导轨25上、下运动，螺母26与连杆27相连，当螺母26上、下运动时带动连杆27运动，连杆27的一端有孔，可与大腿关节支架结构装置20上的支轴22(见图7)相配合，连杆27运动时可带动大腿关节支架结构装置20回绕髋俯仰方向关节轴11(见图9)转动，从而实现拟人机器人的俯仰动作。
所说的髋偏航方向关节传动***的电机30(见图8、9、10)带动减速齿轮29，蜗轮、蜗杆36，蜗轮36与髋偏航方向节轴9相配合，当蜗轮36转动时即可实现拟人机器人的偏航动作。所说的髋关节支架结构装置(图4、5、6、7)为框形结构，其中I是髋横滚方向关节轴7的安装孔，II是偏心曲柄轮32的安装孔，III是髋横滚方向关节***的电机28的安装孔，IV是髋偏航方向关节轴9的安装孔，V是髋横滚方向关节轴7的安装孔，VI是髋俯仰方向节轴11的安装孔。21是与连杆33上的孔相配合的支轴，22是与连杆27上的孔相配合的支轴。
Claims (1)
1、一种由髋横滚方向关节传动***、髋俯仰方向关节传动***、髋偏航方向关节传动***和髋关节支架结构装置四部分组成的拟人机器人髋关节传动结构装置，其特征是所说的髋横滚方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、曲柄摇杆连杆机构和髋横滚方向节轴所组成；所说的髋俯仰方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、丝杆螺母传动装置、曲柄滑块连杆机构和髋俯仰方向关节轴所组成；所说的髋偏航方向关节传动***由电机、齿轮减速装置、蜗轮蜗杆和髋偏航方向关节轴所组成；所说的髋关节支架结构装置由髋关节传动主支架结构装置和大腿关节支架结构装置所组成，所说的髋关节支架结构装置为杠形结构，并带有实现髋横滚方向和俯仰方向关节传动用的支轴，在髋关节支架结构上开有安装髋横滚方向，髋俯仰方向，髋偏航方向关节轴及电机的安装孔。
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