專利名稱：單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于仿生機(jī)器 人的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
兩自由度關(guān)節(jié)指具有兩個軸線垂直相交自由度的關(guān)節(jié)，這種關(guān)節(jié) 的原型在人體和動物體上普遍存在，研制兩自由度關(guān)節(jié)對各種仿生機(jī) 器人具有一定的意義。
在自然界，具有2至3個軸線垂直相交自由度的關(guān)節(jié)在各種動物 體上極為常見，比如人體和其他行走類動物的頸關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(guān) 節(jié)、指根關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)，螃蟹和其他爬行類動物的腿根關(guān)節(jié)等。因此， 對于各種仿生機(jī)器人，如何制作具有軸線相交自由度的關(guān)節(jié)是需要解 決的問題之一。
一般情況下，2至3自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動都是采用的全驅(qū)動方式，即 驅(qū)動電機(jī)數(shù)與關(guān)節(jié)的自由度數(shù)是相等的，這樣常常會給電機(jī)的布置帶 來麻煩。如果能實現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)，可以一定程度上方 便機(jī)器人的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種單電機(jī)驅(qū)動的兩自由 度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)單電機(jī)對兩個自由度運動的控制。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)1、機(jī)架2、電機(jī)齒輪3、第一齒輪4、第二齒輪4'、十字形交叉軸5、第一角位移傳感器6、第二角位移傳感器6'、第一磁
流變體阻尼器7、第二磁流變體阻尼器7'和執(zhí)行部件8構(gòu)成；其中，
機(jī)架(2)與執(zhí)行部件(8)通過十字形交叉軸(5)相聯(lián)接，機(jī)架 (2)與該十字形交叉軸(5)的第一條軸通過軸承相聯(lián)接，執(zhí)行部件 (8)與該十字形交叉軸(5)的第二條軸也通過軸承相聯(lián)接；
電機(jī)(1)固定安裝于機(jī)架(2)上，電機(jī)齒輪(3)與電機(jī)(1) 的輸出轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接，該電機(jī)齒輪(3)所在平面平行于所述十字形交 叉軸(5)的第一條軸，電機(jī)齒輪(3)的軸線延長線通過十字形交叉 軸(5)的中心點；
第一齒輪(4)與所述十字形交叉軸(5)的第一條軸以軸承相聯(lián) 接，第二齒輪(4')與所述執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，使電機(jī)齒輪(3) 與第一齒輪(4)相嚙合，且第一齒輪(4)與第二齒輪(40相嚙合；
所述十字形交叉軸(5)的第一條軸的兩端分別安裝有第一角位移 傳感器(6)和第一磁流變體阻尼器(7)，所述十字形交叉軸(5)的 第二條軸的兩端分別安裝有第二角位移傳感器(6')和第二磁流變體 阻尼器(7')。
優(yōu)選地，所述第一齒輪(4)與十字形交叉軸(5)以軸承方式相 聯(lián)接，該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的輸出運動并不同于第一齒輪(4) 繞十字形交叉軸(5)第一條軸的運動。
優(yōu)選地，所述第二齒輪(4')與執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，該兩 自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的輸出運動相同于第二齒輪(4')繞十字形交 叉軸第二條軸的運動。
優(yōu)選地，所述第一角位移傳感器(6)用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞 第一軸線的轉(zhuǎn)角，所述第二角位移傳感器(6')用于反映該兩自由度 關(guān)節(jié)繞第二軸線的轉(zhuǎn)角，角位移傳感器(6)和(6')用于對兩自由度 關(guān)節(jié)運動的反饋控制。
優(yōu)選地，所述第一磁流變阻尼器固定聯(lián)接于所述機(jī)架2上，所述 第二磁流變阻尼器固定聯(lián)接于執(zhí)行部件8上，通過對兩個軸端阻尼器 輸出阻尼的控制，實現(xiàn)單電機(jī)對兩個自由度的可控驅(qū)動。
優(yōu)選地，所述執(zhí)行部件8繞所述十字形交叉軸5的兩條軸所在直
5線的運動是這樣形成的執(zhí)行部件8、第二齒輪4'以及十字形交叉軸5
整體繞第一軸線轉(zhuǎn)動，執(zhí)行部件8和第二齒輪4'繞第二軸線轉(zhuǎn)動。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提供的這種單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過對兩 個軸端磁流變阻尼器輸出阻尼力矩的控制，實現(xiàn)了單電機(jī)對兩個自由 度運動的控制。
2、 本發(fā)明提供的這種單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，由l個電
機(jī)通過錐齒輪系驅(qū)動2個自由度，關(guān)節(jié)的輸入驅(qū)動少于自由度數(shù)目，
屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，可以一定程度上提高電機(jī)的驅(qū)動效率。


圖1為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)的原理圖3為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)四種等效工作狀 態(tài)的示意圖1和圖2中，l為電機(jī)，2為機(jī)架，3為電機(jī)齒輪，4為第一齒 輪，4'為第二齒輪，5為十字形交叉軸，6為第一角位移傳感器，6'為 第二角位移傳感器，7為第一磁流變體阻尼器，7'為第二磁流變體阻尼 器，8為執(zhí)行部件。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)的 結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)l、機(jī)架2、電機(jī)齒輪3、第一齒輪4、第 二齒輪4'、十字形交叉軸5、第一角位移傳感器6、第二角位移傳感器 6'、第一磁流變體阻尼器7、第二磁流變體阻尼器7'和執(zhí)行部件8構(gòu)成。 '其中，機(jī)架2與執(zhí)行部件8通過十字形交叉軸5相聯(lián)接，機(jī)架2
6與該十字形交叉軸5的第一條軸通過軸承相聯(lián)接，執(zhí)行部件8與該十
字形交叉軸5的第二條軸也通過軸承相聯(lián)接；
電機(jī)1固定安裝于機(jī)架2上，電機(jī)齒輪3與電機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)軸固 定聯(lián)接，該電機(jī)齒輪3所在平面平行于所述十字形交叉軸5的第一條 軸，電機(jī)齒輪3的軸線延長線通過十字形交叉軸5的中心點；
第一齒輪4與所述十字形交叉軸5的第一條軸以軸承相聯(lián)接，第 二齒輪4'與所述執(zhí)行部件8為固定聯(lián)接，使電機(jī)齒輪3與第一齒輪4 相嚙合，且第一齒輪4與第二齒輪4'相嚙合；
所述十字形交叉軸5的第一條軸的兩端分別安裝有第一角位移傳 感器6和第一磁流變體阻尼器7，所述十字形交叉軸5的第二條軸的兩 端分別安裝有第二角位移傳感器6'和第二磁流變體阻尼器7'。
所述第一齒輪4與十字形交叉軸5以軸承方式相聯(lián)接，故該兩自 由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的輸出運動并不同于第一齒輪4繞十字形交叉軸 5第一條軸的運動。
所述第二齒輪4'與執(zhí)行部件8為固定聯(lián)接，故該兩自由度關(guān)節(jié)繞 第二軸線的輸出運動相同于第二齒輪4'繞十字形交叉軸第二條軸的運 動。
所述第一角位移傳感器6用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的 轉(zhuǎn)角，所述第二角位移傳感器6'用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線 的轉(zhuǎn)角，角位移傳感器6和6'用于對兩自由度關(guān)節(jié)運動的反饋控制。
所述第一磁流變阻尼器固定聯(lián)接于所述機(jī)架2上，所述第二磁流 變阻尼器固定聯(lián)接于執(zhí)行部件8上，通過對兩個軸端阻尼器輸出阻尼 的控制，實現(xiàn)單電機(jī)對兩個自由度的可控驅(qū)動。
所述執(zhí)行部件8繞所述十字形交叉軸5的兩條軸所在直線的運動 是這樣形成的執(zhí)行部件8、第二齒輪4'以及十字形交叉軸5整體繞 第一軸線轉(zhuǎn)動，執(zhí)行部件8和第二齒輪4'繞第二軸線轉(zhuǎn)動。
單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)的原理設(shè)計如圖2所示，圖2為本發(fā) 明提供的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)的原理圖。機(jī)架與執(zhí)行部件通過 十字形交叉軸相聯(lián)接。十字形交叉軸的兩個垂直相交軸分別為第一條
7軸、第二條軸，第一條軸、第二條軸分別以軸承安裝在機(jī)架和執(zhí)行部 件上。電機(jī)固定安裝于機(jī)架上，第一齒輪則以軸承與第一條軸相聯(lián)接， 電機(jī)齒輪與第一齒輪有傳動配合，假設(shè)傳動比為Z,。。第二齒輪與執(zhí)行 部件為一體，第一齒輪、第二齒輪之間具有傳動配合，假設(shè)傳動比為/21 。 第一條軸、第二條軸各有兩個軸端，分別安裝有角位移傳感器和磁流 變體阻尼器第一角位移傳感器反映整個十字形交叉軸繞第一條軸的 轉(zhuǎn)角，第二角位移傳感器反映執(zhí)行部件繞第二條軸的轉(zhuǎn)角；第一阻尼 器和第二阻尼器分別固聯(lián)在機(jī)架和執(zhí)行部件上。通過對兩個軸端阻尼 器輸出阻尼的控制，實現(xiàn)單電機(jī)對兩個自由度的可控驅(qū)動。這樣，執(zhí) 行部件繞第一條軸、第二條軸的運動是這樣形成的執(zhí)行部件與第二 齒輪及十字形交叉軸整體繞第一條軸的轉(zhuǎn)動，執(zhí)行部件與第二齒輪繞 第二條軸的轉(zhuǎn)動。
單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)從原理上可以等效為如圖3所示行星 輪系，圖3為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)四種等效工作 狀態(tài)的示意圖。電機(jī)齒輪等效于齒輪a，與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動幅；第一齒輪 等效于齒輪b，與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動幅；第二齒輪及與其固定聯(lián)接的執(zhí)行部 件等效于齒輪C;十字交叉軸等效于系桿，兩端分別與齒輪b、 C構(gòu)成 轉(zhuǎn)動幅。等效機(jī)構(gòu)的兩個自由度運動分別從系桿和齒輪C輸出。假設(shè) 齒輪a、 b、 C的半徑分別為^、；、；；，令^/^=/,。， &化=/21，假設(shè)電
機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)速為w。。
如圖3 (1)，當(dāng)原關(guān)節(jié)的兩個阻尼器均完全放松時，相當(dāng)于系桿和 齒輪c均可以運動，但運動傳遞關(guān)系不確定。
如圖3 (11)，當(dāng)?shù)谝蛔枘崞鞣潘?，第二阻尼器制動時，相當(dāng)于將 系桿與齒輪固定聯(lián)接起來，從系桿輸出運動，機(jī)構(gòu)的輸出運動為
W。W 、A o
如圖3 (III)，當(dāng)?shù)诙枘崞鞣潘?，第一阻尼器制動時，相當(dāng)齒輪 c與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動幅，從齒輪c處輸出運動，機(jī)構(gòu)的輸出運動為
如圖3 (IV)，當(dāng)?shù)谝蛔枘崞骱?均制動時，機(jī)構(gòu)將被鎖死而不能運動。
可見在兩個阻尼器中的其中一個完全制動的情況下，系統(tǒng)的運動 輸出可以是確定的，由某一個自由度獨立輸出運動。如果對兩個阻尼 器同時進(jìn)行阻尼力矩控制，可以實現(xiàn)兩個自由度的同時運動，保證關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)角在任意方向運動的連續(xù)。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)(1)、機(jī)架(2)、電機(jī)齒輪(3)、第一齒輪(4)、第二齒輪(4′)、十字形交叉軸(5)、第一角位移傳感器(6)、第二角位移傳感器(6′)、第一磁流變體阻尼器(7)、第二磁流變體阻尼器(7′)和執(zhí)行部件(8)構(gòu)成；其中，機(jī)架(2)與執(zhí)行部件(8)通過十字形交叉軸(5)相聯(lián)接，機(jī)架(2)與該十字形交叉軸(5)的第一條軸通過軸承相聯(lián)接，執(zhí)行部件(8)與該十字形交叉軸(5)的第二條軸通過軸承相聯(lián)接；電機(jī)(1)固定安裝于機(jī)架(2)上，電機(jī)齒輪(3)與電機(jī)(1)的輸出轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接，電機(jī)齒輪(3)所在平面平行于所述十字形交叉軸(5)的第一條軸，電機(jī)齒輪(3)的軸線延長線通過十字形交叉軸(5)的中心點；第一齒輪(4)與所述十字形交叉軸(5)的第一條軸以軸承相聯(lián)接，第二齒輪(4′)與所述執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，使電機(jī)齒輪(3)與第一齒輪(4)相嚙合，且第一齒輪(4)與第二齒輪(4′)相嚙合；所述十字形交叉軸(5)的第一條軸的兩端分別安裝有第一角位移傳感器(6)和第一磁流變體阻尼器(7)，所述十字形交叉軸(5)的第二條軸的兩端分別安裝有第二角位移傳感器(6′)和第二磁流變體阻尼器(7′)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述第一齒輪(4)與十字形交叉軸(5)以軸承方式相聯(lián)接， 該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的輸出運動并不同于第一齒輪(4)繞十字 形交叉軸(5)第一條軸的運動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述第二齒輪(4')與執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，該兩自由 度關(guān)節(jié)繞第二軸線的輸出運動相同于第二齒輪(4')繞十字形交叉軸 第二條軸的運動。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一角位移傳感器(6)用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的轉(zhuǎn)角，所述第二角位移傳感器(6')用于反映該兩自由度關(guān)節(jié) 繞第二軸線的轉(zhuǎn)角，角位移傳感器(6)和(6')用于對兩自由度關(guān)節(jié) 運動的反饋控制。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述第一磁流變阻尼器固定聯(lián)接于所述機(jī)架(2)上，所述第 二磁流變阻尼器固定聯(lián)接于執(zhí)行部件(8)上，通過對兩個軸端阻尼器 輸出阻尼的控制，實現(xiàn)單電機(jī)對兩個自由度的可控驅(qū)動。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述執(zhí)行部件(8)繞所述十字形交叉軸(5)的兩條軸所在 直線的運動是這樣形成的執(zhí)行部件(8)、第二齒輪(4')以及十字 形交叉軸(5)整體繞第一軸線轉(zhuǎn)動，執(zhí)行部件(8)和第二齒輪(4') 繞第二軸線轉(zhuǎn)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單電機(jī)驅(qū)動的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)(1)、機(jī)架(2)、電機(jī)齒輪(3)、第一齒輪(4)、第二齒輪(4′)、十字形交叉軸(5)、第一角位移傳感器(6)、第二角位移傳感器(6′)、第一磁流變體阻尼器(7)、第二磁流變體阻尼器(7′)和執(zhí)行部件(8)構(gòu)成。利用本發(fā)明，通過對兩個軸端可控磁流變體阻尼器輸出阻尼力矩的控制，實現(xiàn)了單電機(jī)對兩個自由度運動的控制。
文檔編號B25J17/00GK101486192SQ20081005625
公開日2009年7月22日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者李成榮, 羅楊宇 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所