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    單電機驅動的兩自由度關節結構(wss1)
    2012年11月16日

    本發明公開了一種單電機驅動的兩自由度關節結構,該結構由電機(1)、機架(2)、電機齒輪(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’)和執行部件(8)構成。  利用本發明,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,實現了單電機對兩個自由度運動的控制。   
        1、一種單電機驅動的兩自由度關節結構,其特征在于,該結構由電機(1)、機架(2)、電機齒輪(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’)和執行部件(8)構成;其中,機架(2)與執行部件(8)通過十字形交叉軸(5)相聯接,機架(2)與該十字形交叉軸(5)的第一條軸通過軸承相聯接,執行部件(8)與該十字形交叉軸(5)的第二條軸通過軸承相聯接;電機(1)固定安裝于機架(2)上,電機齒輪(3)與電機(1)的輸出轉軸固定聯接,電機齒輪(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接,第二齒輪(4’)與所述執行部件(8)為固定聯接,使電機齒輪(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、根據權利要求1所述的單電機驅動的兩自由度關節結構,其特征在于,所述第一齒輪(4)與十字形交叉軸(5)以軸承方式相聯接,該兩自由度關節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、根據權利要求1所述的單電機驅動的兩自由度關節結構,其特征在于,所述第二齒輪(4’)與執行部件(8)為固定聯接,該兩自由度關節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、根據權利要求1所述的單電機驅動的兩自由度關節結構,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節繞第一軸線的轉角,所述第二角位移傳感器(6’)用于反映該兩自由度關節繞第二軸線的轉角,角位移傳感器(6)和(6’)用于對兩自由度關節運動的反饋控制。
        5、根據權利要求1所述的單電機驅動的兩自由度關節結構,其特征在于,所述第一磁流變阻尼器固定聯接于所述機架(2)上,所述第二磁流變阻尼器固定聯接于執行部件(8)上,通過對兩個軸端阻尼器輸出阻尼的控制,實現單電機對兩個自由度的可控驅動。
        6、根據權利要求l所述的單電機驅動的兩自由度關節結構,其特征在于,所述執行部件(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)整體繞第一軸線轉動,執行部件(8)和第二齒輪(4’)繞第二軸線轉動。    單電機驅動的兩自由度關節結構技術領域本發明涉及仿生機器人技術領域,尤其涉及一種應用于仿生機器人的單電機驅動的兩自由度關節結構。
        背景技術兩自由度關節指具有兩個軸線垂直相交自由度的關節,這種關節的原型在人體和動物體上普遍存在,研制兩自由度關節對各種仿生機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節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節、腕關節、踝關節、指根關節、腰關節,螃蟹和其他爬行類動物的腿根關節等。因此,對于各種仿生機器人,如何制作具有軸線相交自由度的關節是需要解決的問題之一。
        一般情況下,2至3自由度關節的驅動都是采用的全驅動方式,即驅動電機數與關節的自由度數是相等的,這樣常常會給電機的布置帶來麻煩。如果能實現單電機驅動的兩自由度關節,可以一定程度上方便機器人的設計。
        發明內容(一)要解決的技術問題有鑒于此,本發明的主要目的在于提供一種單電機驅動的兩自由度關節結構,以實現單電機對兩個自由度運動的控制。
        (二)技術方案為達到上述目的,本發明提供了一種單電機驅動的兩自由度關節結構,該結構由電機1、機架2、電機齒輪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’和執行部件8構成;其中,機架(2)與執行部件(8)通過十字形交叉軸(5)相聯接,機架(2)與該十字形交叉軸(5)的第一條軸通過軸承相聯接,執行部件(8)與該十字形交叉軸(5)的第二條軸也通過軸承相聯接;電機(1)固定安裝于機架(2)上,電機齒輪(3)與電機(1)的輸出轉軸固定聯接,該電機齒輪(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接,第二齒輪(4’)與所述執行部件(8)為固定聯接,使電機齒輪(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’)。
        優選地,所述第一齒輪(4)與十字形交叉軸(5)以軸承方式相聯接,該兩自由度關節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。
        優選地,所述第二齒輪(4’)與執行部件(8)為固定聯接,該兩自由度關節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。
        優選地,所述第一角位移傳感器(6)用于反映該兩自由度關節繞第一軸線的轉角,所述第二角位移傳感器(6’)用于反映該兩自由度關節繞第二軸線的轉角,角位移傳感器(6)和(6’)用于對兩自由度關節運動的反饋控制。
        優選地,所述第一磁流變阻尼器固定聯接于所述機架2上,所述第二磁流變阻尼器固定聯接于執行部件8上,通過對兩個軸端阻尼器輸出阻尼的控制,實現單電機對兩個自由度的可控驅動。
        優選地,所述執行部件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整體繞第一軸線轉動,執行部件8和第二齒輪4’繞第二軸線轉動。
        (三)有益效果從上述技術方案可以看出,本發明具有以下有益效果:
        1、本發明提供的這種單電機驅動的兩自由度關節結構,通過對兩個軸端磁流變阻尼器輸出阻尼力矩的控制,實現了單電機對兩個自由度運動的控制。
        2、本發明提供的這種單電機驅動的兩自由度關節結構,由1個電機通過錐齒輪系驅動2個自由度,關節的輸入驅動少于自由度數目,屬于欠驅動系統,可以一定程度上提高電機的驅動效率。
        附圖說明圖1為本發明提供的單電機驅動的兩自由度關節的結構示意圖;圖2為本發明提供的單電機驅動的兩自由度關節的原理圖;圖3為本發明提供的單電機驅動的兩自由度關節四種等效工作狀態的示意圖;圖1和圖2中,1為電機,2為機架,3為電機齒輪,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為執行部件。
        具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白,以下結合具體實施例,并參照附圖,對本發明進一步詳細說明。
        如圖1所示,圖1為本發明提供的單電機驅動的兩自由度關節的結構示意圖,該結構由電機1、機架2、電機齒輪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’和執行部件8構成。
        其中,機架2與執行部件8通過十字形交叉軸5相聯接,機架2    與該十字形交叉軸5的第一條軸通過軸承相聯接,執行部件8與該十字形交叉軸5的第二條軸也通過軸承相聯接;電機1固定安裝于機架2上,電機齒輪3與電機1的輸出轉軸固定聯接,該電機齒輪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接,第二齒輪4’與所述執行部件8為固定聯接,使電機齒輪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以軸承方式相聯接,故該兩自由度關節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’與執行部件8為固定聯接,故該兩自由度關節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節繞第一軸線的轉角,所述第二角位移傳感器6’用于反映該兩自由度關節繞第二軸線的轉角,角位移傳感器6和6’用于對兩自由度關節運動的反饋控制。
        所述第一磁流變阻尼器固定聯接于所述機架2上,所述第二磁流變阻尼器固定聯接于執行部件8上,通過對兩個軸端阻尼器輸出阻尼的控制,實現單電機對兩個自由度的可控驅動。
        所述執行部件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整體繞第一軸線轉動,執行部件8和第二齒輪4’繞第二軸線轉動。
        單電機驅動的兩自由度關節的原理設計如圖2所示,圖2為本發明提供的單電機驅動的兩自由度關節的原理圖。機架與執行部件通過十字形交叉軸相聯接。十字形交叉軸的兩個垂直相交軸分別為第一條    軸、第二條軸,第一條軸、第二條軸分別以軸承安裝在機架和執行部件上。電機固定安裝于機架上,第一齒輪則以軸承與第一條軸相聯接,電機齒輪與第一齒輪有傳動配合,假設傳動比為fln。第二齒輪與執行部件為一體,第一齒輪、第二齒輪之間具有傳動配合,假設傳動比為k。
        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角,第二角位移傳感器反映執行部件繞第二條軸的轉角;第一阻尼器和第二阻尼器分別固聯在機架和執行部件上。通過對兩個軸端阻尼器輸出阻尼的控制,實現單電機對兩個自由度的可控驅動。這樣,執行部件繞第一條軸、第二條軸的運動是這樣形成的:執行部件與第二齒輪及十字形交叉軸整體繞第一條軸的轉動,執行部件與第二齒輪繞第二條軸的轉動。
        單電機驅動的兩自由度關節從原理上可以等效為如圖3所示行星輪系,圖3為本發明提供的單電機驅動的兩自由度關節四種等效工作狀態的示意圖。電機齒輪等效于齒輪a,與機架構成轉動幅;第一齒輪等效于齒輪b,與機架構成轉動幅;第二齒輪及與其固定聯接的執行部件等效于齒輪c;十字交叉軸等效于系桿,兩端分別與齒輪b、c構成轉動幅。等效機構的兩個自由度運動分別從系桿和齒輪c輸出。
        如圖3(I),當原關節的兩個阻尼器均完全放松時,相當于系桿和齒輪c均可以運動,但運動傳遞關系不確定。
        如圖3(II),當第一阻尼器放松,第二阻尼器制動時,相當于將系桿與齒輪固定聯接起來。
        如圖3(III),當第二阻尼器放松,第一阻尼器制動時,相當齒輪c與機架構成轉動幅。
        如圖3(IV),當第一阻尼器和2均制動時,機構將被鎖死而不能    說明書第6/6頁運動。
        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行阻尼力矩控制,可以實現兩個自由度的同時運動,保證關節轉角在任意方向運動的連續。
        以上所述的具體實施例,對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本發明的具體實施例而已,并不用于限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內,所做的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

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