专利名称：步行机器人悬臂型髋关节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的机构，具体地说，是一种步行机器人 悬臂型髋关节机构。
技术背景现有涉及两足步行机器人(或是仿人机器人)中有关机器人髋关节机构，大 都采用3个正交的自由度，如日本川田(Kawada)研发的HRP-2，本田(Honda)研发 的ASIM0，韩国科学技术院(KAIST)研发的KHR-2。而对髋关节机构中3个正交 自由度如何布置，其结构往往各不相同，效果也不完全一样。经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为CN1833829A，发明名称为 髋关节采用双球型机构的七自由度腿部的两足步行机器人，该技术公开了一种包 含7个自由度的两足步行机器人的腿部结构，其中髋关节3个自由度采用球型机 构实现了正交。该技术中电机采用的是一种伺服舵机，由于该种伺服舵机的动力 性能较低，这样的结构一般用于小型机器人或玩具机器人，对于需要替代人类完 成一定工作任务的仿人机器人，存在着明显的动力不足缺陷。发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种步行机器人悬臂型髋关节 机构。本发明通过直流电机、同步带传动、谐波齿轮减速器等相互之间的巧妙组 合实现了具有3个正交摆动回转自由度的髋关节机构，同时，使驱动大腿摆动的 自由度相对于髋关节中水平摆动回转自由度为悬臂布置式结构，扩大了机器人腿 部的工作运动范围。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括第一直流电机、第一主动 同步带轮、第一同步带、第一从动同步带轮、第一谐波齿轮减速器、第一壳体、 第二壳体、第二直流电机、第二主动同步带轮、第二同步带、第二从动同步带轮、 第三谐波齿轮减速器、第三主动同步带轮、第三同步带、第三从动同步带轮、第 三直流电机、大腿板、第三壳体、第二谐波齿轮减速器。连接关系为第一直流
电机固定在第一壳体上，第一直流电机的输出轴上连接第一主动同步带轮，第一 从动同步带轮连接在第一谐波齿轮减速器的输入轴上，第一同步带紧绕在第一主 动同步带轮与第一从动同步带轮上，第一谐波齿轮减速器与第一壳体紧固连接， 第一谐波齿轮减速器与第二壳体相连接，第二直流电机固定在第二壳体上，第二 直流电机的输出轴上连接第二主动同步带轮，第二从动同步带轮连接在第二谐波 齿轮减速器的输入轴上，第二同步带紧绕在第二主动同步带轮与第二从动同步带 轮上，第二谐波齿轮减速器与第三壳体相固定，第二谐波齿轮减速器的输出端面 与第二壳体连接，第三直流电机固定在大腿板上，第三直流电机的输出轴连接第 三主动同步带轮，第三从动同步带轮连接在第三谐波齿轮减速器的输入轴上，第 三同步带紧绕在第三主动同步带轮与第三从动同步带轮上，第三谐波齿轮减速器 与大腿板相连接，第三谐波齿轮减速器的输出端面与第三壳体相连接。所述的第一谐波齿轮减速器的中心轴线、第二谐波齿轮减速器的中心轴线、 第三谐波齿轮减速器的中心轴线构成了髋关节3个摆动自由度的回转中心线，而 且相互之间垂直正交于同一点上，该点位于第二谐波齿轮减速器的中心轴线上。所述的第三谐波齿轮减速器相对于第二谐波齿轮减速器的中心轴线为悬臂布 置结构，而且是通过第三壳体实现连接的。所述第三壳体，是一个带大、小法兰的十字形套管。所述第三壳体的大法兰与第二谐波齿轮减速器相固定，第三壳体的小法兰与 第三谐波齿轮减速器的输出端面相连接。本发明中，第一直流电机的输出轴将动力通过第一同步带传动输入给第一谐 波齿轮减速器，第一谐波齿轮减速器将动力输出给第二壳体，使第二壳体绕第一 谐波齿轮减速器的中心轴线产生回转摆动；第二直流电机的输出轴将动力通过第 二同步带传动输入给第二谐波齿轮减速器，第二谐波齿轮减速器将动力输出给第 三壳体，使第三壳体绕第二谐波齿轮减速器的中心轴线产生回转摆动；第三直流 电机的输出轴将动力通过第三同步带传动输入给第三谐波齿轮减速器，第三谐波 齿轮减速器将动力输出给大腿板，使大腿板绕第三谐波齿轮减速器的中心轴线产 生回转摆动。与现有技术相比，本发明有益效果是髋关节3个摆动自由度的回转中心线 相互正交，驱动大腿摆动的第三谐波齿轮减速器相对于第二谐波齿轮减速器的中
心轴线为悬臂布置式结构，扩大了机器人腿部的工作运动范围。由于髋关节3个 摆动自由度都采用直流电机与谐波齿轮减速器相结合组成的传动系统，结构紧凑， 输出扭矩大，提高了机器人的动力性能。
图1为本发明的步行机器人髋关节总体结构示意图 图2为本发明的髋关节垂直剖面结构示意图 图3为本发明的髋关节水平剖面结构示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。如图l、图2和图3所示，本实施例包括第一直流电机l、第一主动同步带轮2-l、第一同步带2-2、第一从动同步带轮2-3、第一谐波齿轮减速器3、第一 壳体4、第二壳体5、第二直流电机6、第二主动同步带轮7-l、第二同步带7-2、 第二从动同步带轮7-3、第三谐波齿轮减速器8、第三主动同步带轮9-l、第三同 步带9-2、第三从动同步带轮9-3、第三直流电机IO、大腿板ll、第三壳体12、 第二谐波齿轮减速器13。以上零部件之间的连接关系为第一直流电机1用螺钉固定在第一壳体4上， 第一直流电机1的输出轴上用紧定螺钉连接了第一主动同步带轮2-l，第一从动同 步带轮2-3用紧定螺钉连接在第一谐波齿轮减速器3的输入轴上，第一同步带2-2 紧绕在第一主动同步带轮2-1与第一从动同步带轮2-3上，第一谐波齿轮减速器3 的固定法兰用螺钉与第一壳体4紧固连接，第一谐波齿轮减速器3的输出端面用 螺钉与第二壳体5相连接，第二直流电机6用螺钉固定在第二壳体5上，第二直 流电机6的输出轴上用紧定螺钉连接了第二主动同步带轮7-l，第二从动同步带轮 7-3用紧定螺钉连接在第二谐波齿轮减速器13的输入轴上，第二同步带7-2紧绕 在第二主动同步带轮7-1与第二从动同步带轮7-3上，第二谐波齿轮减速器13的 壳体用螺钉与第三壳体12的大法兰相固定，第二谐波齿轮减速器13的输出端面 与第二壳体5螺钉连接，第三直流电机10用螺钉固定在大腿板11上，第三直流 电机10的输出轴上用紧定螺钉连接了第三主动同步带轮9-1，第三从动同步带轮9-3用紧定螺钉连接在第三谐波齿轮减速器8的输入轴上，第三同步带9-2紧绕在 第三主动同步带轮9-1与第三从动同步带轮9-3上，第三谐波齿轮减速器8的固 定法兰用螺钉与大腿板11相连接，第三谐波齿轮减速器8的输出端面用螺钉与第 三壳体12的小法兰相连接。所述的第一谐波齿轮减速器3的中心轴线、第二谐波齿轮减速器13的中心轴 线、第三谐波齿轮减速器8的中心轴线构成了髋关节3个摆动自由度的回转中心 线，而且相互之间垂直正交于同一点上，该点位于第二谐波齿轮减速器13的中心 轴线上。所述的第三谐波齿轮减速器8相对于第二谐波齿轮减速器13的中心轴线为悬 臂布置结构，而且是通过一个带大、小法兰的十字形套管即第三壳体12实现连接 的。本实施例中，第一直流电机1的输出轴将动力通过第一同步带传动2输入给 第一谐波齿轮减速器3，第一谐波齿轮减速器3将动力输出给第二壳体5，使第二 壳体5绕第一谐波齿轮减速器3的中心轴线产生回转摆动，摆动的角度范围为 -45 °， +45 °;第二直流电机6的输出轴将动力通过第二同步带传动7输入给第 二谐波齿轮减速器13，第二谐波齿轮减速器13将动力输出给第三壳体12，使第 三壳体12绕第二谐波齿轮减速器13的中心轴线产生回转摆动，摆动的角度范围 为-40 °， +20 °;第三直流电机10的输出轴将动力通过第三同步带传动9输入 给第三谐波齿轮减速器8，第三谐波齿轮减速器8将动力输出给大腿板11，使大 腿板11绕第三谐波齿轮减速器8的中心轴线产生回转摆动，摆动的角度范围为 -130 °， +40 °。
权利要求
1.一种步行机器人悬臂型髋关节机构，包括第一直流电机、第一主动同步带轮、第一同步带、第一从动同步带轮、第一谐波齿轮减速器、第一壳体、第二壳体、第二直流电机、第二主动同步带轮、第二同步带、第二从动同步带轮、第三谐波齿轮减速器、第三主动同步带轮、第三同步带、第三从动同步带轮、第三直流电机、大腿板、第三壳体、第二谐波齿轮减速器，其特征在于第一直流电机固定在第一壳体上，第一直流电机的输出轴上连接第一主动同步带轮，第一从动同步带轮连接在第一谐波齿轮减速器的输入轴上，第一同步带紧绕在第一主动同步带轮与第一从动同步带轮上，第一谐波齿轮减速器与第一壳体紧固连接，第一谐波齿轮减速器与第二壳体相连接，第二直流电机固定在第二壳体上，第二直流电机的输出轴上连接第二主动同步带轮，第二从动同步带轮连接在第二谐波齿轮减速器的输入轴上，第二同步带紧绕在第二主动同步带轮与第二从动同步带轮上，第二谐波齿轮减速器与第三壳体相固定，第二谐波齿轮减速器的输出端面与第二壳体连接，第三直流电机固定在大腿板上，第三直流电机的输出轴连接第三主动同步带轮，第三从动同步带轮连接在第三谐波齿轮减速器的输入轴上，第三同步带紧绕在第三主动同步带轮与第三从动同步带轮上，第三谐波齿轮减速器与大腿板相连接，第三谐波齿轮减速器的输出端面与第三壳体相连接。
2. 根据权利要求1所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所述第 一谐波齿轮减速器的中心轴线、第二谐波齿轮减速器的中心轴线、第三谐波齿轮 减速器的中心轴线构成了髋关节3个摆动自由度的回转中心线，而且相互之间垂 直正交于同一点上，该点位于第二谐波齿轮减速器的中心轴线上。
3. 根据权利要求1或2所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所 述第三谐波齿轮减速器相对于第二谐波齿轮减速器的中心轴线为悬臂布置结构， 且通过第三壳体连接。
4. 根据权利要求1所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所述第三壳体，是一个带大、小法兰的十字形套管。
5. 根据权利要求4所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所述第 三壳体的大法兰与第二谐波齿轮减速器相固定，第三壳体的小法兰与第三谐波齿轮减速器的输出端面相连接。
6. 根据权利要求1所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所述第 一直流电机的输出轴将动力通过第一同步带传动输入给第一谐波齿轮减速器，第 一谐波齿轮减速器将动力输出给第二壳体，使第二壳体绕第一谐波齿轮减速器的 中心轴线产生回转摆动，摆动的角度范围为-45 °， +45 °。
7. 根据权利要求1所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所述第 二直流电机的输出轴将动力通过第二同步带传动输入给第二谐波齿轮减速器，第 二谐波齿轮减速器将动力输出给第三壳体，使第三壳体绕第二谐波齿轮减速器的 中心轴线产生回转摆动，摆动的角度范围为-40 °， +20 °。
8. 根据权利要求1所述的步行机器人悬臂型髋关节机构，其特征是，所述第三直流电机的输出轴将动力通过第三同步带传动输入给第三谐波齿轮减速器，第 三谐波齿轮减速器将动力输出给大腿板，使大腿板绕第三谐波齿轮减速器的中心轴线产生回转摆动，摆动的角度范围为-130 °， +40 °。
全文摘要
一种步行机器人悬臂型髋关节机构，属于机器人技术领域。本发明中，第一谐波齿轮减速器的中心轴线、第二谐波齿轮减速器的中心轴线、第三谐波齿轮减速器的中心轴线构成了髋关节三个摆动自由度的回转中心线，而且相互之间垂直正交于同一点上，该点位于第二谐波齿轮减速器的中心轴线上；第三谐波齿轮减速器的中心轴线相对于第二谐波齿轮减速器的中心轴线为悬臂结构，通过第三壳体连接。本发明结构紧凑，髋关节三个摆动自由度的回转中心线相互正交，驱动大腿摆动的第三谐波齿轮减速器相对于第二谐波齿轮减速器的中心轴线为悬臂布置式结构，扩大了机器人腿部的工作运动范围。
文档编号B25J17/00GK101130244SQ20071004646
公开日2008年2月27日 申请日期2007年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者方光荣, 健 李, 李慕君, 军 杨, 陈卫东, 顿向明, 高雪官 申请人:上海交通大学