专利名称：单电机驱动的两自由度关节结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种应用于仿生机器 人的单电机驱动的两自由度关节结构。
背景技术：
两自由度关节指具有两个轴线垂直相交自由度的关节，这种关节 的原型在人体和动物体上普遍存在，研制两自由度关节对各种仿生机 器人具有一定的意义。
在自然界，具有2至3个轴线垂直相交自由度的关节在各种动物 体上极为常见，比如人体和其他行走类动物的颈关节、腕关节、踝关 节、指根关节、腰关节，螃蟹和其他爬行类动物的腿根关节等。因此， 对于各种仿生机器人，如何制作具有轴线相交自由度的关节是需要解 决的问题之一。
一般情况下，2至3自由度关节的驱动都是采用的全驱动方式，即 驱动电机数与关节的自由度数是相等的，这样常常会给电机的布置带 来麻烦。如果能实现单电机驱动的两自由度关节，可以一定程度上方 便机器人的设计。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单电机驱动的两自由 度关节结构，以实现单电机对两个自由度运动的控制。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种单电机驱动的两自由度关节 结构，该结构由电机1、机架2、电机齿轮3、第一齿轮4、第二齿轮4'、十字形交叉轴5、第一角位移传感器6、第二角位移传感器6'、第一磁
流变体阻尼器7、第二磁流变体阻尼器7'和执行部件8构成；其中，
机架(2)与执行部件(8)通过十字形交叉轴(5)相联接，机架 (2)与该十字形交叉轴(5)的第一条轴通过轴承相联接，执行部件 (8)与该十字形交叉轴(5)的第二条轴也通过轴承相联接；
电机(1)固定安装于机架(2)上，电机齿轮(3)与电机(1) 的输出转轴固定联接，该电机齿轮(3)所在平面平行于所述十字形交 叉轴(5)的第一条轴，电机齿轮(3)的轴线延长线通过十字形交叉 轴(5)的中心点；
第一齿轮(4)与所述十字形交叉轴(5)的第一条轴以轴承相联 接，第二齿轮(4')与所述执行部件(8)为固定联接，使电机齿轮(3) 与第一齿轮(4)相啮合，且第一齿轮(4)与第二齿轮(40相啮合；
所述十字形交叉轴(5)的第一条轴的两端分别安装有第一角位移 传感器(6)和第一磁流变体阻尼器(7)，所述十字形交叉轴(5)的 第二条轴的两端分别安装有第二角位移传感器(6')和第二磁流变体 阻尼器(7')。
优选地，所述第一齿轮(4)与十字形交叉轴(5)以轴承方式相 联接，该两自由度关节绕第一轴线的输出运动并不同于第一齿轮(4) 绕十字形交叉轴(5)第一条轴的运动。
优选地，所述第二齿轮(4')与执行部件(8)为固定联接，该两 自由度关节绕第二轴线的输出运动相同于第二齿轮(4')绕十字形交 叉轴第二条轴的运动。
优选地，所述第一角位移传感器(6)用于反映该两自由度关节绕 第一轴线的转角，所述第二角位移传感器(6')用于反映该两自由度 关节绕第二轴线的转角，角位移传感器(6)和(6')用于对两自由度 关节运动的反馈控制。
优选地，所述第一磁流变阻尼器固定联接于所述机架2上，所述 第二磁流变阻尼器固定联接于执行部件8上，通过对两个轴端阻尼器 输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。
优选地，所述执行部件8绕所述十字形交叉轴5的两条轴所在直
5线的运动是这样形成的执行部件8、第二齿轮4'以及十字形交叉轴5
整体绕第一轴线转动，执行部件8和第二齿轮4'绕第二轴线转动。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明提供的这种单电机驱动的两自由度关节结构，通过对两 个轴端磁流变阻尼器输出阻尼力矩的控制，实现了单电机对两个自由 度运动的控制。
2、 本发明提供的这种单电机驱动的两自由度关节结构，由l个电
机通过锥齿轮系驱动2个自由度，关节的输入驱动少于自由度数目，
属于欠驱动系统，可以一定程度上提高电机的驱动效率。
图1为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的结构示意图2为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的原理图3为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节四种等效工作状 态的示意图1和图2中，l为电机，2为机架，3为电机齿轮，4为第一齿 轮，4'为第二齿轮，5为十字形交叉轴，6为第一角位移传感器，6'为 第二角位移传感器，7为第一磁流变体阻尼器，7'为第二磁流变体阻尼 器，8为执行部件。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的 结构示意图，该结构由电机l、机架2、电机齿轮3、第一齿轮4、第 二齿轮4'、十字形交叉轴5、第一角位移传感器6、第二角位移传感器 6'、第一磁流变体阻尼器7、第二磁流变体阻尼器7'和执行部件8构成。 '其中，机架2与执行部件8通过十字形交叉轴5相联接，机架2
6与该十字形交叉轴5的第一条轴通过轴承相联接，执行部件8与该十
字形交叉轴5的第二条轴也通过轴承相联接；
电机1固定安装于机架2上，电机齿轮3与电机1的输出转轴固 定联接，该电机齿轮3所在平面平行于所述十字形交叉轴5的第一条 轴，电机齿轮3的轴线延长线通过十字形交叉轴5的中心点；
第一齿轮4与所述十字形交叉轴5的第一条轴以轴承相联接，第 二齿轮4'与所述执行部件8为固定联接，使电机齿轮3与第一齿轮4 相啮合，且第一齿轮4与第二齿轮4'相啮合；
所述十字形交叉轴5的第一条轴的两端分别安装有第一角位移传 感器6和第一磁流变体阻尼器7，所述十字形交叉轴5的第二条轴的两 端分别安装有第二角位移传感器6'和第二磁流变体阻尼器7'。
所述第一齿轮4与十字形交叉轴5以轴承方式相联接，故该两自 由度关节绕第一轴线的输出运动并不同于第一齿轮4绕十字形交叉轴 5第一条轴的运动。
所述第二齿轮4'与执行部件8为固定联接，故该两自由度关节绕 第二轴线的输出运动相同于第二齿轮4'绕十字形交叉轴第二条轴的运 动。
所述第一角位移传感器6用于反映该两自由度关节绕第一轴线的 转角，所述第二角位移传感器6'用于反映该两自由度关节绕第二轴线 的转角，角位移传感器6和6'用于对两自由度关节运动的反馈控制。
所述第一磁流变阻尼器固定联接于所述机架2上，所述第二磁流 变阻尼器固定联接于执行部件8上，通过对两个轴端阻尼器输出阻尼 的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。
所述执行部件8绕所述十字形交叉轴5的两条轴所在直线的运动 是这样形成的执行部件8、第二齿轮4'以及十字形交叉轴5整体绕 第一轴线转动，执行部件8和第二齿轮4'绕第二轴线转动。
单电机驱动的两自由度关节的原理设计如图2所示，图2为本发 明提供的单电机驱动的两自由度关节的原理图。机架与执行部件通过 十字形交叉轴相联接。十字形交叉轴的两个垂直相交轴分别为第一条
7轴、第二条轴，第一条轴、第二条轴分别以轴承安装在机架和执行部 件上。电机固定安装于机架上，第一齿轮则以轴承与第一条轴相联接， 电机齿轮与第一齿轮有传动配合，假设传动比为Z,。。第二齿轮与执行 部件为一体，第一齿轮、第二齿轮之间具有传动配合，假设传动比为/21 。 第一条轴、第二条轴各有两个轴端，分别安装有角位移传感器和磁流 变体阻尼器第一角位移传感器反映整个十字形交叉轴绕第一条轴的 转角，第二角位移传感器反映执行部件绕第二条轴的转角；第一阻尼 器和第二阻尼器分别固联在机架和执行部件上。通过对两个轴端阻尼 器输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。这样，执 行部件绕第一条轴、第二条轴的运动是这样形成的执行部件与第二 齿轮及十字形交叉轴整体绕第一条轴的转动，执行部件与第二齿轮绕 第二条轴的转动。
单电机驱动的两自由度关节从原理上可以等效为如图3所示行星 轮系，图3为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节四种等效工作 状态的示意图。电机齿轮等效于齿轮a，与机架构成转动幅；第一齿轮 等效于齿轮b，与机架构成转动幅；第二齿轮及与其固定联接的执行部 件等效于齿轮C;十字交叉轴等效于系杆，两端分别与齿轮b、 C构成 转动幅。等效机构的两个自由度运动分别从系杆和齿轮C输出。假设 齿轮a、 b、 C的半径分别为^、；、；；，令^/^=/,。， &化=/21，假设电
机轴的输出转速为w。。
如图3 (1)，当原关节的两个阻尼器均完全放松时，相当于系杆和 齿轮c均可以运动，但运动传递关系不确定。
如图3 (11)，当第一阻尼器放松，第二阻尼器制动时，相当于将 系杆与齿轮固定联接起来，从系杆输出运动，机构的输出运动为
W。W 、A o
如图3 (III)，当第二阻尼器放松，第一阻尼器制动时，相当齿轮 c与机架构成转动幅，从齿轮c处输出运动，机构的输出运动为
如图3 (IV)，当第一阻尼器和2均制动时，机构将被锁死而不能运动。
可见在两个阻尼器中的其中一个完全制动的情况下，系统的运动 输出可以是确定的，由某一个自由度独立输出运动。如果对两个阻尼 器同时进行阻尼力矩控制，可以实现两个自由度的同时运动，保证关 节转角在任意方向运动的连续。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体 实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，该结构由电机(1)、机架(2)、电机齿轮(3)、第一齿轮(4)、第二齿轮(4′)、十字形交叉轴(5)、第一角位移传感器(6)、第二角位移传感器(6′)、第一磁流变体阻尼器(7)、第二磁流变体阻尼器(7′)和执行部件(8)构成；其中，机架(2)与执行部件(8)通过十字形交叉轴(5)相联接，机架(2)与该十字形交叉轴(5)的第一条轴通过轴承相联接，执行部件(8)与该十字形交叉轴(5)的第二条轴通过轴承相联接；电机(1)固定安装于机架(2)上，电机齿轮(3)与电机(1)的输出转轴固定联接，电机齿轮(3)所在平面平行于所述十字形交叉轴(5)的第一条轴，电机齿轮(3)的轴线延长线通过十字形交叉轴(5)的中心点；第一齿轮(4)与所述十字形交叉轴(5)的第一条轴以轴承相联接，第二齿轮(4′)与所述执行部件(8)为固定联接，使电机齿轮(3)与第一齿轮(4)相啮合，且第一齿轮(4)与第二齿轮(4′)相啮合；所述十字形交叉轴(5)的第一条轴的两端分别安装有第一角位移传感器(6)和第一磁流变体阻尼器(7)，所述十字形交叉轴(5)的第二条轴的两端分别安装有第二角位移传感器(6′)和第二磁流变体阻尼器(7′)。
2、 根据权利要求l所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特 征在于，所述第一齿轮(4)与十字形交叉轴(5)以轴承方式相联接， 该两自由度关节绕第一轴线的输出运动并不同于第一齿轮(4)绕十字 形交叉轴(5)第一条轴的运动。
3、 根据权利要求l所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特 征在于，所述第二齿轮(4')与执行部件(8)为固定联接，该两自由 度关节绕第二轴线的输出运动相同于第二齿轮(4')绕十字形交叉轴 第二条轴的运动。
4、 根据权利要求l所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，所述第一角位移传感器(6)用于反映该两自由度关节绕第一轴线的转角，所述第二角位移传感器(6')用于反映该两自由度关节 绕第二轴线的转角，角位移传感器(6)和(6')用于对两自由度关节 运动的反馈控制。
5、 根据权利要求l所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特 征在于，所述第一磁流变阻尼器固定联接于所述机架(2)上，所述第 二磁流变阻尼器固定联接于执行部件(8)上，通过对两个轴端阻尼器 输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。
6、 根据权利要求l所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特 征在于，所述执行部件(8)绕所述十字形交叉轴(5)的两条轴所在 直线的运动是这样形成的执行部件(8)、第二齿轮(4')以及十字 形交叉轴(5)整体绕第一轴线转动，执行部件(8)和第二齿轮(4') 绕第二轴线转动。
全文摘要
本发明公开了一种单电机驱动的两自由度关节结构，该结构由电机(1)、机架(2)、电机齿轮(3)、第一齿轮(4)、第二齿轮(4′)、十字形交叉轴(5)、第一角位移传感器(6)、第二角位移传感器(6′)、第一磁流变体阻尼器(7)、第二磁流变体阻尼器(7′)和执行部件(8)构成。利用本发明，通过对两个轴端可控磁流变体阻尼器输出阻尼力矩的控制，实现了单电机对两个自由度运动的控制。
文档编号B25J17/00GK101486192SQ20081005625
公开日2009年7月22日 申请日期2008年1月16日 优先权日2008年1月16日
发明者李成荣, 罗杨宇 申请人:中国科学院自动化研究所