机器人关节液压伺服驱动机构的制作方法

本发明涉及机器人研究和工程领域，具体涉及一种机器人关节液压伺服驱动机构。

背景技术：

机器人是集控制、机械、电子、材料等学科于一体的交叉学科，随着机器人技术的飞速发展，对系统的各个组成部分提出了更高的指标要求。机器人关节驱动方式直接影响到机器人的整体性能，因此受到研究人员的广泛关注。

机器人的关节驱动方式主要包括气动人工肌肉、伺服电机驱动和液压伺服驱动。气动人工肌肉具有质量相对较轻、价格低、容易维护以及良好的柔顺性等优点，但其控制精度相对较低。伺服电机驱动的动态响应速度快，可靠性高，但功率密度较低。当前驱动技术下，若想达到较强的负载能力，则电机的体积、质量都较大，这将导致机器人十分笨重。

相对于气动人工肌肉和伺服电机驱动，液压伺服驱动具有高功率密度、高刚度、高精度以及高负载等显著优点。但传统的液压驱动方式所采用的驱动机构通常导致机器人具有较小的关节运动范围。

具体而言，如图1a-1c所示，现有的关节液压伺服驱动机构主要包括以下三种形式：如图1a所示，第一种驱动机构的液压驱动单元101a一端为固定铰链105a、另一端为活动铰链103a,通过液压驱动单元101a的输出杆102a的伸缩带动连杆104a摆动，从而实现关节的转动；如图1b所示，第二种驱动机构的液压驱动单元101b被固定，只有输出杆102b能够伸缩，连杆104b上安装有滑槽导轨105b，当输出杆102b伸缩时可使活动铰链103b在滑槽导轨105b内滑动，进而带动连杆104b摆动；如图1c所示，第三种驱动机构是将第二种驱动机构中的导轨滑槽替换成两端具有活动铰链103c的连杆106c。不难看出，第一种驱动机构要得到较大的关节转动角度，液压驱动单元101a的输出杆102a的运动范围必须很大，并且连杆104a在摆动过程中，液压驱动单元101a也要进行较大角度的转动；第二种以及第三种驱动机构虽然液压驱动单元101b、101c并不随着连杆104b、104c转动，但是输出杆102b、102c的运动范围直接限制了连杆104b、104c的摆动角度，难以实现机器人较大的关节转动角度。

因此，为了提高机器人的整体性能，需要设计一种具备动态特性高、负载能力大且体积相对较小的关节驱动方式。

技术实现要素：

为了解决上述传统关节驱动机构所存在的运动范围较小、动态特性差以及体积庞大等问题，本发明提供了一种机器人关节液压伺服驱动机构，其通过将液压伺服驱动单元与特殊四连杆机构结合，利用了该四连杆机构的运动放大原理，不仅能够实现动态特性高，还可以间接缩小液压伺服驱动单元的运动范围，从而节省结构空间，使机器人关节更加紧凑。此外，由于液压驱动单元具有足够大的输出力，即使由于四连杆机构的运动放大而导致关节驱动力有所下降，但仍然能满足机器人关节驱动力和高负载的需求。

根据本发明的一方面，所述机器人关节液压伺服驱动机构包括：

液压伺服驱动单元，所述液压伺服驱动单元的固定端与第一固定铰链连接；以及

四连杆机构，所述四连杆机构包括固定机架、与所述固定机架连接的第一摇杆和第二摇杆，以及与所述第一摇杆和所述第二摇杆连接的连杆，

其中，所述液压伺服驱动单元的活动端与所述第一摇杆连接，以通过所述活动端的伸缩带动所述第一摇杆摆动，来改变由所述固定机架与所述第二摇杆构成的关节转动角度。

根据实施例，所述固定机架包括设置在机器人的第一部位上的第二固定铰链以及设置在机器人的第一部位与第二部位连接处的第三固定铰链。

根据实施例，所述第一固定铰链设置在机器人的第一部位上。

根据实施例，所述液压伺服驱动单元的所述活动端通过第一活动铰链与所述第一摇杆和所述连杆连接，并且所述连杆通过第二活动铰链与所述第二摇杆连接。

根据实施例，所述第一部位为机器人的大腿并且所述第二部位为机器人的小腿。

根据实施例，所述液压伺服驱动单元包括液压伺服阀，用于控制液压缸的运动。

根据实施例，所述液压伺服驱动单元还包括安装在所述液压缸上的LVDT(Linear Variable Differential Transformer)直线位移传感器，用于检测输出杆的运动，其中所述LVDT传感器的芯通过关节轴承与所述液压缸的输出杆连接。

附图说明

图1a-1c为现有的机器人关节液压伺服驱动机构的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构的结构示意图。

图3为安装有根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构的仿人机器人的膝关节结构示意图。

图4为根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构的液压伺服驱动单元的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图详细描述根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构。

图2示意性示出了根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构的结构示意图。如图2所示，机器人关节液压伺服驱动机构包括：液压伺服驱动单元201，其固定端与第一固定铰链D连接；以及四连杆机构，该四连杆机构包括固定机架202、与固定机架202连接的第一摇杆203和第二摇杆204，以及与第一和第二摇杆203、204连接的连杆205。

进一步地，如图2所示，液压伺服驱动单元201的活动端与第一摇杆203连接，以通过活动端的伸缩带动第一摇杆203摆动，来改变由固定机架202与第二摇杆204构成的关节转动角度θ。

并且，固定机架202包括第二固定铰链H以及第三固定铰链G。液压伺服驱动单元201的活动端通过第一活动铰链E与第一摇杆203和连杆205连接，并且连杆205通过第二活动铰链F与第二摇杆204连接。

并且，如图2所示，关节转动角度θ与液压伺服驱动单元201的总长度l_ED之间的函数关系可以通过以下等式获得。

根据本实施例，角度∠GHD为定值,满足∠GHD＝161.6°，长度满足l_DH＝223.3mm，l_HE＝60mm，l_HG＝38mm，l_GF＝40mm，l_EF＝50mm，上述角度和杆长均为示例性的，满足运动放大和实际需要的数值设定均是可行的：

∠EHD＝2π-∠GHD-∠GHF-∠FHE

如图2所示，与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过将具有运动放大功能的四连杆机构与液压伺服驱动单元相结合，增大了机器人的关节转动角度；并且避免了机器人关节在进行较大角度转动时液压伺服驱动单元自身较大角度摆动，从而节省了结构空间，使机器人关节更加紧凑。

图3示出了安装有根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构的仿人机器人的膝关节结构。

如图3所示，仿人机器人的膝关节包括大腿301、小腿302和液压伺服驱动单元303。大腿301与小腿302通过固定铰链G连接，液压伺服驱动单元303的固定端与设置在机器人大腿301上的固定铰链D连接，而液压伺服驱动单元303的活动端通过活动铰链E与连杆304、连杆305连接。连杆304除了与液压伺服驱动单元303的活动铰链E连接，其另一端与设置在小腿302上的活动铰链F连接。连杆305除了与液压伺服驱动单元303的活动铰链E连接，其另一端与设置在大腿301上的固定铰链H连接。

如图3所示，铰链E、F、G和H构成四连杆机构，以通过液压伺服驱动单元303的活动端的伸缩带动连杆305摆动，来改变由固定机架GH与摇杆GF构成的关节转动角度θ，从而实现机器人的膝关节转动。

图4示出了根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构的液压伺服驱动单元的结构。

如图4所示，液压伺服驱动单元包括液压缸401，其固定端通过关节轴承402与固定铰链D连接，其输出杆403通过关节轴承404与活动铰链E连接。

液压伺服驱动单元还包括液压伺服阀405，用于控制液压缸401的运动。并且，液压伺服驱动单元还包括LVDT(Linear Variable Differen tial Transformer)直线位移传感器406，用于检测输出杆403的运动。其中，LVDT位移传感器406通过两个固定架407安装在液压缸401上，并且LVDT位移传感器406的芯408通过关节轴承409与液压缸401的输出杆403连接。

图3和4示出了根据本发明实施例的机器人关节液压伺服驱动机构应用于仿人机器人的膝关节的实施例；然而，本发明不限于此，例如应用于仿人机器人的其他部位的关节、其它仿生机器人关节以及机械臂关节也是可行的。

如上所述，本发明提供了一种机器人关节液压伺服驱动机构，其通过将液压伺服驱动单元与具有运动放大功能的四连杆机构结合，不仅能够实现机器人关节动态特性高、负载能力大的优点，还可以间接缩小液压伺服驱动单元的运动范围，从而节省结构空间，使机器人关节更加紧凑。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。