一种机器人变频击打机构的制作方法

本发明涉及使用机器人实现拟人化打击的机构，具体地说是一种机器人变频击打机构。

背景技术：

机器人在生产生活中的运用越来越多，但由于各方面的限制使其应用依然受限。在生活中有一些碰撞击打的动作，如击打各种球类，击打鼓类乐器，锤子敲击，刀剁物体等。但对于这一类动作，现在还难以由机器人实现。因为如果仅使用机械臂完成击打动作，不仅难以实现高频击打，也难以达到想要的击打力度，更是将由机械臂直接承受击打反作用力，影响机械臂使用寿命。如果使用机械臂末端电机直接驱动来完成击打，电机需要不断高频正反运作，对电机性能要求高；但击打反作用力大，振动剧烈，对电机伤害大，也易影响机器人，极易使得机器人关节磨损、运动精度下降、使用寿命缩短。

技术实现要素：

为了解决现有机器人无法实现碰撞击打动作的问题，本发明的目的在于提供一种机器人变频击打机构。该变频击打机构使机器人可以进行击打作业，在实现变频击打的同时，减弱击打反作用力对驱动器与机器人本体的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明在机器人本体的每个机械臂末端均安装有变频击打机构，所述变频击打机构包括驱动装置、执行机构、击打元件及控制器，其中机架安装在所述机器人本体的机械臂末端，所述驱动装置安装在机架上，通过所述执行机构带动击打元件往复摆动；所述执行机构为曲柄摇杆机构，包括曲柄、连杆、摇杆，该曲柄的一端与所述驱动装置相连，所述曲柄的另一端与连杆的一端铰接，所述摇杆的一端与机架转动连接，另一端连接有连接块，该连接块由所述连杆的另一端穿过，所述击打元件安装在连接块上；所述曲柄由驱动装置驱动旋转，带动所述摇杆及击打元件往复摆动，所述驱动装置与控制器电连接，通过该控制器改变驱动装置的运行速度，实现所述击打元件的变频击打。

其中：所述摇杆与击打元件的连接点，即所述连接块与击打元件的连接点为击打元件的击打中心；所述击打元件为匀质圆柱形，其击打中心距离击打头部为总长的2/3；

所述摇杆从击打位运动到击打预备位的时间比从击打预备位运动到击打位的时间短；所述击打位及击打预备位为摇杆的两个极限位置，处于击打位的所述曲柄及连杆共线但不重合，处于击打预备位的所述曲柄及连杆共线且重合；

所述击打元件与摇杆相平行；

所述曲柄的一端通过弹性联轴器与驱动装置相连，所述摇杆的一端设有销轴，该销轴通过轴承与所述机架转动连接，在所述轴承与机架之间以及所述驱动装置与机架之间均设有减少对机器人影响的弹性元件；

所述连接块上开有供击打元件穿过的通孔，该通孔的一侧开有螺钉孔，通过螺钉实现所述击打元件与连接块的固接，所述通孔的另一侧设有连接柱，该连接柱由所述连杆另一端开设的光孔穿过、与所述摇杆的另一端固接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明只需驱动装置单向连续转动即可实现击打元件摆动效果，避免反复急速转动变换对驱动装置的损害。

2.本发明实现了机器人的击打作业，且对机器人及驱动电机产生保护。

3.本发明通过控制驱动装置的转动速度可以实现变频击打。

4.本发明使机械臂与击打元件连动，实现拟人化击打作业。

5.本发明通过弹性元件减少了振动对机器人的影响，保证了机器人的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明在击打小鼓时的工作状态图；

图3为本发明执行机构的结构示意图之一；

图4为本发明执行机构的结构示意图之二；

图5为为本发明中连接块的结构示意图；

其中：1为机器人本体，2为驱动装置，3为执行机构，4为击打元件，5为小鼓，6为机架，7为曲柄，8为连杆，9为摇杆，10为连接块，11为销轴，12为螺钉，13为连接柱，14为通孔，15为螺钉孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明在机器人本体1的每个机械臂末端均安装有变频击打机构，该变频击打机构包括驱动装置2、执行机构3、击打元件4及控制器，其中机架6安装在所述机器人本体1的机械臂末端，驱动装置2安装在机架6上，通过执行机构3带动击打元件4往复摆动。本发明的驱动装置2为驱动电机，可以是机器人自身末端电机或另配的电机。

如图3～5所示，执行机构3为曲柄摇杆机构，包括曲柄7、连杆8、摇杆9，该曲柄7的一端通过弹性联轴器与驱动装置2相连，另一端与连杆8的一端铰接，连杆8的另一端开有光孔。摇杆9的一端设有销轴11，该销轴11通过轴承与机架6转动连接，在轴承与机架6之间以及驱动装置2与机架6之间均设有弹性元件，该弹性元件可以减少对机器人的影响的，由此实现对机器人与驱动装置2的保护。摇杆9的另一端连接有连接块10，该连接块10由连杆8的另一端穿过，击打元件4安装在连接块10上，击打元件4与摇杆9相平行。本实施例的连接块10为方块状，其上开有供击打元件4穿过的通孔14，该通孔14的一侧开有螺钉孔15，通过螺钉12实现击打元件4与连接块10的固接；通孔14的另一侧设有连接柱13，该连接柱13由连杆8另一端开设的光孔穿过、与摇杆9的另一端固接。摇杆9与击打元件4的连接点，即连接块10与击打元件4的连接点为击打元件4的击打中心。本实施例的击打元件4为匀质圆柱形，其击打中心距离击打头部为总长的2/3。

曲柄7由驱动装置2驱动旋转，带动摇杆9及击打元件4往复摆动，驱动装置2与控制器电连接，根据需求通过该控制器改变击打信号来改变驱动装置2的运行速度，实现击打元件4的变频击打。曲柄7的转动中心与摇杆9的转动中心相对机械臂末端不移动。

本发明的工作原理为：

机械臂与击打机构互相配合，机械臂运动模拟人手挥动；驱动装置2使得摇杆9来回摇动，模拟手腕甩动，由此实现机械臂与击打元件4的连动。根据击打需求，改变机械臂与驱动装置2的运行速度，即可实现变频击打。如图2所示，以双臂机器人击打演奏小鼓5为例，详细描述机器人变频击打机构的动作过程。

在小鼓5的击打过程中，总体上需要左右双臂根据乐普互相配合，左右鼓棒(击打元件4)依次敲击鼓面来演奏。击打动作主要由各自机械臂上的执行机构3完成。对于执行机构3的摇杆9，有两个极限位置，一个是击打位，此时执行机构3中的连杆8与曲柄7共线但不重合；另一个是击打预备位，此时执行机构3中的连杆8与曲柄7共线且重合。当驱动装置2匀速转动时，曲柄摇杆机构有急回特性，摇杆9从击打位回复到击打预备位的时间比从击打预备位运动到击打位的时间短。

使用曲柄摇杆机构，使得只需驱动电机连续单向转动便可实现摇杆9的往复摆动。在驱动电机与执行机构3的曲柄7之间，可使用弹性联轴器减少击打振动对驱动电机的影响。

摇杆9与鼓棒相连，连接点为鼓棒的击打中心。当鼓棒发生击打碰撞时，击打中心处反作用力为最小，振感最轻，可以从理论上降低击打反作用力对驱动电机及双臂机器人的影响。

在演奏小鼓5时，需要很快的击打节奏。如果仅以机械臂带动鼓棒击打，机械臂电机需要高频反复转动；不仅对电机伤害大，还由于机械臂自身质量大、惯性大，将会使得机器人剧烈振动，对机器人结构产生不利影响。使用本发明，即可减轻机械臂动作量，在满足演奏的同时，提升演奏的观赏性。

开始时，机器臂抬起远离鼓面，模拟人做击打时的扬手动作。同时，执行机构3在驱动电机及控制器的作用下，使得曲柄7与连杆8共线且重合，摇杆9上抬，模拟提腕动作。

然后机械臂向鼓面运动，同时驱动电机作业带动曲柄7转动，曲柄7使得摇杆9开始动作，由此模拟手臂挥动与手腕甩动的过程。直到机械臂运动到鼓面附近，此时曲柄7正好与连杆8共线但不重合，摇杆9运动到另一个极限位置，鼓棒与鼓面发生击打碰撞。

完成击打后，机器人开始离开鼓面，往初始位置运动，避免击打元件4与被击打物品耦合产生不利影响。驱动电机在控制器的作用下持续转动，且通过曲柄7与连杆8带动摇杆9与击打元件4撤离。同时，利用曲柄摇杆机构的急回特性，避免鼓棒与鼓面持续接触，影响鼓面振动，音色发生变化。直到机械臂运动到击打预备位，此时曲柄7与连杆8共线且重合，腕部再次提起。

机械臂与击打机构配合，改变机械臂与驱动电机的运行速度，即可实现拟人化变频(4～8下/秒)击打。同时，机械臂也可根据表演需求，调整各个关节的运动角度，再配合鼓棒的运动实现花式表演。例如，使左右手鼓棒同时运动到击打位置，然后两个机械臂运动，使两个鼓棒同时碰撞小鼓侧边栏或者侧围鼓身，由此增加表演的观赏性。