[發明專利]基于非圓齒輪控制的單自由度仿生機構

有效

• 申請號: 202110813672.4
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113459165B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 劉大偉;張濤;李恒
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;B25J9/16
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 王冬杰

本發明提供一種基于非圓齒輪控制的單自由度仿生機構，其包括十字形單元、丁字形單元和繩索驅動組件。第一丁字形單元中的第四連接桿和機架固連，第一丁字形單元中的第三安裝孔和十字形單元中的第二安裝孔連接，十字形單元中的第一安裝孔和第二丁字形單元中的第三安裝孔連接。第一繩索的第二端依次穿過第一丁字形單元的第三穿線孔和十字形單元的第一穿線孔與第二丁字形單元的第三穿線孔固連，第二繩索的第二端依次穿過第一丁字形單元的第四穿線孔和十字形單元的第二穿線孔與第二丁字形單元的第四穿線孔固連。本發明利用非圓齒輪非線性的控制，減小了電機的使用數目，同時降低了傳統仿生機構因閉環控制所帶來的復雜性與難操作性。

技術領域

本發明涉及仿生機構領域，特別涉及一種基于非圓齒輪控制的單自由度仿生機構。

背景技術

仿生機構是由剛性構件、柔性構件、仿生構件以及動力元件等人為的組合而成的機械系統。通過運動副或仿生關節的聯接，系統的各部之間能保持足夠確定的相對運動，在控制系統的指揮下，可于某種程度上模擬設計者所期望的某特定生物的運動功能。近年來，仿生機器人應用范圍不斷增大，對仿生機器人的研究也越來越多，無論是在陸地使用的四足機器人、柔性機械臂，還是在水下使用的仿生機器魚，其中的仿生脊柱關節都是不可或缺的一部分。

目前，較為常用的仿生機構可分為內置式驅動與外置式驅動。內置式驅動又可大致分為以下三種情況：氣動人工肌肉、化學材料驅動和形狀記憶合金。外置式驅動可將機器本體與驅動裝置分離，使兩者相互獨立，通過中間機構如繩、鋼絲進行橋接，利用電機驅動繩索的伸長和縮短進而控制脊柱機構的運動。相對于內置式驅動，這樣的結構布局解放了關節，大大降低了關節的重量，避免了結構臃腫，這種輕量化的機構更容易保證運行的安全性。

然而針對外置式驅動，現有技術中采用多個電機相互串聯的機構、仿生機器魚結構，通過這些電機的協調運動來控制關節的運動，但每個關節都需要一個獨立的驅動器，其驅動機構以及控制難度隨關節數目的增加而更加復雜化，同時，這類設計中各關節的摩擦也消耗了大量的能量。例如，在基于繩驅動機械臂的研究與設計一文中，機械臂具有六個旋轉關節，除末端關節外的五個關節均為繩驅動關節，五個關節分別由五個電機獨立驅動，大量電機的使用極大的增大了系統的制造成本，同時使得該結構重量增大、體積增大。例如，文獻中提出的繩驅動機械臂轉動關節的結構，相互球鉸的兩個球鉸單元在轉動過程中存在著極大的摩擦力，且因球面的滑動，當球鉸單元增多時，關節無法在豎直位置上保持垂直，可能會產生滑動偏移。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于非圓齒輪控制的單自由度仿生機構，主要在旋轉動力源和仿生機構主體單元之間添加繩索驅動組件，減少了電機和傳感器的使用數量，不僅使得仿生機構的重量和體積減小，而且使得仿生機構的控制系統更加簡單，操作更加簡潔。