[發明專利]一種大運動范圍復合柔性仿生球窩關節

有效

• 申請號: 202110954110.1
• 申請日: 2021-08-19
• 公開（公告）號: CN113459152B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 張秀麗;羅鈐淯
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J19/00
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 岳東升;楊帥峰

一種大運動范圍復合柔性仿生球窩關節，屬于機器人技術領域。包括球窩底座、球窩、球頭、第一偏轉驅動結構、第二偏轉驅動結構、扭轉驅動結構、氣動波紋管、驅動電機和氣泵；球窩底部與球窩底座固連，球頭與球窩配合，球頭可在球窩內轉動；第一偏轉驅動結構和第二偏轉驅動結構分別連接在球窩、球窩底座和球頭上，扭轉驅動結構連接在球頭上并依附于第一偏轉結構內；第一偏轉驅動結構、第二偏轉驅動結構和扭轉驅動結構共同驅動球頭繞球窩的三自由度旋轉；通過繩索驅動關節轉動，通過氣動軟體結構改變關節剛度，繩索驅動和氣動驅動這種復合驅動方式使得關節結構緊湊并具有較大的運動范圍和關節柔性，提升了球窩關節的運動性能。

所屬技術領域

本發明屬于機器人技術領域，特別是涉及一種大運動范圍復合柔性仿生球窩關節。

背景技術

目前，隨著機器人技術的不斷發展，機器人關節也呈現出多樣化的需求。傳統的機器人關節采用驅動器串聯，每個驅動器驅動機器人的一個自由度，串聯機構雖然運動范圍大、控制方便，但是串聯機構的驅動器安裝在每個運動桿件上，導致機器人整體的慣性大，剛度小，在運動時容易發生抖動，難以精確控制。不同于串聯機構開環的運動鏈，并聯機構的運動桿件組成一個封閉的運動鏈，這種結構提高了機器人的關節剛度和運動穩定性，但是并聯機構體積大，運動范圍小，結構不夠緊湊；傳統的機械球窩關節雖然結構緊湊，但是運動范圍小，不具有柔性。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，避免串聯和并聯機構自身固有的局限性，本發明提供了一種大運動范圍復合柔性仿生球窩關節，該關節通過對動物關節的仿生設計，使用繩索驅動和氣動驅動的復合驅動，實現了關節的大運動范圍和柔性可變剛度，該關節可作為機器人關節，提高機器人的運動性能。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種大運動范圍復合柔性仿生球窩關節，包括球窩底座、球窩、球頭、第一偏轉驅動結構、第二偏轉驅動結構、扭轉驅動結構、氣動波紋管、驅動電機和氣泵；球窩底部與球窩底座固連，球頭與球窩配合，球頭可在球窩內轉動；第一偏轉驅動結構和第二偏轉驅動結構分別連接在球窩、球窩底座和球頭上，扭轉驅動結構連接在球頭上并依附于第一偏轉結構內；第一偏轉驅動結構、第二偏轉驅動結構和扭轉驅動結構共同驅動球頭繞球窩的三自由度旋轉。

所述第一偏轉驅動結構包括第一限位件、第二限位件、氣動波紋管、第一轉盤結構、第一連接件、偏轉驅動繩索、限位繩索、第一絞盤、驅動電機和氣泵。

所述第一限位件包括底部繩索限位件、底部軟體限位件、短銷軸和長銷軸；底部繩索限位件設有四個軸孔，長銷軸安裝在靠外側的第二個軸孔內，第一短銷軸安裝靠外側第一個軸孔內，第二短銷軸安裝靠外側第三個軸孔內，第三短銷軸安裝靠外側第四個軸孔內；兩個底部軟體限位件分別與長銷軸兩端固連并對稱分布在底部繩索限位件兩側，底部軟體限位件可繞長銷軸轉動。

進一步的，所述底部繩索限位件內外兩側各有一軸孔，分別通過銷軸與球窩上的軸孔和對應球窩底座上的軸孔配合，軸線穿過球窩中心，底部繩索限位件可繞該軸線轉動。

所述第二限位件包括頂部繩索限位件、頂部軟體限位件、短銷軸、長銷軸和滾珠；頂部繩索限位件設有四個軸孔，長銷軸安裝在靠外側的第二個軸孔內，第一短銷軸安裝靠外側第一個軸孔內，第二短銷軸安裝靠外側第三個軸孔內，第三短銷軸安裝靠外側第四個軸孔內；兩個頂部軟體限位件分別與長銷軸兩端固連并對稱分布在底部繩索限位件兩側，頂部軟體限位件可繞長銷軸轉動；頂部繩索限位件內側安裝四個滾珠，頂部繩索限位件通過滾珠與球頭配合，頂部繩索限位件可在球頭上滑動。

所述第一轉盤結構包括第一轉盤、轉動軸承、第一定位銷軸和第二定位銷軸；第一轉盤對側各有一軸孔，第一、第二定位銷軸分別固定在軸孔內，第一轉盤中心固定一轉動軸承，軸承與球頭上的輸出軸配合，第一轉盤可繞球頭的輸出軸轉動。