[發明專利]一種電驅動關節及三自由度仿生機器人關節集成模組

有效

• 申請號: 202210506006.0
• 申請日: 2022-05-10
• 公開（公告）號: CN114789761B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 梁振杰;江磊;劉宇飛;王志瑞;邢伯陽;黨睿娜;許威;趙建新;閆曈;邱天奇;蘇波;雷永順
• 申請（專利權）人: 中國北方車輛研究所
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;H02K3/28;H02K7/116;H02K9/06;H02K9/22
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 趙欣

本發明涉及一種電驅動關節及三自由度仿生機器人關節集成模組，電驅動關節，包括外殼總成、電機總成、一級減速器總成、二級減速器總成、編碼器總成和軸承組；模組包括膝關節單元、前擺單元、側展單元及腿部單元；電驅動關節采用軸向磁通電機；膝關節單元與前擺關節單元同向布置，側展關節單元輸出軸線與前擺關節軸線正交布置，本發明利用高度集成化的電機形成多自由度拓撲，結構簡單緊湊、高集成度、軸向尺寸小、各關節負載端質心位置距離較近，等效轉動慣量小，具備高頻響應性能、高機動、低慣量、空間復用、高集成度、高可靠、耐沖擊的三自由度機器人關節，可直接應用于雙足、四足、六足等腿足式機器人。

技術領域

本發明屬于仿生機器人領域，具體涉及一種電驅動關節及三自由度仿生機器人關節集成模組，尤其是涉及一種被動熱循環雙繞組軸向磁通電驅動關節及由其組成的三自由度仿生機器人關節集成模組。

背景技術

腿足式機器人由于其優越的地形適應能力潛力，被認為是彌補傳統輪履式機器人在非結構地形下的通過性差問題的最佳路徑，近年來隨著控制技術的發展，腿足式機器人的研究取得重大突破，然而由于關節扭矩密度與功率密度較低，導致電驅動四足四足機器人普遍存在載重比較低等問題，另外腿足式機器人周期性往復運動和擺動支撐交替作用導致效率較低，大部分輸入能量轉化為熱量累積在電機繞組上，關節溫度的升高導致電機輸出特性產生非線性變化，給穩定控制帶來很大難度，同時溫度到達一定數值將會導致電機退磁失效，因此如何提高關節模組扭矩與功率密度以及機器人關節散熱問題逐漸成為限制機器人長時間運動的關鍵因素。當前解決散熱問題的方式常常是增加風冷或者水冷等主動散熱措施，但該主動散熱系統導致系統復雜，同時增加了系統重量，難以通過電磁兼容等環境適應性測試。

高性能移動機器人尤其是以雙足、四足等仿生機器人能力需求的日益增加使得工業界對機器人關節模組的扭矩密度、功率密度、動態響應性能、質量體積等綜合性能均提出了更高要求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：(1)扭矩密度/功率密度低的問題：機器人電驅動關節扭矩及功率密度關系到整機機動及載重能力，傳統電驅動關節模組通常采用內轉子或外轉子電機配合大減速比諧波減速器實現較大的扭矩輸出，然而通常整個系統重量較重，扭矩密度較低，且諧波減速器的存在機器人采用力控是必須增加扭矩傳感器進行輸出扭矩測量，系統成本和復雜程度均有所增加。(2)散熱問題：傳統仿生機器人由于關節動支撐交替作用運動特性，導致效率較低，熱量局部累積導致電機電機失效，主動散熱系統復雜，增加執行結構負載重量，難以通過電磁兼容等環境適應性測試。

為了解決以上技術問題，本發明提供了一種電驅動關節，其特征在于：包括外殼總成1、電機總成2、一級減速器總成3、二級減速器總成4和編碼器總成5；外殼總成1內依次設置有電機總成2、一級減速器總成3和二級減速器總成4；一級減速器總成內嵌于電機總成內部，電機總成輸出轉動經一級減速器總成3和二級減速器總成4輸出至輸出端；編碼器總成5安裝于關節尾端部，用于檢測與反饋電機位置速度信息。

一種三自由度仿生機器人關節集成模組，其特征在于：包括前擺單元B、膝關節單元A、側展單元C；前擺單元B，膝關節單元A，側展單元C的結構采用電驅動關節的結構；膝關節單元A與前擺關節單元B同向布置，側展關節單元C輸出軸線與前擺關節軸線正交布置，膝關節單元A尾部與前擺關節輸出端固定連接，側展關節與前擺關節外殼固定連接。

有益效果：

(1)雙定子繞組設計，電機扭矩密度和功率密度顯著提高，有利于整機重量控制以及機動性能提高。

(2)二級行星減速器配置，既增加了關節輸出扭矩密度，同時保證關節模組具有較大剛度，無需增加扭矩傳感器，通過電流-扭矩標定即可實現較高力控精度。

(3)電驅動關節無需增加額外的主動散熱系統，由固定在轉子軸上的扇形翅片形成熱循環，結構簡單、空間緊湊。

(4)三自由度仿生機器人關節集成模組各關節執行器負載等效轉動慣量較小，可滿足機器人高動態機動要求。