一种三自由度复合柔性仿生球窝关节

所属技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种三自由度复合柔性仿生球窝关节。

背景技术

目前，随着机器人技术的不断发展，机器人关节也呈现出多样化的需求。传统的机器人关节采用驱动器串联，每个驱动器驱动机器人的一个自由度，串联机构虽然运动范围大、控制方便，但是串联机构的驱动器安装在每个运动杆件上，导致机器人整体的惯性大，刚度小，在运动时容易发生抖动，难以精确控制。不同于串联机构开环的运动链，并联机构的运动杆件组成一个封闭的运动链，这种结构提高了机器人的关节刚度和运动稳定性，但是并联机构体积大，运动范围小，结构不够紧凑；传统的机械球窝关节虽然结构紧凑，但是运动范围小，不具有柔性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，避免串联和并联机构自身固有的局限性，本发明提供了一种三自由度复合柔性仿生球窝关节，该关节通过对动物关节的仿生设计，使用绳索驱动和气动驱动的复合驱动，实现了关节的大运动范围和柔性可变刚度，该关节可作为机器人关节，提高机器人的运动性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三自由度复合柔性仿生球窝关节，包括球窝底座、球窝、球头、第一偏转驱动结构、第二偏转驱动结构、扭转驱动结构、气动波纹管、驱动电机和气泵；球窝底部与球窝底座固连，球头与球窝配合，球头可在球窝内转动；第一偏转驱动结构、第二偏转驱动结构和扭转驱动结构分别连接在球窝、球窝底座和球头上；第一偏转驱动结构、第二偏转驱动结构和扭转驱动结构共同驱动球头绕球窝的三自由度旋转。

所述第一偏转驱动结构包括第一限位件、第二限位件、气动波纹管、第一转盘结构、第一连接件、偏转驱动绳索、限位绳索、第一绞盘、驱动电机和气泵。

所述第一限位件包括底部绳索限位件、底部软体限位件、短销轴和长销轴；底部绳索限位件设有三个轴孔，长销轴安装在靠外侧的第一个轴孔内，第一短销轴安装靠外侧第二个轴孔内，第二短销轴安装靠外侧第三个轴孔内；两个底部软体限位件分别与长销轴两端固连并对称分布在底部绳索限位件两侧，底部软体限位件可绕长销轴转动。

进一步的，所述底部绳索限位件内外两侧各有一轴孔，分别通过销轴与球窝上的轴孔和对应球窝底座上的轴孔配合，轴线穿过球窝中心，底部绳索限位件可绕该轴线转动。

所述第二限位件包括顶部绳索限位件、顶部软体限位件、短销轴、长销轴和滚珠；顶部绳索限位件设有三个轴孔，长销轴安装在靠外侧的第一个轴孔内，第一短销轴安装靠外侧第二个轴孔内，第二短销轴安装靠外侧第三个轴孔内；两个顶部软体限位件分别与长销轴两端固连并对称分布在底部绳索限位件两侧，顶部软体限位件可绕长销轴转动；顶部绳索限位件内侧安装四个滚珠，顶部绳索限位件通过滚珠与球头配合，顶部绳索限位件可在球头上滑动。

所述第一转盘结构包括第一转盘、转动轴承、第一定位销轴和第二定位销轴；第一转盘对侧各有一轴孔，第一、第二定位销轴分别固定在轴孔内，第一转盘中心固定一转动轴承，轴承与球头上的输出轴配合，第一转盘可绕球头的输出轴转动。

所述第一偏转驱动结构，偏转驱动绳索一端连接第一转盘结构的第一定位销轴，穿过第二限位件的顶部绳索限位件并绕过其内的第一短销轴，再穿过第一限位件的底部绳索限位件并绕过其内的第一短销轴，然后从球窝底座穿出，固定并缠绕在第一绞盘内的大绞盘上；与上述穿绳方式相同，偏转驱动绳索另一端连接第一转盘结构的第二定位销轴，随后依次穿过另一侧的第二限位件、第一限位件和球窝底座，固定并缠绕在第一绞盘内的大绞盘上。

所述第一偏转驱动结构，限位绳索一端连接第二限位件内顶部绳索限位件的第二短销轴，穿过第一限位件的底部绳索限位件并绕过其内的第二短销轴，然后从球窝底座穿出，固定并缠绕在第一绞盘内的小绞盘上；与上述穿绳方式相同，限位绳索另一端连接另一侧第二限位件内顶部绳索限位件的第二短销轴，依次穿过另一侧的第一限位件和球窝底座，固定并缠绕在第一绞盘内的小绞盘上。

所述第一偏转驱动结构，顶部绳索限位件设有螺栓孔，两个第一连接件通过螺栓分别连接在对侧的顶部绳索限位件的两侧，将对侧的两个第二限位件固连，通过给定第一连接件的尺寸参数，使得两个第二限位件的初始位置分别平分第一转盘限位销轴轴心和球窝中心的连接线与第一限位件绕球窝旋转轴线的夹角。

进一步的，所述两个第一连接件形成一滑槽，球头的输出轴可在滑槽内滑动。

所述第一偏转驱动结构，驱动电机驱动第一绞盘旋转，第一绞盘同时拉动偏转驱动绳索和限位绳索，一方面拉动偏转驱动绳索带动球头绕球窝偏转；另一方面拉动限位绳索带动两个第二限位件绕球头偏转。

进一步的，所述第一绞盘的小绞盘直径为大绞盘的一半，在绞盘拉动偏转驱动绳索和限位绳索转动时，限位绳索所连接的第二限位件始终平分第一转盘限位销轴轴心和球窝中心的连接线与第一限位件绕球窝旋转轴线的夹角。

所述第一偏转驱动结构，四个气动软体波纹管顶部分别与四个顶部软体限位件固连，底部分别与四个底部软体限位件固连，四个气动软体波纹管底部的通气管分别穿过四个底部软体限位件连接到气泵上。

所述第二偏转驱动结构与第一偏转驱动结构基本相同，其不同之处在于：

所述第二偏转驱动结构的第二连接件、第二转盘结构和第二绞盘分别对应所述第一偏转驱动结构的第一连接件、第一转盘结构和第一绞盘；

所述第二转盘结构的第二转盘对应所述第一转盘结构的第一转盘；

所述第二偏转驱动结构，偏转驱动绳索一端连接第二转盘结构的第一定位销轴，穿过第二限位件的顶部绳索限位件并绕过其内的长销轴，再穿过第一限位件的底部绳索限位件并绕过其内的长销轴，然后从球窝底座穿出，固定并缠绕在第二绞盘内的大绞盘上；与上述穿绳方式相同，偏转驱动绳索另一端连接第二转盘结构的第二定位销轴，随后依次穿过另一侧的第二限位件、第一限位件和球窝底座，固定并缠绕在第二绞盘内的大绞盘上。

所述扭转驱动结构，包括输出轴、法兰盘、万向联轴器和垂直轴。输出轴可绕球头旋转，法兰盘固定在输出轴末端，输出轴底部连接万向联轴器，万向联轴器的转动中心与球头的球心重合，万向联轴器另一端连接垂直轴，垂直轴穿过球窝和球窝底座并从底部伸出，相对于球窝底座的底面始终保持垂直，垂直轴末端连接驱动电机，驱动电机通过驱动垂直轴转动从而带动输出轴绕球头转动。

本发明的有益效果是，通过对动物球窝关节的一种仿生设计，使用绳索驱动球窝关节的二自由度运动，并使用气动软体结构改变关节的刚度，绳索驱动和气动驱动这种复合驱动方式使得关节结构紧凑并具有较大的运动范围和关节柔性，提高了球窝关节的运动性能。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是第一偏转驱动结构示意图。

图3是第二偏转驱动结构示意图。

图4是扭转驱动结构示意图。

图5是第一限位件示意图。

图6是第二限位件示意图

图7是第一转盘结构示意图。

图中：1.球窝底座，2.球窝，3.球头，4.第一偏转驱动结构，41.第一限位件，411.底部软体限位件，412.短销轴，413.长销轴，414.底部绳索限位件，42.第二限位件，421.顶部软体限位件，422.短销轴，423.长销轴，424.顶部绳索限位件，425.滚珠，43.第一转盘结构，431.第一转盘，432.第一定位销轴，433.第二定位销轴，434.转动轴承，44.第一连接件，45.第一偏转驱动绳索，46.第一限位绳索，47.第一绞盘，5.第二偏转驱动结构，51.第一限位件，52.第二限位件，53.第二转盘结构，54.第二连接件55.第二偏转驱动绳索，56.第二限位绳索，57.第二转盘，6.扭转驱动结构，61.输出轴，62.法兰盘，63.万向联轴器，64.垂直轴，7.气动波纹管，8.驱动电机，9.气泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合图1～图7和具体的实施例对本发明的一种三自由度复合柔性仿生球窝关节作进一步的详细说明。

根据图1～图7所示，一种三自由度复合柔性仿生球窝关节，主要包括球窝底座(1)、球窝(2)、球头(3)、第一偏转驱动结构(4)、第二偏转驱动结构(5)、扭转驱动结构(6)、气动波纹管(7)、驱动电机(8)和气泵(9)，第一偏转驱动结构(4)由第一限位件(41)、第二限位件(42)、气动波纹管(7)、第一转盘结构(43)、第一连接件(44)、第一偏转驱动绳索(45)、第一限位绳索(46)、第一绞盘(47)、驱动电机(8)和气泵(9)组成，第一限位件(41)由底部软体限位件(411)、短销轴(412)、长销轴(413)和底部绳索限位件(414)组成，第二限位件(42)由顶部软体限位件(421)、短销轴(422)、长销轴(423)、顶部绳索限位件(424)、和滚珠(425)组成，第一转盘结构(43)由第一转盘(431)、第一定位销轴(432)、第二定位销轴(433)和转动轴承(434)组成，第二偏转驱动结构(5)由第一限位件(51)、第二限位件(52)、气动波纹管(7)、第二转盘结构(53)、第二连接件(54)、第二偏转驱动绳索(55)、第二限位绳索(56)、第二绞盘(57)、驱动电机(8)和气泵(9)组成；扭转驱动结构(6)由输出轴(61)、法兰盘(62)、万向联轴器(63)、垂直轴(64)和驱动电机(8)组成。

两个偏转自由度

第一、第二偏转驱动结构(4、5)驱动球头绕球窝的两个偏转自由度。

对于第一偏转驱动结构(4)，驱动电机(8)驱动第一绞盘(47)旋转，第一绞盘(47)同时拉动第一驱动绳索(45)和第一限位绳索(46)，一方面拉动第一驱动绳索(45)带动球头(3)绕球窝(2)偏转；另一方面拉动第一限位绳索(46)带动两个第二限位件(42)绕球头(3)偏转。

第一绞盘(47)的小绞盘直径为大绞盘的一半，在第一绞盘(47)拉动第一驱动绳索(45)和第一限位绳索(46)转动时，第一限位绳索(46)所连接的第二限位件(42)始终平分第一转盘结构的(43)两个定位销轴(432、433)轴心和球窝(2)中心的连接线与第一限位件(41)绕球窝(2)旋转轴线的夹角，如此，第一驱动绳索(45)在第一转盘结构(43)和第二限位件(42)间的长度一直与第二限位件(42)和第一限位件(41)之间的长度相等，这种设计能够实现驱动电机(8)对第一偏转驱动结构(4)偏转角的精确控制。

第二偏转驱动结构(5)驱动原理与第一偏转驱动结构(4)相同。

一个扭转自由度

扭转驱动结构(6)驱动输出轴(61)绕球头(3)的一个扭转自由度。驱动电机(8)驱动垂直轴(64)旋转，通过万向联轴器(63)将转动传递给输出轴(61)和法兰盘(62)。

变刚度

在关节运动时，连接气动波纹管(7)的顶部软体限位件(421)和底部软体限位件(411)被动的绕着顶部绳索限位件(424)和底部绳索限位件(414)转动，顶部软体限位件(421)和底部软体限位件(411)始终保持平行，气动波纹管(7)始终垂直于顶部软体限位件(424)和底部软体限位件(411)并不发生弯曲。

当球头(3)上的输出轴受到任一方向的外力时，该力沿着输出轴的径向分力传递到球窝(2)和球头(3)之间；该力绕输出轴的扭矩通过扭转驱动结构(6)传递到电机(8)上；该力垂直于输出轴的分力通过偏转驱动绳索(45、55)传递到第一、第二绞盘(47、57)上，给第一、第二绞盘(47、57)一个扭矩，称这个分力为偏转力，称这个扭矩为偏转扭矩；绕过输出轴轴线并垂直于偏转力做一平面，该平面将第一、第二偏转驱动结构(4、5)的八个气动波纹管(7)平分成两组，通过气泵(9)对偏转力方向指向这一侧的四个气动波纹管(7)内部加压，同时对另外四个气动波纹管(7)内部降压，此时气动波纹管(7)内的压力通过顶部软体限位件(421)传递到第一、第二限位绳索(46、56)上，再通过第一、第二限位绳索(46、56)传递到第一、第二绞盘(47、57)上，并给第一、第二绞盘(47、57)相反于偏转扭矩的扭矩，使得驱动电机(8)能够承受更大的偏转扭矩，即关节能够承受更大的外力；通过改变气动波纹管(7)内部的压力改变其自身的刚度，进而改变关节的整体刚度，实现了变刚度控制。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。