一种拉线木偶式人形机器人驱动结构

技术领域

本发明属于机械传动领域，具体涉及一种拉线木偶式人形机器人驱动结构。

背景技术

人形机器人以其优异的性能必将有更广泛的应用，但人形机器人一直被关节大力小的瓶颈所制约，究其根本原因有以下几个：第一是电机驱动形式主要受硅钢片磁饱和强度制约。在现有的关节形式中无法提高磁饱和强度的情况下，要有更高的输出力矩必须增大电机体积；第二是如液压、气动、固体传动等机械驱动形式虽然能量密度更高但动作反应时间过长，使得机器人不够灵活。所以人形机器人关节大力小的瓶颈最终解决形式还得是用电机，但如何在使用电机的情况下解决关节大力小的问题值得深究。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种拉线木偶式人形机器人驱动结构。本发明的技术目的在于：通过改变电机安装位置，让电机提供拉力，牵引关节动作。此技术方案不仅减小了关节体积，还可以通过增大电机，让关节有更大的驱动力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于它包括动力装置、拉线组和关节；所述拉线组包括有拉线和螺旋管；所述动力装置连接有调节拉线和螺旋管相对长度的拉线调节装置。所述拉线组跟自行车刹车线以及传动软轴结构大致相符。所述拉线调节装置可以是设置在拉线组中间改变螺旋管位置的装置，也可以是设置在拉线组末端的装置，但它们都直接或间接的动力装置相连。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述动力装置还连接有减速器和/或自锁装置；所述拉线组还包括护套。所述自锁装置就是人形机器人停止动作静止时维持姿态，增加动力装置的转子转动所需要动力，其形式很多，可以是在转子在加电磁离合，自锁时增加转子和定子间的摩擦力。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述动力装置优选无框力矩电机；优选地所述无框力矩电机定子连接有法兰和/或电磁离合和/或所述无框力矩电机转子连接有法兰和/或电磁离合；其特征还在于它包括线管；所述线管设置在转子内；线管连接有螺旋管。所述动力装置大概分为普通伺服电机和无框力矩电机；人形机器人执行单元也主要是上肢和下肢，上肢关节和自由度要求较多，上肢也较纤细；综上就可以控制上肢时用本专利所述拉线关节，将其拉线引出到胸腔等，用普通伺服电机对上肢进行控制。下肢较为粗壮，就可以把多个无框力矩电机通过设置在其中间的线管串起来并设置在两个关节中间，如股骨一般。鉴于一个关节需要控制拉线和螺旋管的相对长度以及控制关节的转动等因素，可以把串起来的多个无框力矩电机，通过其上面的电磁离合按需组合成大功率电机，并输出不同的速度和方向达到提高电机利用率，减少电机使用的目的。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述拉线包括正拉线和反拉线；所述正拉线和反拉线设置在螺旋管中。传动软轴式拉线在因关节动作时会改变螺旋管和拉线的位置，因为螺旋管弯曲半径发生改变表现出它们相对长度发生变化，为减少这种影响把正拉线和反拉线尽可能并在一起，让正反拉线与螺旋管的相对长度一致，所以把一个关节对称动作的正反拉线设置在同一螺旋管中，或者把设置有一个关节对称动作的正反拉线正拉线的螺旋管和设置有反拉线的螺旋管并排靠在一起。通过与电机相连的拉线调节装置调节拉线与螺旋管的相对长度尽可能始终一致。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述的拉线调节装置结构上包括伺服电机和/或变速器和/或调节器；所述伺服电机优选无框力矩电机。拉线调节装置大致分为两大类，一类是增加专门的电机来控制拉线和螺旋管相对长度，即伺服电机加调节器结构，通过伺服电机在不断变化的情况下快速响应调节拉线与螺旋管的相对长度，在这一大类中又分为三种方式，第一是通过伺服电机和油缸来调节拉线、第二是通过伺服电机和翘翘板来调节拉线、第三是通过伺服电机和调节器来改变螺旋管的相对长度。第二类是控制拉线与螺旋管相对长度和控制拉线收缩与放松共用一电机，即用变速器、离合器、调节器配置，通过离合器从动力装置耦合出合适力矩、速度、方向，也就是在不需要拉线驱动关节时离合从动力装置脱离、需要拉线驱动关节时直接从动力装置耦合出合适的力驱动关节；另一方面动力装置输出合适的力矩通过不同的离合器耦合出合适方向的力，通过一个小的伺服电机组调节变速器控制拉线与螺旋管相对长度的调节速度，最后通过执行单元改变拉线和螺旋管的相对长度。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述的调节器包括带螺旋中空管的压板和/或油缸或拉线翘翘板和/或离合器；所述油缸或拉线翘翘板还连接有正反拉线接线柱；所述油缸和带螺旋中空管的压板和/或拉线翘翘板中还设有线管；线管表面还设有正反拉线线槽。为减小拉线和线槽间的摩擦，线槽中可轴向设置滚柱。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述的关节包括远端关节头和近端关节窝；所述关节头和关节窝铰链连接；所述关节头结构上还包括偏转轮；所述偏转轮连接有拉线。由此组成转轴关节。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述的关节还包括弹簧外圈和/或近端偏转轮和/或远端偏转轮。由此可组成球窝关节，再加上前面所述转轴关节就能模仿人的大部份动作。驱动偏转轮的可以是伺服电机，也可以是拉线。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述的所述弹簧外圈与外壳相连；所述的近端偏转轮和远端偏转轮连接有拉线。由此再串联多个关节头和关节窝组成的转轴关节可以得到一象鼻模组或蛇形模组。

进一步的是，所述的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构，其特征在于所述的关节包括螺旋；所述螺旋上设置有偏转片；所述偏转片上设置有定位套；所述定位套中设有拉线。在人体上除了小范围内偏转的关节如肘等，还有腰部同象鼻一样在更大范围偏转。本发明这里讲的方案就有如此效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构改变了原有机器人电机的布局，把一些需要大扭力的电机放在关节外，用拉线驱动关节的旋转，提供更大力矩的情况下又不受关节大小的限制，从而突破人形机器人关节大力小的瓶颈。

附图说明

图1是驱动部分的原理示意图。其中A是左右拉线、B是螺旋管、C是左右拉线的接线柱、D是伺服电机、E是螺旋中空管的压板、F是油缸、G是线管上左右拉线的线槽、H是减速器、I是动力装置、J是线管。其中伺服电机D的定子与减速器H紧配固定，也就是说减速器H旋转伺服电机D的定子也跟着旋转；伺服电机D的转子旋转带动带螺旋中空管的压板E的中空管在油缸F中往返，因为油缸F中有阻止带螺旋中空管的压板E旋转的装置；动力装置I的转子与减速器H相连；动力装置I的定子与外壳相连。

与左右拉线的接线柱C相连的是两个小液压油缸，当挤压大油缸F时，两个与左右拉线的接线柱C相连的两个小液压油缸伸出，同时两个小油缸的运动方向又被限定在油缸的径向。

图2是腰部关节的原理示意图。其中K是腰部关节拉线、L是腰部关节螺旋管、M是腰部关节第一节的偏转片、N是腰部关节第一关节的大弹簧定位套、O是腰部关节第一关节的小弹簧定位套、P是腰部关节第二节的偏转片、Q是腰部关节第二关节的大弹簧定位套、R是腰部关节第二关节的小弹簧定位套、S是腰部关节第三节的偏转片、T是正向和反向螺纹弹簧组成的螺旋组、U是第二节的拉线、V是底座。其中拉线L一边与动力装置相连，一边与腰部关节第二节的偏转片P相连；第二节的拉线U一头与腰部关节第一关节的大弹簧定位套N的定端相连，一头与腰部关节第三节的偏转片S相连，并且拉线U是从腰部关节第二关节的小弹簧定位套R、腰部关节第二关节的大弹簧定位套Q、腰部关节第一关节的小弹簧定位套O中穿过，经腰部关节第一关节的小弹簧定位套O的底端绕出到腰部关节第一关节的大弹簧定位套N的顶部，并第二节的拉线U是紧绷的；在本示意图中共设有六组这样的结构，设置它们的运作方式一样。在实际关节活动中相对称的两组，一边是拉紧，一边是放松。再有就是如此设置增加正向和反向螺纹弹簧组成的螺旋组T的长度和增加相应的偏转片等就能做出更长的腰部关节。

同是如图2大弹簧定位套如N和Q及图中未标注的相同功能的大弹簧定位套和/或弹小簧定位套如可以R和O图中未标注的相同功能的小弹簧定位套换成其他可支撑拉线的结构，如小弹簧定位套换成管子、大弹簧定位套换成立柱等也在本专利原理中，但未列举，不构成对本专利的限定。

图3是球窝关节原理示意图。其中在剖面图中W是近端关节、X是近端关节窝偏转轮、Y是近端平面轴承、Z是正向和反向螺纹弹簧组成的螺旋组、A1是偏转轮、B1是顶端面、C1是远端关节、D1是轴承、E1是卡簧、F1是远端平面轴承、G1是远端关节头、H1是关节连接轴、I1是近端关节窝、J1是近端卡簧。其中偏转轮A1和关节轴H1紧配合。

图4是转轴关节原理示意图。其中K1是近端关节窝、L1是关节连接轴、M1远端关节头、N1是关节偏转轮。其中偏转轮N1和关节轴L1紧配合。

图5是与动力装置相连的拉线调节装置的另一种调节器。其中O1是拉线、P1是底板上穿线孔、Q1是拉线翘翘板上拉线连接点、R1是拉线端子、S1是连接有拉线接线柱的滑块、T1是拉线翘翘板和与底板相连的支点、U1是连接拉线翘翘板和带螺纹中空管的压板的连接柱、V1是拉线翘翘板、W1是底板。连接有拉线接线柱的两个滑块S1运动方向被底板是的槽限定在底板的径向上。

本专利附图中功能相似和功能简单的零件未完全标出，不构成对本专利的限定。

具体实施例

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种拉线木偶式人形机器人驱动结构,把电机从关节里移出来，摆脱关节有限空间的限制，可以在关节外使用更大的电机为关节更大的力。图1中无框力矩电机I驱动减速器H转动；另一方面伺服电机D定子与减速器H是固定的，所以伺服电机D也跟着减速器H一起转动，伺服电机的定子与油缸F相对固定，油缸F上的左右拉线的接线柱C就带动一条拉线A在线管J上的线槽G上绕线，也就是拉紧关节动作；同时是左右拉线的接线柱C上另一接线柱是相反方向绕线，它所连接的拉线A就从线管J上的线槽中的孔中退出；当动力装置I向反方向转时，左右拉线的接线柱C连接的拉线A就改变运动方向，先前拉紧的就放松，先前放松的就拉紧，关节也向相反方向运动。当需要调节正反拉线A与螺旋管B的相对长度时，伺服电机D的转子旋转带动带螺旋中空管的压板E在油缸F中往复运动，挤压油时左右拉线的接线柱C被挤出，左右拉线的接线柱C又放松线管中的线A，此时原本拉线A与螺旋B相比较短时就在伺服电机D的控制下变长；如果此时伺服电机D向相反方向转，压板E从油缸F中向外移，带螺旋中空管的压板E上与左右拉线的接线柱C相连的拉线就拉动左右拉线的接线柱C向内收，此时原本拉线A与螺旋B相比较长时就在伺服电机D的控制下变短，实现调节螺管B与拉线A相对长度的功能。

另外，在动力装置I上加装电磁离合，可以很简单地实现和外壳的离合，实现自锁。

如果把线管J当作腿骨，就相当于在腿部装了电机，可控制一个关节；如果在同一线管J上再串联另一部上述装置就可以再多控制另一关节；或者根据需要和空间的情况可再串联，从而实现把关节中电机移出的效果。如果直接用伺服电机加上拉线调节装置，不用可串联的中空电机，配上本发明专利中所提供的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构的拉线关节也能实现整体上关节没电机实现拉线驱动的整体效果。

实施例2

如图2所示腰部关节。因为拉线K与腰部关节第二节的偏转片P相连，同时腰部关节螺旋管L的位置相对固定，拉线K就拉动腰部关节第二节的偏转片P，缩小腰部关节第二节的偏转片P与腰部关节第一节的偏转片M的距离；同时腰部关节第二节的偏转片P与腰部关节第一节的偏转片M的距离缩短，腰部关节第一关节的大弹簧定位套N和腰部关节第一关节的小弹簧定位套O就套得更深，表现出腰部关节第三节的偏转片S被拉动，腰部关节第二节的偏转片P与腰部关节第三节的偏转片S的距离缩短，总体表现出整个腰部关节向拉线这边偏的趋向。如果在拉紧的情况下，放松拉线K，腰部关节第二节的偏转片P与腰部关节第一节的偏转片M的距离加大，腰部关节第一关节的大弹簧定位套N和腰部关节第一关节的小弹簧定位套O就相对移出，也就放松了拉线U，从而实现腰部关节第二节的偏转片P与腰部关节第三节的偏转片S的距离加大，总体表现出整个腰部关节向拉线的对称边偏的趋向在拉线收紧时，拉线的对称边就相对放松，实现腰部关节向拉线这偏的效果。

当相邻拉线拉紧时，腰部关节就朝两个相邻拉线的中间偏，此时哪边收得更紧，就朝哪边偏得更多。

实施例3

如图4所示转轴关节。当拉动关节偏转轮N1上的拉线，因为其拉线外的螺旋管端面位置相对固定，关节偏转轮N1就会旋转，M1远端关节头也跟着旋转；在与拉动的拉线对称边的拉线就会放松，实现关节偏转的效果。

实施例4

如图3所示球窝关节。在本发明专利所提供的一种拉线木偶式人形机器人驱动结构中球窝关节是在上面所述的转轴关节的基础上增加一些部件。当拉动关节偏转轮A1上的一条拉线时，因为其拉线外的螺旋管端面位置相对固定，关节偏转轮A1就会旋转，G1远端关节头也跟着旋转；在与拉动的拉线对称边的拉线就会放松，实现关节偏转的效果。此时拉动近端关节窝偏转轮X上的一条拉线时，因其外套的螺旋管端面位置相对固定，近端关节窝偏转轮X就会旋转，从而带动整个关节旋转，从而实现关节由原来转轴关节单方向上偏转，变成可超过一百八十度的转动。

此时如将轴承D1换成偏转轮由另一组拉线控制或者电机控制，就是完全的球窝关节。

实施例5

本实施例是对本专利中所述拉线调节装置中调节器的另一种结构作出原理演示。结合实施例1，如图1和图5所示，和实施例1一样，拉线调节装置中伺服电机旋转推动带螺纹中空管的压板往复运动带动连接柱U1与往复运动，所以翘翘板V1就拉动图示底板上穿线孔P1处的接线或在底板W1上与P1对称的另一个拉线孔中另一组拉线；引起正反拉线端子R1靠拢或分开；从而调节拉线和螺旋管相对长度。

实施例6

用上述转轴关节、球窝关节等组成上肢部分；把相应关节的拉线引出到躯干部；用伺服电机组合拉线调节装置对上肢控制。因下肢较粗壮，关节间可设线管串起多个动力装置及其配套的拉线调节装置。

综上实施例把电机移出了关节，可用到更大结构的电机，从而突破原有人形机器人关节大力小的瓶颈。