本發(fā)明涉及機器人領域，特別涉及一種仿生復合驅動型機器人關節(jié)。

背景技術：

隨著機器人技術的發(fā)展，人們希望新型的機器人手臂具有精度高、響應快、品質好、壽命長、能耗低、體積小、輕量化、轉矩大、承載能力強、可靠性高、智能化、模塊化、可重構等特點，同時也希望具有良好的柔順性，以獲得更好的安全性和自我恢復能力。

現(xiàn)有的機器人手臂的驅動關節(jié)主要有兩種驅動方式，一種是電機驅動，此為比較傳統(tǒng)的驅動方式，驅動位移大、驅動精度高、驅動電路簡單、能耗較低，且控制方便，但存在驅動力矩小的缺陷；為提供較大的力矩，以方便在重載工作情況下使用，有人設計了另一種氣動肌肉驅動模式，屬于一種較為新型的氣動執(zhí)行元件，具有結構簡單，功率/自重比大、柔順性好以及和生物肌肉特性較為接近等優(yōu)點，在仿生機器人、仿生醫(yī)學、服務機器人等領域擁有廣闊的應用前景，但其主要存在著精度不足的缺點。也就是說，在現(xiàn)有技術中，機器人手臂的驅動存在著重荷載和高精度不能同時保證的問題，如何解決這一技術問題就成為迫在眉睫的挑戰(zhàn)。

因此，需要對現(xiàn)有的機器人關節(jié)進行改進，使其在保證有大力矩進行重荷載工作，又可保證關節(jié)的驅動精度。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種仿生復合驅動型機器人關節(jié)，其在保證有大力矩進行重荷載工作，又可保證關節(jié)的驅動精度。

本發(fā)明的仿生復合驅動型機器人關節(jié)，包括關節(jié)臂和驅動總成，驅動總成包括電動驅動部分和用于電動驅動部分超過額定載荷時啟動進行輔助運動的氣動驅動部分；

電動驅動部分包括驅動安裝箱、動力輸出箱、第一電動驅動機構和第二電動驅動機構，關節(jié)臂轉動配合支撐于所述動力輸出箱，第一電動驅動機構安裝于驅動安裝箱并可驅動動力輸出箱帶動關節(jié)臂在豎直平面內轉動，第二電動驅動機構設置于驅動安裝箱并用于驅動關節(jié)臂繞自身軸線旋轉；

氣動驅動部分包括輔助驅動關節(jié)臂在豎直平面內轉動的第一氣動驅動機構和輔助驅動關節(jié)臂繞自身軸線旋轉的第二氣動驅動機構。

進一步，第一電動驅動機構包括轉動配合支撐于驅動安裝箱的第一動力軸和設置在驅動安裝箱內用于向第一動力軸傳遞驅動動力的第一驅動齒輪組，第一動力軸的動力輸出端與動力輸出箱固定連接。

進一步，第二電動驅動機構包括轉動配合支撐于驅動安裝箱的第二動力軸和設置在驅動安裝箱內用于向第二動力軸傳動驅動動力的第二驅動齒輪組，第二動力軸與動力輸出箱同樣轉動支撐配合，第二電動驅動機構還包括設置在動力輸出箱內的錐齒輪傳動副，錐齒輪傳動副包括圓周固定于第二動力軸上的主動錐齒輪和與主動錐齒輪嚙合并圓周固定于關節(jié)臂上的從動錐齒輪。

進一步，第一動力軸與所述動力輸出箱為一體成形結構。

進一步，驅動安裝箱為開口與關節(jié)臂軸向一致的n形結構，動力輸出箱設置在所述開口內。

進一步，第一動力軸和所述第二動力軸位于同一軸線上。

進一步，第一氣動驅動機構包括分別對應設置于關節(jié)臂上下兩側的上氣動肌肉和下氣動肌肉，上氣動肌肉和所述下氣動肌肉均為一端與驅動安裝箱連接用于進氣，另一端封閉設置，且上氣動肌肉和下氣動肌肉的封閉端通過第一連接索連接。

進一步，關節(jié)臂末端設置有與第一連接索配合的滑輪帽，關節(jié)臂與滑輪帽相對轉動配合，第一連接索一端與上氣動肌肉封閉端連接，另一端自上而下繞過滑輪帽與下氣動肌肉封閉端連接。

進一步，第二氣動驅動機構包括設置在關節(jié)臂前側或/后側的旋轉氣動驅動組件，旋轉氣動驅動組件包括旋轉氣動肌肉Ⅰ、旋轉氣動肌肉Ⅱ、旋轉上滑輪、旋轉下滑輪和旋轉連接索，旋轉氣動肌肉Ⅰ和所述旋轉氣動肌肉Ⅱ位于關節(jié)臂同一側并為上下并列設置，且均為一端與驅動安裝箱連接用于進氣另一端封閉設置，旋轉連接索與旋轉氣動肌肉Ⅰ封閉端連接，并依次繞過旋轉上滑輪、關節(jié)臂周向和旋轉下滑輪與旋轉氣動肌肉Ⅱ連接。

進一步，仿生復合驅動型機器人關節(jié)還包括氣動驅動啟動檢測系統(tǒng)，氣動驅動啟動檢測系統(tǒng)包括：

力矩傳感器，設置在第一電動驅動機構的電機主軸上和第二電動驅動機構的電機主軸上并用于檢測電機主軸的力矩載荷是否超過額定載荷；

控制器，用于接收力矩傳感器的額定超載檢測信號并控制氣動驅動部分工作。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的仿生復合驅動型機器人關節(jié)，設置有電機驅動部分和氣動驅動部分，使用電機驅動部分對關節(jié)臂進行主驅動，以保證高精度驅動，在電機驅動部分超過額定載荷時，氣動驅動部分啟動進行工作，對電動驅動部分的驅動工作進行輔助，以滿足重荷載工作的要求；即本發(fā)明可解決現(xiàn)有機械臂不可同時實現(xiàn)高精度和重載荷這一矛盾點的技術問題，在保證高精度驅動的情況下，又可保證重載荷，具有較高的使用前景。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

圖1為本發(fā)明結構示意圖；

圖2為圖1俯視圖。

具體實施方式

圖1為本發(fā)明結構示意圖，圖2為圖1俯視圖，如圖所示：本實施例的仿生復合驅動型機器人關節(jié)，包括關節(jié)臂1和驅動總成，驅動總成包括電動驅動部分和用于電動驅動部分超過額定載荷時啟動進行輔助運動的氣動驅動部分；當開始工作時，電動驅動部分首先對關節(jié)臂1進行驅動，當電動驅動部分超過額定載荷時氣動驅動部分啟動，對電動驅動部分進行輔助形成共同工作；

電動驅動部分包括驅動安裝箱2、動力輸出箱3、第一電動驅動機構和第二電動驅動機構，關節(jié)臂1轉動配合支撐于所述動力輸出箱3，第一電動驅動機構安裝于驅動安裝箱2并可驅動動力輸出箱3帶動關節(jié)臂1在豎直平面內轉動，第二電動驅動機構設置于驅動安裝箱2并用于驅動關節(jié)臂1繞自身軸線旋轉；其中第一電動驅動機構用于驅動關節(jié)臂1隨動力輸出箱3在豎直平面內轉動，在豎直平面內轉動是指繞第一電動驅動機構的第一動力軸軸線在上下方向上轉動，第二電動驅動機構用于驅動關節(jié)臂1繞自身軸線旋轉；

氣動驅動部分包括輔助驅動關節(jié)臂1在豎直平面內轉動的第一氣動驅動機構和輔助驅動關節(jié)臂1繞自身軸線旋轉的第二氣動驅動機構；即當?shù)谝浑妱域寗訖C構工作超過額定載荷時，氣動驅動部分的第一氣動驅動機構啟動，與第一電動驅動機構共同配合驅動關節(jié)臂1在豎直平面內轉動，當?shù)诙妱域寗訖C構工作超過額定載荷時，氣動驅動部分的第二氣動驅動機構啟動，與第二電動驅動機構共同配合驅動關節(jié)臂1繞自身軸線旋轉轉動。

本實施例中，第一電動驅動機構包括轉動配合支撐于驅動安裝箱2的第一動力軸4和設置在驅動安裝箱2內用于向第一動力軸4傳遞驅動動力的第一驅動齒輪組，第一動力軸4的動力輸出端與動力輸出箱3固定連接；第一動力軸4通過軸承設置在驅動安裝箱2內，并一端伸出驅動安裝箱2，第一驅動齒輪組包括第一主動齒輪5和第一從動齒輪6，且第一主動齒輪5輪徑小于第一從動齒輪6，第一從動齒輪6圓周固定在第一動力軸4上，第一主動齒輪5通過第一電動驅動機構的第一驅動電機7驅動，且第一主動齒輪5與第一驅動電機7的電機主軸間還設置有諧波減速器。

本實施例中，第二電動驅動機構包括轉動配合支撐于驅動安裝箱2的第二動力軸8和設置在驅動安裝箱2內用于向第二動力軸8傳動驅動動力的第二驅動齒輪組，第二動力軸8與動力輸出箱3同樣轉動支撐配合，第二電動驅動機構還包括設置在動力輸出箱3內的錐齒輪傳動副，錐齒輪傳動副包括圓周固定于第二動力軸8上的主動錐齒輪9和與主動錐齒輪9嚙合并圓周固定于關節(jié)臂1上的從動錐齒輪10；第二動力軸8通過軸承設置在驅動安裝箱2上，并一端伸出驅動安裝箱2，并伸入動力輸出箱3內通過軸承轉動配合，第二驅動齒輪組包括第二主動齒輪11和第二從動齒輪12，且第二主動齒輪11輪徑小于第二從動齒輪12，形成減速，第二從動齒輪12圓周固定在第二動力軸8上，第二主動齒輪11通過第二電動驅動機構的第二驅動電機13驅動，且第二主動齒輪11與第二驅動電機的電機主軸間還設置有諧波減速器。

本實施例中，第一動力軸4與所述動力輸出箱3為一體成形結構；即第一動力軸4的伸出端與動力輸出箱3一體成形，當?shù)谝粍恿S4繞自身軸線轉動時，動力輸出箱3同樣繞第一動力軸4的軸線轉動，實現(xiàn)帶動關節(jié)臂1在豎直平面內的轉動；結構強度高，整體性好。

本實施例中，驅動安裝箱2為開口與關節(jié)臂1軸向一致的n形結構，動力輸出箱3設置在開口內；整體結構緊湊，對稱性好，利于動力輸出。

本實施例中，第一動力軸4和所述第二動力軸8位于同一軸線上；結構緊湊，便于安裝和動力輸出。

本實施例中，第一氣動驅動機構包括分別對應設置于關節(jié)臂1上下兩側的上氣動肌肉14和下氣動肌肉15，上氣動肌肉14和所述下氣動肌肉15均為一端與驅動安裝箱2連接用于進氣，另一端封閉設置，且上氣動肌肉14和下氣動肌肉15的封閉端通過第一連接索16連接；關節(jié)臂1末端設置有與第一連接索16配合的滑輪帽17，關節(jié)臂1與滑輪帽17相對轉動配合，第一連接索16一端與上氣動肌肉14封閉端連接，另一端自上而下繞過滑輪帽17與下氣動肌肉15封閉端連接；如圖所示，滑輪輪通過連接軸與關節(jié)臂1連接，連接軸與關節(jié)臂1配合處設置有軸承，上氣動肌肉14和下氣動肌肉15的進氣管與驅動安裝箱2連接用于進氣，當上氣動肌肉14和下氣動肌肉15泵氣量相同均處于原長時，前臂處于伸直狀態(tài)，當上氣動肌肉14泵入氣體，肌肉受膨脹變短，下氣動肌肉15放出泵出氣體，下氣動肌肉15被拉伸變長，則關節(jié)臂1將在第一連接索16與滑輪帽17之間摩擦力的作用下，關節(jié)臂1向上轉動；當上氣動肌肉14放出氣體，下氣動肌肉15泵入氣體，下氣動肌肉15受膨脹變短，上氣動肌肉14被拉伸變長，則前臂向下轉動。

本實施例中，第二氣動驅動機構包括設置在關節(jié)臂1前側或/后側的旋轉氣動驅動組件，旋轉氣動驅動組件包括旋轉氣動肌肉Ⅰ19、旋轉氣動肌肉Ⅱ20、旋轉上滑輪21、旋轉下滑輪22和旋轉連接索23，旋轉氣動肌肉Ⅰ19和所述旋轉氣動肌肉Ⅱ20位于關節(jié)臂1同一側并為上下并列設置，且均為一端與驅動安裝箱2連接用于進氣另一端封閉設置，旋轉連接索23與旋轉氣動肌肉Ⅰ19封閉端連接，并依次繞過旋轉上滑輪21、關節(jié)臂1周向和旋轉下滑輪22與旋轉氣動肌肉Ⅱ20連接，旋轉上滑輪21和旋轉下滑輪22通過支架板24安裝于滑輪帽17；旋轉氣動驅動組件設置在關節(jié)臂1前側或后側，或在關節(jié)臂1的前側和后側各設置一組，以旋轉氣動肌肉Ⅰ19和旋轉氣動肌肉Ⅱ20位于關節(jié)臂1前側為例，且旋轉氣動肌肉Ⅰ19位于旋轉氣動肌肉Ⅱ20上方，旋轉連接索23經過旋轉上滑輪21后，沿關節(jié)臂1周向自關節(jié)臂1背后繞過，然后再繞過旋轉下滑輪22與旋轉氣動肌肉Ⅱ20的封閉端連接，當旋轉氣動肌肉Ⅰ19泵氣，旋轉氣動肌肉Ⅰ19膨脹，旋轉氣動肌肉Ⅱ20此時放氣被拉長，則在旋轉連接索23的作用下，關節(jié)臂1向前旋，前是指圖1中垂直于紙面向觀察者的方向(這個地方需要加上19泵氣，20放氣，前臂1的旋向，這樣應該會清楚一點吧)；本實施例中，在關節(jié)臂1的前側和后側各設置一組旋轉氣動驅動組件，包括旋轉氣動肌肉Ⅰ19a、旋轉氣動肌肉Ⅱ、旋轉上滑輪21a、旋轉下滑輪和旋轉連接索23a，設置在后側的旋轉氣動驅動組件原理與上述設置在前側的旋轉氣動驅動組件原理相同，區(qū)別在于泵氣和放氣的氣動肌肉選擇不同造成關節(jié)臂后旋；兩組旋轉氣動驅動組件形成對稱結構，不僅使得整個關節(jié)臂1的受力更加平衡，而且四根氣動肌肉相比兩根氣動肌肉的驅動力增加一倍，增大了扭矩；另外，本實施例中的連接索均為鋼索，在關節(jié)臂上設置有用于旋轉連接索23繞周向纏繞的滑輪套18。

本實施例中，仿生復合驅動型機器人關節(jié)還包括氣動驅動啟動檢測系統(tǒng)，氣動驅動啟動檢測系統(tǒng)包括：

力矩傳感器，設置在第一電動驅動機構的電機主軸上和第二電動驅動機構的電機主軸上并用于檢測電機主軸的力矩載荷是否超過額定載荷；

控制器，用于接收力矩傳感器的額定超載檢測信號并控制氣動驅動部分工作；

當被抓取的物體的載荷產生的力矩超過電機所能承受額定載荷的百分之七十的時候，主軸上的力矩傳感器會將該檢測信號反饋給控制器，由控制器控制相對應的氣動肌肉啟動，對電動驅動部分進行卸荷，關節(jié)臂1會在電機與氣動肌肉的復合驅動下進行工作，使得電機承受的載荷大大減小，氣動肌肉達到輔助電機工作的作用。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。