專利名稱：機械關節(jié)及仿生機械恐龍的頸部、尾部結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及四足機器人，具體涉及機械關節(jié)及仿生機械恐龍的頸部、尾部結構。
背景技術：
機器人技術是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門高新技術，它綜合了機械、微電子與計算機、自動控制、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，是機電一體化技術的典型載體。大型四足仿生機械恐龍是四足步行機器人的一種重要應用，廣泛應用于娛樂、影視等領域。眾所周知，仿生機械恐龍的各種動作都是通過各個關節(jié)的運動實現的。對于大型四足仿生機械恐龍而言，不僅需要能夠行走，還需要能夠實現上下、左右搖頭和擺尾。并且，還可以通過上下、左右搖頭和擺尾調節(jié)大型四足仿生機械恐龍的重心，從而提高大型四足仿生機械恐龍行走的穩(wěn)定性。 在真實情況下，恐龍的搖頭和擺尾類似于一個球關節(jié)，但是在實際上，并沒有能夠實現球關節(jié)的電機。因此，現有的大型四足仿生機械恐龍都不具備同時實現上下、左右搖頭和擺尾功能，只能具有一個自由度，從而一方面限制了仿生效果，另一方面對行走穩(wěn)定性的支持不夠。有鑒于此，需要對大型四足仿生機械恐龍的頸部和尾部關節(jié)進行優(yōu)化設計，使其實現上下、左右搖頭和擺尾功能，從而提高仿生效果，并提高大型四足仿生機械恐龍行走的穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是解決如何提高大型四足仿生機械恐龍的仿生效果和行走穩(wěn)定性的問題。為了解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是提供一種機械關節(jié)，包括第一支架和第二支架，所述第一支架上固定設有第一電機和轉軸，所述第一電機與所述轉軸的軸線垂直但不相交，且所述第一電機的電機軸上固定有連接件；所述第二支架上固定設有第二電機，所述第二電機與所述轉軸的軸線平行，所述轉軸轉動設置在所述第二支架上，且轉軸的一端伸出所述第二支架后固定設有第一齒輪；所述第一、第二電機為直流伺服減速電機且軸線相互垂直但不相交，所述第二電機的電機軸上設有第二齒輪，所述第一、第二齒輪嚙合。在上述機械關節(jié)中，所述第一支架包括第一 U形板和第一連接板，所述第一 U形板由上、下條形板以及第一后條形板組成；所述第一連接板的中心設有第一通孔且其前端面固定在所述第一后條形板的后端面中部；第一貫穿通孔沿上、下方向貫穿所述上、下條形板，且與所述第一通孔的軸線垂直但不相交；所述第一電機固定在所述上條形板的頂面上，第一電機的輸出軸插裝在所述第一貫穿通孔內；所述連接件設置在上條形板和下條形板之間，且套裝在所述第一電機的電機軸上并通過鍵連接固定。
在上述機械關節(jié)中，所述第二支架包括第二 U形板和第二連接板，所述第二 U形板由左、右條形板以及第二后條形板組成，所述右條形板的后端向后延伸形成所述第二連接板；所述第二連接板的中心設有第二通孔，第二貫穿通孔沿左、右方向貫穿左、右條形板并與所述第二通孔的軸線平行；所述第一連接板設置在所述左、右條形板之間，所述轉軸穿過所述第一通孔且兩端轉動設置在所述第二貫穿通孔內，所述轉軸的伸出端與所述第一齒輪固定；所述第二電機固定在所述第二連接板的右端面上，第二電機的輸出軸穿出所述第二通孔后與所述第二齒輪固定。在上述機械關節(jié)中，所述第一齒輪具有一個軸套部和一個齒部，所述齒部為扇形不完全齒輪，并通過扇形連接部與所述軸套部連 接，所述扇形連接部的厚度小于齒部的厚度，且沿周向均布設有多個通孔。在上述機械關節(jié)中,所述機械關節(jié)的質心位于所述轉軸的軸線上。本發(fā)明還提供了一種包含有上述機械關節(jié)的仿生機械恐龍頸部結構，所述機械關節(jié)通過軀干連接件固定在仿生機械恐龍的軀干上。在上述仿生機械恐龍頸部結構中，所述第二后條形板的上下兩端分別設有安裝孔，所述軀干連接件上設有兩個上、下對稱布置的直角彎板，所述直角彎板分別扣裝在所述第二后條形板的上下兩端并通過螺栓連接固定。本發(fā)明還提供了一種包含有上述機械關節(jié)的仿生機械恐龍尾部結構，所述機械關節(jié)通過軀干連接件固定在仿生機械恐龍的軀干上。在上述仿生機械恐龍尾部結構中，所述第二后條形板的上下兩端分別設有安裝孔，所述軀干連接件上設有兩個上、下對稱布置的直角彎板，所述直角彎板分別扣裝在所述第二后條形板的上下兩端并通過螺栓連接固定。本發(fā)明，機械關節(jié)實現了類球關節(jié)的功能，并且結構緊湊、簡單，同時在垂直關節(jié)上加裝了扇形直齒輪減速機構，提高了垂直方向的電機的驅動力矩。


圖I為本發(fā)明提供的機械關節(jié)立體結構示意圖；圖2為圖I的分解結構示意圖；圖3為本發(fā)明中的第一支架結構示意圖；圖4為本發(fā)明中的第二支架結構示意圖；圖5為本發(fā)明中的第一齒輪結構示意圖；圖6為本發(fā)明提供的仿生機械恐龍頸部結構示意圖；圖7為圖6中的A部放大圖；圖8為本發(fā)明提供的仿生機械恐龍尾部結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的機械關節(jié)具有結構簡單、緊湊，體積小的特點，非常適合應用于大型四足仿生機械恐龍的頭、尾部。下面結合附圖和在仿生機械恐龍上應用的具體實施例對本發(fā)明作出詳細的說明。以下描述中，上下、左右以及前后方向的設定遵循以下原則，仿生機械恐龍的頸部為前，尾部為后。
如圖I、圖2所示，本發(fā)明提供的機械關節(jié)包括第一支架10和第二支架20，第一支架10上固定設有轉軸50，轉軸50的兩端轉動設置在第二支架20上。第一支架10上固定設有第一電機30，第二支架20上固定設有第二電機40,第一電機30和第二電機40均為直流伺服減速電機且軸線相互垂直但不相交，同時第二電機40的電機軸與轉軸50的軸線平行。轉軸50的一端穿出第二支架20后固定設有第一齒輪51,第二電機40的電機軸上設有第二齒輪52，第一、第二齒輪51、52相互嚙合。第一支架10的結構如圖3所示，由第一 U形板11和第一連接板12組成。第一 U形板11包括上條形板13、下條形板14以及連接在上條形板13和下條形板14右端的第一后條形板15，第一連接板12固定在第一后條形板15的后端面中部，第一連接板12的自由端呈半圓形，且中心處設有一個第一通孔16。一個第一貫穿通孔17沿上、下方向貫穿上條形板13和下條形板14設置，第一貫穿通孔17與第一通孔16的軸線垂直但不相交。再參見圖I、圖2，第一電機30通過法蘭連接方式固定在第一支架10的上條形板13的頂面上，第一電機30的輸出軸插裝在第一貫穿通孔17內，連接件18套裝在第一電機30的電機軸上且通過鍵連接，連接件18設置在上條形板13和下條形板14之間，用于固定仿生機械恐龍的頸部連桿或尾部連桿。第二支架20的結構如圖4所示，由第二 U形板21和第二連接板22組成。第二 U形板21包括左條形板23、右條形板24以及連接在左條形板23和右條形板24后端的第二后條形板25,右條形板24的后端向后延伸形成第二連接板22,第二連接板22的后端部呈半圓形且中心處設有第二通孔26，左條形板23和右條形板24的前端呈半圓形，第二貫穿通孔27沿左、右方向貫穿左條形板23和右條形板24設置，第二貫穿通孔27與第二通孔26的軸線平行。
第二電機40固定在第二連接板22的右端面上，第二電機40的輸出軸穿出第二通孔26后與第二齒輪52固定，第一連接板12設置在左條形板23、右條形板24之間，轉軸50穿過第一通孔16并通過鍵連接方式與第一支架10固定，轉軸50的兩端分別穿過第二支架20上的第二貫穿通孔27形成轉動連接。轉軸50的一端穿出第二貫穿通孔27后與第一齒輪51固定,第一、第二齒輪51、52相互哨合。本發(fā)明提供的機械關節(jié)，當第一電機30轉動時，驅動連接件18繞第一貫穿通孔17轉動，實現機械恐龍的左右擺頭或擺尾動作；當第二電機40轉動時，通過第二齒輪52和第一齒輪51的嚙合傳動帶動轉軸50轉動，由于轉軸50與第一支架10通過鍵連接，因此，使第一支架10繞轉軸50轉動，實現機械恐龍的頸部或尾部俯仰動作。為了減輕機械關節(jié)重量，本發(fā)明對第一齒輪51的結構進行了優(yōu)化設計，如圖5所示，第一齒輪51具有一個軸套部511和一個齒部512，軸套部511用于與轉軸50連接，齒部52用于與第二齒輪52嚙合。齒部512為扇形不完全齒輪，并通過扇形連接部513與軸套部511連接，扇形連接部513的厚度小于齒部512的厚度，且沿周向均布設有多個通孔514，通過扇形不完全齒輪形成的齒部512以及設置通孔514，既滿足了使用要求，又可以大大減輕第一齒輪51的重量。另外，如圖2所示的左、右兩部分重量相等，整個機械關節(jié)的質心落在轉軸50的軸線上，這樣，在控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定性控制計算時，整個機械關節(jié)在俯仰平面內可以簡化為質點，便于控制系統(tǒng)實時計算質心位置。
本發(fā)明還提供了一種包含有上述機械關節(jié)的仿生機械恐龍頸部結構，如圖6所示，本圖中借用了圖I 一圖4中的標號。第一電機30的電機軸豎直設置，第二電機40的電機軸沿左右方向水平設置，連接件18呈方管狀，固定連接頸部連桿60，頸部連桿60的另一端固定活動嘴巴70。再參見圖4、圖7，第二后條形板25的上下兩端分別設有安裝孔28，仿生機械恐龍的軀干部設有兩個上、下對稱布置的直角彎板61，直角彎板61分別扣裝在第二后條形板25的上下兩端并通過螺栓連接固定。仿生機械恐龍的軀干與第二后條形板25的這種連接方式，使得結構更加緊湊，便于桿件質心的簡化，有利于控制系統(tǒng)在進行穩(wěn)定性控制時，實時質心位置的計算。本發(fā)明還提供的一種包含有上述機械關節(jié)的仿生機械恐龍尾部結構，如圖8所示，本圖中借用了圖I 一圖4中的標號?！さ谝浑姍C30的電機軸豎直設置，第二電機40的電機軸沿左右方向水平設置，連接件18呈圓管狀。機械關節(jié)與仿生機械恐龍的軀干部的連接與頸部的連接方式相同，在此不再贅述。本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結構變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術方案，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.機械關節(jié)，其特征在于，包括 第一支架，其上固定設有第一電機和轉軸，所述第一電機與所述轉軸的軸線垂直但不相交，且所述第一電機的電機軸上固定有連接件； 第二支架，其上固定設有第二電機，所述第二電機與所述轉軸的軸線平行，所述轉軸轉動設置在所述第二支架上，且所述轉軸的一端穿出所述第二支架后固定設有第一齒輪； 所述第一、第二電機為直流伺服減速電機且軸線相互垂直但不相交，所述第二電機的電機軸上設有第二齒輪，所述第一、第二齒輪嚙合。
2.如權利要求I所述的機械關節(jié)，其特征在于， 所述第一支架包括第一 U形板和第一連接板，所述第一 U形板由上、下條形板以及第一后條形板組成；所述第一連接板的中心處設有第一通孔且其前端面固定在所述第一后條形板的后端面中部；第一貫穿通孔沿上、下方向貫穿所述上、下條形板，且與所述第一通孔的軸線垂直但不相交； 所述第一電機固定在所述上條形板的頂面上，第一電機的輸出軸插裝在所述第一貫穿通孔內；所述連接件設置在上條形板和下條形板之間，且套裝在所述第一電機的電機軸上并通過鍵連接固定。
3.如權利要求2所述的機械關節(jié)，其特征在于，其特征在于 所述第二支架包括第二 U形板和第二連接板，所述第二 U形板由左、右條形板以及第二后條形板組成，所述右條形板的后端向后延伸形成所述第二連接板；所述第二連接板的中心處設有第二通孔，第二貫穿通孔沿左、右方向貫穿左、右條形板并與所述第二通孔的軸線平行；所述第一連接板設置在所述左、右條形板之間，所述轉軸穿過所述第一通孔且兩端轉動設置在所述第二貫穿通孔內，所述轉軸的伸出端與所述第一齒輪固定； 所述第二電機固定在所述第二連接板的右端面上，第二電機的輸出軸穿出所述第二通孔后與所述第二齒輪固定。
4.如權利要求I所述的機械關節(jié)，其特征在于 所述第一齒輪具有一個軸套部和一個齒部，所述齒部為扇形不完全齒輪，并通過扇形連接部與所述軸套部連接，所述扇形連接部的厚度小于齒部的厚度，且沿周向均布設有多個通孔。
5.如權利要求I所述的機械關節(jié)，其特征在于 所述機械關節(jié)的質心位于所述轉軸的軸線上。
6.仿生機械恐龍頸部結構，包括軀干連接件和與所述軀干連接件固定連接的機械關節(jié)，其特征在于，所述機械關節(jié)為權利要求2至5項任一項所述的機械關節(jié)。
7.如權利要求6所述的仿生機械恐龍頸部結構，其特征在于， 所述第二后條形板的上下兩端分別設有安裝孔，所述軀干連接件上設有兩個上、下對稱布置的直角彎板，所述直角彎板分別扣裝在所述第二后條形板的上下兩端并通過螺栓連接固定。
8.仿生機械恐龍尾部結構，包括軀干連接件和與所述軀干連接件固定連接的機械關節(jié)，其特征在于，所述機械關節(jié)為權利要求2至5項任一項所述的機械關節(jié)。
9.如權利要求8所述的仿生機械恐龍尾部結構，其特征在于， 所述第二后條形板的上下兩端分別設有安裝孔，所述軀干連接件上設有兩個上、下對稱布置的直角彎板，所述直角彎板分別扣裝在所述第二后條形板的上下兩端并通過螺栓連 接固定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機械關節(jié)，包括第一支架和第二支架，第一支架上固定設有第一電機和轉軸，第一電機與轉軸軸線垂直；第二支架上固定設有第二電機，第一、第二電機為直流伺服減速電機且軸線相互垂直，第二電機與轉軸的軸線平行，轉軸轉動設置在第二支架上，且轉軸上固定設有第一齒輪；第二電機的電機軸上設有第二齒輪，第一、第二齒輪嚙合。本發(fā)明，機械關節(jié)實現了類球關節(jié)的功能，并且結構緊湊、簡單，同時在垂直關節(jié)上加裝了扇形直齒輪減速機構，提高了垂直方向的電機的驅動力矩。在此基礎上，本發(fā)明還提供了一種仿生機械恐龍頸部、尾部結構。
文檔編號G05D3/12GK102830716SQ20121030155
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權日2012年8月22日
發(fā)明者韓曉建, 方書明, 孫宇, 齊威 申請人:中科宇博(北京)文化有限公司