機器人關節液壓伺服驅動機構的制作方法
本發明涉及機器人研究和工程領域，具體涉及一種機器人關節液壓伺服驅動機構。
背景技術：
機器人是集控制、機械、電子、材料等學科于一體的交叉學科，隨著機器人技術的飛速發展，對系統的各個組成部分提出了更高的指標要求。機器人關節驅動方式直接影響到機器人的整體性能，因此受到研究人員的廣泛關注。
機器人的關節驅動方式主要包括氣動人工肌肉、伺服電機驅動和液壓伺服驅動。氣動人工肌肉具有質量相對較輕、價格低、容易維護以及良好的柔順性等優點，但其控制精度相對較低。伺服電機驅動的動態響應速度快，可靠性高，但功率密度較低。當前驅動技術下，若想達到較強的負載能力，則電機的體積、質量都較大，這將導致機器人十分笨重。
相對于氣動人工肌肉和伺服電機驅動，液壓伺服驅動具有高功率密度、高剛度、高精度以及高負載等顯著優點。但傳統的液壓驅動方式所采用的驅動機構通常導致機器人具有較小的關節運動范圍。
具體而言，如圖1a-1c所示，現有的關節液壓伺服驅動機構主要包括以下三種形式：如圖1a所示，第一種驅動機構的液壓驅動單元101a一端為固定鉸鏈105a、另一端為活動鉸鏈103a,通過液壓驅動單元101a的輸出桿102a的伸縮帶動連桿104a擺動，從而實現關節的轉動；如圖1b所示，第二種驅動機構的液壓驅動單元101b被固定，只有輸出桿102b能夠伸縮，連桿104b上安裝有滑槽導軌105b，當輸出桿102b伸縮時可使活動鉸鏈103b在滑槽導軌105b內滑動，進而帶動連桿104b擺動；如圖1c所示，第三種驅動機構是將第二種驅動機構中的導軌滑槽替換成兩端具有活動鉸鏈103c的連桿106c。不難看出，第一種驅動機構要得到較大的關節轉動角度，液壓驅動單元101a的輸出桿102a的運動范圍必須很大，并且連桿104a在擺動過程中，液壓驅動單元101a也要進行較大角度的轉動；第二種以及第三種驅動機構雖然液壓驅動單元101b、101c并不隨著連桿104b、104c轉動，但是輸出桿102b、102c的運動范圍直接限制了連桿104b、104c的擺動角度，難以實現機器人較大的關節轉動角度。
因此，為了提高機器人的整體性能，需要設計一種具備動態特性高、負載能力大且體積相對較小的關節驅動方式。
技術實現要素：
為了解決上述傳統關節驅動機構所存在的運動范圍較小、動態特性差以及體積龐大等問題，本發明提供了一種機器人關節液壓伺服驅動機構，其通過將液壓伺服驅動單元與特殊四連桿機構結合，利用了該四連桿機構的運動放大原理，不僅能夠實現動態特性高，還可以間接縮小液壓伺服驅動單元的運動范圍，從而節省結構空間，使機器人關節更加緊湊。此外，由于液壓驅動單元具有足夠大的輸出力，即使由于四連桿機構的運動放大而導致關節驅動力有所下降，但仍然能滿足機器人關節驅動力和高負載的需求。
根據本發明的一方面，所述機器人關節液壓伺服驅動機構包括：
液壓伺服驅動單元，所述液壓伺服驅動單元的固定端與第一固定鉸鏈連接；以及
四連桿機構，所述四連桿機構包括固定機架、與所述固定機架連接的第一搖桿和第二搖桿，以及與所述第一搖桿和所述第二搖桿連接的連桿，
其中，所述液壓伺服驅動單元的活動端與所述第一搖桿連接，以通過所述活動端的伸縮帶動所述第一搖桿擺動，來改變由所述固定機架與所述第二搖桿構成的關節轉動角度。
根據實施例，所述固定機架包括設置在機器人的第一部位上的第二固定鉸鏈以及設置在機器人的第一部位與第二部位連接處的第三固定鉸鏈。
根據實施例，所述第一固定鉸鏈設置在機器人的第一部位上。
根據實施例，所述液壓伺服驅動單元的所述活動端通過第一活動鉸鏈與所述第一搖桿和所述連桿連接，并且所述連桿通過第二活動鉸鏈與所述第二搖桿連接。
根據實施例，所述第一部位為機器人的大腿并且所述第二部位為機器人的小腿。
根據實施例，所述液壓伺服驅動單元包括液壓伺服閥，用于控制液壓缸的運動。
根據實施例，所述液壓伺服驅動單元還包括安裝在所述液壓缸上的LVDT(Linear Variable Differential Transformer)直線位移傳感器，用于檢測輸出桿的運動，其中所述LVDT傳感器的芯通過關節軸承與所述液壓缸的輸出桿連接。
附圖說明
圖1a-1c為現有的機器人關節液壓伺服驅動機構的結構示意圖。
圖2為根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構的結構示意圖。
圖3為安裝有根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構的仿人機器人的膝關節結構示意圖。
圖4為根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構的液壓伺服驅動單元的結構示意圖。
具體實施方式
以下參照附圖詳細描述根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構。
圖2示意性示出了根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構的結構示意圖。如圖2所示，機器人關節液壓伺服驅動機構包括：液壓伺服驅動單元201，其固定端與第一固定鉸鏈D連接；以及四連桿機構，該四連桿機構包括固定機架202、與固定機架202連接的第一搖桿203和第二搖桿204，以及與第一和第二搖桿203、204連接的連桿205。
進一步地，如圖2所示，液壓伺服驅動單元201的活動端與第一搖桿203連接，以通過活動端的伸縮帶動第一搖桿203擺動，來改變由固定機架202與第二搖桿204構成的關節轉動角度θ。
并且，固定機架202包括第二固定鉸鏈H以及第三固定鉸鏈G。液壓伺服驅動單元201的活動端通過第一活動鉸鏈E與第一搖桿203和連桿205連接，并且連桿205通過第二活動鉸鏈F與第二搖桿204連接。
并且，如圖2所示，關節轉動角度θ與液壓伺服驅動單元201的總長度lED之間的函數關系可以通過以下等式獲得。
根據本實施例，角度∠GHD為定值,滿足∠GHD＝161.6°，長度滿足lDH＝223.3mm，lHE＝60mm，lHG＝38mm，lGF＝40mm，lEF＝50mm，上述角度和桿長均為示例性的，滿足運動放大和實際需要的數值設定均是可行的：
∠EHD＝2π-∠GHD-∠GHF-∠FHE
如圖2所示，與現有技術相比，本發明的優點在于：
通過將具有運動放大功能的四連桿機構與液壓伺服驅動單元相結合，增大了機器人的關節轉動角度；并且避免了機器人關節在進行較大角度轉動時液壓伺服驅動單元自身較大角度擺動，從而節省了結構空間，使機器人關節更加緊湊。
圖3示出了安裝有根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構的仿人機器人的膝關節結構。
如圖3所示，仿人機器人的膝關節包括大腿301、小腿302和液壓伺服驅動單元303。大腿301與小腿302通過固定鉸鏈G連接，液壓伺服驅動單元303的固定端與設置在機器人大腿301上的固定鉸鏈D連接，而液壓伺服驅動單元303的活動端通過活動鉸鏈E與連桿304、連桿305連接。連桿304除了與液壓伺服驅動單元303的活動鉸鏈E連接，其另一端與設置在小腿302上的活動鉸鏈F連接。連桿305除了與液壓伺服驅動單元303的活動鉸鏈E連接，其另一端與設置在大腿301上的固定鉸鏈H連接。
如圖3所示，鉸鏈E、F、G和H構成四連桿機構，以通過液壓伺服驅動單元303的活動端的伸縮帶動連桿305擺動，來改變由固定機架GH與搖桿GF構成的關節轉動角度θ，從而實現機器人的膝關節轉動。
圖4示出了根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構的液壓伺服驅動單元的結構。
如圖4所示，液壓伺服驅動單元包括液壓缸401，其固定端通過關節軸承402與固定鉸鏈D連接，其輸出桿403通過關節軸承404與活動鉸鏈E連接。
液壓伺服驅動單元還包括液壓伺服閥405，用于控制液壓缸401的運動。并且，液壓伺服驅動單元還包括LVDT(Linear Variable Differen tial Transformer)直線位移傳感器406，用于檢測輸出桿403的運動。其中，LVDT位移傳感器406通過兩個固定架407安裝在液壓缸401上，并且LVDT位移傳感器406的芯408通過關節軸承409與液壓缸401的輸出桿403連接。
圖3和4示出了根據本發明實施例的機器人關節液壓伺服驅動機構應用于仿人機器人的膝關節的實施例；然而，本發明不限于此，例如應用于仿人機器人的其他部位的關節、其它仿生機器人關節以及機械臂關節也是可行的。
如上所述，本發明提供了一種機器人關節液壓伺服驅動機構，其通過將液壓伺服驅動單元與具有運動放大功能的四連桿機構結合，不僅能夠實現機器人關節動態特性高、負載能力大的優點，還可以間接縮小液壓伺服驅動單元的運動范圍，從而節省結構空間，使機器人關節更加緊湊。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
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