本发明公开了一种单电机驱动的两自由度关节结构，该结构由电机(1)、机架(2)、电机齿轮(3)、第一齿轮(4)、第二齿轮(4′)、十字形交叉轴(5)、第一角位移传感器(6)、第二角位移传感器(6′)、第一磁流变体阻尼器(7)、第二磁流变体阻尼器(7′)和执行部件(8)构成。利用本发明，通过对两个轴端可控磁流变体阻尼器输出阻尼力矩的控制，实现了单电机对两个自由度运动的控制。
1.一种单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，该结构由电机(1)、机架(2)、电机齿轮(3)、第一齿轮(4)、第二齿轮(4′)、十字形交叉轴(5)、第一角位移传感器(6)、第二角位移传感器(6′)、第一磁流变体阻尼器(7)、第二磁流变体阻尼器(7′)和执行部件(8)构成；其中，机架(2)与执行部件(8)通过十字形交叉轴(5)相联接，机架(2)与该十字形交叉轴(5)的第一条轴通过轴承相联接，执行部件(8)与该十字形交叉轴(5)的第二条轴通过轴承相联接；
电机(1)固定安装于机架(2)上，电机齿轮(3)与电机(1)的输出转轴固定联接，电机齿轮(3)所在平面平行于所述十字形交叉轴(5)的第一条轴，电机齿轮(3)的轴线延长线通过十字形交叉轴(5)的中心点；
第一齿轮(4)与所述十字形交叉轴(5)的第一条轴以轴承相联接，第二齿轮(4′)与所述执行部件(8)为固定联接，使电机齿轮(3)与第一齿轮(4)相啮合，且第一齿轮(4)与第二齿轮(4′)相啮合；
所述十字形交叉轴(5)的第一条轴的两端分别安装有第一角位移传感器(6)和第一磁流变体阻尼器(7)，所述十字形交叉轴(5)的第二条轴的两端分别安装有第二角位移传感器(6′)和第二磁流变体阻尼器(7′)。
2.根据权利要求1所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，所述第一齿轮(4)与十字形交叉轴(5)以轴承方式相联接，该两自由度关节绕第一轴线的输出运动并不同于第一齿轮(4)绕十字形交叉轴(5)第一条轴的运动。
3.根据权利要求1所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，所述第二齿轮(4′)与执行部件(8)为固定联接，该两自由度关节绕第二轴线的输出运动相同于第二齿轮(4′)绕十字形交叉轴第二条轴的运动。
4.根据权利要求1所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，所述第一角位移传感器(6)用于反映该两自由度关节绕第一轴线的转角，所述第二角位移传感器(6′)用于反映该两自由度关节绕第二轴线的转角，第一角位移传感器(6)和第二角位移传感器(6′)用于对两自由度关节运动的反馈控制。
5.根据权利要求1所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，所述第一磁流变阻尼器固定联接于所述机架(2)上，所述第二磁流变阻尼器固定联接于执行部件(8)上，通过对两个轴端阻尼器输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。
6.根据权利要求1所述的单电机驱动的两自由度关节结构，其特征在于，所述执行部件(8)绕所述十字形交叉轴(5)的两条轴所在直线的运动是这样形成的：执行部件(8)、第二齿轮(4′)以及十字形交叉轴(5)整体绕第一轴线转动，执行部件(8)和第二齿轮(4′)绕第二轴线转动。
单电机驱动的两自由度关节结构
技术领域
[0001] 本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种应用于仿生机器人的单电机驱动的两自由度关节结构。
背景技术
[0002] 两自由度关节指具有两个轴线垂直相交自由度的关节，这种关节的原型在人体和动物体上普遍存在，研制两自由度关节对各种仿生机器人具有一定的意义。
[0003] 在自然界，具有2至3个轴线垂直相交自由度的关节在各种动物体上极为常见，比如人体和其他行走类动物的颈关节、腕关节、踝关节、指根关节、腰关节，螃蟹和其他爬行类动物的腿根关节等。因此，对于各种仿生机器人，如何制作具有轴线相交自由度的关节是需要解决的问题之一。
[0004] 一般情况下，2至3自由度关节的驱动都是采用的全驱动方式，即驱动电机数与关节的自由度数是相等的，这样常常会给电机的布置带来麻烦。如果能实现单电机驱动的两自由度关节，可以一定程度上方便机器人的设计。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单电机驱动的两自由度关节结构，以实现单电机对两个自由度运动的控制。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种单电机驱动的两自由度关节结构，该结构由电机1、机架2、电机齿轮3、第一齿轮4、第二齿轮4′、十字形交叉轴5、第一角位移传感器6、第二角位移传感器6′、第一磁流变体阻尼器7、第二磁流变体阻尼器7′和执行部件8构成；其中，
[0009] 机架(2)与执行部件(8)通过十字形交叉轴(5)相联接，机架(2)与该十字形交叉轴(5)的第一条轴通过轴承相联接，执行部件(8)与该十字形交叉轴(5)的第二条轴也通过轴承相联接；
[0010] 电机(1)固定安装于机架(2)上，电机齿轮(3)与电机(1)的输出转轴固定联接，该电机齿轮(3)所在平面平行于所述十字形交叉轴(5)的第一条轴，电机齿轮(3)的轴线延长线通过十字形交叉轴(5)的中心点；
[0011] 第一齿轮(4)与所述十字形交叉轴(5)的第一条轴以轴承相联接，第二齿轮(4′)与所述执行部件(8)为固定联接，使电机齿轮(3)与第一齿轮(4)相啮合，且第一齿轮(4)与第二齿轮(4′)相啮合；
[0012] 所述十字形交叉轴(5)的第一条轴的两端分别安装有第一角位移传感器(6)和第一磁流变体阻尼器(7)，所述十字形交叉轴(5)的第二条轴的两端分别安装有第二角位移传感器(6′)和第二磁流变体阻尼器(7′)。
[0013] 优选地，所述第一齿轮(4)与十字形交叉轴(5)以轴承方式相联接，该两自由度关节绕第一轴线的输出运动并不同于第一齿轮(4)绕十字形交叉轴(5)第一条轴的运动。
[0014] 优选地，所述第二齿轮(4′)与执行部件(8)为固定联接，该两自由度关节绕第二轴线的输出运动相同于第二齿轮(4′)绕十字形交叉轴第二条轴的运动。
[0015] 优选地，所述第一角位移传感器(6)用于反映该两自由度关节绕第一轴线的转角，所述第二角位移传感器(6′)用于反映该两自由度关节绕第二轴线的转角，第一角位移传感器(6)和第二角位移传感器(6′)用于对两自由度关节运动的反馈控制。
[0016] 优选地，所述第一磁流变阻尼器固定联接于所述机架2上，所述第二磁流变阻尼器固定联接于执行部件8上，通过对两个轴端阻尼器输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。
[0017] 优选地，所述执行部件8绕所述十字形交叉轴5的两条轴所在直线的运动是这样形成的：执行部件8、第二齿轮4′以及十字形交叉轴5整体绕第一轴线转动，执行部件8和第二齿轮4′绕第二轴线转动。
[0018] (三)有益效果
[0019] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0020] 1、本发明提供的这种单电机驱动的两自由度关节结构，通过对两个轴端磁流变阻尼器输出阻尼力矩的控制，实现了单电机对两个自由度运动的控制。
[0021] 2、本发明提供的这种单电机驱动的两自由度关节结构，由1个电机通过锥齿轮系驱动2个自由度，关节的输入驱动少于自由度数目，属于欠驱动系统，可以一定程度上提高电机的驱动效率。
附图说明
[0022] 图1为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的结构示意图；
[0023] 图2为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的原理图；
[0024] 图3为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节四种等效工作状态的示意图；
[0025] 图1和图2中，1为电机，2为机架，3为电机齿轮，4为第一齿轮，4′为第二齿轮，5为十字形交叉轴，6为第一角位移传感器，6′为第二角位移传感器，7为第一磁流变体阻尼器，7′为第二磁流变体阻尼器，8为执行部件。
具体实施方式
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0027] 如图1所示，图1为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的结构示意图，该结构由电机1、机架2、电机齿轮3、第一齿轮4、第二齿轮4′、十字形交叉轴5、第一角位移传感器6、第二角位移传感器6′、第一磁流变体阻尼器7、第二磁流变体阻尼器7′和执行部件8构成。
[0028] 其中，机架2与执行部件8通过十字形交叉轴5相联接，机架2与该十字形交叉轴5的第一条轴通过轴承相联接，执行部件8与该十字形交叉轴5的第二条轴也通过轴承相联接；
[0029] 电机1固定安装于机架2上，电机齿轮3与电机1的输出转轴固定联接，该电机齿轮3所在平面平行于所述十字形交叉轴5的第一条轴，电机齿轮3的轴线延长线通过十字形交叉轴5的中心点；
[0030] 第一齿轮4与所述十字形交叉轴5的第一条轴以轴承相联接，第二齿轮4′与所述执行部件8为固定联接，使电机齿轮3与第一齿轮4相啮合，且第一齿轮4与第二齿轮4′相啮合；
[0031] 所述十字形交叉轴5的第一条轴的两端分别安装有第一角位移传感器6和第一磁流变体阻尼器7，所述十字形交叉轴5的第二条轴的两端分别安装有第二角位移传感器6′和第二磁流变体阻尼器7′。
[0032] 所述第一齿轮4与十字形交叉轴5以轴承方式相联接，故该两自由度关节绕第一轴线的输出运动并不同于第一齿轮4绕十字形交叉轴5第一条轴的运动。
[0033] 所述第二齿轮4′与执行部件8为固定联接，故该两自由度关节绕第二轴线的输出运动相同于第二齿轮4′绕十字形交叉轴第二条轴的运动。
[0034] 所述第一角位移传感器6用于反映该两自由度关节绕第一轴线的转角，所述第二角位移传感器6′用于反映该两自由度关节绕第二轴线的转角，第一角位移传感器6和第二角位移传感器6′用于对两自由度关节运动的反馈控制。
[0035] 所述第一磁流变阻尼器固定联接于所述机架2上，所述第二磁流变阻尼器固定联接于执行部件8上，通过对两个轴端阻尼器输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。
[0036] 所述执行部件8绕所述十字形交叉轴5的两条轴所在直线的运动是这样形成的：执行部件8、第二齿轮4′以及十字形交叉轴5整体绕第一轴线转动，执行部件8和第二齿轮4′绕第二轴线转动。
[0037] 单电机驱动的两自由度关节的原理设计如图2所示，图2为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节的原理图。机架与执行部件通过十字形交叉轴相联接。十字形交叉轴的两个垂直相交轴分别为第一条轴、第二条轴，第一条轴、第二条轴分别以轴承安装在机架和执行部件上。电机固定安装于机架上，第一齿轮则以轴承与第一条轴相联接，电机齿轮与第一齿轮有传动配合，假设传动比为i10。第二齿轮与执行部件为一体，第一齿轮、第二齿轮之间具有传动配合，假设传动比为i21。第一条轴、第二条轴各有两个轴端，分别安装有角位移传感器和磁流变体阻尼器：第一角位移传感器反映整个十字形交叉轴绕第一条轴的转角，第二角位移传感器反映执行部件绕第二条轴的转角；第一阻尼器和第二阻尼器分别固联在机架和执行部件上。通过对两个轴端阻尼器输出阻尼的控制，实现单电机对两个自由度的可控驱动。这样，执行部件绕第一条轴、第二条轴的运动是这样形成的：执行部件与第二齿轮及十字形交叉轴整体绕第一条轴的转动，执行部件与第二齿轮绕第二条轴的转动。
[0038] 单电机驱动的两自由度关节从原理上可以等效为如图3所示行星轮系，图3为本发明提供的单电机驱动的两自由度关节四种等效工作状态的示意图。电机齿轮等效于齿轮a，与机架构成转动幅；第一齿轮等效于齿轮b，与机架构成转动幅；第二齿轮及与其固定联接的执行部件等效于齿轮c；十字交叉轴等效于系杆，两端分别与齿轮b、c构成转动幅。等效机构的两个自由度运动分别从系杆和齿轮c输出。假设齿轮a、b、c的半径分别为ra、rb、rc，令ra/rb＝i10，rb/rc＝i21，假设电机轴的输出转速为ωa。
[0039] 如图3(I)，当原关节的两个阻尼器均完全放松时，相当于系杆和齿轮c均可以运动，但运动传递关系不确定。
[0040] 如图3(II)，当第一阻尼器放松，第二阻尼器制动时，相当于将系杆与齿轮固定联接起来，从系杆输出运动，机构的输出运动为ωout＝i10ωa。
[0041] 如图3(III)，当第二阻尼器放松，第一阻尼器制动时，相当齿轮c与机架构成转动幅，从齿轮c处输出运动，机构的输出运动为ωout＝i21i10ωa。
[0042] 如图3(IV)，当第一阻尼器和2均制动时，机构将被锁死而不能运动。
[0043] 可见在两个阻尼器中的其中一个完全制动的情况下，系统的运动输出可以是确定的，由某一个自由度独立输出运动。如果对两个阻尼器同时进行阻尼力矩控制，可以实现两个自由度的同时运动，保证关节转角在任意方向运动的连续。
[0044] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
