一种仿人机器人的双T型腰关节结构.pdf

本发明的仿人机器人的双T型腰关节结构包括腰中转结构和腰俯仰结构两部分。腰中转结构包括T型腰主板，中转谐波减速器，腰中转轴和电机；腰俯仰结构包括俯仰谐波减速器；利用谐波减速器差齿传动的原理实现腰关节的中转和俯仰运动。本发明整个腰部采用双T型结构，双T型结构增强了腰部的整体强度和刚度，扩大了腰部的运动范围，可以承受上身重量及身体不平衡运动带来的影响，满足了上身实施作业的要求。本发明重量轻，结构紧凑，传动精度高，该仿人机器人的腰部结构可满足大范围的中转、俯仰运动和快速响应要求。

1、  一种仿人机器人的双T型腰关节结构，其特征在于：包括腰中转结构和腰俯仰结构两部分：
腰中转结构包括由平板和圆筒构成的T型腰主板(1)，由同轴线装置的第一刚轮(3)、第一波发生器(6)和第一柔轮(7)组成的中转谐波减速器(2)，由上部框架和下部圆筒构成的腰中转轴(9)以及电机(14)，中转谐波减速器(2)的第一刚轮(3)固定于腰主板(1)上，第一刚轮(3)的轴线与腰主板(1)的圆筒轴线(p1)重合，电机(14)带有第一编码器(15)，通过电机法兰(11)固定在腰中转轴(9)下部圆筒内，电机(14)轴与电机轴套(5)固接在一起，电机轴套(5)与第一波发生器(6)通过键连接。在电机轴套(5)的两端分别有第一深沟球轴承(4)和第二深沟球轴承(10)，腰中转轴(9)的下部圆筒置于腰主板(1)的圆筒中，在腰中转轴(9)圆筒外壁和腰主板(1)圆筒内壁之间设有作轴向和径向支撑的交叉滚子轴承(8)和深沟球轴承(12)；
腰俯仰结构包括圆筒(17)和由同轴线装置的第二刚轮(20)、第二波发生器(21)和第二柔轮(22)组成的俯仰谐波减速器(19)，圆筒(17)固定在腰中转轴(9)上部框架的一侧，俯仰谐波减速器(19)的第二刚轮(20)固定在腰中转轴(9)上部框架的另一侧，第二刚轮(20)和圆筒(17)轴线(p2)重合，第二波发生器(21)与俯仰谐波减速器(19)的输入轴(26)连接，输入轴(26)上安装第一同步带轮(25)，带有第二编码器(27)的俯仰电机(28)的机座(29)与俯仰谐波减速器(19)的外壳(23)固定，俯仰电机(28)轴上安装有第二同步带轮(30)，第一同步带轮(25)和第二同步带轮(30)通过同步带相连，在俯仰谐波减速器(19)的输出轴(13)上安装有右边板(24)，圆筒(17)上通过轴承安装有左边板(16)，右边板(24)和左边板(16)通过上面板(18)相连。

一种仿人机器人的双T型腰关节结构
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种仿人机器人的双T型腰关节结构。
背景技术
迄今为止，世界上研制比较成功的机器人腰部大部分采用带编码器的电机和谐波减速器作为机器人关节的驱动装置。如日本的ASIMO，HRP-2，韩国的KHR-3。腰关节是机器人上身和下肢连接的重要关节，而且在承受上身重量的同时还需要克服因上身的不平衡带来的影响，所以大多数机器人都是没有腰的，像ASIMO、KHR-3也只有一个偏转自由度。
中国专利CN1864942A公开了一种仿人机器人的腰结构，它具有腰俯仰和中转两个自由度，但该结构的腰部刚性和电机连接上存在不足。
发明内容
本发明的目的是为充分考虑腰的刚性要求、电机使用寿命和传动效率等因素，而提出一种仿人机器人的双T型腰关节结构。
本发明的仿人机器人的双T型腰关节结构，包括腰中转结构和腰俯仰结构两部分：
腰中转结构包括由平板和圆筒构成的T型腰主板，由同轴线装置的第一刚轮、第一波发生器和第一柔轮组成的中转谐波减速器，由上部框架和下部圆筒构成的腰中转轴以及电机，中转谐波减速器的第一刚轮固定于腰主板上，第一刚轮的轴线与腰主板的圆筒轴线重合，电机带有第一编码器，通过电机法兰固定在腰中转轴下部圆筒内，电机轴与电机轴套固接在一起，电机轴套与第一波发生器通过键连接。在电机轴套的两端分别有第一深沟球轴承和第二深沟球轴承，腰中转轴的下部圆筒置于腰主板的圆筒中，在腰中转轴圆筒外壁和腰主板圆筒内壁之间设有作轴向和径向支撑的交叉滚子轴承和深沟球轴承；
腰俯仰结构包括圆筒和由同轴线装置的第二刚轮、第二波发生器和第二柔轮组成的俯仰谐波减速器，圆筒固定在腰中转轴上部框架的一侧，俯仰谐波减速器的第二刚轮固定在腰中转轴上部框架的另一侧，第二刚轮和圆筒轴线重合，第二波发生器与俯仰谐波减速器的输入轴连接，输入轴上安装第一同步带轮，带有第二编码器的俯仰电机的机座与俯仰谐波减速器的外壳固定，俯仰电机轴上安装有第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮通过同步带相连，在俯仰谐波减速器的输出轴上安装有右边板，圆筒上通过轴承安装有左边板，右边板和左边板通过上面板相连。
本发明以腰主板为主的下T型结构和由腰中转轴、左右边板和腰上面板组成的上T型结构共同构成了腰部的双T型结构，两个T型结构之间通过一个交叉滚子轴承和一个深沟球轴承来实现相对转动，交叉滚子轴承和深沟球轴承分别承受两个T型结构之间的轴向和径向力。双T型结构增强了腰部的整体强度和刚度，扩大了腰部的运动范围，可以承受上身重量及身体不平衡运动带来的影响，满足了上身实施作业的要求。通过对电机轴的处理，可以有效的将运动过程中产生的轴向和径向力经过电机轴套传递到两端的深沟球轴承上，规范了电机的使用方法，延长了电机的使用寿命，同时保证转轴的同轴度要求，使得传动的精度和效率都得到了保障，提高了整个系统的可靠性。
附图说明
图1是仿人机器人的双T型腰关节结构剖视图；
图2是本发明的整体实体图；
图3是中转谐波减速器示意图。
上述图中：1.腰主板，2.中转谐波减速器，3.第一刚轮，4.第一深沟球轴承，5.电机轴套，6.第一波发生器，7.第一柔轮，8.交叉滚子轴承，9.腰中转轴，10.第二深沟球轴承，11.电机法兰，12.深沟球轴承，13.输出轴，14.电机，15.第一编码器，16.左边板，17.圆筒，18.上面板，19.俯仰谐波减速器，20.第二刚轮，21.第二波发生器，22.第二柔轮，23.外壳，24.右边板，25.第一同步带轮，26.入轴，27.第二编码器，28.俯仰电机，29.机座，30.第二同步带轮。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照附图，本发明的仿人机器人的双T型腰关节结构包括腰中转结构和腰俯仰结构两部分：
腰中转结构包括由平板和圆筒构成的T型腰主板1，由同轴线装置的第一刚轮3、第一波发生器6和第一柔轮7组成的中转谐波减速器2，由上部框架和下部圆筒构成的腰中转轴9以及电机14，中转谐波减速器2的第一刚轮3固定于腰主板1上，第一刚轮3的轴线与腰主板1的圆筒轴线p1重合，电机14带有第一编码器15，通过电机法兰11固定在腰中转轴9下部圆筒内，电机14轴与电机轴套5固接在一起，电机轴套5与第一波发生器6通过键连接，电机轴带动第一波发生器转动，从而实现腰部中转运动。在电机轴套5的两端分别有第一深沟球轴承4和第二深沟球轴承10，其中，第一深沟球轴承4用来防止电机轴套5端部的窜动，第二深沟球轴承10用来防止第一波发生器6产生的轴向力对电机14造成损伤。腰中转轴9的下部圆筒置于腰主板1的圆筒中，在腰中转轴9圆筒外壁和腰主板1圆筒内壁之间设有交叉滚子轴承8和深沟球轴承12，交叉滚子轴承8主要用来承受腰中转轴9的轴向力，深沟球轴承12主要用来承受腰中转轴9的径向力。腰中转轴9通过交叉滚子轴承8和深沟球轴承12与腰主板1圆筒保持同轴旋转。
腰俯仰结构包括圆筒17和由同轴线装置的第二刚轮20、第二波发生器21和第二柔轮22组成的俯仰谐波减速器19，圆筒17固定在腰中转轴9上部框架的一侧，俯仰谐波减速器19的第二刚轮20固定在腰中转轴9上部框架的另一侧，第二刚轮20和圆筒17轴线p2重合，第二波发生器21与俯仰谐波减速器19的输入轴26连接，输入轴26上安装第一同步带轮25，带有第二编码器27的俯仰电机28的机座29与俯仰谐波减速器19的外壳23固定，俯仰电机28轴上安装有第二同步带轮30，第一同步带轮25和第二同步带轮30通过同步带相连，可将运动传递到输入轴26上，带动第二波发生器21和第二柔轮22转动，从而实现腰俯仰运动。
在俯仰谐波减速器19的输出轴13上安装有右边板24，圆筒17上通过轴承安装有左边板16，右边板24和左边板16通过上面板18相连，它们和腰中转轴9共同构成腰俯仰T型结构，使得刚性有明显提高。