[发明专利]基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构

说明书

本发明提供一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，其包括十字形单元、丁字形单元和绳索驱动组件。第一丁字形单元中的第四连接杆和机架固连，第一丁字形单元中的第三安装孔和十字形单元中的第二安装孔连接，十字形单元中的第一安装孔和第二丁字形单元中的第三安装孔连接。第一绳索的第二端依次穿过第一丁字形单元的第三穿线孔和十字形单元的第一穿线孔与第二丁字形单元的第三穿线孔固连，第二绳索的第二端依次穿过第一丁字形单元的第四穿线孔和十字形单元的第二穿线孔与第二丁字形单元的第四穿线孔固连。本发明利用非圆齿轮非线性的控制，减小了电机的使用数目，同时降低了传统仿生机构因闭环控制所带来的复杂性与难操作性。

技术领域

本发明涉及仿生机构领域，特别涉及一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构。

背景技术

仿生机构是由刚性构件、柔性构件、仿生构件以及动力元件等人为的组合而成的机械系统。通过运动副或仿生关节的联接，系统的各部之间能保持足够确定的相对运动，在控制系统的指挥下，可于某种程度上模拟设计者所期望的某特定生物的运动功能。近年来，仿生机器人应用范围不断增大，对仿生机器人的研究也越来越多，无论是在陆地使用的四足机器人、柔性机械臂，还是在水下使用的仿生机器鱼，其中的仿生脊柱关节都是不可或缺的一部分。

目前，较为常用的仿生机构可分为内置式驱动与外置式驱动。内置式驱动又可大致分为以下三种情况：气动人工肌肉、化学材料驱动和形状记忆合金。外置式驱动可将机器本体与驱动装置分离，使两者相互独立，通过中间机构如绳、钢丝进行桥接，利用电机驱动绳索的伸长和缩短进而控制脊柱机构的运动。相对于内置式驱动，这样的结构布局解放了关节，大大降低了关节的重量，避免了结构臃肿，这种轻量化的机构更容易保证运行的安全性。

然而针对外置式驱动，现有技术中采用多个电机相互串联的机构、仿生机器鱼结构，通过这些电机的协调运动来控制关节的运动，但每个关节都需要一个独立的驱动器，其驱动机构以及控制难度随关节数目的增加而更加复杂化，同时，这类设计中各关节的摩擦也消耗了大量的能量。例如，在基于绳驱动机械臂的研究与设计一文中，机械臂具有六个旋转关节，除末端关节外的五个关节均为绳驱动关节，五个关节分别由五个电机独立驱动，大量电机的使用极大的增大了系统的制造成本，同时使得该结构重量增大、体积增大。例如，文献中提出的绳驱动机械臂转动关节的结构，相互球铰的两个球铰单元在转动过程中存在着极大的摩擦力，且因球面的滑动，当球铰单元增多时，关节无法在竖直位置上保持垂直，可能会产生滑动偏移。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于非圆齿轮控制的单自由度仿生机构，主要在旋转动力源和仿生机构主体单元之间添加绳索驱动组件，减少了电机和传感器的使用数量，不仅使得仿生机构的重量和体积减小，而且使得仿生机构的控制系统更加简单，操作更加简洁。