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本發(fā)明公開了一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)(1)、機(jī)架(2)、電機(jī)齒輪(3)、第一齒輪(4)、第二齒輪(4’)、十字形交叉軸(5)、第一角位移傳感器(6)、第二角位移傳感器(6’)、第一磁流變體阻尼器(7)、第二磁流變體阻尼器(7’)和執(zhí)行部件(8)構(gòu)成。  利用本發(fā)明，通過對(duì)兩個(gè)軸端可控磁流變體阻尼器輸出阻尼力矩的控制，實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的控制。   
    1、一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)(1)、機(jī)架(2)、電機(jī)齒輪(3)、第一齒輪(4)、第二齒輪(4，)、十字形交叉軸(5)、第一角位移傳感器(6)、第二角位移傳感器(6’)、第一磁流變體阻尼器(7)、第二磁流變體阻尼器(7’)和執(zhí)行部件(8)構(gòu)成；其中，機(jī)架(2)與執(zhí)行部件(8)通過十字形交叉軸(5)相聯(lián)接，機(jī)架(2)與該十字形交叉軸(5)的第一條軸通過軸承相聯(lián)接，執(zhí)行部件(8)與該十字形交叉軸(5)的第二條軸通過軸承相聯(lián)接；電機(jī)(1)固定安裝于機(jī)架(2)上，電機(jī)齒輪(3)與電機(jī)(1)的輸出轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接，電機(jī)齒輪(3)所在平面平行于所述十字形交叉軸(5)的第一條軸，電機(jī)齒輪(3)的軸線延長(zhǎng)線通過十字形交叉軸(5)的中心點(diǎn)；第一齒輪(4)與所述十字形交叉軸(5)的第一條軸以軸承相聯(lián)接，第二齒輪(4’)與所述執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，使電機(jī)齒輪(3)與第一齒輪(4)相嚙合，且第一齒輪(4)與第二齒輪(4’)相嚙合；所述十字形交叉軸(5)的第一條軸的兩端分別安裝有第一角位移傳感器(6)和第一磁流變體阻尼器(7)，所述十字形交叉軸(5)的第二條軸的兩端分別安裝有第二角位移傳感器(6’)和第二磁流變體阻尼器(7’)。
    2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一齒輪(4)與十字形交叉軸(5)以軸承方式相聯(lián)接，該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的輸出運(yùn)動(dòng)并不同于第一齒輪(4)繞十字形交叉軸(5)第一條軸的運(yùn)動(dòng)。
    3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二齒輪(4’)與執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的輸出運(yùn)動(dòng)相同于第二齒輪(4’)繞十字形交叉軸第二條軸的運(yùn)動(dòng)。
    4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特    征在于，所述第一角位移傳感器(6)用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的轉(zhuǎn)角，所述第二角位移傳感器(6’)用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的轉(zhuǎn)角，角位移傳感器(6)和(6’)用于對(duì)兩自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的反饋控制。
    5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一磁流變阻尼器固定聯(lián)接于所述機(jī)架(2)上，所述第二磁流變阻尼器固定聯(lián)接于執(zhí)行部件(8)上，通過對(duì)兩個(gè)軸端阻尼器輸出阻尼的控制，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度的可控驅(qū)動(dòng)。
    6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述執(zhí)行部件(8)繞所述十字形交叉軸(5)的兩條軸所在直線的運(yùn)動(dòng)是這樣形成的：執(zhí)行部件(8)、第二齒輪(4’)以及十字形交叉軸(5)整體繞第一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行部件(8)和第二齒輪(4’)繞第二軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。    單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于仿生機(jī)器人的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。
    背景技術(shù)兩自由度關(guān)節(jié)指具有兩個(gè)軸線垂直相交自由度的關(guān)節(jié)，這種關(guān)節(jié)的原型在人體和動(dòng)物體上普遍存在，研制兩自由度關(guān)節(jié)對(duì)各種仿生機(jī)器人具有一定的意義。
    在自然界，具有2至3個(gè)軸線垂直相交自由度的關(guān)節(jié)在各種動(dòng)物體上極為常見，比如人體和其他行走類動(dòng)物的頸關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、指根關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)，螃蟹和其他爬行類動(dòng)物的腿根關(guān)節(jié)等。因此，對(duì)于各種仿生機(jī)器人，如何制作具有軸線相交自由度的關(guān)節(jié)是需要解決的問題之一。
    一般情況下，2至3自由度關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)都是采用的全驅(qū)動(dòng)方式，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)與關(guān)節(jié)的自由度數(shù)是相等的，這樣常常會(huì)給電機(jī)的布置帶來(lái)麻煩。如果能實(shí)現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)，可以一定程度上方便機(jī)器人的設(shè)計(jì)。
    發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的控制。
    (二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)1、機(jī)架2、電機(jī)齒輪3、第一齒輪4、第二齒輪4’、    十字形交叉軸5、第一角位移傳感器6、第二角位移傳感器6’、第一磁流變體阻尼器7、第二磁流變體阻尼器7’和執(zhí)行部件8構(gòu)成；其中，機(jī)架(2)與執(zhí)行部件(8)通過十字形交叉軸(5)相聯(lián)接，機(jī)架(2)與該十字形交叉軸(5)的第一條軸通過軸承相聯(lián)接，執(zhí)行部件(8)與該十字形交叉軸(5)的第二條軸也通過軸承相聯(lián)接；電機(jī)(1)固定安裝于機(jī)架(2)上，電機(jī)齒輪(3)與電機(jī)(1)的輸出轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接，該電機(jī)齒輪(3)所在平面平行于所述十字形交叉軸(5)的第一條軸，電機(jī)齒輪(3)的軸線延長(zhǎng)線通過十字形交叉軸(5)的中心點(diǎn)；第一齒輪(4)與所述十字形交叉軸(5)的第一條軸以軸承相聯(lián)接，第二齒輪(4’)與所述執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，使電機(jī)齒輪(3)與第一齒輪(4)相嚙合，且第一齒輪(4)與第二齒輪(4’)相嚙合；所述十字形交叉軸(5)的第一條軸的兩端分別安裝有第一角位移傳感器(6)和第一磁流變體阻尼器(7)，所述十字形交叉軸(5)的第二條軸的兩端分別安裝有第二角位移傳感器(6’)和第二磁流變體阻尼器(7’)。
    優(yōu)選地，所述第一齒輪(4)與十字形交叉軸(5)以軸承方式相聯(lián)接，該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的輸出運(yùn)動(dòng)并不同于第一齒輪(4)繞十字形交叉軸(5)第一條軸的運(yùn)動(dòng)。
    優(yōu)選地，所述第二齒輪(4’)與執(zhí)行部件(8)為固定聯(lián)接，該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的輸出運(yùn)動(dòng)相同于第二齒輪(4’)繞十字形交叉軸第二條軸的運(yùn)動(dòng)。
    優(yōu)選地，所述第一角位移傳感器(6)用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的轉(zhuǎn)角，所述第二角位移傳感器(6’)用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的轉(zhuǎn)角，角位移傳感器(6)和(6’)用于對(duì)兩自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的反饋控制。
    優(yōu)選地，所述第一磁流變阻尼器固定聯(lián)接于所述機(jī)架2上，所述第二磁流變阻尼器固定聯(lián)接于執(zhí)行部件8上，通過對(duì)兩個(gè)軸端阻尼器輸出阻尼的控制，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度的可控驅(qū)動(dòng)。
    優(yōu)選地，所述執(zhí)行部件8繞所述十字形交叉軸5的兩條軸所在直    線的運(yùn)動(dòng)是這樣形成的：執(zhí)行部件8、第二齒輪4’以及十字形交叉軸5整體繞第一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行部件8和第二齒輪4’繞第二軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
    (三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：
    1、本發(fā)明提供的這種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)兩個(gè)軸端磁流變阻尼器輸出阻尼力矩的控制，實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的控制。
    2、本發(fā)明提供的這種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，由1個(gè)電機(jī)通過錐齒輪系驅(qū)動(dòng)2個(gè)自由度，關(guān)節(jié)的輸入驅(qū)動(dòng)少于自由度數(shù)目，屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以一定程度上提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率。
    附圖說明圖1為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)的原理圖；圖3為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)四種等效工作狀態(tài)的示意圖；圖1和圖2中，1為電機(jī)，2為機(jī)架，3為電機(jī)齒輪，4為第一齒輪，4‘為第二齒輪，5為十字形交叉軸，6為第一角位移傳感器，6’為第二角位移傳感器，7為第一磁流變體阻尼器，7’為第二磁流變體阻尼器，8為執(zhí)行部件。
    具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
    如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)由電機(jī)1、機(jī)架2、電機(jī)齒輪3、第一齒輪4、第二齒輪4’、十字形交叉軸5、第一角位移傳感器6、第二角位移傳感器6’、第一磁流變體阻尼器7、第二磁流變體阻尼器7’和執(zhí)行部件8構(gòu)成。
    其中，機(jī)架2與執(zhí)行部件8通過十字形交叉軸5相聯(lián)接，機(jī)架2    與該十字形交叉軸5的第一條軸通過軸承相聯(lián)接，執(zhí)行部件8與該十字形交叉軸5的第二條軸也通過軸承相聯(lián)接；電機(jī)1固定安裝于機(jī)架2上，電機(jī)齒輪3與電機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接，該電機(jī)齒輪3所在平面平行于所述十字形交叉軸5的第一條軸，電機(jī)齒輪3的軸線延長(zhǎng)線通過十字形交叉軸5的中心點(diǎn)；第一齒輪4與所述十字形交叉軸5的第一條軸以軸承相聯(lián)接，第二齒輪4’與所述執(zhí)行部件8為固定聯(lián)接，使電機(jī)齒輪3與第一齒輪4相嚙合，且第一齒輪4與第二齒輪4’相嚙合；所述十字形交叉軸5的第一條軸的兩端分別安裝有第一角位移傳感器6和第一磁流變體阻尼器7，所述十字形交叉軸5的第二條軸的兩端分別安裝有第二角位移傳感器6’和第二磁流變體阻尼器7’。
    所述第一齒輪4與十字形交叉軸5以軸承方式相聯(lián)接，故該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的輸出運(yùn)動(dòng)并不同于第一齒輪4繞十字形交叉軸5第一條軸的運(yùn)動(dòng)。
    所述第二齒輪4’與執(zhí)行部件8為固定聯(lián)接，故該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的輸出運(yùn)動(dòng)相同于第二齒輪4’繞十字形交叉軸第二條軸的運(yùn)動(dòng)。
    所述第一角位移傳感器6用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第一軸線的轉(zhuǎn)角，所述第二角位移傳感器6’用于反映該兩自由度關(guān)節(jié)繞第二軸線的轉(zhuǎn)角，角位移傳感器6和6’用于對(duì)兩自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的反饋控制。
    所述第一磁流變阻尼器固定聯(lián)接于所述機(jī)架2上，所述第二磁流變阻尼器固定聯(lián)接于執(zhí)行部件8上，通過對(duì)兩個(gè)軸端阻尼器輸出阻尼的控制，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度的可控驅(qū)動(dòng)。
    所述執(zhí)行部件8繞所述十字形交叉軸5的兩條軸所在直線的運(yùn)動(dòng)是這樣形成的：執(zhí)行部件8、第二齒輪4’以及十字形交叉軸5整體繞第一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行部件8和第二齒輪4’繞第二軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
    單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)的原理設(shè)計(jì)如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)的原理圖。機(jī)架與執(zhí)行部件通過十字形交叉軸相聯(lián)接。十字形交叉軸的兩個(gè)垂直相交軸分別為第一條    軸、第二條軸，第一條軸、第二條軸分別以軸承安裝在機(jī)架和執(zhí)行部件上。電機(jī)固定安裝于機(jī)架上，第一齒輪則以軸承與第一條軸相聯(lián)接，電機(jī)齒輪與第一齒輪有傳動(dòng)配合，假設(shè)傳動(dòng)比為fln。第二齒輪與執(zhí)行部件為一體，第一齒輪、第二齒輪之間具有傳動(dòng)配合，假設(shè)傳動(dòng)比為k。
    第一條軸、第二條軸各有兩個(gè)軸端，分別安裝有角位移傳感器和磁流變體阻尼器：第一角位移傳感器反映整個(gè)十字形交叉軸繞第一條軸的轉(zhuǎn)角，第二角位移傳感器反映執(zhí)行部件繞第二條軸的轉(zhuǎn)角；第一阻尼器和第二阻尼器分別固聯(lián)在機(jī)架和執(zhí)行部件上。通過對(duì)兩個(gè)軸端阻尼器輸出阻尼的控制，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)對(duì)兩個(gè)自由度的可控驅(qū)動(dòng)。這樣，執(zhí)行部件繞第一條軸、第二條軸的運(yùn)動(dòng)是這樣形成的：執(zhí)行部件與第二齒輪及十字形交叉軸整體繞第一條軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，執(zhí)行部件與第二齒輪繞第二條軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
    單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)從原理上可以等效為如圖3所示行星輪系，圖3為本發(fā)明提供的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)四種等效工作狀態(tài)的示意圖。電機(jī)齒輪等效于齒輪a，與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)幅；第一齒輪等效于齒輪b，與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)幅；第二齒輪及與其固定聯(lián)接的執(zhí)行部件等效于齒輪c；十字交叉軸等效于系桿，兩端分別與齒輪b、c構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)幅。等效機(jī)構(gòu)的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)分別從系桿和齒輪c輸出。
    如圖3(I)，當(dāng)原關(guān)節(jié)的兩個(gè)阻尼器均完全放松時(shí)，相當(dāng)于系桿和齒輪c均可以運(yùn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系不確定。
    如圖3(II)，當(dāng)?shù)谝蛔枘崞鞣潘桑�第二阻尼器制�?dòng)時(shí)，相當(dāng)于將系桿與齒輪固定聯(lián)接起來(lái)。
    如圖3(III)，當(dāng)?shù)诙�阻尼器放松，第一阻尼器制�?dòng)時(shí)，相當(dāng)齒輪c與機(jī)架構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)幅。
    如圖3(IV)，當(dāng)?shù)谝蛔枘崞骱?均制動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)將被鎖死而不能    說明書第6／6頁(yè)運(yùn)動(dòng)。
    可見在兩個(gè)阻尼器中的其中一個(gè)完全制動(dòng)的情況下，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輸出可以是確定的，由某一個(gè)自由度獨(dú)立輸出運(yùn)動(dòng)。如果對(duì)兩個(gè)阻尼器同時(shí)進(jìn)行阻尼力矩控制，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，保證關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角在任意方向運(yùn)動(dòng)的連續(xù)。
    以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。