[发明专利]机器人的联接装置

说明书

本发明涉及机器人肢体的联接装置，尤其涉及由刚性的可电致动的材料组成的致动器联接的机器人的铰接头。

涉及质量和速度的工程问题通常由提供更多的能源来解决，由于这一结果。从而常常带来了相对低效的动力转换。在太空探测领域，大量之研究表明有必要用多种设计的高效机器人作为人进行探测之先驱。通常，机器人之重量和成本低于载人航天飞行器，并且不需要完善的生活保障系统。

压电致动器是属于正在研究的将储存的电能转换为航天飞行器的原动力的装置之一。由于压电致动器效率高，靠直流电工作，而不需要润滑和冷却，故其具有用于遥远和险恶环境的优点。压电致动器和产生压电的“平稳步进”电驱动系统的详细说明叙述于待审定的中国专利申请中，该申请之申请号分别为89105612.2和90106979.5，申请日分别为1989年8月16和1990年8月15。二者在此作为参考。

在一些机器人的铰接头中，长期存在的问题是称为“界差（slop）”的效应。该界差包括象齿轮齿隙游移，轴承间隙游移，弹性弯曲和机械柔量现象。它们综合地导致了机器人的肢体不能按所需的准确性和稳定性伸到某一位量。在太空应用中，需要由大到微小尺寸的具有最少“界差”的机器人的铰接头。由于小型元件的表面积与体积之比率大大增加，从而导致了严重的磁通漏泄，因而限制了机器人的电磁致动器应为相对较大的装置。另外，电磁致动器维护恒力时，其以电流之形式不断地消耗能量。

与磁致动器相反，压电致动器适于小型应用。随着元件尺寸减小，由于压电层厚度和不导电边缘面积也正比地减小，故电场通量之泄漏没有很大的增加。由于表面积对结构强度的重要性，压电致动器的相对结构强度随着尺寸减小而增加。小型元件允许相对较高的应力值，这改善了某种特性。另外，一旦适当的电荷储存在压电材料中，压电致动器就可施加一不变之力。只要电荷存在，就不需要另外输入电荷来维持施加的力。

可步行之机器人的最佳结构之一包括六条腿，每个腿有两个铰接头。有效之步行是数百万年进化之结果，例如如无数种六腿昆虫样。昆虫步行之最常见方式是交替地使用三角腿。只要重心保持在二对三角腿的三角形中，这种形式之步行就又快又稳。有时，一条腿可以用于量度障碍物之高度。这时，前腿向上爬，而后面二腿可以提供支承和稳定性。这种运动比仅在平面上移动需要更大的腿的运动的角自由度。

在太空探测的自动飞行器领域中，需要由微小尺寸到很大尺寸的机器人步行系统。该系统还必须包括能有效地，可靠地，没有界差地致动的活动铰接头。

根据本发明的一方面特征，其提供了一种机器人之连接装置，它包括一个连接在机器人体上的联接器的壳体，一个由装在壳体中的刚性可电致动之材料组成的致动器，和一个可联接的机器人肢体。该肢体一端伸入到上述壳体中，并由致动器配接。

根据本发明之另一方向特征，其提供了一种用于联接的压电致动器的机器人的铰接头，其包括一个联接在机器人体上的致动器壳体;至少有两对压电致动器相对地安装在上述壳体中。每个致动器包括一个提升件，一个切向件和一个推进表面，并且联接的机器人肢体具有一个与压电致动器的推进表面配接的端部，相对布置的致动器在肢体的端部提供了一种虎钳式夹紧装置，并且成对的致动器为肢体的联接装置提供了平稳的步进运动。

本发明是一种带有刚性的电致动材料组成的致动器的机械式机器人的铰接头。致动器例如可以包括压电材料，并且可以用于铰接头的各种实施例中以转动圆筒形或球形联接装置或使杆件平移。

机器人的铰接头处的压电致动器给机器人肢体提供了原动力和支承。压电的平稳步进装置包括成对的致动器在这样的方式下进行交替的推进和返回，即在致动器循环的推进过程中致动器的推进表面速度与机器人肢体的速度相匹配。利用压电致动器可以消除推进循环中的滑动摩擦，从而产生忽略不计的摩擦热，最终得到相对高的机械效率。平稳步进致动器也能够方便地提供平稳的加速，并在激励停止后可方便地回到电的或电械的零状态，并且加长了承受所需载荷的推进表面的寿命。

相对的成对致动器产生的平稳步进最好在机器人的肢体上一直保留虎钳式的夹紧，致动器的整个推进表面可以无间隙地与机器人的肢体接触，而不需要传统的滚动或滑动轴承。零的间隙和充分的接触面积可以保证有相当大的机械刚性，从而使机器人肢体十分准确地定位，而没有四肢的机械振动。由于肢体具有足够的刚性，从而界差可以基本上从铰接头中消除。