一種液壓驅動柔性機器人關節的製作方法

2024-03-02 11:00:15

本發明屬於仿生機器人領域，更具體地，涉及一種液壓驅動柔性機器人關節。

背景技術：

隨著機器人技術的發展，機器人的種類也越來越多，應用範圍越來越廣，目前的機器人主要有雙足、四足、多足等形式，但無論何種機器人，其設計中一個不可避免的問題是關節部分的設計與製造。關節部分的設計，直接關係到整個機器人的動態性能、行走效率，因此關節仿生驅動技術已成為機器人領域中的一個重要研究方向。在關節伺服驅動器方面，過去的機器人更多的使用電機作為動力來源，但是減速器在提高電機驅動器力和能量密度的同時，增加了電機的輸出阻抗，同時增大了電機動力學建模的複雜性與非線性，使得電機驅動器進行精確力控制比較困難，也使得整個系統的重量過大，不利於機器人行走。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種液壓驅動柔性機器人關節，該關節具備精確力輸出、仿生設計、整體重量輕等特點，可以滿足機器人設計的需要。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種液壓驅動柔性機器人關節，其特徵在於，包括大腿結構、大小腿連接架和小腿結構，其中，

所述大腿結構包括大腿主體架、缸座、液壓缸、移動架、導向軸和壓縮彈簧，所述缸座通過第一鉸軸鉸接在所述大腿主體架上，所述液壓缸放置在所述缸座上並且其輸出軸上安裝所述移動架，所述移動架穿裝在所述導向軸上並且兩者之間設置有直線軸承，所述導向軸與所述液壓缸的輸出軸平行，所述壓縮彈簧穿裝在所述導向軸上並且位於所述移動架內，而且所述移動架能在移動時擠壓所述壓縮彈簧，所述導向軸上固定安裝有軸環，所述壓縮彈簧靠近小腿結構的一端抵靠在所述軸環上；

所述小腿結構包括小腿主體架、導向軌和滑動塊，所述小腿主體架通過第二鉸軸鉸接在所述大腿主體架上，所述導向軌安裝在所述小腿主體架上，所述滑動塊安裝在所述導向軌上；

所述大小腿連接架的一端通過第三鉸軸鉸接在所述大腿主體架上並且另一端通過第四鉸軸鉸接在所述滑塊上，此外，所述大小腿連接架通過第五鉸軸鉸接在所述導向軸遠離液壓缸的一端；

所述第一鉸軸、第二鉸軸、第三鉸軸、第四鉸軸和第五鉸軸相互平行，並且所述第一鉸軸與所述導向軸垂直。

優選地，所述移動架上設置有與所述導向軸平行的直線導軌，所述缸座上設置有導軌滑塊並且所述導軌滑塊安裝在所述直線導軌上，以用於對所述移動架的移動進行導向。

優選地，所述軸環與所述移動架之間設置有聚氨酯減震塊，所述聚氨酯減震塊穿裝在所述導向軸上。

優選地，所述導向軌為一根圓杆，所述滑塊內設置有直線軸承，所述圓杆穿過所述直線軸承。

優選地，所述移動架包括並排設置的兩塊側板及連接兩塊側板的連接支架，兩塊側板分別對應設置在所述壓縮彈簧的兩端，以用於擠壓所述壓縮彈簧，其中的一塊側板與所述液壓缸的輸出軸連接。

優選地，所述液壓缸的輸出軸與所述移動架之間設置有拉壓力傳感器。

優選地，所述大腿主體架上設置有直線位移傳感器，所述直線位移傳感器包括外殼及伸入所述外殼內的移動杆，所述外殼固定安裝在所述大腿主體架上，所述移動杆固定安裝在所述移動架上。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

本發明在在液壓缸與負載(本發明的小腿結構)之間安裝了彈性結構，可以同時承受液壓缸的驅動力與負載的反作用力，在液壓缸驅動小腿結構伸展或收縮時增加本機器人關節的柔性，從而降低本機器人關節驅動時的能耗，起到保護和緩衝的作用，使得機器人關節具備一定的仿生能力，能夠適應負載的變化，而且其具備仿生特性——柔性、力臂特性，滿足機器人的運動需要，可以有效地降低整體重量實現輕量化，提高運動效率。

附圖說明

圖1是本發明伸展時的軸測圖；

圖2是本發明伸展時撤去大腿主體架和小腿主體架等零件後的軸測圖；

圖3是本發明簡化為連杆滑塊機構的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

參照圖1～圖3，一種液壓驅動柔性機器人關節，包括大腿結構1、大小腿連接架2和小腿結構3，其中，

所述大腿結構1包括大腿主體架11、缸座12、液壓缸13、移動架14、導向軸15和壓縮彈簧16，所述缸座12通過第一鉸軸41鉸接在所述大腿主體架11上，所述液壓缸13放置在所述缸座12上並且其輸出軸上安裝所述移動架14，所述移動架14穿裝在所述導向軸15上並且兩者之間設置有直線軸承，所述導向軸15與所述液壓缸13的輸出軸平行，所述壓縮彈簧16穿裝在所述導向軸15上並且位於所述移動架14內，而且所述移動架14能在移動時擠壓所述壓縮彈簧16，所述導向軸15上固定安裝有軸環17，所述壓縮彈簧16靠近小腿結構3的一端抵靠在所述軸環17上；

所述小腿結構3包括小腿主體架31、導向軌32和滑動塊33，所述小腿主體架31通過第二鉸軸42鉸接在所述大腿主體架11上，所述導向軌32安裝在所述小腿主體架31上，所述滑動塊33安裝在所述導向軌32上；

所述大小腿連接架2的一端通過第三鉸軸43鉸接在所述大腿主體架11上並且另一端通過第四鉸軸44鉸接在所述滑塊上，此外，所述大小腿連接架2通過第五鉸軸45鉸接在所述導向軸15遠離液壓缸13的一端；

所述第一鉸軸41、第二鉸軸42、第三鉸軸43、第四鉸軸44和第五鉸軸45相互平行，並且所述第一鉸軸41與所述導向軸15垂直。

進一步，第三鉸軸43通過皮帶傳動機構連接有角度傳感器，角度傳感器安裝在所述大腿主體架11上，以用於獲取小腿主體架31相對於大腿主體架11轉動的角度。

進一步，所述移動架14上設置有與所述導向軸15平行的直線導軌18，所述缸座12上設置有導軌滑塊19並且所述導軌滑塊19安裝在所述直線導軌18上，以用於對所述移動架14的移動進行導向。

進一步，所述軸環17與所述移動架14之間設置有聚氨酯減震塊5，所述聚氨酯減震塊5穿裝在所述導向軸15上。

進一步，所述導向軌32為一根圓杆，所述滑塊內設置有直線軸承，所述圓杆穿過所述直線軸承。

進一步，所述移動架14包括並排設置的兩塊側板141及連接兩塊側板141的連接支架142，兩塊側板141分別對應設置在所述壓縮彈簧16的兩端，以用於擠壓所述壓縮彈簧16，其中的一塊側板141與所述液壓缸13的輸出軸連接。

進一步，所述液壓缸13的輸出軸與所述移動架14之間設置有拉壓力傳感器6。

進一步，所述大腿主體架11上設置有直線位移傳感器7，所述直線位移傳感器7包括外殼及伸入所述外殼內的移動杆，所述外殼固定安裝在所述大腿主體架11上，所述移動杆固定安裝在所述移動架14上並且其優選通過浮動接頭安裝在所述移動架14上。

進一步，所述導向軸15遠離所述小腿結構3的一端設置有限位塊，以用於限制所述移動架14的位移。

參照圖1、圖2，本發明考慮到人的關節在運動時，伸展和收縮運動起到了關鍵性出力和蓄能的作用，在一個方向上為液壓驅動單元提供了一個帶有壓縮彈簧16的串聯彈性系統，在另一方向則放置一個高負載用聚氨酯起到減震的作用，導向軸15中間使用軸環17將彈簧與聚氨酯分開。

當液壓缸13需要提供向左方向的輸出載荷時使關節伸展時，液壓缸13的輸出軸向左運動，此時移動架14開始移動並與軸環17配合擠壓壓縮彈簧16，而此時由於小腿結構3具有質量，壓縮彈簧16施加在軸環17上的彈力還不足以帶動導向軸15移動，導向軸15剛開始是相對大腿主體架11靜止的，然後液壓缸13的輸出軸慢慢伸出，壓縮彈簧16施加的彈力越來越大，最後足以帶動軸環17和導向軸15移動，此時各鉸接結構開始工作，使得小腿結構3能夠伸展。

當液壓缸13需要提供向右方向的輸出載荷時使關節收縮時，液壓缸13的輸出軸向右運動，則直接經由移動架14—聚氨酯減震塊5-軸環17傳遞力到導向軸15上，導向軸15帶動小腿結構3移動，正常情況下此過程中壓縮彈簧16是不被壓縮的,會隨著移動架14一起移動。但是如果小腿結構3在收縮時突然遇到外部衝擊(如踩在地面上時)而暫停移動了，則此時導向軸15也會暫停移動，但是液壓缸13的輸出軸還是在向右移動，此時設置的聚氨酯減震塊5可以發揮其減震作用，防止移動架14與軸環17的剛性碰撞，以防大面積衝撞造成的機械損傷。

參照圖3，譬如，設定oc＝64.194mm；od＝427.8978mm；bc＝114.042mm；cod＝24.3529mm；ce＝99.1831mm。圖中，de連杆代表柔性液壓驅動單元，ob連杆為輸出連杆。當其運動時，de長度發生變化，推動ce連杆發生轉動，同時b處滑塊也跟著發生相應轉動，推動ob連杆轉動。這種關節的等效力臂示意圖如圖所示，可以看到，其在0°，即完全收縮狀態時，等效力臂最短，約為19mm，其在120°時，等效力臂最長，約為127.1377mm，整體運動角度為135°，這種設計跟人的關節作用力與角度間關係類似，同時平均等效力臂約為90.6444mm，從而保證了關節的整體性能。其中鉸接點d為第一鉸軸41的位置，鉸接點o為第二鉸軸42的位置，鉸接點c為第三鉸軸43的位置，鉸接點b為第四鉸軸44的位置，鉸接點e為第五鉸軸45的位置。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。