一種用於半被動雙足機器人的柔性驅動髖關節的製作方法

2023-11-10 01:46:07

本發明屬於機器人技術領域，具體涉及一種用於半被動雙足機器人的柔性驅動髖關節。

背景技術：

由於雙足步行機器人行走方式更加接近人類，能夠快速適應人類生存環境(如生活中的樓梯等)，從而更好地服務人類。因此，有關雙足步行機器人的研究工作在世界範圍內得到廣泛開展。

近年來，隨著被動行走原理的提出，越來越多的學者開始著手開發基於該原理的半被動雙足機器人，此類機器人具有節能、行走自然、結構簡單等特性。世界範圍內，美國康奈爾大學(Cornell University)、麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)、荷蘭戴爾福特理工大學(Delft University of Technology)等研究機構紛紛開發出系列半被動雙足機器人，它們都可以實現較為理想的行走。

但分析發現，現有的半被動雙足機器人所使用的角平分線機構(減少整機的自由度，以降低控制的難度，同時保證軀幹時刻保持在下肢的角平分線上)普遍存在結構過於複雜，工作可靠性較差的問題，而且現有的欠驅動雙足機器人較多採用剛性驅動(如在關節處利用電機直接驅動)，這使得機器人在運動中難以保證傳動及運動的柔順性，無法有效應對較大剛性衝擊，進而嚴重影響行走的穩定性，同時，剛性驅動還會抑制關節的自然力學特性，從而影響到機器人的行走自然性。由於剛性驅動的種種缺陷，近年來，該領域的研究人員不斷嘗試利用人工肌肉(如氣動人工肌肉)的柔性驅動方式對欠驅動雙足機器人進行驅動，但這種柔性驅動的方式不但體積大、重量高，且驅動效率低，而利用高效率的電機結合彈簧的柔性驅動方可能是一種較好的柔性驅動方式。

綜觀上述半被動雙足機器人的研究現狀，急需一種集成結構簡單、可靠性佳的角平分線機構與高效、輕巧柔性驅動於一體的用於半被動雙足機器人的柔性驅動髖關節。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有半被動雙足步行機普遍存在的角平分線機構複雜、髖關節驅動不完善的問題，而提供一種用於半被動雙足機器人的柔性驅動髖關節，該柔性驅動髖關節具有角平分線機構簡潔、柔性驅動機構緊湊，可使行走更加自然的特點。

本發明包括角平分線機構和髖關節柔性驅動機構；

所述的角平分線機構包含第一連接件、第一連杆、第二連杆、套筒、第三連杆、第二連接件等。其中，髖部支架通過定位銷固定在軸的中部，第四銷軸以螺紋連接的方式固定在髖部支架上部，第二連杆中部與第四銷軸鉸接，構成轉動副。一對連杆連接件鉸接在第一連杆的兩端構成轉動副。第一銷軸與第一連接件固連，對稱布置的第一連杆與第一連接件鉸接。套筒的上端與第一連杆以螺紋連接的方式固連，套筒的下端與第三連杆的上端構成轉動副，第三連杆通過第二銷軸與第二連接件鉸接，對稱分布的第三銷軸以螺紋連接的方式固定在腿部連接件上，第三銷軸與第二連接件構成轉動副；角平分線機構可以實現兩側腿部連接件運動的耦合，在不增加多餘自由度的情況下，使髖部支架時刻保持在兩側腿部連接件運動的角平分線上。

所述的髖關節柔性驅動機構左右對稱分布，髖關節柔性驅動機構包括右側第一柔性驅動構件、左側第一柔性驅動構件、第二柔性驅動構件、右側舵機、左側舵機，右側舵機、左側舵機分別通過兩對內六角螺釘對稱布置在髖部支架的兩側，右側舵機通過右側第一齒輪及右側第二齒輪將動力傳遞給右側第一柔性驅動構件，左側舵機通過左側第一齒輪及左側第二齒輪將動力傳遞給左側第一柔性驅動構件；第一柔性驅動構件和第一柔性驅動構件分別通過均勻布置在內側的四個第一拉簧固定件牽引拉簧帶動固連在第二柔性驅動構件上的四個第二拉簧固定件，從而實現右側舵機、左側舵機分別對腿部連接件的柔性驅動，腿部連接件與第二柔性驅動構件固連，右側第一柔性驅動構件、左側第一柔性驅動構件分別通過一對第一軸承與軸構成轉動副，對稱分布的第二柔性驅動構件通過一對第二軸承與軸構成轉動副，軸套、軸承固定螺母用來確定第一軸承與第二軸承的相對位置。

本發明的工作過程和原理：

在具體的工作過程中，右側舵機與左側舵機的轉動總保持大小相等、方向相反的狀態，結合角平分線機構的使用，可以很好地模擬雙足行走的步態，由於右側舵機與左側舵機的驅動是由拉簧進行傳遞的，故不存在剛性驅動所帶來的慣性衝擊等問題，帶給系統穩定性的同時，還可以更好地對生物的雙足行走運動進行模擬，體現髖關節的自然力學特性使行走步態更加自然。該部分在模擬生物肌肉驅動的同時，將拉簧集成在右側第一柔性驅動構件及左側第一柔性驅動構件這樣的圓形結構中，使整體機構簡單、緊湊，避免了直線型柔性驅動體積佔用過大的問題。

本發明的有益效果：

1、本發明創新性地設計了廣泛應用在欠驅動雙足機器人上的角平分線機構，本設計為連杆機構，結構簡單緊湊，連接均為鉸連接，工作穩定可靠。

2、本發明採用柔性驅動的方式，避免了剛性驅動帶來的剛性衝擊大、行走不自然等問題，同時本發明的柔性驅動整體集成在一個圓形結構中，易於與傳統的旋轉驅動器(如舵機)相結合，結構緊湊、合理。

附圖說明

圖1為本發明的立體示意圖。

圖2為本發明的主視圖。

圖3為圖2的局部剖視圖。

圖4為圖2的左視圖。

其中：1-髖部支架；2-第一銷軸；3-第一連接件；4-第一連杆；5-第二連杆；6-套筒；7-第三連杆；8-第二銷軸；9-第二連接件；10-第三銷軸；11-第四銷軸；12-定位銷；13-腿部連接件；14-內六角螺釘；1501-右側舵機；1502-左側舵機；1601-右側第一齒輪；1602-左側第一齒輪；1701-右側第二齒輪；1702-左側第二齒輪；1801-右側第一柔性驅動構件；1802-左側第一柔性驅動構件；19-軸；20-第二柔性驅動構件；21-第一軸承；22-軸套；23-軸承固定螺母；24-第二軸承；25-第一拉簧固定件；26-拉簧；27-第二拉簧固定件。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3及圖4所示，本實施例包括角平分線機構、髖關節柔性驅動機構；

所述的角平分線機構包含第一連接件3、第一連杆4、第二連杆5、套筒6、第三連杆7、第二連接件9，髖部支架1通過定位銷12固定在軸19的中部，第四銷軸11以螺紋連接的方式固定在髖部支架1上部，第二連杆5中部與第四銷軸11鉸接構成轉動副；一對連杆連接件3鉸接在第一連杆4的兩端構成轉動副；第一銷軸2與第一連接件3固連，對稱布置的第一連杆4與第一連接件3鉸接；套筒6的上端與第一連杆4以螺紋連接的方式固連，套筒6的下端與第三連杆7的上端構成轉動副，第三連杆7通過第二銷軸8與第二連接件9鉸接，對稱分布的第三銷軸10以螺紋連接的方式固定在腿部連接件13上，第三銷軸10與第二連接件9構成轉動副；角平分線機構能實現兩側腿部連接件13運動的耦合，在不增加多餘自由度的情況下，使髖部支架1時刻保持在兩側腿部連接件13運動的角平分線上。

所述的髖關節柔性驅動機構左右對稱分布，髖關節柔性驅動機構包括右側第一柔性驅動構件1801、左側第一柔性驅動構件1802、第二柔性驅動構件20、右側舵機1501和左側舵機1502，右側舵機1501和左側舵機1502分別通過兩對內六角螺釘14對稱布置在髖部支架1的兩側，右側舵機1501通過右側第一齒輪1601及右側第二齒輪1701將動力傳遞給右側第一柔性驅動構件1801，左側舵機1502通過左側第一齒輪1602及左側第二齒輪1702將動力傳遞給左側第一柔性驅動構件1802；第一柔性驅動構件1801和第一柔性驅動構件1802分別通過均勻布置在內側的四個第一拉簧固定件25牽引拉簧26帶動固連在第二柔性驅動構件20上的四個第二拉簧固定件27，從而實現右側舵機1501、左側舵機1502分別對腿部連接件13的柔性驅動；腿部連接件13與第二柔性驅動構件20固連，右側第一柔性驅動構件1801、左側第一柔性驅動構件1802分別通過一對第一軸承21與軸19構成轉動副，對稱分布的第二柔性驅動構件20通過一對第二軸承24與軸19構成轉動副，軸套22和軸承固定螺母23用來確定第一軸承21與第二軸承24的相對位置；右側舵機1501和左側舵機1502為相同舵機，右側第一齒輪1601和左側第一齒輪1602為相同齒輪，右側第二齒輪1701和左側第二齒輪1702為相同齒輪，第一柔性驅動構件1801和第一柔性驅動構件1802為結構相同構件。

在具體的工作過程中，右側舵機1501與左側舵機1502的轉動總保持大小相等、方向相反的狀態，結合角平分線機構的使用，可以很好地模擬雙足行走的步態，由於右側舵機1501與左側舵機1502的驅動是由拉簧26進行傳遞的，故不存在剛性驅動所帶來的慣性衝擊等問題，帶給系統穩定性的同時，還可以更好地對生物的雙足行走運動進行模擬，體現髖關節的自然力學特性使行走步態更加自然。該部分在模擬生物肌肉驅動的同時，將拉簧26集成在右側第一柔性驅動構件1801及左側第一柔性驅動構件1802這樣的圓形結構中，使整體機構簡單、緊湊，避免了直線型柔性驅動體積佔用過大的問題。