CN101973037B - 可调刚度弹性的被动机器人关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调刚度弹性的被动机器人关节，包括弹簧卷筒，弹簧卷筒的内部装有关节刚度弹性调节装置，弹簧卷筒与大腿支撑座相连接，关节刚度弹性调节装置的伸出端通过小腿支撑板与小腿支撑座连接；关节刚度弹性调节装置包括平面非接触涡卷弹簧，平面非接触涡卷弹簧内端与弹簧卷轴连接，外端与弹簧卷筒连接，弹簧卷轴中间为空心，内有刚度调节电机，弹簧卷轴一端与刚度调节电机连接，平面非接触涡卷弹簧节距中间由支撑杆支撑，支撑杆通过传动装置与刚度调节减速器连接。支撑杆与传动装置有径向运动，能提高机器人的运动能效性，实现动态高速运动，性能好、结构紧凑、运行可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人关节，尤其涉及一种可调刚度弹性的被动机器人关节。
背景技术
受大自然中跳跃、步行动物行走方式的启发，推动了对被动动态步行机器人的研究。被动动态步行机器人是一种类似人类行走的腿式机器人，腿式机器人腿部有多个自由度，运动灵活、稳定性高，其运动轨迹是一系列的离散足迹，可以到达轮式和履带式机器人无法到达的地方。在研究被动动态步行机器人行走过程中，如果只是通过调整机器人本身的参数进行调节，是一个很棘手的问题，调整过程中不仅费时，还需要大量的实验。此外，被动动态步行机器人行走过程中必然会与地面发生碰撞，这一过程机器人脚质心速度的迅速变化会损失相当大的能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能提高腿式机器人的运动能效性、实现动态高速运动可调刚度弹性的被动机器人关节。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的可调刚度弹性的被动机器人关节，所述被动机器人关节分别与小腿支撑座和大腿支撑座相连接，所述被动机器人关节包括弹簧卷筒，所述弹簧卷筒的内部装有关节刚度弹性调节装置，所述弹簧卷筒与所述大腿支撑座相连接，所述关节刚度弹性调节装置的伸出端通过第二小腿支撑板与所述小腿支撑座连接；
所述关节刚度弹性调节装置包括平面非接触涡卷弹簧，所述平面非接触涡卷弹簧内端与弹簧卷轴连接，外端与弹簧卷筒连接，所述弹簧卷轴中间为空心，内有刚度调节电机，所述刚度调节电机包括刚度调节减速器、伺服电机和编码器，所述刚度调节减速器连接有主传动装置，所述弹簧卷轴一端与刚度调节电机连接，所述平面非接触涡卷弹簧节距中间由支撑杆支撑，所述支撑杆一端通过主传动装置与刚度调节减速器连接，另一端与副传动装置连接，所述支撑杆与所述主传动装置和副传动装置之间能够径向相对移动。
所述弹簧卷筒的一端部设有端面，另一端连接有卷筒端盖，所述弹簧卷筒的端面与大腿支撑座的一侧通过螺栓连接，与所述第二小腿支撑板通过轴承连接，所述卷筒端盖与所述大腿支撑座的另一侧通过螺栓相连接，与所述第一小腿支撑板通过轴承连接。
所述弹簧卷筒的壁上沿圆周方向设有多对通孔，所述平面非接触涡卷弹簧的外端与所述多对通孔中的任一对通孔连接。
所述平面非接触涡卷弹簧的内端与所述弹簧卷轴通过螺栓连接。
所述平面非接触涡卷弹簧节距中间的支撑杆由弹簧卷轴和凸轮支撑，所述凸轮与所述副传动装置通过轴承连接。
所述第一小腿支撑板和第二小腿支撑板与所述小腿支撑座通过螺栓连接，所述弹簧卷轴与轴承端盖通过螺栓连接，所述轴承端盖与所述第一小腿支撑板通过螺栓连接，所述小腿支撑座相对所述弹簧卷轴静止。
所述副传动装置和主传动装置的外缘分别设有薄圈。
所述支撑杆能够沿所述凸轮的面进行轴向运动。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的可调刚度弹性的被动机器人关节，由于被动机器人关节的弹簧卷筒的内部装有关节刚度弹性调节装置，关节刚度弹性调节装置包括平面非接触涡卷弹簧，平面非接触涡卷弹簧节距间的支撑杆与传动装置有径向运动，传动装置连接有刚度调节电机。能提高腿式机器人的运动能效性、实现动态高速运动。
附图说明
图1为本发明可调刚度弹性的被动机器人关节的结构示意图；
图2a为本发明中关节刚度弹性调节装置的结构示意图；
图2b为本发明中关节刚度弹性调节装置整体的结构示意图(隐藏弹簧卷筒和卷筒端盖)；
图3为本发明中弹性卷筒的结构示意图；
图4为本发明中弹簧卷筒与卷筒端盖合装(没有安装大、小腿支座和两个小腿支撑板)后的结构示意图；
图5a、5b为本发明中涡卷弹簧两侧传动装置的结构示意图；
图6a、图6b为本发明中凸轮与弹簧卷轴的结构示意图。
图中：1.大腿支撑座 2.卷筒端盖 3.弹簧卷筒 4.第一小腿支撑板 5.小腿支撑座 6.第二小腿支撑板连接小腿支撑座的螺栓 7.第二小腿支撑板 8.弹簧卷筒连接平面涡卷弹簧螺栓 9.轴承 10.传动装置(只显示出一小部分) 11.大腿支撑座连接平面涡卷弹簧的螺栓 12.副传动装置 13.轴承端盖 14.伺服电机(带编码器) 15.凸轮 16.弹簧卷轴(一端有一凸轮) 17.支撑杆 18.减速器(输出轴一小部分) 19.主传动装置 20.平面非接触涡卷弹簧。
具体实施方式
本发明的可调刚度弹性的被动机器人关节，其较佳的具体实施方式如图1、图2a、图2b所示，被动机器人关节分别与小腿支撑座5和大腿支撑座1相连接，被动机器人关节包括弹簧卷筒3，所述弹簧卷筒3的内部装有关节刚度弹性调节装置，所述弹簧卷筒3与所述大腿支撑座1相连接，所述关节刚度弹性调节装置的伸出端与所述小腿支撑板7连接，所述关节刚度弹性调节装置包括平面非接触涡卷弹簧20，所述平面非接触涡卷弹簧20内端连接有弹簧卷轴16，外端连接有弹簧卷筒3，所述平面非接触涡卷弹簧节距中间由支撑杆支撑17，支撑杆通过主传动装置19连接刚度调节减速器18(图中只示出减速器输出轴一小部分)。
如图3、图4所示，所述弹簧卷筒3的端部设有卷筒端面3-2，所述卷筒端面3-2上的螺纹孔3-3与所述大腿支撑座1的一侧通过螺栓相连接，与所述第二小腿支撑板7通过轴承连接。弹簧卷筒3的一端设有弹簧卷筒端面3-2，与弹簧卷筒3属于一体。
所述弹簧卷筒3的壁上沿圆周方向设有多对通孔3-1，所述平面非接触涡卷弹簧20的外端与所述多对通孔3-1中的任一对通孔连接。
所述平面非接触涡卷弹簧20的内端与弹簧卷轴通过螺栓连接。
涡卷弹簧节距中间的支撑杆17由弹簧卷轴16和凸轮15支撑。
所述凸轮15与所述副传动装置12通过轴承连接，与所述轴承端盖13通过螺栓连接。
凸轮15与弹簧卷轴16的结构参见图6a、图6b。
所述轴承端盖13与所述弹簧卷筒3端部的卷筒端盖2通过轴承连接，与第一小腿支撑板4通过螺栓连接。
所述第一小腿支撑板4和第二小腿支撑板7与所述小腿支撑座5通过螺栓连接。
如图5a、图5b所示，所述副传动装置12主和传动装置19的外缘分别设有薄圈12-1和19-1。主要是增强支撑件12-2和19-2的强度，防止变形。
本发明的可调刚度弹簧被动机器人关节，通过小功率电机对机器人关节刚度进行调节，通过改变平面非接触涡卷弹簧的有效工作长度，进行刚度弹性的调节，通过该改变刚性，使步行机器人在运动过程中能效性达到最优，在调节刚度的过程中，关节的零位没有发生改变；弹簧卷筒壁上的通孔，是根据实际要求调节关节在不受力情况下，大腿与小腿(关节)的初始角度而选择。应用到振动领域，该装置可以调节振动频率。
本发明的可调刚度弹簧被动机器人关节，能提高腿式机器人的运动能效性，实现动态高速运动，实现机器人被动动力学周期运动。并对设计的关节进行小型化，实现机器人在运动过程中能量消耗有所减少。
通过改变关节的刚度，改变机器人运动频率，增强机器人的运动性能或降低机器人的运动性能。如当关节的频率与机器人运动的频率达到共振的情况，可以减少能量的消耗；当关节的频率与机器人运动频率的振幅相反的情况，机器人在减少能量的消耗快速停止的同时，降低机器人驱动器的要求。
该装置(可调刚度弹性被动机器人关节)在调节刚度的同时，其工作频率也会改变，其可以在振动领域有所应用。
在人的行走过程中，部分身体的动能和势能是由在碰撞过程中储存瞬时弹性应变能提供的，并在弹性反弹收缩阶段回收能量。这种现象极大地降低了肌肉的工作要求，并降低运动过程中的能量消耗。人类和动物最有可能储存弹性能量的部位是在肌肉，肌腱，韧带和骨骼中，在发生碰撞时，可以减少总机械能波动。在机器人方面，这些问题可以通过调整机器人的结构的刚度得到改善。可调刚度关节的弹簧类似于肌肉，肌腱，韧带，吸收碰撞引起的能量损失和减少机器人整体振动性能。
由于腿部的弹性与腿的步频和与地面接触的时间有关，在腿式机器人发展的今天，本发明通过调节机器人关节刚度的大小，改变机器人的步幅大小和步行频率。机器人能够顺利通过不平整的路面或躲避行走方向上的障碍物等情况，提高机器人对各种环境的适应性和对各种地形多变形的适应能力。为开发适应外星球环境的机器人有重要的参考价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可调刚度弹性的被动机器人关节，所述被动机器人关节分别与小腿支撑座和大腿支撑座相连接，其特征在于，所述被动机器人关节包括弹簧卷筒，所述弹簧卷筒的内部装有关节刚度弹性调节装置，所述弹簧卷筒与所述大腿支撑座相连接，所述关节刚度弹性调节装置的伸出端通过第二小腿支撑板与所述小腿支撑座连接；
所述关节刚度弹性调节装置包括平面非接触涡卷弹簧，所述平面非接触涡卷弹簧内端与弹簧卷轴连接，外端与弹簧卷筒连接，所述弹簧卷轴中间为空心，内有刚度调节电机，所述刚度调节电机包括刚度调节减速器、伺服电机和编码器，所述刚度调节减速器连接有主传动装置，所述弹簧卷轴一端与刚度调节电机连接，所述平面非接触涡卷弹簧节距中间由支撑杆支撑，所述支撑杆一端通过主传动装置与刚度调节减速器连接，另一端与副传动装置连接，所述支撑杆与所述主传动装置和副传动装置之间能够径向相对移动；
所述弹簧卷筒的一端部设有端面，另一端连接有卷筒端盖，所述弹簧卷筒的端面与大腿支撑座的一侧通过螺栓连接，与所述第二小腿支撑板通过轴承连接，所述卷筒端盖与所述大腿支撑座的另一侧通过螺栓相连接，与第一小腿支撑板通过轴承连接；
所述平面非接触涡卷弹簧节距中间的支撑杆由弹簧卷轴和凸轮支撑，所述凸轮与所述副传动装置通过轴承连接；
所述第一小腿支撑板和第二小腿支撑板与所述小腿支撑座通过螺栓连接；
所述支撑杆能够沿所述凸轮的面进行轴向运动。
2.根据权利要求1所述的可调刚度弹性的被动机器人关节，其特征在于，所述弹簧卷筒的壁上沿圆周方向设有多对通孔，所述平面非接触涡卷弹簧的外端与所述多对通孔中的任一对通孔连接。
3.根据权利要求2所述的可调刚度弹性的被动机器人关节，其特征在于，所述平面非接触涡卷弹簧的内端与所述弹簧卷轴通过螺栓连接。
4.根据权利要求3所述的可调刚度弹性的被动机器人关节，其特征在于，所述弹簧卷轴与轴承端盖通过螺栓连接，所述轴承端盖与所述第一小腿支撑板通过螺栓连接，所述小腿支撑座相对所述弹簧卷轴静止。
5.根据权利要求1或2所述的可调刚度弹性的被动机器人关节，其特征在于，所述副传动装置和主传动装置的外缘分别设有薄圈。
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