CN102874339B

CN102874339B - 单腿跳跃机器人机构

Info

Publication number: CN102874339B
Application number: CN201210369619.0A
Authority: CN
Inventors: 朱秋国; 陈杰; 熊蓉; 褚健
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: CN102874339A

Abstract

本发明公开了一种单腿跳跃机器人机构，它由身体、大腿和小腿三部分组成，分别通过髋关节和膝关节连接；髋关节和膝关节的第一谐波减速器和第二谐波减速器均安装在髋部，驱动电机均安装在靠近髋部处，使得机器人接近于理想的倒立摆模型，以降低控制难度；膝关节通过大腿钢丝绳传动，大腿钢丝绳采用斜面机构和滑块调整机构，实现对钢丝绳张紧程度的调节；膝关节弯曲时压缩弹簧，将重力转化为弹簧的势能，为伸展运动积蓄能量。单腿机器人足底安装了力传感器，用于感知着地信息，足底橡胶垫缓冲了着地的冲击。本发明的单腿跳跃机器人机构，通过合理分布重心和串联弹簧储能机制，有助于提高机器人运动的灵活性、柔顺性和高效性。

Description

单腿跳跃机器人机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种单腿跳跃机器人机构。

技术背景

近些年来，机器人技术得到了迅速发展，并与人们的日常生活越来越紧密。人们希望机器人能够像人类自身一样，具有快速灵巧的运动能力、良好的交互能力和高效的供给动力。特别是随着仿人机器人、服务机器人的迅速发展，人们对机器人的快速、灵活和高效的运动能力提出了更高要求。

目前，我国大部分腿式机器人只能实现类似行走或爬行的动作，并且行走或爬行的速度受到了电机等驱动的约束。近些年来，人们开始关注跳跃机器人的研究，并通过关节的储能设计，使得机器人通过吸收外部的冲击或利用自身的重力作用，转化成关节的输出能量，这种机制适用于单腿跳跃机器人，从而实现机器人的快速、灵巧和高效运动。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种单腿跳跃机器人机构，通过串联弹簧的方式，提高关节的输出能量，通过钢丝绳牵引的方式，经过重量的合理分配，使机器人重心靠近髋关节，以提高机器人跳跃运动的可行性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种单腿跳跃机器人机构，由身体、大腿和小腿三部分组成，身体与大腿、大腿与小腿之间分别通过髋关节和膝关节连接。单腿机器人的身体部分包括了身体右侧板、身体左侧板、身体平板、连结杆、驱动器、驱动器座、以及髋电机、髋主动轮、髋同步带等组成，身体右侧板和身体左侧板通过身体平板连接，驱动器座上安装有驱动器，并固定在身体平板上，连结杆由身体右侧板和身体左侧板的身体第一轴承和身体第二轴承支撑，髋部的髋电机安装在身体右侧板上，由髋主动轮经髋同步带进行动力传递；大腿部分由大腿右侧板、大腿左侧板、大腿连接杆、膝电机、膝主动轮和膝同步带等组成，大腿右侧板和大腿左侧板通过大腿连接杆连接，膝电机通过膝主动轮和膝同步带进行动力传递；小腿部分由小腿架、小腿、力传感器、足底橡胶垫等组成，小腿架与膝传动轮和小腿连接，小腿内侧安装有弹簧，底部安装有力传感器和足底橡胶垫；髋关节部分实现髋和膝的运动，髋关节第一谐波减速器安装在身体右侧板上，髋第一主轴由髋从动轮输入，经过第一平键带动谐波减速器运动，髋第一主轴两端由髋第一轴承和髋第二轴承支撑，且由第一套筒轴向限位，髋第一轴承安装在髋第一端盖内，髋第二轴承一端安装有第一轴承套，谐波减速器外侧经第一轴承套筒安装有第一支撑轴承，第一支撑轴承嵌入在大腿右侧板内，谐波减速器将运动传递到髋输出法兰，带动大腿部分的运动；髋关节第二谐波减速器安装在身体左侧板上，髋第二主轴由膝从动轮输入，经过第二平键带动谐波减速器运动，髋第二主轴两端由髋第三轴承和髋第四轴承支撑，且由第二套筒轴向限位，髋第三轴承安装在髋第二端盖内，髋第四轴承一端安装有第二轴承套，谐波减速器外侧经第二轴承套筒安装有第二支撑轴承，第二支撑轴承嵌入在大腿左侧板内，谐波减速器将运动传递到髋传动轮，经过大腿钢丝绳带动膝关节运动，钢丝绳的两端分别装有紧固头，一端安装在斜面上，另一端安装在滑块的斜面上，滑块上安装有螺钉，整个锁紧座通过螺钉固定在髋传动轮上，髋传动轮与髋输出法兰之间安装有中间支撑轴承；膝关节部分由膝主轴、膝传动轮、膝辅助轮等组成，膝主轴两端安装有膝第一轴承和膝第二轴承，膝第一轴承安装在膝轴承法兰内，膝轴承法兰与大腿右侧板连接，膝第二轴承安装在大腿左侧板内，膝主轴的转动角度通过安装在电位计座上的电位计进行检测，膝主轴上安装有膝传动轮，膝传动轮通过小腿钢丝绳带动小腿架转动，膝传动轮与小腿架之间通过螺钉连接，膝辅助轮通过中间支撑轴承安装在膝主轴上，中间支撑轴承由膝套筒和法兰轴向限位，膝辅助轮上安装有小腿钢丝绳，小腿钢丝绳的两端分别安装有紧固头，一端安装在膝辅助轮上，膝辅助轮由安装在大腿连接杆上的挡块和橡胶帽进行限位，小腿架和小腿连接在一起，小腿内安装有弹簧和弹簧座，钢丝绳的另一端固定在弹簧座的底部。

本发明的有益效果是，本发明设计的单腿跳跃机器人机构，连结杆的一端与约束机器人平面运动的连杆连接，使机器人绕圆周平面跳跃，另一端可以方便调试人员做抬起机器人的握柄使用，方便给机器人一个跳跃的初始高度，髋关节的第一谐波减速器、第二谐波减速器、髋电机和膝电机等可以使机器人的重心尽量靠近髋关节，使物理模型更加接近于理想的倒立摆模型，有利于提高控制的鲁棒性，膝关节的双电机控制，将有效提高机器人膝关节的输出力矩，给机器人跳跃提供能量补偿；钢丝绳采用了斜面锁紧机构，这种机构有利于对钢丝绳进心预紧，可移动的滑块将有助于调节钢丝绳的张紧程度，小腿的钢丝绳通过串联弹簧，使得机器人在着地时刻依靠重量的作用压缩膝关节，通过挡块压迫使膝辅助轮发生转动，并经钢丝绳对弹簧进行压缩，这种依靠自身重力的方法有效得将冲击能量转化为弹簧的势能，为膝关节的伸展运动储备了能量，提高了运动的效率，挡块的橡胶帽降低了膝辅助轮和挡块之间的冲击损伤，提升了机器人的可靠性。

附图说明

图1是单腿跳跃机器人的立体图；

图2是髋关节的剖视；

图3是膝关节的剖视图；

图4是钢丝绳锁紧机构的立体图；

图5是钢丝绳端部固定的立体图；

图6是膝关节弹簧储能机构的剖视图；

图中，身体平板1、驱动器板2、驱动器3、身体右侧板4、身体第一轴承5、连接杆6、髋主动轮7、髋同步带8、髋从动轮9、髋输出法兰10、身体左侧板11、身体第二轴承12、髋电机13、膝同步带14、膝主动轮15、膝电机16、大腿右侧板17、大腿钢丝绳18、大腿连接杆19、大腿左侧板20、膝轴承法兰21、膝主轴22、电位计23、膝传动轮24、膝辅助轮25、小腿钢丝绳26、小腿架27、小腿28、力传感器29、足底橡胶垫30、髋第二主轴31、髋第三轴承32、第二端盖33、第二平键34、髋传动轮35、中间支撑轴承36、第一端盖37、第一平键38、髋第一主轴39、髋第一轴承40、第一谐波减速器41、第一支撑轴承42、第一套筒43、髋第二轴承44、第一轴承套45、髋第四轴承46、第二轴承套47、第二套筒48、第二轴承套筒49、第二支撑轴承50、第二谐波减速器51、第一轴承套筒52、膝第一轴承53、膝第二轴承54、电位计法兰55、螺钉56、膝套筒57、法兰58、膝中间轴承59、锁紧座60、螺钉61、斜面62、滑块63、调节螺钉64、紧固头65、挡块66、橡胶帽67、弹簧68、弹簧座69，膝从动轮70。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图所示，本发明一种单腿跳跃机器人机构由身体、大腿和小腿三部分组成，身体与大腿之间通过髋关节连接，大腿与小腿之间通过膝关节连接。

单腿机器人的身体部分包括了身体右侧板4、身体左侧板11、身体平板1、连结杆6、驱动器3、驱动器座2、以及髋电机13、髋主动轮7、髋同步带8等组成，身体右侧板4和身体左侧板11通过身体平板1连接，驱动器座4上安装有驱动器3，并固定在身体平板1上，连结杆6由身体右侧板4和身体左侧板11的身体第一轴承5和身体第二轴承12支撑，连结杆6的一端可以与约束机器人平面运动的连杆连接，使机器人可以绕圆周平面跳跃，另一端可以方便调试人员做抬起机器人的握柄使用，方便给机器人一个跳跃的初始高度；髋部的髋电机13安装在身体右侧板4上，由髋主动轮7经髋同步带8进行动力传递，髋关节的第一谐波减速器41、第二谐波减速器51、髋电机13和膝电机16等可以使机器人的重心尽量靠近髋关节，使物理模型更加接近于理想的倒立摆模型，有利于提高控制的鲁棒性，同时，膝关节的双电机控制，将有效提高机器人膝关节的输出力矩，给机器人跳跃提供能量补偿；大腿部分由大腿右侧板17、大腿左侧板20、大腿连接杆19、膝电机16、膝主动轮15和膝同步带14等组成，大腿右侧板17和大腿左侧板20通过大腿连接杆19连接，膝电机16通过膝主动轮15和膝同步带14进行动力传递；小腿部分由小腿架27、小腿28、力传感器29、足底橡胶垫30等组成，小腿架27与膝传动轮和小腿28连接，小腿28内侧安装有弹簧68，底部安装有力传感器29和足底橡胶垫30；髋关节部分实现髋和膝的运动，髋关节第一谐波减速器41安装在身体右侧板4上，髋第一主轴39由髋从动轮9输入，经过第一平键38带动谐波减速器41运动，髋第一主轴39两端由髋第一轴承40和髋第二轴承44支撑，且由第一套筒43轴向限位，髋第一轴承40安装在髋第一端盖37内，髋第二轴承44一端安装有第一轴承套45，谐波减速器41外侧经第一轴承套筒52安装有第一支撑轴承42，第一支撑轴承42嵌入在大腿右侧板17内，谐波减速器41将运动传递到髋输出法兰10，以带动大腿部分的运动；髋关节第二谐波减速器51安装在身体左侧板20上，髋第二主轴31由膝从动轮70输入，经过第二平键34带动谐波减速器51运动，髋第二主轴31两端由髋第三轴承32和髋第四轴承46支撑，且由第二套筒48轴向限位，髋第三轴承32安装在髋第二端盖33内，髋第四轴承46一端安装有第二轴承套47，谐波减速器51外侧经第二轴承套筒49安装有第二支撑轴承50，第二支撑轴承50嵌入在大腿左侧板20内，谐波减速器51将运动传递到髋传动轮35，髋传动轮35与髋输出法兰10之间安装有中间支撑轴承36，髋传动轮35经过大腿钢丝绳18带动膝关节运动，钢丝绳18，26两端分别装有紧固头65，一端安装在斜面62上，另一端安装在滑块63的斜面62上，滑块63上安装有螺钉64，整个锁紧座60通过螺钉61固定在髋传动轮35上，大腿钢丝绳18采用了斜面锁紧机构，这种机构有利于对大腿钢丝绳18进心预紧，可移动的滑块63将有助于调节大腿钢丝绳18的张紧程度；膝关节部分由膝主轴22、膝传动轮24、膝辅助轮25等组成，膝主轴22两端安装有膝第一轴承53和膝第二轴承54，膝第一轴承53安装在膝轴承法兰21内，膝轴承法兰21与大腿右侧板17连接，膝第二轴承20安装在大腿左侧板20内，膝主轴22的转动角度通过安装在电位计座55上的电位计23进行检测，膝主轴22上安装有膝传动轮24，膝传动轮24通过小腿钢丝绳26带动小腿架27转动，膝传动轮24与小腿架27之间通过螺钉56连接，膝辅助轮25通过中间支撑轴承59安装在膝主轴22上，中间支撑轴承59由膝套筒57和法兰58轴向限位，膝辅助轮25上安装有小腿钢丝绳26，小腿钢丝绳26的两端分别安装有紧固头65，一端安装在膝辅助轮25上，膝辅助轮25由安装在大腿连接杆19上的挡块66和橡胶帽67进行限位，小腿架27和小腿28连接在一起，小腿28内安装有弹簧68和弹簧座69，小腿钢丝绳26的另一端固定在弹簧座69的底部，小腿钢丝绳26通过串联弹簧68，使得机器人在着地时刻依靠重量的作用压缩膝关节，通过挡块66压迫使膝辅助轮25发生转动，并经小腿钢丝绳26对弹簧68进行压缩，这种依靠自身重力的方法有效得将冲击能量转化为弹簧68的势能，为膝关节的伸展运动储备了能量，提高了运动的效率，挡块66的橡胶帽67降低了膝辅助轮25和挡块66之间的冲击损伤，提升了机器人的可靠性。

Claims

1.一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，它由身体、大腿和小腿三部分组成，身体与大腿、大腿与小腿之间分别通过髋关节和膝关节连接；单腿机器人身体右侧板（4）和身体左侧板（11）通过身体平板（1）连接，驱动器座（2）上安装有驱动器（3），并固定在身体平板（1）上；连结杆（6）由身体右侧板（4）的身体第一轴承（5）和身体左侧板（11）的身体第二轴承（12）支撑，髋关节的髋电机（13）安装在身体右侧板（4）上，由髋主动轮（7）经髋同步带（8）进行动力传递；大腿右侧板（17）和大腿左侧板（20）通过大腿连接杆（19）连接，膝电机（16）通过膝主动轮（15）和膝同步带（14）进行动力传递；小腿架（27）与膝传动轮（24）和小腿（28）连接，小腿（28）内侧安装有弹簧（68），底部安装有力传感器（29）和足底橡胶垫（30）；髋关节第一谐波减速器（41）安装在身体右侧板（4）上，髋第一主轴（39）由髋从动轮（9）输入，经过第一平键（38）带动谐波减速器（41）运动，髋第一主轴（39）两端由髋第一轴承（40）和髋第二轴承（44）支撑，且由第一套筒（43）轴向限位，髋第一轴承（40）安装在髋第一端盖（37）内，髋第二轴承（44）一端安装有第一轴承套（45），谐波减速器（41）外侧经第一轴承套筒（52）安装有第一支撑轴承（42），第一支撑轴承（42）嵌入在大腿右侧板（17）内，谐波减速器（41）将运动传递到髋输出法兰（10）；髋关节第二谐波减速器（51）安装在身体左侧板（20）上，髋第二主轴（31）由膝从动轮（70）输入，经过第二平键（34）带动谐波减速器（51）运动，髋第二主轴（31）两端由髋第三轴承（32）和髋第四轴承（46）支撑，且由第二套筒（48）轴向限位，髋第三轴承（32）安装在髋第二端盖（33）内，髋第四轴承（46）一端安装有第二轴承套（47），谐波减速器（51）外侧经第二轴承套筒（49）安装有第二支撑轴承（50），第二支撑轴承（50）嵌入在大腿左侧板（20）内，谐波减速器（51）将运动传递到髋传动轮（35），经过大腿钢丝绳（18）带动膝关节运动，大腿钢丝绳（18）的两端分别装有紧固头（65），一端安装在斜面（62）上，另一端安装在滑块（63）的斜面（62）上，滑块（63）上安装有螺钉（64），整个锁紧座（60）通过螺钉（61）固定在髋传动轮（35）上，髋传动轮（35）与髋输出法兰（10）之间安装有中间支撑轴承（36）；膝主轴（22）两端安装有膝第一轴承（53）和膝第二轴承（54），膝第一轴承（53）安装在膝轴承法兰（21）内，膝轴承法兰（21）与大腿右侧板（17）连接，膝第二轴承（54）安装在大腿左侧板（20）内，膝主轴（22）的转动角度通过安装在电位计座（55）上的电位计（23）进行检测，膝主轴（22）上安装有膝传动轮（24），膝传动轮（24）通过小腿钢丝绳（26）带动小腿架（27）转动，膝传动轮（24）与小腿架（27）之间通过螺钉（56）连接，膝辅助轮（25）通过中间支撑轴承（59）安装在膝主轴（22）上，中间支撑轴承（59）由膝套筒（57）和法兰（58）轴向限位，膝辅助轮（25）上安装有小腿钢丝绳（26），小腿钢丝绳（26）的两端分别安装有紧固头（65），一端安装在膝辅助轮（25）上，膝辅助轮（25）由安装在大腿连接杆（19）上的挡块（66）和橡胶帽（67）进行限位，小腿架（27）和小腿（28）连接在一起，小腿（28）内安装有弹簧（68）和弹簧座（69），小腿钢丝绳（26）的另一端固定在弹簧座（69）的底部。