CN102991601A - 一种两自由度仿人踝部关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度仿人踝部关节，其组成包括小腿上部、小腿下部、驱动装置Ⅰ、驱动装置Ⅱ、双关节构件、足、闸线；双关节构件包括踝关节驱动装置和距下关节驱动装置，踝关节驱动装置包括踝关节轴，距下关节驱动装置包括距下关节轴，踝部关节包括上部轴和下部轴，上部轴为踝关节轴，下部轴为距下关节轴；踝关节轴和距下关节轴空间交叉，踝关节轴和距下关节轴的轴线不在同一个平面内。本发明可用于仿人机器人踝部关节，提高仿人机器人的拟人性。另一方面，此机构通过控制两个参量可得三个运动角度，也就是说空间二自由度机构近似实现踝关节三自由度运动，提高了运动灵活性。

Description

一种两自由度仿人踝部关节

技术领域

本发明涉及的是一种机器人的部件结构，具体地说是一种两自由度仿人踝部关节。

背景技术

近些年来，机器人技术发展十分迅速，机器人在工业、农业、服务、医疗、军事等领域获得了广泛应用。作为机器人研究领域最前沿的问题之一，模拟人类行走的双足步行机器人集机械、控制、人工智能等多门学科于一体，反映着一个国家智能化和自动化研究的水平。踝部关节是双足机器人的关键部件，其灵活性、拟人性很大程度上决定了双足机器人行走的灵活性、拟人性。因此设计拟人性高，灵活性好的双足机器人踝部关节具有十分重要的意义。

目前公开的仿人机器人踝部关节结构有许多种，早期的仿人机器人2自由度踝关节，国内外普遍采用两关节轴线空间垂直交叉、串联驱动的布置方式，主要是俄亥俄大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学，这种机构的自由度配置及其驱动方式简单，但是踝部关节的驱动电机及其减速装置增大了腿的摆动惯量，造成控制困难，难以实现快速行走。目前以ASIMO为代表的大多数仿人机器人踝部关节采用2个自由度的胡克铰机构，该机构前摆和侧摆两个关节轴线垂直相交，这种自由度配置的机器人常采用谐波减速器(或加上同步带)的定传动比装置，其驱动机构及驱动方式使踝部结构变得复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，拟人性高，能实现近似三自由度运动的一种两自由度仿人踝部关节。

本发明的技术方案是：一种两自由度仿人踝部关节，其组成包括小腿上部、小腿下部、驱动装置Ⅰ、驱动装置Ⅱ、双关节构件、足、闸线；双关节构件包括踝关节驱动装置和距下关节驱动装置，踝关节驱动装置包括踝关节轴，距下关节驱动装置包括距下关节轴，踝部关节包括上部轴和下部轴，上部轴为踝关节轴，下部轴为距下关节轴；踝关节轴和距下关节轴空间交叉，踝关节轴和距下关节轴的轴线不在同一个平面内，踝关节轴的轴线与额状面的夹角取为25°，与水平面的夹角为8°，距下关节轴的轴线与额状面的夹角取为16°，与水平面的夹角为45°，踝关节轴的轴线与距下关节轴的轴线的最短距离为20mm，踝关节轴和距下关节轴的轴线夹角为56.54°；所述闸线为柔性闸线。

所述的一种两自由度仿人踝部关节，所述驱动装置包括驱动电机Ⅰ，在驱动电机Ⅰ输出轴上固定有驱动摆杆Ⅰ、闸线芯线Ⅰ固结于驱动摆杆Ⅰ上；在小腿上部上固定驱动导槽Ⅰ，驱动导槽Ⅰ上开孔Ⅰ使电机轴从中穿过，闸线外管端部固定于驱动导槽Ⅰ之上；踝关节轴左侧端部固定有被动摆杆Ⅰ，并通过轴套Ⅰ安装在左支架Ⅰ，左支架Ⅰ上加工有被动导槽Ⅰ，被动摆杆Ⅰ上固定闸线芯线Ⅰ，被动导槽Ⅰ固定有闸线外管Ⅰ；在驱动电机Ⅱ输出轴上固定有驱动摆杆Ⅱ、闸线芯线Ⅱ固结于驱动摆杆上；在小腿下部上固定驱动导槽Ⅱ，驱动导槽Ⅱ上开孔Ⅱ使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅱ端部固定于驱动导槽Ⅱ之上；距下关节轴右端固定有被动导槽Ⅱ，对应的右支架II上加工有被动摆杆Ⅱ，被动摆杆Ⅱ上固定闸线芯线Ⅱ，被动导槽Ⅱ固定有闸线外管Ⅱ。

小腿上部和小腿下部均为法兰件，小腿上部和小腿下部之间通过螺栓连接，小腿下部折弯角度为踝关节轴与小腿正常运动面的夹角，距下关节轴安装在折弯支架上，折弯支架折弯角和其在足上的安装方向角为距下关节轴与正常运动面的夹角。

两自由度仿人踝部关节的组成包括小腿上部、小腿下部、驱动电机及其驱动组件、双关节及其驱动组件、足、闸线；踝部关节的踝关节安装于小腿下部；距下关节安装于足上；电机驱动组件安装在小腿上，关节驱动组件分别在踝关节和距下关节的运动轴及支架上。电机驱动闸线带动踝关节轴和距下关节轴同时运动，实现仿人踝关节的运动。

人体踝部关节包括踝关节和距下关节两个独立的关节，是人体主要负重运动关节之一，它既是人体的弹跳启动器，也是落地缓冲装置，是人体灵活运动的关键关节。人体踝足部生理结构的特点主要是其关节轴线（踝关节、距下关节与跖趾关节）在3维空间内呈现倾斜状态，且相互不垂直、不交叉。这种倾斜轴线结构有以下优点：一是有利于减小肌肉驱动的作用力臂，在同样负荷下可以减小所需的肌肉力量；二是三个轴线的空间斜交叉产生的耦合转动作用，在站立相有利于维持腿在前进平面内；三是地面垂直反作用力沿踝关节轴线产生分量，这个分量对于绕踝关节的转动不起作用。

本发明具有以下有益效果：（1）本发明的关节轴线结构与人体实际关节结构相似度高；（2）本发明采用柔性闸线驱动可使机构实现仿踝关节运动；（3）本发明通过控制两根轴的运动使机构实现近似三自由度的运动，满足人体踝关节运动要求；（4）本发明可应用于仿人机器人与假肢的踝关节。本发明的踝部关节机构运动范围与人体实际运动范围相近，达到了正常行走所需要的基本条件，本发明可用于仿人机器人踝部关节，提高仿人机器人的拟人性。另一方面，此机构通过控制两个参量可得三个运动角度，也就是说空间二自由度机构近似实现踝关节三自由度运动，提高了运动灵活性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是小腿下部的结构图；

图3是踝部关节的结构图；

图4是距下关节支架的结构图；

图5是驱动装置Ⅰ的结构图；

图6是驱动装置Ⅱ的结构图；

图7是踝关节驱动装置的结构图；

图8是距下关节驱动装置的结构图；

图9是图1中A部放大图。

具体实施方式

结合图1-9，本发明由小腿上部1、小腿下部3、驱动装置Ⅰ2、驱动装置Ⅱ4、双关节构件5、折弯支架6、足7、驱动闸线组成；小腿上部1和小腿下部3均为法兰件，小腿上部1和小腿下部3之间通过螺栓连接，如图1和图9所示。小腿下部3折弯角度保证踝关节轴514与额状面的夹角为25°，与水平面的夹角为8°，如图2所示。踝关节轴514与距下关节轴523通过螺钉固结保证其夹角56.54°以及距离20mm，如图3所示。距下关节轴523安装在折弯支架6上，折弯支架6的折弯角和其在足7上的安装方向角保证距下关节轴523与额状面的夹角取为16°，与水平面的夹角为45°，如图4所示。驱动电机Ⅰ21输出轴上固定有驱动摆杆Ⅰ27、闸线芯线Ⅰ10固结于驱动摆杆27上；在小腿上部1上固定驱动导槽Ⅰ25，驱动导槽Ⅰ25上开孔Ⅰ26使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅰ11端部固定于驱动导槽Ⅰ25之上。踝关节轴514左侧端部固定有被动摆杆Ⅰ511，左支架Ⅰ512上加工有被动导槽Ⅰ517，被动摆杆Ⅰ511上固定闸线芯线Ⅰ10，被动导槽Ⅰ517固定有闸线外管Ⅰ11；在驱动电机Ⅱ41输出轴上固定有驱动摆杆Ⅱ47、闸线芯线Ⅱ8固结于驱动摆杆Ⅱ47上；在小腿下部3上固定驱动导槽Ⅱ45，驱动导槽Ⅱ45上开孔Ⅱ46使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅱ9端部固定于驱动导槽45Ⅱ之上。距下关节轴523右端固定有被动导槽Ⅱ524，右支架Ⅱ527上加工有被动摆杆Ⅱ526，被动摆杆Ⅱ526上固定闸线芯线8，被动导槽Ⅱ524固定有导槽外管9。

结合图2，踝关节轴514的轴线与额状面的夹角为25°，踝关节轴514的轴线与水平面的夹角为8°。

结合图3，踝关节轴514的轴线与距下关节轴523的轴线的最短距离为20mm，两轴线夹角为56.54°。

结合图4，距下关节轴523的轴线与额状面的夹角为16°，距下关节轴523的轴线与水平面的夹角为45°。

结合图5，驱动电机Ⅰ21通过螺钉24固定于电机支架Ⅰ23上，然后通过螺栓连接22固定于小腿上部1，驱动摆杆Ⅰ27通过紧定螺钉28固定在驱动电机Ⅰ21的输出轴上，闸线芯线Ⅰ10固结于驱动摆杆Ⅰ27上；在小腿上部1上固定驱动导槽Ⅰ25，驱动导槽Ⅰ25上开孔Ⅰ26使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅰ11端部固定于驱动导槽Ⅰ25之上。

结合图6，驱动电机Ⅱ41通过螺钉44固定于电机支架Ⅱ43上，然后通过螺栓连接42固定于小腿下部3，驱动摆杆Ⅱ47通过紧定螺钉48固定在驱动电机Ⅱ41的输出轴上，闸线芯线Ⅱ8固结于驱动摆杆Ⅱ47上；在小腿下部3上固定驱动导槽Ⅱ45，驱动导槽Ⅱ45上开孔Ⅱ46使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅱ9端部固定于导槽II45之上。

结合图7，踝关节轴514左端固定有被动摆杆Ⅰ511，然后通过轴套Ⅰ513安装在左支架Ⅰ512，左支架Ⅰ512上加工有被动导槽Ⅰ517，被动摆杆Ⅰ511上固定闸线芯线Ⅰ10，被动导槽Ⅰ517固定有闸线外管Ⅰ11，踝关节轴514右端则通过轴套Ⅱ515安装在支架516上。踝关节轴514通过左支架Ⅰ512、右支架Ⅰ516安装在小腿下部3上。

结合图8，距下关节轴523右端固定有被动导槽Ⅱ524，然后通过轴套Ⅳ525安装在右支架Ⅱ527上，右支架527Ⅱ上加工有被动摆杆Ⅱ526，被动摆杆Ⅱ526上固定闸线芯线Ⅱ8，被动导槽Ⅱ524上固定有闸线外管Ⅱ9，距下关节轴523左端则通过轴套Ⅲ522安装在左支架Ⅱ521上。距下关节轴523通过左支架Ⅱ521、右支架Ⅱ527安装在折弯支架6上。

本发明的工作过程与原理为：驱动电机Ⅰ21转动带动驱动摆杆Ⅰ27在驱动导槽Ⅰ25内运动，驱动摆杆Ⅰ27带动闸线芯线Ⅰ10运动，闸线芯线Ⅰ10带动被动摆杆Ⅰ511在被动导槽Ⅰ517内运动；驱动电机Ⅱ41转动带动驱动摆杆Ⅱ47在驱动导槽Ⅱ45内运动，驱动摆杆Ⅱ47带动闸线芯线Ⅱ8运动，闸线芯线Ⅱ8带动被动摆杆Ⅱ526在被动导槽Ⅱ524内运动。驱动电机Ⅰ21与驱动电机Ⅱ41同时运动可实现机构的并联驱动，实现仿人踝关节的运动。

Claims (3)

1.一种两自由度仿人踝部关节，其组成包括小腿上部(1)、小腿下部(3)、驱动装置Ⅰ（2）、驱动装置Ⅱ（4）、双关节构件（5）、足（7）、闸线；其特征是：双关节构件（5）包括踝关节驱动装置（51）和距下关节驱动装置（52），踝关节驱动装置（51）包括踝关节轴（514），距下关节驱动装置（52）包括距下关节轴（523），踝部关节包括上部轴和下部轴，上部轴为踝关节轴（514），下部轴为距下关节轴（523）；踝关节轴（514）和距下关节轴（523）空间交叉，踝关节轴（514）和距下关节轴（523）的轴线不在同一个平面内，踝关节轴（514）的轴线与额状面的夹角取为25°，与水平面的夹角为8°，距下关节轴（523）的轴线与额状面的夹角取为16°，与水平面的夹角为45°，踝关节轴（514）的轴线与距下关节轴（523）的轴线的最短距离为20mm，踝关节轴（514）和距下关节轴（523）的轴线夹角为56.54°；所述闸线为柔性闸线。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度仿人踝部关节，其特征是：所述驱动装置（2）包括驱动电机Ⅰ（21），在驱动电机Ⅰ（21）输出轴上固定有驱动摆杆Ⅰ（27）、闸线芯线Ⅰ（10）固结于驱动摆杆Ⅰ（27）上；在小腿上部（1）上固定驱动导槽Ⅰ（25），驱动导槽Ⅰ（25）上开孔Ⅰ（26）使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅰ（11）端部固定于驱动导槽Ⅰ（25）之上；踝关节轴（514）左侧端部固定有被动摆杆Ⅰ（511），并通过轴套Ⅰ（513）安装在左支架Ⅰ（512），左支架Ⅰ（512）上加工有被动导槽Ⅰ（517），被动摆杆Ⅰ（511）上固定闸线芯线Ⅰ（10），被动导槽Ⅰ（517）固定有闸线外管（11）；在驱动电机Ⅱ（41）输出轴上固定有驱动摆杆Ⅱ（47）、闸线芯线Ⅱ（8）固结于驱动摆杆（47）上；在小腿下部（3）上固定驱动导槽Ⅱ（45），驱动导槽Ⅱ（45）上开孔Ⅱ（46）使电机轴从中穿过，闸线外管Ⅱ（9）端部固定于驱动导槽Ⅱ（45）之上；距下关节轴（523）右端固定有被动导槽Ⅱ（524），对应的右支架II（527）上加工有被动摆杆Ⅱ（526），被动摆杆Ⅱ（526）上固定闸线芯线Ⅱ（8），被动导槽Ⅱ（524）固定有闸线外管Ⅱ（9）。

3.根据权利要求1或2所述的一种两自由度仿人踝部关节，其特征是：小腿上部（1）和小腿下部（3）均为法兰件，小腿上部（1）和小腿下部（3）之间通过螺栓连接，小腿下部（3）折弯角度为踝关节轴（514）与小腿正常运动面的夹角，距下关节轴（523）安装在折弯支架（6）上，折弯支架（6）折弯角和其在足（7）上的安装方向角为距下关节轴（523）与正常运动面的夹角。

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