CN104943765B - 一种三自由度仿人踝部关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度仿人踝部关节装置，包括大腿部分、小腿部分和踝部，大腿部分与小腿部分之间通过膝关节轴相连接，小腿部分与踝部之间通过踝关节轴相连接；大腿部分上设有驱动电机和膝关节轴，踝部包括安装外壳，安装外壳上设有交叉分布的踝关节轴和距下关节轴；驱动电机与膝关节轴之间、膝关节轴与踝关节轴之间设有两组可滑动的绳。本发明采用非球形空间三自由度关节增强了踝部关节的承重能力；绳驱动增加了系统的缓冲减震性能和过载保护能力；踝部关节内、外旋自由度上移，保证达到同样作用效果的情况下降低了足踝部的体积和质量；安装外壳取代了常用的两关节轴直接以虎克铰相连的形式，进一步增加了结构的承重能力和可靠性能。

Description

一种三自由度仿人踝部关节装置

技术领域

本发明涉及仿人踝部关节的技术领域，具体涉及一种具有空间绳驱动非球副的三自由度仿人踝部关节装置。

背景技术

随着机器人从军事、工业等领域走入人们的日常生活，对拟人机器人的各项技术领域都提出了更高的要求。两足步行器是一种多支链机构，其自动化程度高，动态系统最为复杂，近几年成为机器人领域内的研究热点。两足步行器在理论和实践方面取得了一些卓有成效的成果，开发了多种结构的步行机器人。如日本本田公司的ASIMO、东京大学的H7、索尼公司的QRIO、早稻田大学的WABIAN 2R、韩国科技先进研究院的HUB和北京理工大学的“汇童”机器人。以上双足机器人踝关节串联结构形式通常采用谐波减速器与直流电动机配合谐波减速器的大减速比减速，导致踝关节运动缺少柔顺性。德国慕尼黑大学的BUSCHMANN等研制的双足机器人LOLA采用多连杆机构传动，以实现踝关节运动柔顺性，但其踝关节驱动结构较大，不利于仿人结构设计。VERRELST等直接采用人工肌肉驱动方式，设计了双足机器人LUCY，但驱动数量大于机器人自由度，增加了控制难度。美国麻省理工学院的M2双足机器人能够实现3D被动动态行走，其踝关节也采用2自由度的胡克铰机构，但该机构在一定程度上限制了踝关节的承重能力。人体踝足部的生理结构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。而现有的拟人机器人踝关节仍然大多采用垂直布置的两自由度踝部关节。

综上所述，受驱动和控制困难所限，现有仿人机器人踝关节机构大多采用相邻轴线垂直交叉于一点或空间垂直交叉的转动轴线，驱动大都采用电机+齿轮、滚珠丝杠或连杆机构等刚性传动方式。现有的仿人机器人踝关节机构复杂且笨重，存在如下问题：

(1)电机直接驱动，关节占用空间大、惯性大；

(2)并联机构驱动，运动学复杂，无弹性缓冲功能，连杆不能太细，否则不能承受压、弯载荷；

(3)同步带驱动，运动必须在平行轴间传递，距下关节驱动困难。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三自由度仿人踝部关节装置，其结构简单，惯性小，可实现分别驱动非垂直空间交叉布置的两轴，控制简单，可实现足的内旋、外旋、内翻、外翻、趾屈和背屈运动。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种三自由度仿人踝部关节装置，包括大腿部分、小腿部分和踝部，所述大腿部分与小腿部分之间通过膝关节轴相连接，小腿部分与踝部之间通过踝关节轴相连接；所述大腿部分上设有驱动电机和膝关节轴，踝部包括安装外壳，安装外壳上设有交叉分布的踝关节轴和距下关节轴；所述驱动电机与膝关节轴之间、膝关节轴与踝关节轴之间设有两组可滑动的绳。

所述大腿部分包括大腿，大腿上部设有驱动电机I和驱动电机II，大腿下部设有膝关节轴；所述驱动电机I和驱动电机II分别设有绳轮I和绳轮II，膝关节轴上设有空套的滑轮I和滑轮II，绳轮I与滑轮I之间、绳轮II与滑轮II之间分别设有绳I和绳II。

所述小腿部分下端设有踝关节轴，踝关节轴上设有绳轮III和滑轮III，绳轮III与滑轮I之间设有绳III，滑轮III与滑轮II之间设有绳IV。

所述绳轮III通过紧定螺钉与踝关节轴配合连接，踝关节轴通过轴端卡片与安装外壳相对固定连接。

所述小腿部分包括小腿上板和小腿下板，小腿上板上设有驱动电机III，驱动电机III下方设有弹性联轴器，弹性联轴器下方设有小腿旋转轴，小腿旋转轴下部与小腿下板相连接，小腿下板与踝关节轴相连接。

所述小腿旋转轴通过轴承支座I和轴承支座II固定在小腿上板上，轴承支座I、轴承支座II与小腿旋转轴之间分别设有翻边轴承I、翻边轴承II。

所述绳III和绳IV上均设有绳张紧装置I；所述绳张紧装置I包括胀紧头I、双头螺柱和胀紧头II，双头螺柱两端固定有双头异径螺母I和双头异径螺母II，胀紧头I与双头异径螺母I之间设有胀紧套I、胀紧头II与双头异径螺母II之间设有胀紧套II。

所述滑轮III上设有两个滑槽，一个滑槽上设有盲孔，盲孔上设有绳张紧装置II；所述绳张紧装置II内设有绳V，踝关节轴和距下关节轴通过绳V相连接。

所述绳张紧装置II包括胀紧头III、张紧调节螺柱、交叉件和胀紧头IV，胀紧头III、胀紧头IV与交叉件之间分别设有胀紧套III和胀紧套IV；所述张紧调节螺柱与滑轮III上的盲孔相匹配。

所述踝关节轴通过腿踝连接件I、腿踝连接件II与小腿下板相连接，距下关节轴通过距足连接件I、距足连接件II和距足连接件III与脚底部分相连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用非球形空间三自由度关节机构增强了踝部关节的承重能力。

2、本发明引入了绳驱动，增加了系统的缓冲减震性能和过载保护能力。

3、本发明踝部关节内、外旋自由度上移，保证达到同样作用效果的情况下降低了足踝部的体积和质量。

4、本发明的安装外壳，取代了以前常用的把两关节轴直接以虎克铰相连的形式，进一步增加了结构的承重能力和可靠性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明大腿部分的结构示意图。

图3为本发明小腿部分的结构示意图。

图4为图3中A的局部放大图。

图5为图3中绳张紧装置I的爆炸图。

图6为本发明踝部的爆炸图。

图7为本发明踝部绕绳方式的结构示意图。

图8为图5中绳张紧装置II的爆炸图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例具体描述一下本发明。

一种三自由度仿人踝部关节装置，如图1所示，包括大腿部分1、小腿部分2和踝部3。大腿部分1与小腿部分2之间通过膝关节轴107相连接，小腿部分2与踝部3之间通过踝关节轴318相连接，踝部3下端设有脚底部分。大腿部分1、小腿部分2和踝部3为非球形三自由度关节，增加了其承重能力。

如图2所示，大腿部分1包括大腿100，大腿100上部设有驱动电机I101和驱动电机II103，大腿100下部设有膝关节轴107。驱动电机I101位于驱动电机II103上端，且驱动电机I101、驱动电机II103固定在大腿100的两侧。驱动电机I101和驱动电机II103固定在大腿100的上部，减小了惯量，减小了驱动力矩；固定在在大腿100的两侧增加了整个装置的平衡性。膝关节轴107通过膝关节轴卡片110固定在大腿100上。驱动电机I101和驱动电机II103的输出轴上分别设有绳轮I102和绳轮II104，膝关节轴107上设有空套的滑轮I109和滑轮II108。绳轮I102与滑轮I109之间设有绳I105，绳轮II104与滑轮II108之间设有绳II106。

如图3所示，小腿部分2包括小腿上板200和小腿下板211，小腿上板200上固定有驱动电机III201，驱动电机III201下方与弹性联轴器202相连接。弹性联轴器202下方设有小腿旋转轴205，小腿旋转轴205下部与小腿下板211相连接，小腿下板211与踝关节轴318相连接。如图4所示，小腿旋转轴205通过轴承支座I203和轴承支座II207固定在小腿上板200上，轴承支座I203、轴承支座II207与小腿旋转轴205之间分别设有翻边轴承I204、翻边轴承II206，翻边轴承I204、翻边轴承II206对小腿旋转轴205有轴向定位径向支撑的作用。

如图3和图6所示，小腿部分2下端设有踝关节轴318，踝关节轴318上设有绳轮III309和滑轮III311，绳轮III309与滑轮I109之间、滑轮III311与滑轮II108之间分别设有绳III209和绳IV210。绳III209和绳IV210上均设有绳张紧装置I208。如图5所示，绳张紧装置I208包括胀紧头I212、双头螺柱215和胀紧头II218，双头螺柱215两端固定有双头异径螺母I214和双头异径螺母II216，胀紧头I212与双头异径螺母I214之间设有胀紧套I213，胀紧头II218与双头异径螺母II216之间胀紧套II217。胀紧头I212和胀紧头II218均为设有内通孔、右旋的外螺纹、有一定锥度的胀紧头。双头螺柱215为左右旋的，且上右旋、下左旋。双头异径螺母I214为上右旋、下右旋的双头异径螺母，双头异径螺母II216为上左旋、下右旋的双头异径螺母。通过调节绳张紧装置I208上的双头螺柱215可以调节绳III209和绳IV210的张紧力。本发明通过在膝关节轴107、踝关节轴318上空套滑轮，在传动链中实现了绳驱动，其结构紧凑，增加了系统的减震缓冲性能、过载保护功能。

如图6所示，踝部3包括安装外壳319，安装外壳319上设有交叉分布的踝关节轴318和距下关节轴324。安装外壳319上设有两对安装孔，踝关节轴318和距下关节轴324固定在安装外壳319上相对的安装孔上。安装外壳319取代了以前常用的把两关节轴直接以虎克铰相连的形式，进一步增加了踝部3的承重能力和可靠性能。每对安装孔共用一条轴线，两条轴线空间非垂直交叉，夹角56.5度，两条轴线的中垂线长度为20mm。即踝关节轴318和距下关节轴324采取空间交叉非垂直布置，其所在的轴线夹角为56.5度。

如图6所示，踝关节轴318上依次套有轴端挡盖I302、轴端卡303、翻边轴承III304、腿踝连接件I305、轴承加强套I306、翻边轴承IV307、绳轮III309、翻边轴承V310、滑轮III311、翻边轴承VI313、翻边轴承VII314、轴承加强套II315、腿踝连接件II316、翻边轴承VIII317和轴端挡盖II320。绳轮III309通过紧定螺钉308与踝关节轴318配合连接，踝关节轴318通过轴端卡片303与安装外壳319相对固定连接。轴端挡盖I302和轴端挡盖II320通过螺钉301固定在安装外壳319上。踝关节轴318通过腿踝连接件I305、腿踝连接件II316与小腿下板211相连接，踝关节轴318两端的翻边轴承III304、翻边轴承VIII317对踝关节轴318有定位润滑的作用。

距下关节轴324两端设有翻边轴承IX322和翻边轴承X327，对距下关节轴324有定位润滑的作用。翻边轴承IX322和翻边轴承X327的端部还分别设有轴端挡盖III321和轴端挡盖IV328，将距下关节轴324固定在安装外壳319上。距下关节轴324上设有距足连接件I323、距足连接件II325和距足连接件III326，通过螺栓与脚底部分固定连接。

滑轮III311上设有两个滑槽，一个滑槽上设有绳IV210，另一个滑槽上设有盲孔，盲孔上设有绳张紧装置II312。绳张紧装置II312内设有绳V329，踝关节轴318和距下关节轴324通过绳V329相连接，如图7所示。绳张紧装置II312包括胀紧头III330、张紧调节螺柱333、交叉件332和胀紧头IV335，如图8所示。交叉件332为左右、上下内螺纹轴线垂直的交叉件。张紧调节螺柱333的下端沉入滑轮III311的盲孔中，外螺纹与交叉件332的内螺纹配合。胀紧头III330、胀紧头IV335与交叉件332之间分别设有胀紧套III331和胀紧套IV334，用于缓解胀紧头III330、胀紧头IV335与交叉件332的压力。张紧调节螺柱333与滑轮III311上的盲孔相匹配。胀紧头III330、胀紧头IV335为具有右旋外螺纹、内通孔、有一定锥度的胀紧头。滑轮III311上的盲孔对绳张紧装置II312有限位作用，通过调节张紧调节螺柱333使整个绳张紧装置II312远离滑轮311来增加绳的张紧力。

小腿部分2的旋转关节驱动的工作原理为：驱动电机III201转动，弹性联轴器202转动，小腿旋转轴205转动，小腿下板211转动，带动踝关节轴318转动，从而带动踝部3内、外旋转。弹性联轴器202可以起到缓冲减震的作用，翻边轴承I204和翻边轴承II206对小腿旋转轴转动起到轴向定位径向支撑的作用。

踝关节轴318驱动的工作原理：驱动电机I101转动，绳轮I102转动，绳I105动，滑轮I109转动，带动绳III209转动，绳轮III309转动，踝关节轴318转动，安装外壳319绕踝关节轴318的轴线转动。

距下关节轴324的工作原理：驱动电机II103转动，绳轮II104转动，绳II106动，滑轮II108转动，绳IV210动，滑轮III311转动，在绳张紧装置II312中绳V329的带动下距下关节轴324转动，从而带动脚底部分转动。滑轮III311与距下关节轴324之间传动绕绳方式参见图7。

因此，通过三个驱动电机I101、II103、III201能分别实现踝部关节的内旋、外旋、内翻、外翻、背屈和趾屈，控制简单灵活。

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揭露的技术范围内，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 (9)

1.一种三自由度仿人踝部关节装置，包括大腿部分（1）、小腿部分（2）和踝部（3），其特征在于：所述大腿部分（1）与小腿部分（2）之间通过膝关节轴（107）相连接，小腿部分（2）与踝部（3）之间通过踝关节轴（318）相连接 ；所述大腿部分（1）上设有驱动电机和膝关节轴（107），踝部（3）包括安装外壳（319），安装外壳（319）上设有交叉分布的踝关节轴（318）和距下关节轴（324）；所述驱动电机与膝关节轴（107）之间、膝关节轴（107）与踝关节轴（318）之间设有两组可滑动的绳；所述大腿部分（1）包括大腿（100），大腿（100）上部设有驱动电机Ⅰ（101）和驱动电机Ⅱ（103），大腿（100）下部设有膝关节轴（107）；所述驱动电机Ⅰ（101）和驱动电机Ⅱ（103）分别设有绳轮Ⅰ（102）和绳轮Ⅱ（104），膝关节轴（107）上设有空套的滑轮Ⅰ（109）和滑轮Ⅱ（108），绳轮Ⅰ（102）与滑轮Ⅰ（109）之间设有绳Ⅰ（105），绳轮Ⅱ（104）与滑轮Ⅱ（108）之间设有绳Ⅱ（106）。

2.根据权利要求1所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述小腿部分（2）下端设有踝关节轴（318），踝关节轴（318）上设有绳轮Ⅲ（309）和滑轮Ⅲ（311），绳轮Ⅲ（309）与滑轮Ⅰ（109）之间设有绳Ⅲ（209），滑轮Ⅲ（311）与滑轮Ⅱ（108）之间设有绳Ⅳ（210）。

3.根据权利要求2所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述绳轮Ⅲ（309）通过紧定螺钉（308）与踝关节轴（318）配合连接，踝关节轴（318）通过轴端卡片（303）与安装外壳（319）相对固定连接。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述小腿部分（2）包括小腿上板（200）和小腿下板（211），小腿上板（200）上设有驱动电机Ⅲ（201），驱动电机Ⅲ（201）下方设有弹性联轴器（202），弹性联轴器（202）下方设有小腿旋转轴（205），小腿旋转轴（205）下部与小腿下板（211）相连接，小腿下板（211）与踝关节轴（318）相连接。

5.根据权利要求4所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述小腿旋转轴（205）通过轴承支座Ⅰ（203）和轴承支座Ⅱ（207）固定在小腿上板（200）上，轴承支座Ⅰ（203）、轴承支座Ⅱ（207）与小腿旋转轴（205）之间分别设有翻边轴承Ⅰ（204）、翻边轴承Ⅱ（206）。

6.根据权利要求2所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述绳Ⅲ（209）和绳Ⅳ（210）上均设有绳张紧装置Ⅰ（208）；所述绳张紧装置Ⅰ（208）包括胀紧头Ⅰ（212）、双头螺柱（215）和胀紧头Ⅱ（218），双头螺柱（215）两端固定有双头异径螺母Ⅰ（214）和双头异径螺母Ⅱ（216），胀紧头Ⅰ（212）与双头异径螺母Ⅰ（214）之间设有胀紧套Ⅰ（213），胀紧头Ⅱ（218）与双头异径螺母Ⅱ（216）之间设有胀紧套Ⅱ（217）。

7.根据权利要求2所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述滑轮Ⅲ（311）上设有两个滑槽，一个滑槽上设有盲孔，盲孔上设有绳张紧装置Ⅱ（312）；所述绳张紧装置Ⅱ（312）内设有绳V（329），踝关节轴（318）和距下关节轴（324）通过绳V（329）相连接。

8.根据权利要求7所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述绳张紧装置Ⅱ（312）包括胀紧头Ⅲ（330）、张紧调节螺柱（333）、交叉件（332）和胀紧头Ⅳ（335），胀紧头Ⅲ（330）、胀紧头Ⅳ（335）与交叉件（332）之间分别设有胀紧套Ⅲ（331）和胀紧套Ⅳ（334）；所述张紧调节螺柱（333）与滑轮Ⅲ（311）上的盲孔相匹配。

9.根据权利要求 5 至 8 中任意一项所述的三自由度仿人踝部关节装置，其特征在于，所述踝关节轴（318）通过腿踝连接件Ⅰ（305）、腿踝连接件Ⅱ（316）与小腿下板（211）相连接，距下关节轴（324）通过距足连接件（323）Ⅰ、距足连接件Ⅱ（325）和距足连接件Ⅲ（326）与脚底部分相连接。