CN107756441A - 一种一体化的仿人机器人踝关节驱动机构 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，包括踝关节控制单元、小腿组件、踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元和足部，所述踝关节控制单元通过所述小腿组件与所述踝关节俯仰/侧翻及检测单元连接，所述足部同时连接所述小腿组件和所述踝关节俯仰/侧翻及检测单元；所述踝关节控制单元包括第一液压伺服阀、第二液压伺服阀、第一端盖和压力传感器，所述第一液压伺服阀和所述第二液压伺服阀安装在所述第一端盖的上端，所述压力传感器安装在所述第一端盖的下端，所述第一端盖与所述小腿组件连接。

Description

一种一体化的仿人机器人踝关节驱动机构
技术领域
本公开涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一体化的仿人机器人踝关节驱动机构。
背景技术
仿人机器人是指可模仿人类的形态和行为的机器人，一般具有仿人的四肢和头部，集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科技术于一体。随着机器人技术的飞速发展，对仿人机器人的各个组成部分提出了更高的要求。
从仿人机器人的踝关节的任务功能来看，它的主要作用是连接小腿和足部，当机器人行走或跑动时，踝关节将配合其它关节时刻调整足部的姿态，为整个机器人完成操作任务提供支持，仿人机器人的踝关节应该具备人类踝关节最基本的运动形式和功能。
为了保障仿人机器人的整体性能，仿人机器人的踝关节设计应当考虑如下几个因素：踝关节应选取合适的驱动方式，为机器人行走或跑动提供足够的驱动力；踝关节处的结构需紧凑，总体尺寸与人类实际尺寸接近，并且所需的驱动系统、传动系统和传感器系统都要与结构本体集成为一体，并且不能影响踝关节运动的实现；踝关节或者足部应设有缓冲装置，缓冲足部所受到的来自地面的冲击力，以防巨大的冲击力造成机加工件或者元器件的损坏。
目前现有技术方案存在着明显的缺陷：一、踝关节采用伺服电机驱动，功率密度、负载能力等各方面无法满足仿人机器人在野外复杂环境下行走对踝关节的性能要求；二、踝关节采用液压伺服驱动时，液压缸均为独立式，结构体积庞大，集成度低。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本公开提出一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，包括踝关节控制单元、小腿组件、踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元和足部，所述踝关节控制单元通过所述小腿组件与所述踝关节俯仰/侧翻及检测单元连接，所述足部同时连接所述小腿组件和所述踝关节俯仰/侧翻及检测单元，其特征在于，
所述踝关节控制单元包括第一液压伺服阀、第二液压伺服阀、第一端盖和压力传感器，所述第一液压伺服阀和所述第二液压伺服阀安装在所述第一端盖的上端，所述压力传感器安装在所述第一端盖的下端，所述第一端盖与所述小腿组件连接。
进一步地，所述踝关节控制单元还包括第一圆柱头螺钉、第二圆柱头螺钉、第一端盖、第一O型密封圈、第三圆柱头螺钉、第二O型密封圈、第三O型密封圈和第一挡圈，所述第一液压伺服阀通过所述第一圆柱头螺钉安装在所述第一端盖上，所述第二液压伺服阀通过所述第二圆柱头螺钉安装在所述第一端盖上，所述第一O型密封圈用于密封所述第一液压伺服阀和所述第二液压伺服阀与所述第一端盖的连接处，所述压力传感器通过所述第二O型密封圈安装在所述第一端盖上，所述第一端盖通过所述第三圆柱头螺钉与所述小腿组件连接，所述第一端盖通过所述第三O型密封圈和所述第一挡圈密封所述第一端盖与所述小腿组件的连接处。
其中，所述踝关节控制单元通过所述小腿组件与所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元连接；所述第一液压伺服阀和所述第二液压伺服阀用于控制踝关节处的两个液压缸中的油液的压力和方向；所述压力传感器用于测量不同油路中的油液压力。
进一步地，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元包括第一支撑环、活塞、第二支撑环、活塞杆、销轴、LVDT传感器和关节轴承，所述第一支撑环与所述活塞相连，所述活塞与所述第二支撑环相连，所述第二支撑环与所述活塞杆相连，所述活塞杆通过所述销轴与所述足部相连，所述LVDT传感器通过所述关节轴承与所述活塞杆连接。
其中，所述活塞可沿所述小腿组件中的滑槽滑动；所述LVDT传感器与所述活塞杆连接，可实时测量所述活塞杆的输出运动；所述第二支撑环中间设有圆孔，可让所述活塞杆穿过，并且与所述第一支撑环共同起着支撑所述活塞与所述活塞杆的作用。
进一步地，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元还包括第四圆柱头螺钉、第一泛塞封、第二泛塞封、第四O型密封圈、第一挡圈、第四圆柱头螺钉和夹持器，所述活塞通过所述第四圆柱头螺钉与所述活塞杆相连，所述第一泛塞封和所述第二泛塞封与所述活塞的两端连接，所述LVDT传感器通过所述关节轴承和所述第四圆柱头螺钉与所述活塞杆连接。
其中，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元还可以设置一个夹持器，用于将所述LVDT传感器的外壳固定在所述小腿组件上；所述第一泛塞封和所述第二泛塞封起密封作用，防止所述活塞两侧油液相通。
进一步地，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元共有两组，每组均由一个俯仰/侧翻机构和一个检测单元组成，所述俯仰/侧翻机构包括所述第一支撑环、所述活塞、所述第二支撑环和所述活塞杆，所述检测单元包括所述销轴、所述LVDT传感器和所述关节轴承。
进一步地，所述足部包括足部支撑件、第二端盖、十字交叉轴、第一弹性组件和第二弹性组件，所述第二端盖与所述足部支撑件固定连接，所述十字交叉轴与所述小腿组件连接、所述第二端盖和所述足部支撑件连接，所述第一弹性组件与所述第二端盖固定连接，所述第二弹性组件与所述足部支撑件固定连接。
其中，所述十字交叉轴包括两侧圆孔和两侧圆柱杆，可沿着两个相互垂直的轴转动，所述十字交叉轴的两侧圆孔与所述小腿组件连接，另两侧圆柱杆分别与所述第二端盖和所述足部支撑件连接；机器人在行走过程中，所述第一弹性组件和所述第二弹性组件的末端同时与地面接触，起缓冲地面冲击力的作用。
进一步地，所述足部还包括两组连杆组件，每组连杆组件由连杆、第一关节轴承和第二关节轴承组成，所述第一关节轴承和所述第二关节轴承安装在所述连杆的两端。
进一步地，所述一体化的仿人机器人踝关节驱动机构还包括进油管和出油管，所述进油管和所述出油管均与所述小腿组件连接。
其中，所述进油管和所述出油管连接在小腿组件的接头上，为踝关节的液压驱动提供油源。
进一步地，所述第一圆柱头螺钉、所述第二圆柱头螺钉、所述第一O型密封圈、所述第三圆柱头螺钉、所述压力传感器、所述第二O型密封圈、所述第三O型密封圈和所述第一挡圈的数目均可以是多个。
本公开的有益效果：
1)采用液压驱动实现踝关节两自由度驱动，为仿人机器人运动过程中提供足够的驱动力，并且所配备的驱动系统、传动系统、传感器系统都与结构本体集成为一体，结构紧凑且保证了关节灵活性。
2)足部设有两个弹性组件，提高了踝关节的性能，可有效缓冲机器人行走过程中来自地面的冲击力。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开具体实施方式的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构的结构示意图；
图2是本公开具体实施方式的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构的踝关节控制单元的结构示意图；
图3是本公开具体实施方式的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构的踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元的结构示意图；
图4是本公开具体实施方式的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构的足部的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-4并结合实施例来详细说明本公开。
一体化的仿人机器人踝关节驱动机构包括踝关节控制单元1、小腿组件2、踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元3和足部4，踝关节控制单元1通过小腿组件2与踝关节俯仰/侧翻及检测单元3连接，足部4与小腿组件2和踝关节俯仰/侧翻及检测单元3同时连接；
踝关节控制单元1包括第一液压伺服阀101、第二液压伺服阀102、第一端盖105和压力传感器108，第一液压伺服阀101和第二液压伺服阀102安装在第一端盖105的上端，压力传感器108安装在第一端盖105的下端，第一端盖105与小腿组件2连接。
踝关节控制单元1还包括第一圆柱头螺钉103、第二圆柱头螺钉104、第一端盖105、第一O型密封圈106、第三圆柱头螺钉107、第二O型密封圈109、第三O型密封圈110和第一挡圈111，第一液压伺服阀101通过第一圆柱头螺钉103安装在第一端盖105上，第二液压伺服阀102通过第二圆柱头螺钉104安装在第一端盖105上，第一O型密封圈106用于密封第一液压伺服阀101和第二液压伺服阀102与第一端盖105的连接处，压力传感器108通过第二O型密封圈109安装在第一端盖105上，第一端盖105通过第三圆柱头螺钉107与小腿组件2连接，第一端盖105通过第三O型密封圈110和第一挡圈111密封第一端盖105与小腿组件2的连接处。
踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元3包括第一支撑环303、活塞305、第二支撑环308、活塞杆309、销轴310、LVDT传感器311和关节轴承312，第一支撑环303与活塞305相连，活塞305与第二支撑环308相连，第二支撑环308与活塞杆309相连，活塞杆309通过销轴310与足部4相连，LVDT传感器311通过关节轴承312与活塞杆309连接。
踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元3还包括第四圆柱头螺钉301、第一泛塞封302、第二泛塞封304、第四O型密封圈306、第一挡圈307和第四圆柱头螺钉313，活塞305通过第四圆柱头螺钉301与活塞杆309相连，第一泛塞封302和第二泛塞封304与活塞305的两端连接，LVDT传感器311通过关节轴承312和第四圆柱头螺钉313与活塞杆309连接。
踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元3共有两组，每组均由一个俯仰/侧翻机构和一个检测单元组成，俯仰/侧翻机构包括第一支撑环303、活塞305、第二支撑环308和活塞杆309，检测单元包括销轴310、LVDT传感器311和关节轴承312。
足部4包括足部支撑件404、第二端盖406、十字交叉轴408、第一弹性组件414和第二弹性组件416，第二端盖406与足部支撑件404固定连接，十字交叉轴408的两侧与小腿组件2连接，另两侧分别与第二端盖406和足部支撑件404连接，第一弹性组件414与第二端盖406固定连接，第二弹性组件416与足部支撑件404固定连接。
足部4还包括两组连杆组件，每组连杆组件由连杆401、第一关节轴承402和第二关节轴承403组成，第一关节轴承402和第二关节轴承403安装在连杆401的两端。
一体化的仿人机器人踝关节驱动机构还包括进油管5和出油管6，进油管5和出油管6均与小腿组件2连接。
第一圆柱头螺钉103、第二圆柱头螺钉104、第一O型密封圈106、第三圆柱头螺钉107、压力传感器108、第二O型密封圈109、第三O型密封圈110和第一挡圈111的数目均可以是多个。
更为详细的，如图2所示，第一液压伺服阀101通过四个第一圆柱头螺钉103安装在第一端盖105上，第二液压伺服阀102通过四个第二圆柱头螺钉104安装在第一端盖105上，这两个液压伺服阀控制踝关节处的两个液压缸中油液的压力和方向，八个第一O型密封圈106用于密封液压伺服阀101、102和第一端盖105的连接处，防止油液的泄漏，四个压力传感器108通过第二O型密封圈109安装在第一端盖105上，用于测量不同油路中的油液压力，所述第一端盖105通过三个第三圆柱头螺钉107与小腿组件2连接，并且通过两组第三O型密封圈110和第一挡圈111密封第一端盖105与小腿组件2的连接处。
如图3所示，踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元3含有两组俯仰/侧翻机构和检测单元，每组包括第四圆柱头螺钉301、第一泛塞封302、第一支撑环303、第二泛塞封304、活塞305、第四O型密封圈306、第一挡圈307、第二支撑环308、活塞杆309、销轴310、LVDT传感器311、关节轴承312、第四圆柱头螺钉313和夹持器314。
活塞305通过第四圆柱头螺钉301与活塞杆309相连，并可沿小腿组件2中的滑槽滑动，第一泛塞封302和第二泛塞封304起密封作用，防止活塞305两侧油液相通，活塞305在运动过程中，第一支撑环303始终与小腿组件2中的滑槽摩擦，第二支撑环308中间设有圆孔，可让活塞杆309穿过，并且与第一支撑环303共同起着支撑活塞305与活塞杆309的作用，活塞杆309通过销轴310与足部4相连，LVDT传感器311通过关节轴承312和第四圆柱头螺钉313与活塞杆309连接，可实时测量活塞杆309的输出运动，夹持器314将LVDT传感器311的外壳固定在小腿组件2上。
如图4所示，两组连杆组件通过第六圆柱头螺钉405与足部支撑件404连接，第二端盖406通过两个第七圆柱头螺钉407与足部支撑件404固定连接，十字交叉轴408的两侧圆孔通过第一铜套410、第二铜套411和第八圆柱头螺钉409与小腿组件2连接，另外两侧圆柱杆通过第三铜套412和第四铜套413分别与第二端盖406和足部支撑件404连接，十字交叉轴408可沿着两个相互垂直的轴转动，所述第一弹性组件414通过第九圆柱头螺钉415与第二端盖406固定连接，所述第二弹性组件416通过第十圆柱头螺钉417与足部支撑件404固连，机器人在行走过程中，两个弹性组件的末端同时与地面接触，起缓冲地面冲击力的作用。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，包括踝关节控制单元(1)、小腿组件(2)、踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元(3)和足部(4)，所述踝关节控制单元(1)通过所述小腿组件(2)与所述踝关节俯仰/侧翻及检测单元(3)连接，所述足部(4)与所述小腿组件(2)和所述踝关节俯仰/侧翻及检测单元(3)同时连接，其特征在于，
所述踝关节控制单元(1)包括第一液压伺服阀(101)、第二液压伺服阀(102)、第一端盖(105)和压力传感器(108)，所述第一液压伺服阀(101)和所述第二液压伺服阀(102)安装在所述第一端盖(105)的上端，所述压力传感器(108)安装在所述第一端盖(105)的下端，所述第一端盖(105)与所述小腿组件(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述踝关节控制单元(1)还包括第一圆柱头螺钉(103)、第二圆柱头螺钉(104)、第一端盖(105)、第一O型密封圈(106)、第三圆柱头螺钉(107)、第二O型密封圈(109)、第三O型密封圈(110)和第一挡圈(111)，所述第一液压伺服阀(101)通过所述第一圆柱头螺钉(103)安装在所述第一端盖(105)上，所述第二液压伺服阀(102)通过所述第二圆柱头螺钉(104)安装在所述第一端盖(105)上，所述第一O型密封圈(106)用于密封所述第一液压伺服阀(101)和所述第二液压伺服阀(102)与所述第一端盖(105)的连接处，所述压力传感器(108)通过所述第二O型密封圈(109)安装在所述第一端盖(105)上，所述第一端盖(105)通过所述第三圆柱头螺钉(107)与所述小腿组件(2)连接，所述第一端盖(105)通过所述第三O型密封圈(110)和所述第一挡圈(111)密封所述第一端盖(105)与所述小腿组件(2)的连接处。
3.根据权利要求1所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元(3)包括第一支撑环(303)、活塞(305)、第二支撑环(308)、活塞杆(309)、销轴(310)、LVDT传感器(311)和关节轴承(312)，所述第一支撑环(303)与所述活塞(305)相连，所述活塞(305)与所述第二支撑环(308)相连，所述第二支撑环(308)与所述活塞杆(309)相连，所述活塞杆(309)通过所述销轴(310)与所述足部(4)相连，所述LVDT传感器(311)通过所述关节轴承(312)与所述活塞杆(309)连接。
4.根据权利要求1或3所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元(3)还包括第四圆柱头螺钉(301)、第一泛塞封(302)、第二泛塞封(304)、第四O型密封圈(306)、第一挡圈(307)和第四圆柱头螺钉(313)，所述活塞(305)通过所述第四圆柱头螺钉(301)与所述活塞杆(309)相连，所述第一泛塞封(302)和所述第二泛塞封(304)与所述活塞(305)的两端连接，所述LVDT传感器(311)通过所述关节轴承(312)和所述第四圆柱头螺钉(313)与所述活塞杆(309)连接。
5.根据权利要求3所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述踝关节俯仰/侧翻机构及检测单元(3)共有两组，每组均由一个俯仰/侧翻机构和一个检测单元组成，所述俯仰/侧翻机构包括所述第一支撑环(303)、所述活塞(305)、所述第二支撑环(308)和所述活塞杆(309)，所述检测单元包括所述销轴(310)、所述LVDT传感器(311)和所述关节轴承(312)。
6.根据权利要求1所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述足部(4)包括足部支撑件(404)、第二端盖(406)、十字交叉轴(408)、第一弹性组件(414)和第二弹性组件(416)，所述第二端盖(406)与所述足部支撑件(404)固定连接，所述十字交叉轴(408)的两侧与所述小腿组件(2)连接，另两侧分别与所述第二端盖(406)和所述足部支撑件(404)连接，所述第一弹性组件(414)与所述第二端盖(406)固定连接，所述第二弹性组件(416)与所述足部支撑件(404)固定连接。
7.根据权利要求1或6所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述足部(4)还包括两组连杆组件，每组连杆组件由连杆(401)、第一关节轴承(402)和第二关节轴承(403)组成，所述第一关节轴承(402)和所述第二关节轴承(403)安装在所述连杆(401)的两端。
8.根据权利要求1所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述一体化的仿人机器人踝关节驱动机构还包括进油管(5)和出油管(6)，所述进油管(5)和所述出油管(6)均与所述小腿组件(2)连接。
9.根据权利要求1或2所述的一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，其特征在于，所述第一圆柱头螺钉(103)、所述第二圆柱头螺钉(104)、所述第一O型密封圈(106)、所述第三圆柱头螺钉(107)、所述压力传感器(108)、所述第二O型密封圈(109)、所述第三O型密封圈(110)和所述第一挡圈(111)的数目均可以是多个。
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