CN108145743A - 一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，属于仿人机器人领域。它包括由关节壳A、柔性垫A和均力板A组成的股骨半关节，由关节壳B、柔性垫B和均力板B组成的胫腓半关节，相互交叉连接关节壳A与关节壳B的前交叉韧带和后交叉韧带，两端分别连接机械股骨与机械腓骨的腓骨弹簧，两端分别连接机械股骨与机械胫骨的胫骨弹簧，装设于关节壳A与关节壳B之间的柔性密封圈；关节壳A与关节壳B结构完全相同、对称装设，其中部相互靠近的部位设有一个球形凹槽；球形凹槽内部装设有关节球和关节液。本发明是一种无固定铰链连接、具有弯曲和扭转自由度、可发生微小关节变形的柔性膝关节。

Description

一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节
技术领域
本发明属于仿人机器人领域，特指一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节。
背景技术
在机器人的设计中，膝关节的设计尤为重要，这是因为膝关节不仅要实现大腿与小腿之间的相对运动，还要具有一定的柔度，能够吸收膝关节处的冲击能量。现有技术的机器人中，膝关节大多由具有固定转动中心的铰链组成，即膝关节的刚度太大，缺少柔性，容易受到外界冲击的损害。因此，设计一种基于人体膝关节结构模式的柔性膝关节具有一定的应用价值。
发明内容
本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种无固定铰链连接、具有弯曲和扭转自由度、可发生微小关节变形的柔性膝关节。
为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，它包括由关节壳A、柔性垫A和均力板A组成的股骨半关节，由关节壳B、柔性垫B和均力板B组成的胫腓半关节，相互交叉连接所述关节壳A与所述关节壳B的前交叉韧带和后交叉韧带，两端分别连接机械股骨与机械腓骨的腓骨弹簧，两端分别连接所述机械股骨与机械胫骨的胫骨弹簧，装设于所述关节壳A与所述关节壳B之间的柔性密封圈；所述关节壳A与所述关节壳B结构完全相同、对称装设，其中部相互靠近的部位设有一个球形凹槽；所述球形凹槽内部装设有关节球和关节液。
进一步的，所述柔性垫A与所述柔性垫B为非金属材料制作的、可发生微小弹性变形的圆柱体。
进一步的，所述均力板A与所述均力板B为圆形非金属高强度薄板；所述关节壳A和所述关节壳B由高强度的镁铝合金制作。
进一步的，所述胫骨弹簧的刚度为所述腓骨弹簧刚度的3～5倍，且二者处于零受力状态时，所述机械股骨与所述机械胫骨成45度夹角。
进一步的，所述关节球为由聚四氟乙烯制作的实现球体，其直径略小于所述关节壳A与所述关节壳B上的球形凹槽直径。
进一步的，所述柔性密封圈为空心圆柱体，其内壁与所述关节壳A、所述关节壳B组成的封闭空间内充满关节液，所述关节球装设于所述柔性密封圈的正中部。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节设有两个关节壳与一个关节球，关节壳内充满关节液，从而使得机械股骨与机械胫骨具有两个方向的运动自由度，能够相对转动和扭转。
(2)本发明的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节还设有前交叉韧带和后交叉韧带，用于锁紧关节球，同时腓骨弹簧与胫骨弹簧的设置增加了膝关节的运动稳定性。由此可知，本发明实现了膝关节的完全和扭转运动、消除了固定铰链的刚性连接，增加了膝关节的伸缩柔性，更加接近于人体的膝关节特征。
附图说明
图1是本发明的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节的结构原理示意图。
图中，10—关节壳A，11—柔性垫A，12—均力板A，20—关节壳B，21—柔性垫B，22—均力板B；30—柔性密封圈；31—关节球；32—关节液；41—前交叉韧带；42—后交叉韧带；51—腓骨弹簧；52—胫骨弹簧；6—机械股骨；7—机械腓骨；8—机械胫骨。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，包括由关节壳A10、柔性垫A11和均力板A12组成的股骨半关节，由关节壳B20、柔性垫B21和均力板B22组成的胫腓半关节，相互交叉连接关节壳A10与关节壳B20的前交叉韧带41和后交叉韧带42，两端分别连接机械股骨6与机械腓骨7的腓骨弹簧51，两端分别连接机械股骨6与机械胫骨8的胫骨弹簧52，装设于关节壳A10与关节壳B20之间的柔性密封圈30；关节壳A10与关节壳B20结构完全相同、对称装设，其中部相互靠近的部位设有一个球形凹槽；球形凹槽内部装设有关节球31和关节液32。
参见图1所示，柔性垫A11与柔性垫B21为非金属材料制作的、可发生微小弹性变形的圆柱体，作为优选的，柔性垫A11与柔性垫B21可采用耐腐蚀的合成橡胶制作。
参见图1所示，均力板A12与均力板B22为圆形非金属高强度薄板，能够把受到的作用力更加均匀地施加与机械股骨6或机械胫骨8；关节壳A10和关节壳B20由高强度的镁铝合金制作，作为优选的，关节壳A10和关节壳B20的弹性模量大于2×105MPa。
参见图1所示，胫骨弹簧52的刚度为腓骨弹簧51刚度的3～5倍，且二者处于零受力状态时，机械股骨6与机械胫骨8成45度夹角；作为优选的，腓骨弹簧51可选用高弹性非金属材料制作，胫骨弹簧52可选用抗拉伸的金属螺旋弹簧。
参见图1所示，关节球31为由聚四氟乙烯制作的实现球体，其直径略小于关节壳A10与关节壳B20上的球形凹槽直径。
参见图1所示，柔性密封圈30为空心圆柱体，其内壁与关节壳A10、关节壳B20组成的封闭空间内充满关节液32，关节球31装设于柔性密封圈30的正中部。作为优选的，关节液32可选用能够让关节球31容易发生滚动的润滑液体。
前交叉韧带41和后交叉韧带42刚好可以把关节球31裹住，以防止关节球31从关节壳A10或关节壳B20中滑出；当机械股骨6与机械胫骨8受到相互远离的作用力时，前交叉韧带41和后交叉韧带42发生微小的伸长，从而使得关节壳A10与关节壳B20发生微小的远离运动，即增加了膝关节的伸缩柔性；当当机械股骨6与机械胫骨8受到相互靠近的作用力时，柔性垫A11和柔性垫B21同时发生弹性压缩变形，对冲击力吸收，之后柔性密封圈30再次发生压缩变形吸收剩余的冲击力。
应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，其特征在于：包括由关节壳A(10)、柔性垫A(11)和均力板A(12)组成的股骨半关节，由关节壳B(20)、柔性垫B(21)和均力板B(22)组成的胫腓半关节，相互交叉连接所述关节壳A(10)与所述关节壳B(20)的前交叉韧带(41)和后交叉韧带(42)，两端分别连接机械股骨(6)与机械腓骨(7)的腓骨弹簧(51)，两端分别连接所述机械股骨(6)与机械胫骨(8)的胫骨弹簧(52)，装设于所述关节壳A(10)与所述关节壳B(20)之间的柔性密封圈(30)；所述关节壳A(10)与所述关节壳B(20)结构完全相同、对称装设，其中部相互靠近的部位设有一个球形凹槽；所述球形凹槽内部装设有关节球(31)和关节液(32)。
2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，其特征在于：所述柔性垫A(11)与所述柔性垫B(21)为非金属材料制作的、可发生微小弹性变形的圆柱体。
3.根据权利要求1所述的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，其特征在于：所述均力板A(12)与所述均力板B(22)为圆形非金属高强度薄板；所述关节壳A(10)和所述关节壳B(20)由高强度的镁铝合金制作。
4.根据权利要求1所述的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，其特征在于：所述胫骨弹簧(52)的刚度为所述腓骨弹簧(51)刚度的3～5倍，且二者处于零受力状态时，所述机械股骨(6)与所述机械胫骨(8)成45度夹角。
5.根据权利要求1所述的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，其特征在于：所述关节球(31)为由聚四氟乙烯制作的实现球体，其直径略小于所述关节壳A(10)与所述关节壳B(20)上的球形凹槽直径。
6.根据权利要求1所述的一种仿人机器人专用的双自由度柔性膝关节，其特征在于：所述柔性密封圈(30)为空心圆柱体，其内壁与所述关节壳A(10)、所述关节壳B(20)组成的封闭空间内充满关节液(32)，所述关节球(31)装设于所述柔性密封圈(30)的正中部。
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