CN108527436B - 一种仿鸵鸟高速稳定性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿鸵鸟高速稳定性关节，由第一刚性杆件、后侧上端凸台、外侧上端凸台、外侧交叉柔性元件、后侧平行柔性元件、外侧关节间缓冲垫、内六角螺钉、外侧下端凸台、后侧下端凸台、第二刚性杆件、前侧下端凸台、内侧下端凸台、内侧交叉柔性元件、双弹簧缓冲座、内侧关节间缓冲垫、缓冲滑块、前侧平行柔性元件、盘头螺钉、内侧上端凸台和前侧上端凸台组成；本发明通过对鸵鸟跗骨间关节特殊关节形貌、软组织结构以及类棘轮和三角籽骨等限位特征进行工程仿生，设计了一种可应用于高速运动具有内外旋、缓冲、拮抗、限位特征的仿生关节。该关节连接运动副为球面副，可以承受不同地面环境造成的各项载荷而不会导致关节表面的磨损。

Description

一种仿鸵鸟高速稳定性关节

技术领域

本发明属于机器人领域和工程仿生领域，具体涉及一种仿鸵鸟高速稳定性关节。

背景技术

现有的机械关节多为铰接结构，仅有矢状面旋转一个自由度，而机器人面对复杂的外界环境时，将对关节处造成各向载荷，因此会对关节造成不同程度的磨损。此外，铰接结构多为刚性连接，在关节高速运动时，会产生刚性冲击，同时，在转动惯量较大的情况下，也会发生过度伸展的问题。

鸵鸟是世界上现存的奔跑速度最快的双足动物，冲刺时速超70km/h，常年生活在沙漠、荒原地带。鸵鸟跗骨间关节，位于腿部中间位置，无肌肉包裹，关节周围只有筋膜、内外侧韧带、前后侧肌腱维持稳定。但是，面对复杂多变的荒漠地形，无肌肉保护的跗骨间关节却仍能保持高速稳定运动。

为了适应高速运动和复杂的地面环境，鸵鸟跗骨间关节关节头和关节窝相对于其他动物关节存在明显差异。胫骨外侧关节头和跗趾骨外侧关节窝与矢状面平行，胫骨内侧关节头和跗趾骨内侧关节窝与矢状面朝内侧呈15°夹角。在关节弯曲时会伴随内旋，在关节伸展时会伴随外旋。同时，胫骨后部存在类似棘轮结构和三角形籽骨，防止关节过度伸展。

鸵鸟跗骨间关节由胫骨末端和跗趾骨近端组成，骨质表面有软骨组织，关节间存在半月板。这些软组织在鸵鸟高速运动的过程中，能够通过形变吸收关节间的冲击。鸵鸟跗骨间关节处的筋膜、内外侧韧带和前后侧韧带相互作用形成拮抗系统，在鸵鸟跗骨间关节高速运动的时候，仍能保持运动的平顺性和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿鸵鸟高速稳定性关节，以解决现存刚性铰接关节易磨损、刚性冲击、过度伸展、稳定性差、波动性高等问题。

本发明通过对鸵鸟跗骨间关节特殊关节形貌、软组织结构以及类棘轮和三角籽骨等限位特征进行工程仿生，设计了一种可应用于高速运动具有内外旋、缓冲、拮抗、限位特征的仿生关节；该关节连接运动副为球面副，因此可以承受不同地面环境造成的各项载荷而不会导致关节表面的磨损。

一种仿鸵鸟高速稳定性关节，由第一刚性杆件、后侧上端凸台、外侧上端凸台、外侧交叉柔性元件、后侧平行柔性元件、外侧关节间缓冲垫、内六角螺钉、外侧下端凸台、后侧下端凸台、第二刚性杆件、前侧下端凸台、内侧下端凸台、内侧交叉柔性元件、双弹簧缓冲座、内侧关节间缓冲垫、缓冲滑块、前侧平行柔性元件、盘头螺钉、内侧上端凸台和前侧上端凸台组成；

外侧交叉柔性元件包括外侧交叉外侧柔性元件和外侧交叉内侧柔性元件；内侧交叉柔性元件包括内侧交叉外侧柔性元件和内侧交叉内侧柔性元件；

第一刚性杆件与第二刚性杆件通过内侧交叉柔性元件、外侧交叉柔性元件、前侧平行柔性元件和后侧平行柔性元件配合第一刚性杆件的关节头与第二刚性杆件的关节窝连接在一起；第一刚性杆件和第二刚性杆件之间的运动副为球面副；

内侧交叉柔性元件通过盘头螺钉固定在内侧上端凸台与内侧下端凸台之间；外侧交叉柔性元件通过盘头螺钉固定在外侧上端凸台与外侧下端凸台之间；前侧平行柔性元件通过盘头螺钉固定在前侧上端凸台与前侧下端凸台之间；后侧平行柔性元件通过盘头螺钉固定在后侧上端凸台与后侧下端凸台之间；所有柔性元件保持一定的预紧程度，保证关节的啮合；

第一刚性杆件关节头和第二刚性杆件关节窝之间存在外侧关节间缓冲垫和内侧关节间缓冲垫，在关节高速运动时可以吸收关节之间的冲击；

第二刚性杆件关节窝处设置有一个凹槽，双弹簧缓冲座通过内六角螺钉以螺纹方式与第二刚性杆件连接，双弹簧缓冲座上固连有一个缓冲滑块，第一刚性杆件关节头后端设置有一个棘轮，双弹簧缓冲座、缓冲滑块与第一刚性杆件后端棘轮相互作用，可以防止关节过度伸展；

第一刚性杆件的外侧关节头与矢状面平行，第一刚性杆件内侧关节头与关节矢状面朝内侧呈15°夹角；第二刚性杆件的外侧关节窝与矢状面平行，第二刚性杆件的内侧关节窝与矢状面朝内侧呈15°夹角。

本发明的工作原理：

整个关节在弯曲时对应为离地过程，伸展时为触地过程，弯曲时，由于第一刚性杆件外侧关节头和第二刚性杆件外侧关节窝与矢状面平行，第一刚性杆件内侧关节头与第二刚性杆件内侧关节窝朝内侧呈15°夹角，关节会产生内旋，此外，由于离地过程，机构不对关节施加压力，因此内侧关节间缓冲垫、外侧关节间缓冲垫将第一刚性杆件关节头撑起，承载区分离，由于内侧交叉柔性元件、外侧交叉柔性元件和前侧平行柔性元件、后侧平行柔性元件5的预紧作用，仅第一刚性杆件关节头和第二刚性杆件关节窝接触，同时，内侧交叉内侧柔性元件、外侧交叉内侧柔性元件拉伸，内侧交叉外侧柔性元件、外侧交叉外侧柔性元件收缩；前侧平行柔性元件收缩，后侧平行柔性元件拉伸；伸展时，关节对应会产生外旋，此外，由于触地过程，机构对关节施加压力，压缩内侧关节间缓冲垫、外侧关节间缓冲垫接触，承载区啮合，同时外侧交叉外侧柔性元件、内侧交叉外侧柔性元件拉伸；外侧交叉内侧柔性元件、内侧交叉内侧柔性元件收缩；前侧平行柔性元件拉伸，后侧平行柔性元件收缩；双弹簧缓冲座、缓冲滑块与第一刚性杆件后端棘轮相互作用，可以防止关节过度伸展。

本发明的有益效果：

(1)通过内侧关节头和关节窝相对于矢状面的特殊布置，使关节实现内外旋的作用，使腿部结构在收腿时内旋，伸腿时外旋，提升结构稳定性。

(2)通过关节间内外侧缓冲垫，吸收高速运动时的关节间冲击，同时根据关节触地和离地过程对关节间接触面积的不同需求，使承载区域自动分离、啮合；弯曲时使承载区分离，减小接触面积，降低关节间阻力；伸展时承载区域啮合，增大接触面积，减小关节表面压强，同时加强关节触地的稳定性。

(3)通过内外侧柔性元件、前后侧交叉柔性元件形成拮抗系统，有益于关节的柔顺性和平稳性。

(4)通过棘轮和双弹簧缓冲结构，对关节起到限位缓冲作用，防止关节过度伸展。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的后视图。

图3为本发明的右视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明的第一刚性杆件的内、外关节头和承载区。

图6为本发明的第二刚性杆件的内、外关节窝和承载区。

图7为本发明的棘轮缓冲限位结构。

其中：1-第一刚性杆件；2-后侧上端凸台；3-外侧上端凸台；4-外侧交叉柔性元件；41-外侧交叉外侧柔性元件；42-外侧交叉内侧柔性元件；5-后侧平行柔性元件；6-外侧关节间缓冲垫；7-内六角螺钉；8-外侧下端凸台；9-后侧下端凸台；10-第二刚性杆件；11-前侧下端凸台；12-内侧下端凸台；13-内侧交叉柔性元件；131-内侧交叉外侧柔性元件；132-内侧交叉内侧柔性元件；14-双弹簧缓冲座；15-内侧关节间缓冲垫；16-缓冲滑块；17-前侧平行柔性元件；18-盘头螺钉；19-内侧上端凸台；20-前侧上端凸台；

具体实施方式

请参阅图1至图7所示，本发明的关节与机体远的一端为外侧，近的一端为内侧；一种仿鸵鸟高速稳定性关节，由第一刚性杆件1、后侧上端凸台2、外侧上端凸台3、外侧交叉柔性元件4、后侧平行柔性元件5、外侧关节间缓冲垫6、内六角螺钉7、外侧下端凸台8、后侧下端凸台9、第二刚性杆件10、前侧下端凸台11、内侧下端凸台12、内侧交叉柔性元件13、双弹簧缓冲座14、内侧关节间缓冲垫15、缓冲滑块16、前侧平行柔性元件17、盘头螺钉18、内侧上端凸台19和前侧上端凸台20组成；

外侧交叉柔性元件4包括外侧交叉外侧柔性元件41和外侧交叉内侧柔性元件42；内侧交叉柔性元件13包括内侧交叉外侧柔性元件131和内侧交叉内侧柔性元件132；

第一刚性杆件1与第二刚性杆件10通过内侧交叉柔性元件13、外侧交叉柔性元件4、前侧平行柔性元件17和后侧平行柔性元件5配合第一刚性杆件1的关节头与第二刚性杆件10的关节窝连接在一起；第一刚性杆件1和第二刚性杆件10之间的运动副为球面副；

内侧交叉柔性元件13通过盘头螺钉18固定在内侧上端凸台19与内侧下端凸台12之间；外侧交叉柔性元件4通过盘头螺钉18固定在外侧上端凸台3与外侧下端凸台8之间；前侧平行柔性元件17通过盘头螺钉18固定在前侧上端凸台20与前侧下端凸台11之间；后侧平行柔性元件5通过盘头螺钉18固定在后侧上端凸台2与后侧下端凸台9之间；所有柔性元件保持一定的预紧程度，保证关节的啮合；

第一刚性杆件1关节头和第二刚性杆件10关节窝之间存在外侧关节间缓冲垫6和内侧关节间缓冲垫15，在关节高速运动时可以吸收关节之间的冲击；

第二刚性杆件10关节窝处设置有一个凹槽，双弹簧缓冲座14通过内六角螺钉7以螺纹方式与第二刚性杆件10连接，双弹簧缓冲座14上固连有一个缓冲滑块16，第一刚性杆件1关节头后端设置有一个棘轮，双弹簧缓冲座14、缓冲滑块16与第一刚性杆件1后端棘轮相互作用，可以防止关节过度伸展；

第一刚性杆件1的外侧关节头与矢状面平行，第一刚性杆件1内侧关节头与关节矢状面朝内侧呈15°夹角；第二刚性杆件10的外侧关节窝与矢状面平行，第二刚性杆件10的内侧关节窝与矢状面朝内侧呈15°夹角。

本实施例的工作原理及使用过程：

整个关节在弯曲时对应为离地过程，伸展时为触地过程，弯曲时，由于第一刚性杆件1外侧关节头和第二刚性杆件10外侧关节窝与矢状面平行，第一刚性杆件11内侧关节头与第二刚性杆件10内侧关节窝朝内侧呈15°夹角，关节会产生内旋，此外，由于离地过程，机构不对关节施加压力，因此内侧关节间缓冲垫15、外侧关节间缓冲垫6将第一刚性杆件1关节头撑起，承载区分离，由于内侧交叉柔性元件13、外侧交叉柔性元件4和前侧平行柔性元件17、后侧平行柔性元件5的预紧作用，仅第一刚性杆件1关节头和第二刚性杆件10关节窝接触，同时，内侧交叉内侧柔性元件132、外侧交叉内侧柔性元件42拉伸，内侧交叉外侧柔性元件131、外侧交叉外侧柔性元件41收缩；前侧平行柔性元件17收缩，后侧平行柔性元件5拉伸；伸展时，关节对应会产生外旋，此外，由于触地过程，机构对关节施加压力，压缩内侧关节间缓冲垫15、外侧关节间缓冲垫6接触，承载区啮合，同时外侧交叉外侧柔性元件41、内侧交叉外侧柔性元件131拉伸；外侧交叉内侧柔性元件42、内侧交叉内侧柔性元件132收缩；前侧平行柔性元件17拉伸，后侧平行柔性元件5收缩；双弹簧缓冲座14、缓冲滑块16与第一刚性杆件1后端棘轮相互作用，可以防止关节过度伸展。

Claims (1)

1.一种仿鸵鸟高速稳定性关节，其特征在于：由第一刚性杆件(1)、后侧上端凸台(2)、外侧上端凸台(3)、外侧交叉柔性元件(4)、后侧平行柔性元件(5)、外侧关节间缓冲垫(6)、内六角螺钉(7)、外侧下端凸台(8)、后侧下端凸台(9)、第二刚性杆件(10)、前侧下端凸台(11)、内侧下端凸台(12)、内侧交叉柔性元件(13)、双弹簧缓冲座(14)、内侧关节间缓冲垫(15)、缓冲滑块(16)、前侧平行柔性元件(17)、盘头螺钉(18)、内侧上端凸台(19)和前侧上端凸台(20)组成；

外侧交叉柔性元件(4)包括外侧交叉外侧柔性元件(41)和外侧交叉内侧柔性元件(42)；内侧交叉柔性元件(13)包括内侧交叉外侧柔性元件(131)和内侧交叉内侧柔性元件(132)；

第一刚性杆件(1)与第二刚性杆件(10)通过内侧交叉柔性元件(13)、外侧交叉柔性元件(4)、前侧平行柔性元件(17)和后侧平行柔性元件(5)配合第一刚性杆件(1)的关节头与第二刚性杆件(10)的关节窝连接在一起；第一刚性杆件(1)和第二刚性杆件(10)之间的运动副为球面副；

内侧交叉柔性元件(13)通过盘头螺钉(18)固定在内侧上端凸台(19)与内侧下端凸台(12)之间；外侧交叉柔性元件(4)通过盘头螺钉(18)固定在外侧上端凸台(3)与外侧下端凸台(8)之间；前侧平行柔性元件(17)通过盘头螺钉(18)固定在前侧上端凸台(20)与前侧下端凸台(11)之间；后侧平行柔性元件(5)通过盘头螺钉(18)固定在后侧上端凸台(2)与后侧下端凸台(9)之间；所有柔性元件保持一定的预紧程度，保证关节的啮合；

第一刚性杆件(1)关节头和第二刚性杆件(10)关节窝之间存在外侧关节间缓冲垫(6)和内侧关节间缓冲垫(15)；

第二刚性杆件(10)关节窝处设置有一个凹槽，双弹簧缓冲座(14)通过内六角螺钉(7)以螺纹方式与第二刚性杆件(10)连接，双弹簧缓冲座(14)上固连有一个缓冲滑块(16)，第一刚性杆件(1)关节头后端设置有一个棘轮；

第一刚性杆件(1)的外侧关节头与矢状面平行，第一刚性杆件(1)内侧关节头与关节矢状面朝内侧呈15°夹角；第二刚性杆件(10)的外侧关节窝与矢状面平行，第二刚性杆件(10)的内侧关节窝与矢状面朝内侧呈15°夹角。

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