CN109878594B - 一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及足式行走机器人领域，特别涉及一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构，它包括基体架（1），1号法兰（2），扭簧（3），舵机支架（4），腿部杆件（5），舵机（6），2号法兰（7）、足部（10）和连杆（11），通过采用舵机和扭簧组合所构成的主被动驱动并联柔性关节（9），可以改变电机输出扭矩的性质。传统纯电机驱动关节的正反向实际输出扭矩是对称的，与电机正反向的输出扭矩对称性一致，但引入扭簧或其它弹性元件后，实际输出扭矩会在一个转动方向增大，而在另外一个转动方向减少。这个扭矩输出非对称性特点非常适合足式机器人支撑腿需要大扭矩输出而摆动腿不需要大扭矩输出的特性，可在运动过程中提升其能量转化率。

Description

一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构

技术领域

本发明涉及足式行走机器人领域，特别涉及一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构。

背景技术

足式机器人对地面环境的要求较低，它可以跨越障碍，走沙石地，过沼泽等特殊地形，适用于物资运输、工程勘探、抢险救援、军事侦察、反恐防爆等劳力的、危险的或人类无法完成的工作。维持其运动所需的关节力矩与机器人自身的重量及其负载相关，为了提供充足的动力以实现克服自身重力矩做功，往往需要较大功率电机或者价格高昂的高能量密度电机来驱动，这类电机或是重量较大，提高了自身载荷，或是价格高昂，提高了生产成本。采用电机和弹性元件并联的形式，可以牺牲一个方向的扭矩大小，在另一个方向上使得扭矩大小加倍，这个特性可满足足式机器人的控制需求。另一方面，现有的足式机器人在电机掉电的情形下往往是折叠态，无法维持其站立的姿态，采用机械式柔性关节设计，可以在电机不驱动的情形下保持整机的刚度和站立的姿态。

发明内容

本发明要解决的问题是设计一种足式机器人用的关节机构，要求其结构简单，采用机械结构的方式，结合电机（主动驱动）和扭簧（被动驱动）结构，实现单方向力矩放大，性能可靠，可在电机掉电的情形下保持关节姿态和整机站立姿态，同时柔性元件扭簧可将足式机器人奔跑过程中质心下降所释放的重力势能转化为弹性势能，在必要阶段释放，提高能量的利用率和运动的平稳性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构，它包括基体架，1号法兰，扭簧，舵机支架，腿部杆件，舵机，2号法兰、足部和连杆。

基体架与机器人躯干相连接，足部的一端部与腿部杆件的一端部铰接，且连杆的一端部铰接在足部上，连杆的另一端部铰接在与舵机支架相连接的支架上，1号法兰的A端从基体架A孔的外端穿过，依次穿过扭簧（3）和舵机支架的C孔，位于1号法兰B端的4个小孔与基体架A孔周围的4个孔通过螺栓螺母固定；扭簧的一端引脚与基体架固定连接，另一端引脚与舵机支架固定连接；舵机的A、B、C、D四个孔分别与舵机支架的A1、B1、C1、D1四个孔通过螺栓螺母连接；2号法兰的A孔套在舵机的输出轴上，2号法兰的A孔相对的B端的4个孔分别与基体架A孔相对的B端孔周边的4个孔通过螺钉螺栓连接，形成主被动驱动并联柔性关节；腿部杆件另一端部的A、B、C、D孔与舵机支架的A2、B2、C2、D2孔通过螺栓螺母连接。

在足式结构中，基体架与机器人躯干相连接，腿部杆件与腿部其他杆件相连接，组成多自由度或多关节足式串联腿部机构。同样配置下，本技术方案可以拓展到多自由度或多关节串联机械臂机构。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过采用电机和扭簧组合所构成的主被动并联的柔性关节，可以改变电机输出扭矩的性质。正常情况下实际输出的扭矩等于电机的输出扭矩，但引入扭簧或其它弹性元件后，实际输出扭矩会在一个转动方向放大，而在另外一个转动方向减少。这个扭矩输出非对称性特点适合足式机器人的运动特性，支撑腿需要较大扭矩输出，摆动腿不需要太大扭矩输出，同时柔性元件扭簧的引入可领足式机器人在无动力状态下保持站立的刚度，同时在运动过程中提升其能量转化率。

附图说明

图1 主被动驱动并联柔性关节机构组件示意图；

图2 主被动驱动并联柔性关节爆炸示意图；

图3 基体架结构示意图；

图4 舵机支架结构示意图；

图5 舵机示意图；

图6 1号法兰结构示意图；

图7 2号法兰结构示意图；

图8 腿部杆件结构示意图；

图中：基体架（1），1号法兰（2），扭簧（3），舵机支架（4），腿部杆件（5），2号法兰（7），舵机（6）的输出轴（8）,主被动驱动并联柔性关节（9），足部（10）和连杆（11）。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步说明。

本发明要解决的问题是设计一种足式机器人用的关节机构，要求其结构简单，采用机械结构的方式，结合电机和扭簧结构，实现单方向力矩放大，性能可靠，可在电机掉电的情形下保持关节姿态和整机站立姿态，同时柔性元件扭簧可将足式机器人奔跑过程中质心下降所释放的重力势能转化为弹性势能，在必要阶段释放，提高能量的利用率和运动的平稳性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

如图1所示，一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构，它包括基体架（1），1号法兰（2），扭簧（3），舵机支架（4），腿部杆件（5），舵机（6），2号法兰（7）、足部（10）和连杆（11）。

如图2所示，基体架与机器人躯干相连接，足部（10）的一端部与腿部杆件（5）的一端部铰接，且连杆（11）的一端部铰接在足部（10）上，连杆（11）的另一端部铰接在与舵机支架（4）相连接的支架上；1号法兰（2）的A端从基体架（1）A孔的外端穿过，依次穿过扭簧（3）和舵机支架（4）的C孔，位于1号法兰（2）B端的4个小孔与基体架（1）A孔周围的4个孔通过螺栓螺母固定；扭簧（3）的一端引脚与基体架（1）固定连接，另一端引脚与舵机支架（4）固定连接；舵机（6）的A、B、C、D四个孔分别与舵机支架（4）的A1、B1、C1、D1四个孔通过螺栓螺母连接；2号法兰（7）的A孔套在舵机（6）的输出轴（8）上，2号法兰（7）的A孔相对的B端的4个孔分别与基体架（1）A孔相对的B端孔周边的4个孔通过螺钉螺栓连接，形成主被动驱动并联柔性关节（9）；腿部杆件（5）另一端部的A、B、C、D孔与舵机支架（4）的A2、B2、C2、D2孔通过螺栓螺母连接。

在足式结构中，如图1所示，基体架与机器人躯干相连接，腿部杆件与腿部其他杆件相连接，组成多自由度或多关节足式串联腿部机构。同样配置下，本技术方案可以拓展到多自由度或多关节串联机械臂机构。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过采用电机和扭簧组合所构成的主被动并联的柔性关节，可以改变电机输出扭矩的性质。正常情况下实际输出的扭矩等于电机的输出扭矩，但引入扭簧或其它弹性元件后，实际输出扭矩会在一个转动方向放大，而在另外一个转动方向减少。这个扭矩输出非对称性特点适合足式机器人的运动特性，支撑腿需要较大扭矩输出，摆动腿不需要太大扭矩输出，同时柔性元件扭簧的引入可领足式机器人在无动力状态下保持站立的刚度，同时在运动过程中提升其能量转化率。

Claims (1)

1.一种具有主被动驱动并联柔性关节的腿部机构，其特征在于：它包括基体架（1）、1号法兰（2）、扭簧（3）、舵机支架（4）、腿部杆件（5）、舵机（6）、2号法兰（7）、足部（10）和连杆（11），基体架与机器人躯干相连接，足部（10）的一端部与腿部杆件（5）的一端部铰接，且连杆（11）的一端部铰接在足部（10）上，连杆（11）的另一端部连接在与舵机支架（4）相连接的支架上，形成多自由度或多关节足式串联腿部机构，1号法兰（2）的A端从基体架（1）A孔的外端穿过，依次穿过扭簧（3）和舵机支架（4）的C孔，位于1号法兰（2）B端的4个小孔与基体架（1）A孔周围的4个孔通过螺栓螺母固定；扭簧（3）的一端引脚与基体架（1）固定连接，另一端引脚与舵机支架（4）固定连接；舵机（6）的A、B、C、D四个孔分别与舵机支架（4）的A1、B1、C1、D1四个孔通过螺栓螺母连接；2号法兰（7）的A孔套在舵机（6）的输出轴（8）上，2号法兰（7）的A孔相对的B端的4个孔分别与基体架（1）A孔相对的B端孔周边的4个孔通过螺钉螺栓连接，形成主被动驱动并联柔性关节（9）；腿部杆件（5）另一端部的A、B、C、D孔与舵机支架（4）的A2、B2、C2、D2孔通过螺栓螺母连接，其中舵机（6）可由其他电机或液压马达旋转执行器替代，其安装固定形式与舵机（6）相同，在舵机（6）的输出轴线上安装角度传感器或角速度传感器，实现位置闭环控制以应用高精度位置控制算法，或者在舵机的输出轴线或者主被动驱动并联柔性关节的旋转轴上安装力矩传感器，实现力闭环控制以应用高精度力控制算法，或者在舵机的输出轴线或者主被动驱动并联柔性关节的旋转轴上同时安装角度传感器和力矩传感器，实现力位闭环控制以应用高精度力位混合控制算法、阻抗控制算法或柔顺性控制算法，舵机和扭簧结构，实现单方向力矩放大，可在舵机掉电的情形下保持关节姿态和整机站立姿态，同时扭簧可将足式机器人奔跑过程中质心下降所释放的重力势能转化为弹性势能，在必要阶段释放，提高能量的利用率和运动的平稳性。

Images