CN1123430C - 拟人机器人踝关节四连杆机构传动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拟人机器人踝关节四连杆机构传动装置，包括脚、小腿、曲柄摇杆机构等。曲柄摇杆机构中的连接轴的一端与踝俯仰方向关节轴正交固联并与踝横滚方向关节轴平行，另一端与连杆一端相互铰接，连杆的另一端与偏心轮相互铰接，偏心轮固定在行星齿轮减速机构输出轴上，电机通过转轴驱动齿轮减速机构。本发明的装置利用脚和小腿的空间，使下肢结构分布均匀、疏密得当、错落紧凑、轻便，有益于减少整个下肢的尺寸、体积和重量。
Description
本发明涉及一种拟人机器人踝关节四连杆机构传动装置，属拟人机器人技术领域。
腿部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一，因为它对整个拟人机器人的能量效率有很大的影响。要实现拟人功能，拟人机器人都必须自身携带能源，由于拟人机器人重量和体积是有限制的，所携带的能源在重量和体积土也受一定限制，只能用其有限的能源来完成作业。要想获得更远距离的拟人式步行和更长时间的工作，唯一的方法是提高步行腿的效率，其中腿部结构的合理设计是提高效率的重要并有效的途径。
在拟人机器人步行腿研究中，国内外都是以人为对象，通过机械仿生人的双足运动特性，并进行必要的简化，从各种步态入手，采用不同的结构传动装置，做了许多实验，积累了较丰富的经验。但是，从查阅的中国专利信息网等有关资料来看，目前有关拟人机器人双足传动装置公布的不多，有关拟人机器人下肢踝横滚方向关节运动传动装置的专利文献几乎没有。
到目前为此，国内、外所研制的拟人机器人下肢踝横滚方向关节运动的传动结构方案中，有一种是采用以丝杆机构为核心的传动装置以实现步行腿踝横滚方向关节运动。
采用以丝杆机构为核心的变减速比传动装置以实现步行腿踝横滚方向关节运动的，因考虑结构布置等，大多采用双丝杆机构以协同实现踝横滚和俯仰两个方向关节运动，其结构如图2所示。其中，1是脚，2是踝的横滚方向关节轴，3是踝的俯仰方向关节轴，4是小腿，12是踝部电机等驱动装置(固定在小腿4上)，13是传动丝杆，14是可沿着平行于丝杆的导轨上下移动的螺母，15是球面副，16是连杆，22是固定在脚上的轴承座，23是固定在小腿上的轴承座。踝的横滚方向关节轴2和俯仰方向关节轴3互相正交固联，连杆16以球面副15分别与螺母14和脚1相联接，电机等驱动装置12通过传动丝杆13输出转速和转矩，带动螺母沿导轨上下运动，连杆16通过球面副15将螺母14的运动和力矩传给脚1，实现变比传动。两对传动装置协同实现踝的横滚和俯仰方向关节运动。该传动装置结构虽然较紧凑，但对丝杆、导轨和球面副的制造、安装精度要求相当高，运动容易偶合，算法较复杂，加大了控制的难度。
由于要实现踝横滚方向关节运动，所要求的转矩变化范围较大，变化率也较大。如采用定减速比传动装置，则要求电机输出的转矩和转速也按同样规律变化，其变化范围及其变化率均较大，这不利于电机的选取和使用。此时，如采用平均转矩和平均转速(平均功率)法来选取电机，在一个运动周期中，必将有一段较长的超载时期；如以峰值力矩或峰值功率为参考来选取电机，则电机大部分时间都将处于较低功率运转阶段，不利于电机的有效使用；同时，电机等的尺寸、体积和重量也将加大，不利于整个拟人腿结构的布置和优化。
本发明的目的是设计一种拟人机器人踝关节四连杆机构传动装置，用以实现拟人机器人踝横滚方向关节运动的四连杆机构传动装置。该装置采用直流伺服电机、自带行星齿轮减速器以及曲柄摇杆机构来实现变减速比传动。
本发明设计的拟人机器人踝关节四连杆机构传动装置，包括脚、小腿、踝横滚方向关节轴、踝俯仰方向关节轴和电机。其中踝横滚方向关节轴和踝俯仰方向关节轴正交固联，踝横滚方向关节轴通过固定在脚上的轴承座与脚部相互铰接，踝俯仰方向关节轴通过固定在小腿上的轴承座与小腿相互铰接。该装置还包括曲柄摇杆机构和行星齿轮减速机构，曲柄摇杆机构包括偏心轮、连杆和连接轴，连接轴的一端与踝俯仰方向关节轴正交固联并与踝横滚方向关节轴平行，另一端与连杆一端相互铰接，连杆的另一端与偏心轮相互铰接，偏心轮固定在行星齿轮减速机构输出轴上，直流无刷电机通过电机转轴驱动固联其上的行星齿轮减速机构。
本发明传动装置中，直流无刷伺服电机和行星齿轮减速器布置在脚掌内内侧，平行于脚掌，踝的俯仰关节轴在踝横滚方向关节运动中实现曲柄摇杆机构中摇杆的功能。
该装置能较好地拟合拟人机器人踝横滚方向关节的运动特性。电机能以较平缓变化的曲线输出转矩和功率，经该传动装置变比放大，从而获得踝横滚方向关节运动所需的较复杂、较剧烈变化的功率和转矩输入，从而大大地削减了对电机的峰值输出转矩和峰值输出功率的要求，利于电机的合理选用，大大提高了电机的使用寿命和使用性能，具有较好的能效性。并有助于电机选取的小型化，利于腿部结构的合理配置。
该装置较合理地利用了脚和小腿的空间，使本拟人机器人整个下肢结构分布均匀、疏密得当、错落紧凑、轻便，有益于减少整个下肢的尺寸、体积和重量。以经典四连杆机构为核心构成的本发明传动装置结构简单，容易保证制造、加工和装配质量。
附图说明：
图1是拟人机器人下肢关节结构示意图。
图2是已有技术中采用双丝杆结构协同实现踝横滚和俯仰两个方向关节运动的拟人机器人背面踝结构示意图。
图3是本发明用于拟人机器人踝横滚方向关节运动的四连杆机构传动装置示意图(右踝背面视图)。
结合附图详细介绍本发明的内容：
图1至图3中，1是脚，2是踝的横滚方向关节轴，3是踝的俯仰方向关节轴，4是小腿，5是膝的俯仰方向关节轴，6是大腿，7是髋的横滚方向关节轴，8是髋架，9是髋的偏航方向关节轴，10是上身，11是髋的俯仰关节轴，12是踝部电机等驱动装置(固定在小腿4上)，13是传动丝杆，14是可沿着平行于丝杆的导轨上下移动的螺母，15是球面副，16是连杆，17是直流无刷伺服电机，18是行星齿轮减速机构，19是偏心轮，20是连杆，21是连接轴，22是固定在脚1上的轴承座，23是固定在小腿4上的轴承座。拟人机器人整个下肢具有2*6＝12个关节自由度。
本发明装置包括脚1，小腿4，踝横滚方向关节轴2，踝俯仰方向关节轴3，分别固定在脚上和小腿上的轴承座22、23和电机17。其中踝横滚方向关节轴2和踝俯仰方向关节轴3正交固联，踝横滚方向关节轴2通过固定在脚1上的轴承座22与脚部1相互铰接，踝俯仰方向关节轴3通过固定在小腿4上的轴承座23与小腿4相互铰接。其特征在于还包括曲柄摇杆机构19、20、21、3和行星齿轮减速机构18，所述的曲柄摇杆机构包括偏心轮19，连杆20，连接轴21；所述的连接轴21的一端与踝俯仰方向关节轴3正交固联并与踝横滚方向关节轴2平行，另一端与连杆20一端相互铰接，连杆20的另一端与偏心轮19相互铰接，偏心轮19固定在行星齿轮减速机构18输出轴上，直流无刷电机17通过电机转轴驱动固联其上的行星齿轮减速机构18。
本发明装置中，直流无刷伺服电机17和行星齿轮减速器18布置在脚掌内内侧，平行于脚掌，踝的俯仰关节轴3在踝横滚方向关节运动中实现曲柄摇杆机构中摇杆的功能。
由直流无刷伺服电机17输出转矩和功率，经行星齿轮减速机构18放大后输入偏心轮19，再利用曲柄摇杆机构19、20、21、3的变减速比性质放大，从而获得拟人机器人踝横滚方向关节运动所需的变力矩和变功率。
运用控制单元，适时控制直流无刷伺服电机功率和转矩的输出，再经由本发明的四连杆机构传动装置，实现变减速比放大输入踝横滚方向关节，从而实现拟人机器人踝横滚方向关节运动。这样就能以较平缓的电机功率和转矩输出，获得到拟人机器人踝横滚方向关节运动所需的较复杂、较剧烈变化的功率和转矩输入，从而较好的实现拟人机器人踝横滚方向关节运动的功能。
Claims (1)
1、一种拟人机器人踝关节四连杆机构传动装置，包括脚、小腿、踝横滚方向关节轴、踝俯仰方向关节轴和电机，其中踝横滚方向关节轴和踝俯仰方向关节轴正交固联，踝横滚方向关节轴通过固定在脚上的轴承座与脚部相互铰接，踝俯仰方向关节轴通过固定在小腿上的轴承座与小腿相互铰接，其特征在于该装置还包括曲柄摇杆机构和行星齿轮减速机构；所述的曲柄摇杆机构包括偏心轮、连杆和连接轴，连接轴的一端与踝俯仰方向关节轴正交固联并与踝横滚方向关节轴平行，另一端与连杆一端相互铰接，连杆的另一端与偏心轮相互铰接，偏心轮固定在行星齿轮减速机构输出轴上，电机通过电机转轴驱动固联其上的行星齿轮减速机构。
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