CN205521477U - 一种液压冗余驱动的两自由度球面并联的仿生踝关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液压冗余驱动的两自由度球面并联的仿生踝关节。该仿生踝关节主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成。支撑中心球面副支链包括支撑半球窝、圆柱形直输出杆、脚板、球头、圆柱形推杆和机体支架。两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自机体支架至支撑半球窝依次均由侧摆液压缸缸体、侧摆液压缸推杆、半圆弧型叉组成。俯仰运动支链自机体支架至支撑半球窝依次由上复合铰链叉架、俯仰液压缸缸体、俯仰液压缸推杆、下复合铰链叉架组成。本实用新型结构简单、驱动装置布置方便、承载能力强，肢体的运动更加快速、灵活，从而在结构、运动和功能上最大限度接近人体踝关节的实际状态。

Description

一种液压冗余驱动的两自由度球面并联的仿生踝关节

技术领域 本实用新型属于人形机器人领域，特别是人形机器人仿生踝关节。

背景技术 并联机构特别是具有中心球面副的球面并联机构，作为机构集合的一部分，具有刚度高、承载能力高、响应速度快、精度高等优点。近年来，随着人们对并联机构理论研究和应用研究的逐步深入，一些人开始考虑将并联机构引入到人形机器人踝关节的研究中。

和其它类型的传动装置相比，在同等功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻，因此惯性小、动作灵敏，可实现快速启动、制动和频繁的换向；容易实现无级调速，调速范围较大；容易实现过载保护，运转平稳，可吸收运动过程中产生的冲击和振动；可根据需要方便、灵活地来布置，结构紧凑。

冗余驱动具有提高球面并联机构精度容错能力、减小并联机构雅可比矩阵的条件数(增加灵活度)和增加并联机构刚度等优点。冗余驱动并联机构一般有两种方式。一种是在保证机构自由度不变的前提下直接在原来并联机构的基础上增加驱动关节,这种方式虽然简单,但是增加了机构的不对称性,影响了机构的动力学性能,并且机构的运动学反解和正解会变得比较复杂。另一种方式是增加一条与机构中的支链完全相同的支链,并保证机构的自由度不变,然后在增加的支链中引入驱动关节,构成冗余驱动并联机构。这种方式可以非常容易地将驱动器安装在基座上,保持机构的对称性,使得运动学反解简单,同时还可以消除运动学正解的多解问题。

发明内容 本实用新型的目的在于，结合并联机构、液压驱动、冗余驱动的优点，提供一种液压冗余驱动的具有中心球面副的两自由度球面并联的仿生踝关 节，该仿生踝关节具有结构简单、空间尺寸小、驱动装置布置方便、仿生水平接近人体踝关节实际状态等优点。本实用新型主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成。所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝、圆柱形直输出杆、脚板、球头、圆柱形推杆和机体支架。其中，支撑半球窝为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，该直输出杆的下端与脚板上端面固联，支撑半球窝的内凹球面内设有球头，两者中心重合构成球面副，该球头上部与圆柱形推杆下端固联，该圆柱形推杆的轴线过球头中心点，该圆柱形推杆上部与机体支架相连，该机体支架内开有截面呈矩形的通孔，该矩形通孔底部接有弓型支撑块，其圆弧外表面与半圆弧型叉的圆弧内表面重合，该弓型支撑块的圆弧外表面所在轴线过支撑半球窝球心，在上述机体支架两侧，对称分布两个支耳，两支耳分别与两侧摆液压缸缸体上部通过销轴构成转动连接。

两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自机体支架至支撑半球窝依次均由侧摆液压缸缸体、侧摆液压缸推杆、半圆弧型叉组成。其中，侧摆液压缸缸体上部与机体支架侧部支耳通过销轴构成转动连接，侧摆液压缸缸体与侧摆液压缸推杆通过活塞构成圆柱副连接，对称结构的半圆弧型叉穿过机体支架的矩形通孔，其圆弧内表面与弓型支撑块的圆弧外表面重合，且其轴向宽度的中间平面过圆柱形推杆的轴线，该半圆弧型叉两侧对称分布两个支耳，侧摆液压缸推杆下部与支耳通过销轴构成转动副连接，该转动副轴线与半圆弧型叉轴线平行，半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两 支撑销轴构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上端面平行。两侧摆液压缸通过侧摆液压缸推杆，一拉一推协调运作，驱动半圆弧型叉带动支撑半球窝，实现支撑半球窝和圆柱形直输出杆及脚板的侧向滚动(Roll)运动。

所述的俯仰运动支链自机体支架至支撑半球窝依次由上复合铰链叉架、俯仰液压缸缸体、俯仰液压缸推杆、下复合铰链叉架组成。其中，俯仰液压缸缸体上端与机体支架通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线与圆柱形推杆轴线垂直相交；另一横向转动副为两端对称与俯仰液压缸缸体上部形成转动连接，该俯仰液压缸缸体与俯仰液压缸推杆通过活塞构成圆柱副连接，该俯仰液压缸推杆的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与俯仰液压缸推杆的下端形成转动连接。俯仰液压缸俯通过仰液压缸推杆带动支撑半球窝和圆柱形直输出杆完成脚底俯仰(Pitch)运动。

本实用新型结合了并联机构、液压驱动、冗余驱动的优点，具有高过约束、大刚度和卸载特性，在形态、结构、和功能上最大限度接近人体踝关节实际状态；采用液压驱动，使得该关节结构简单、紧凑、驱动装置布置方便，提高了肢体驱动能力、操作能力，使肢体的运动更加快速、灵活、平滑连续，改善肢体协调及姿态变换能力；增加一条对称分布的侧摆运动支链,形成冗余驱动，提高仿生踝关节精度容错能力，增加关节灵活度和机构刚度。

总之，该仿生踝关节对于提高人形机器人的机动能力、操作能力、承载能力、运动稳定性、肢体运动的协调能力及姿态变化、运动的控制性能有重要意义和价值。

附图说明：

图1是本实用新型立体示意简图。

图2是弓型支撑块示意简图。

具体实施方式：

实施例1：

结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

液压冗余驱动的两自由度球面并联的仿生踝关节，主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成。所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝1、圆柱形直输出杆2、脚板3、球头4、圆柱形推杆5和机体支架6。其中，支撑半球窝1为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝1下端面与圆柱形直输出杆2上端固联，该直输出杆2的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝1的回转轴重合，该直输出杆2的下端与脚板上端面固联，支撑半球窝1的内凹球面内设有球头4，两者中心重合构成球面副，该球头4上部与圆柱形推杆5下端固联，该圆柱形推杆5的轴线过球头4中心点，该圆柱形推杆5上部与机体支架6相连，该机体支架6内开有截面呈矩形的通孔，该矩形通孔底部接有弓型支撑块12，其圆弧外表面与半圆弧型叉10的圆弧内表面重合，该弓型支撑块12的圆弧外表面所在轴线过支撑半球窝1球心，在上述机体支架6两侧，对称分布两个支耳7，两支耳7分别与两侧摆液压缸缸体9上部通过销轴8构成转动连接。

两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自机体支架6至支撑半球窝1依次均由侧摆液压缸缸体9、侧摆液压缸推杆11、半圆弧型叉10组成。其中，侧摆液压缸缸体9上部与机体支架6侧部支耳7通过销轴8构成转动连接，侧摆液压缸缸体9与侧摆液压缸推杆11通过活塞构成圆柱副连接，对称结构的半圆弧型叉10穿过机体支架的矩形通孔，其圆弧内表面与弓型支撑块12的圆弧外表面重合，且其轴向宽度的中间平面过圆柱形推杆5的轴线，该半圆弧型叉10两侧对称分布两个支耳13，侧摆液压缸推杆11下部与支耳13通过销轴14构成转动副连接，该转动副轴线与半圆弧型叉10轴线平行，半圆弧型叉10在下端与支撑半球窝1通过两支撑销轴15构成转动连接，该两支撑销轴15的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝1的球心，同时与支撑半球窝1的上端面平行。两侧摆液压缸通过侧摆液压缸推杆11，一拉一推协调运作，驱动半圆弧型叉10带动支撑半球窝1，实现支撑半球窝1和圆柱形直输出杆2及脚板3的侧向滚动(Roll)运动。

所述的俯仰运动支链自机体支架6至支撑半球窝1依次由上复合铰链叉架19、俯仰液压缸缸体18、俯仰液压缸推杆17、下复合铰链叉架16组成。其中，俯仰液压缸缸体18上端与机体支架6通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架19连接，该上复合铰链叉架19的竖向转动副轴线与圆柱形推杆5轴线垂直相交；另一横向转动副为两端对称与俯仰液压缸缸体18上部形成转动连接，该俯仰液压缸缸体18与俯仰液压缸推杆17通过活塞构成圆柱副连接，该俯仰液压缸推杆17的下端与支撑半球窝1外壁通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架16连接，该下复合铰链叉架16的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝1的中心，并与侧摆支链中的半圆弧型叉10下端的两 个支撑销轴15公共轴线相垂直，且与支撑半球窝1的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与俯仰液压缸推杆17的下端形成转动连接。俯仰液压缸通过仰液压缸推杆17带动支撑半球窝1、圆柱形直输出杆2和脚板3完成俯仰(Pitch)运动。

Claims (1)

1.一种液压冗余驱动的两自由度球面并联的仿生踝关节，其特征是：该仿生踝关节主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成；所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝、圆柱形直输出杆、脚板、球头、圆柱形推杆和机体支架，其中，支撑半球窝为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，该直输出杆的下端与脚板上端面固联，支撑半球窝的内凹球面内设有球头，两者中心重合构成球面副，该球头上部与圆柱形推杆下端固联，该圆柱形推杆的轴线过球头中心点，该圆柱形推杆上部与机体支架相连，该机体支架内开有截面呈矩形的通孔，该矩形通孔底部接有弓型支撑块，其圆弧外表面与半圆弧型叉的圆弧内表面重合，该弓型支撑块的圆弧外表面所在轴线过支撑半球窝球心，在上述机体支架两侧，对称分布两个支耳，两支耳分别与两侧摆液压缸缸体上部通过销轴构成转动连接；两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自机体支架至支撑半球窝依次均由侧摆液压缸缸体、侧摆液压缸推杆、半圆弧型叉组成，其中，侧摆液压缸缸体上部与机体支架侧部支耳通过销轴构成转动连接，侧摆液压缸缸体与侧摆液压缸推杆通过活塞构成圆柱副连接，对称结构的半圆弧型叉穿过机体支架的矩形通孔，其圆弧内表面与弓型支撑块的圆弧外表面重合，且其轴向宽度的中间平面过圆柱形推杆的轴线，该半圆弧型叉两侧对称分布两个支耳，侧摆液压缸推杆下部与支耳通过销轴构成转动副连接，该转动副轴线与半圆弧型叉轴线平行，半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两支撑销轴构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上 端面平行；所述的俯仰运动支链自机体支架至支撑半球窝依次由上复合铰链叉架、俯仰液压缸缸体、俯仰液压缸推杆、下复合铰链叉架组成，其中，俯仰液压缸缸体上端与机体支架通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线与圆柱形推杆轴线垂直相交，另一横向转动副为两端对称与俯仰液压缸缸体上部形成转动连接，该俯仰液压缸缸体与俯仰液压缸推杆通过活塞构成圆柱副连接，该俯仰液压缸推杆的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与俯仰液压缸推杆的下端形成转动连接。