本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于半被動(dòng)雙足機(jī)器人的柔性驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

由于雙足步行機(jī)器人行走方式更加接近人類，能夠快速適應(yīng)人類生存環(huán)境(如生活中的樓梯等)，從而更好地服務(wù)人類。因此，有關(guān)雙足步行機(jī)器人的研究工作在世界范圍內(nèi)得到廣泛開展。

近年來，隨著被動(dòng)行走原理的提出，越來越多的學(xué)者開始著手開發(fā)基于該原理的半被動(dòng)雙足機(jī)器人，此類機(jī)器人具有節(jié)能、行走自然、結(jié)構(gòu)簡單等特性。世界范圍內(nèi)，美國康奈爾大學(xué)(Cornell University)、麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)、荷蘭戴爾福特理工大學(xué)(Delft University of Technology)等研究機(jī)構(gòu)紛紛開發(fā)出系列半被動(dòng)雙足機(jī)器人，它們都可以實(shí)現(xiàn)較為理想的行走。

但分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的半被動(dòng)雙足機(jī)器人所使用的角平分線機(jī)構(gòu)(減少整機(jī)的自由度，以降低控制的難度，同時(shí)保證軀干時(shí)刻保持在下肢的角平分線上)普遍存在結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，工作可靠性較差的問題，而且現(xiàn)有的欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人較多采用剛性驅(qū)動(dòng)(如在關(guān)節(jié)處利用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng))，這使得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中難以保證傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)的柔順性，無法有效應(yīng)對(duì)較大剛性沖擊，進(jìn)而嚴(yán)重影響行走的穩(wěn)定性，同時(shí)，剛性驅(qū)動(dòng)還會(huì)抑制關(guān)節(jié)的自然力學(xué)特性，從而影響到機(jī)器人的行走自然性。由于剛性驅(qū)動(dòng)的種種缺陷，近年來，該領(lǐng)域的研究人員不斷嘗試?yán)萌斯ぜ∪?如氣動(dòng)人工肌肉)的柔性驅(qū)動(dòng)方式對(duì)欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但這種柔性驅(qū)動(dòng)的方式不但體積大、重量高，且驅(qū)動(dòng)效率低，而利用高效率的電機(jī)結(jié)合彈簧的柔性驅(qū)動(dòng)方可能是一種較好的柔性驅(qū)動(dòng)方式。

綜觀上述半被動(dòng)雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，急需一種集成結(jié)構(gòu)簡單、可靠性佳的角平分線機(jī)構(gòu)與高效、輕巧柔性驅(qū)動(dòng)于一體的用于半被動(dòng)雙足機(jī)器人的柔性驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有半被動(dòng)雙足步行機(jī)普遍存在的角平分線機(jī)構(gòu)復(fù)雜、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)不完善的問題，而提供一種用于半被動(dòng)雙足機(jī)器人的柔性驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)，該柔性驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)具有角平分線機(jī)構(gòu)簡潔、柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)緊湊，可使行走更加自然的特點(diǎn)。

本發(fā)明包括角平分線機(jī)構(gòu)和髖關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

所述的角平分線機(jī)構(gòu)包含第一連接件、第一連桿、第二連桿、套筒、第三連桿、第二連接件等。其中，髖部支架通過定位銷固定在軸的中部，第四銷軸以螺紋連接的方式固定在髖部支架上部，第二連桿中部與第四銷軸鉸接，構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。一對(duì)連桿連接件鉸接在第一連桿的兩端構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。第一銷軸與第一連接件固連，對(duì)稱布置的第一連桿與第一連接件鉸接。套筒的上端與第一連桿以螺紋連接的方式固連，套筒的下端與第三連桿的上端構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第三連桿通過第二銷軸與第二連接件鉸接，對(duì)稱分布的第三銷軸以螺紋連接的方式固定在腿部連接件上，第三銷軸與第二連接件構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副；角平分線機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)腿部連接件運(yùn)動(dòng)的耦合，在不增加多余自由度的情況下，使髖部支架時(shí)刻保持在兩側(cè)腿部連接件運(yùn)動(dòng)的角平分線上。

所述的髖關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱分布，髖關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、右側(cè)舵機(jī)、左側(cè)舵機(jī)，右側(cè)舵機(jī)、左側(cè)舵機(jī)分別通過兩對(duì)內(nèi)六角螺釘對(duì)稱布置在髖部支架的兩側(cè)，右側(cè)舵機(jī)通過右側(cè)第一齒輪及右側(cè)第二齒輪將動(dòng)力傳遞給右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，左側(cè)舵機(jī)通過左側(cè)第一齒輪及左側(cè)第二齒輪將動(dòng)力傳遞給左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件；第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件分別通過均勻布置在內(nèi)側(cè)的四個(gè)第一拉簧固定件牽引拉簧帶動(dòng)固連在第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件上的四個(gè)第二拉簧固定件，從而實(shí)現(xiàn)右側(cè)舵機(jī)、左側(cè)舵機(jī)分別對(duì)腿部連接件的柔性驅(qū)動(dòng)，腿部連接件與第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件固連，右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件、左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件分別通過一對(duì)第一軸承與軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，對(duì)稱分布的第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件通過一對(duì)第二軸承與軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，軸套、軸承固定螺母用來確定第一軸承與第二軸承的相對(duì)位置。

本發(fā)明的工作過程和原理：

在具體的工作過程中，右側(cè)舵機(jī)與左側(cè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)總保持大小相等、方向相反的狀態(tài)，結(jié)合角平分線機(jī)構(gòu)的使用，可以很好地模擬雙足行走的步態(tài)，由于右側(cè)舵機(jī)與左側(cè)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)是由拉簧進(jìn)行傳遞的，故不存在剛性驅(qū)動(dòng)所帶來的慣性沖擊等問題，帶給系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，還可以更好地對(duì)生物的雙足行走運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，體現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的自然力學(xué)特性使行走步態(tài)更加自然。該部分在模擬生物肌肉驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，將拉簧集成在右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件及左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件這樣的圓形結(jié)構(gòu)中，使整體機(jī)構(gòu)簡單、緊湊，避免了直線型柔性驅(qū)動(dòng)體積占用過大的問題。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了廣泛應(yīng)用在欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人上的角平分線機(jī)構(gòu)，本設(shè)計(jì)為連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，連接均為鉸連接，工作穩(wěn)定可靠。

2、本發(fā)明采用柔性驅(qū)動(dòng)的方式，避免了剛性驅(qū)動(dòng)帶來的剛性沖擊大、行走不自然等問題，同時(shí)本發(fā)明的柔性驅(qū)動(dòng)整體集成在一個(gè)圓形結(jié)構(gòu)中，易于與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(如舵機(jī))相結(jié)合，結(jié)構(gòu)緊湊、合理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體示意圖。

圖2為本發(fā)明的主視圖。

圖3為圖2的局部剖視圖。

圖4為圖2的左視圖。

其中：1-髖部支架；2-第一銷軸；3-第一連接件；4-第一連桿；5-第二連桿；6-套筒；7-第三連桿；8-第二銷軸；9-第二連接件；10-第三銷軸；11-第四銷軸；12-定位銷；13-腿部連接件；14-內(nèi)六角螺釘；1501-右側(cè)舵機(jī)；1502-左側(cè)舵機(jī)；1601-右側(cè)第一齒輪；1602-左側(cè)第一齒輪；1701-右側(cè)第二齒輪；1702-左側(cè)第二齒輪；1801-右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件；1802-左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件；19-軸；20-第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件；21-第一軸承；22-軸套；23-軸承固定螺母；24-第二軸承；25-第一拉簧固定件；26-拉簧；27-第二拉簧固定件。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3及圖4所示，本實(shí)施例包括角平分線機(jī)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

所述的角平分線機(jī)構(gòu)包含第一連接件3、第一連桿4、第二連桿5、套筒6、第三連桿7、第二連接件9，髖部支架1通過定位銷12固定在軸19的中部，第四銷軸11以螺紋連接的方式固定在髖部支架1上部，第二連桿5中部與第四銷軸11鉸接構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副；一對(duì)連桿連接件3鉸接在第一連桿4的兩端構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副；第一銷軸2與第一連接件3固連，對(duì)稱布置的第一連桿4與第一連接件3鉸接；套筒6的上端與第一連桿4以螺紋連接的方式固連，套筒6的下端與第三連桿7的上端構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第三連桿7通過第二銷軸8與第二連接件9鉸接，對(duì)稱分布的第三銷軸10以螺紋連接的方式固定在腿部連接件13上，第三銷軸10與第二連接件9構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副；角平分線機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)兩側(cè)腿部連接件13運(yùn)動(dòng)的耦合，在不增加多余自由度的情況下，使髖部支架1時(shí)刻保持在兩側(cè)腿部連接件13運(yùn)動(dòng)的角平分線上。

所述的髖關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱分布，髖關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1801、左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1802、第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件20、右側(cè)舵機(jī)1501和左側(cè)舵機(jī)1502，右側(cè)舵機(jī)1501和左側(cè)舵機(jī)1502分別通過兩對(duì)內(nèi)六角螺釘14對(duì)稱布置在髖部支架1的兩側(cè)，右側(cè)舵機(jī)1501通過右側(cè)第一齒輪1601及右側(cè)第二齒輪1701將動(dòng)力傳遞給右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1801，左側(cè)舵機(jī)1502通過左側(cè)第一齒輪1602及左側(cè)第二齒輪1702將動(dòng)力傳遞給左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1802；第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1801和第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1802分別通過均勻布置在內(nèi)側(cè)的四個(gè)第一拉簧固定件25牽引拉簧26帶動(dòng)固連在第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件20上的四個(gè)第二拉簧固定件27，從而實(shí)現(xiàn)右側(cè)舵機(jī)1501、左側(cè)舵機(jī)1502分別對(duì)腿部連接件13的柔性驅(qū)動(dòng)；腿部連接件13與第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件20固連，右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1801、左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1802分別通過一對(duì)第一軸承21與軸19構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，對(duì)稱分布的第二柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件20通過一對(duì)第二軸承24與軸19構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，軸套22和軸承固定螺母23用來確定第一軸承21與第二軸承24的相對(duì)位置；右側(cè)舵機(jī)1501和左側(cè)舵機(jī)1502為相同舵機(jī)，右側(cè)第一齒輪1601和左側(cè)第一齒輪1602為相同齒輪，右側(cè)第二齒輪1701和左側(cè)第二齒輪1702為相同齒輪，第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1801和第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1802為結(jié)構(gòu)相同構(gòu)件。

在具體的工作過程中，右側(cè)舵機(jī)1501與左側(cè)舵機(jī)1502的轉(zhuǎn)動(dòng)總保持大小相等、方向相反的狀態(tài)，結(jié)合角平分線機(jī)構(gòu)的使用，可以很好地模擬雙足行走的步態(tài)，由于右側(cè)舵機(jī)1501與左側(cè)舵機(jī)1502的驅(qū)動(dòng)是由拉簧26進(jìn)行傳遞的，故不存在剛性驅(qū)動(dòng)所帶來的慣性沖擊等問題，帶給系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，還可以更好地對(duì)生物的雙足行走運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，體現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的自然力學(xué)特性使行走步態(tài)更加自然。該部分在模擬生物肌肉驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，將拉簧26集成在右側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1801及左側(cè)第一柔性驅(qū)動(dòng)構(gòu)件1802這樣的圓形結(jié)構(gòu)中，使整體機(jī)構(gòu)簡單、緊湊，避免了直線型柔性驅(qū)動(dòng)體積占用過大的問題。