專利名稱：可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)，尤其涉及一種可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
受大自然中跳躍、步行動(dòng)物行走方式的啟發(fā)，推動(dòng)了對(duì)被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人的研 究。被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人是一種類似人類行走的腿式機(jī)器人，腿式機(jī)器人腿部有多個(gè)自由 度，運(yùn)動(dòng)靈活、穩(wěn)定性高，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列的離散足跡，可以到達(dá)輪式和履帶式機(jī)器人 無(wú)法到達(dá)的地方。在研究被動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人行走過(guò)程中，如果只是通過(guò)調(diào)整機(jī)器人本身 的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是一個(gè)很棘手的問(wèn)題，調(diào)整過(guò)程中不僅費(fèi)時(shí)，還需要大量的實(shí)驗(yàn)。此外，被 動(dòng)動(dòng)態(tài)步行機(jī)器人行走過(guò)程中必然會(huì)與地面發(fā)生碰撞，這一過(guò)程機(jī)器人腳質(zhì)心速度的迅速 變化會(huì)損失相當(dāng)大的能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能提高腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能效性、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高速運(yùn)動(dòng)可 調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，所述被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)分別與小腿支撐 座和大腿支撐座相連接，所述被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)包括彈簧卷筒，所述彈簧卷筒的內(nèi)部裝有關(guān) 節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置，所述彈簧卷筒與所述大腿支撐座相連接，所述關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝 置的伸出端通過(guò)第二小腿支撐板與所述小腿支撐座連接；所述關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置包括平面非接觸渦卷彈簧，所述平面非接觸渦卷彈簧 內(nèi)端與彈簧卷軸連接，外端與彈簧卷筒連接，所述彈簧卷軸中間為空心，內(nèi)有剛度調(diào)節(jié)電 機(jī)，所述剛度調(diào)節(jié)電機(jī)包括剛度調(diào)節(jié)減速器、伺服電機(jī)和編碼器，所述剛度調(diào)節(jié)減速器連接 有主傳動(dòng)裝置，所述彈簧卷軸一端與剛度調(diào)節(jié)電機(jī)連接，所述平面非接觸渦卷彈簧節(jié)距中 間由支撐桿支撐，所述支撐桿一端通過(guò)主傳動(dòng)裝置與剛度調(diào)節(jié)減速器連接，另一端與副傳 動(dòng)裝置連接，所述支撐桿與所述主傳動(dòng)裝置和副傳動(dòng)裝置之間能夠徑向相對(duì)移動(dòng)。所述彈簧卷筒的一端部設(shè)有端面，另一端連接有卷筒端蓋，所述彈簧卷筒的端面 與大腿支撐座的一側(cè)通過(guò)螺栓連接，與所述第二小腿支撐板通過(guò)軸承連接，所述卷筒端蓋 與所述大腿支撐座的另一側(cè)通過(guò)螺栓相連接，與所述第一小腿支撐板通過(guò)軸承連接。所述彈簧卷筒的壁上沿圓周方向設(shè)有多對(duì)通孔，所述平面非接觸渦卷彈簧的外端 與所述多對(duì)通孔中的任一對(duì)通孔連接。所述平面非接觸渦卷彈簧的內(nèi)端與所述彈簧卷軸通過(guò)螺栓連接。所述平面非接觸渦卷彈簧節(jié)距中間的支撐桿由彈簧卷軸和凸輪支撐，所述凸輪與 所述副傳動(dòng)裝置通過(guò)軸承連接。所述第一小腿支撐板和第二小腿支撐板與所述小腿支撐座通過(guò)螺栓連接，所述彈 簧卷軸與軸承端蓋通過(guò)螺栓連接，所述軸承端蓋與所述第一小腿支撐板通過(guò)螺栓連接，所述小腿支撐座相對(duì)所述彈簧卷軸靜止。所述副傳動(dòng)裝置和主傳動(dòng)裝置的外緣分別設(shè)有薄圈。所述支撐桿能夠沿所述凸輪的面進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器 人關(guān)節(jié)，由于被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的彈簧卷筒的內(nèi)部裝有關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置，關(guān)節(jié)剛度彈 性調(diào)節(jié)裝置包括平面非接觸渦卷彈簧，平面非接觸渦卷彈簧節(jié)距間的支撐桿與傳動(dòng)裝置有 徑向運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置連接有剛度調(diào)節(jié)電機(jī)。能提高腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能效性、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高速 運(yùn)動(dòng)。


圖1為本發(fā)明可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為本發(fā)明中關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b為本發(fā)明中關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置整體的結(jié)構(gòu)示意圖(隱藏彈簧卷筒和卷 筒端蓋)；圖3為本發(fā)明中彈性卷筒的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明中彈簧卷筒與卷筒端蓋合裝(沒(méi)有安裝大、小腿支座和兩個(gè)小腿支 撐板)后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a、5b為本發(fā)明中渦卷彈簧兩側(cè)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6a、圖6b為本發(fā)明中凸輪與彈簧卷軸的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.大腿支撐座 2.卷筒端蓋 3.彈簧卷筒 4.第一小腿支撐板 5.小 腿支撐座6.第二小腿支撐板連接小腿支撐座的螺栓7.第二小腿支撐板8.彈簧卷筒 連接平面渦卷彈簧螺栓9.軸承10.傳動(dòng)裝置(只顯示出一小部分)11.大腿支撐座 連接平面渦卷彈簧的螺栓 12.副傳動(dòng)裝置 13.軸承端蓋 14.伺服電機(jī)(帶編碼器) 15.凸輪16.彈簧卷軸(一端有一凸輪)17.支撐桿18.減速器(輸出軸一小部分) 19.主傳動(dòng)裝置20.平面非接觸渦卷彈簧。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖1、圖2a、 圖2b所示，被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)分別與小腿支撐座5和大腿支撐座1相連接，被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié) 包括彈簧卷筒3，所述彈簧卷筒3的內(nèi)部裝有關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置，所述彈簧卷筒3與所 述大腿支撐座1相連接，所述關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置的伸出端與所述小腿支撐板7連接，所 述關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置包括平面非接觸渦卷彈簧20，所述平面非接觸渦卷彈簧20內(nèi)端 連接有彈簧卷軸16，外端連接有彈簧卷筒3，所述平面非接觸渦卷彈簧節(jié)距中間由支撐桿 支撐17，支撐桿通過(guò)主傳動(dòng)裝置19連接剛度調(diào)節(jié)減速器18(圖中只示出減速器輸出軸一小 部分)。如圖3、圖4所示，所述彈簧卷筒3的端部設(shè)有卷筒端面3-2，所述卷筒端面3_2上 的螺紋孔3-3與所述大腿支撐座1的一側(cè)通過(guò)螺栓相連接，與所述第二小腿支撐板7通過(guò) 軸承連接。彈簧卷筒3的一端設(shè)有彈簧卷筒端面3-2，與彈簧卷筒3屬于一體。所述彈簧卷筒3的壁上沿圓周方向設(shè)有多對(duì)通孔3-1，所述平面非接觸渦卷彈簧20的外端與所述多對(duì)通孔3-1中的任一對(duì)通孔連接。所述平面非接觸渦卷彈簧20的內(nèi)端與彈簧卷軸通過(guò)螺栓連接。渦卷彈簧節(jié)距中間的支撐桿17由彈簧卷軸16和凸輪15支撐。所述凸輪15與所述副傳動(dòng)裝置12通過(guò)軸承連接，與所述軸承端蓋13通過(guò)螺栓連接。凸輪15與彈簧卷軸16的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖6a、圖6b。所述軸承端蓋13與所述彈簧卷筒3端部的卷筒端蓋2通過(guò)軸承連接，與第一小腿 支撐板4通過(guò)螺栓連接。所述第一小腿支撐板4和第二小腿支撐板7與所述小腿支撐座5通過(guò)螺栓連接。如圖5a、圖5b所示，所述副傳動(dòng)裝置12主和傳動(dòng)裝置19的外緣分別設(shè)有薄圈 12-1和19-1。主要是增強(qiáng)支撐件12-2和19-2的強(qiáng)度，防止變形。本發(fā)明的可調(diào)剛度彈簧被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，通過(guò)小功率電機(jī)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行 調(diào)節(jié)，通過(guò)改變平面非接觸渦卷彈簧的有效工作長(zhǎng)度，進(jìn)行剛度彈性的調(diào)節(jié)，通過(guò)該改變剛 性，使步行機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能效性達(dá)到最優(yōu)，在調(diào)節(jié)剛度的過(guò)程中，關(guān)節(jié)的零位沒(méi)有發(fā) 生改變；彈簧卷筒壁上的通孔，是根據(jù)實(shí)際要求調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)在不受力情況下，大腿與小腿(關(guān) 節(jié))的初始角度而選擇。應(yīng)用到振動(dòng)領(lǐng)域，該裝置可以調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。本發(fā)明的可調(diào)剛度彈簧被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，能提高腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能效性，實(shí)現(xiàn) 動(dòng)態(tài)高速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人被動(dòng)動(dòng)力學(xué)周期運(yùn)動(dòng)。并對(duì)設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)進(jìn)行小型化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量消耗有所減少。通過(guò)改變關(guān)節(jié)的剛度，改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)頻率，增強(qiáng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能或降低機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)性能。如當(dāng)關(guān)節(jié)的頻率與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的頻率達(dá)到共振的情況，可以減少能量的消 耗；當(dāng)關(guān)節(jié)的頻率與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)頻率的振幅相反的情況，機(jī)器人在減少能量的消耗快速停 止的同時(shí)，降低機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的要求。該裝置(可調(diào)剛度彈性被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié))在調(diào)節(jié)剛度的同時(shí)，其工作頻率也會(huì)改 變，其可以在振動(dòng)領(lǐng)域有所應(yīng)用。在人的行走過(guò)程中，部分身體的動(dòng)能和勢(shì)能是由在碰撞過(guò)程中儲(chǔ)存瞬時(shí)彈性應(yīng)變 能提供的，并在彈性反彈收縮階段回收能量。這種現(xiàn)象極大地降低了肌肉的工作要求，并降 低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量消耗。人類和動(dòng)物最有可能儲(chǔ)存彈性能量的部位是在肌肉，肌腱，韌帶 和骨骼中，在發(fā)生碰撞時(shí)，可以減少總機(jī)械能波動(dòng)。在機(jī)器人方面，這些問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的剛度得到改善?？烧{(diào)剛度關(guān)節(jié)的彈簧類似于肌肉，肌腱，韌帶，吸收碰撞引 起的能量損失和減少機(jī)器人整體振動(dòng)性能。由于腿部的彈性與腿的步頻和與地面接觸的時(shí)間有關(guān)，在腿式機(jī)器人發(fā)展的今 天，本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度的大小，改變機(jī)器人的步幅大小和步行頻率。機(jī)器人能 夠順利通過(guò)不平整的路面或躲避行走方向上的障礙物等情況，提高機(jī)器人對(duì)各種環(huán)境的適 應(yīng)性和對(duì)各種地形多變形的適應(yīng)能力。為開(kāi)發(fā)適應(yīng)外星球環(huán)境的機(jī)器人有重要的參考價(jià)值。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，所述被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)分別與小腿支撐座和大腿支撐座相連接，其特征在于，所述被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)包括彈簧卷筒，所述彈簧卷筒的內(nèi)部裝有關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置，所述彈簧卷筒與所述大腿支撐座相連接，所述關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置的伸出端通過(guò)第二小腿支撐板與所述小腿支撐座連接；所述關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置包括平面非接觸渦卷彈簧，所述平面非接觸渦卷彈簧內(nèi)端與彈簧卷軸連接，外端與彈簧卷筒連接，所述彈簧卷軸中間為空心，內(nèi)有剛度調(diào)節(jié)電機(jī)，所述剛度調(diào)節(jié)電機(jī)包括剛度調(diào)節(jié)減速器、伺服電機(jī)和編碼器，所述剛度調(diào)節(jié)減速器連接有主傳動(dòng)裝置，所述彈簧卷軸一端與剛度調(diào)節(jié)電機(jī)連接，所述平面非接觸渦卷彈簧節(jié)距中間由支撐桿支撐，所述支撐桿一端通過(guò)主傳動(dòng)裝置與剛度調(diào)節(jié)減速器連接，另一端與副傳動(dòng)裝置連接，所述支撐桿與所述主傳動(dòng)裝置和副傳動(dòng)裝置之間能夠徑向相對(duì)移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述彈簧卷 筒的一端部設(shè)有端面，另一端連接有卷筒端蓋，所述彈簧卷筒的端面與大腿支撐座的一側(cè) 通過(guò)螺栓連接，與所述第二小腿支撐板通過(guò)軸承連接，所述卷筒端蓋與所述大腿支撐座的 另一側(cè)通過(guò)螺栓相連接，與所述第一小腿支撐板通過(guò)軸承連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述彈簧 卷筒的壁上沿圓周方向設(shè)有多對(duì)通孔，所述平面非接觸渦卷彈簧的外 >端與所述多對(duì)通孔中 的任一對(duì)通孔連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述平面非 接觸渦卷彈簧的內(nèi)端與所述彈簧卷軸通過(guò)螺栓連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述平面非 接觸渦卷彈簧節(jié)距中間的支撐桿由彈簧卷軸和凸輪支撐，所述凸輪與所述副傳動(dòng)裝置通過(guò) 軸承連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述第一小 腿支撐板和第二小腿支撐板與所述小腿支撐座通過(guò)螺栓連接，所述彈簧卷軸與軸承端蓋通 過(guò)螺栓連接，所述軸承端蓋與所述第一小腿支撐板通過(guò)螺栓連接，所述小腿支撐座相對(duì)所 述彈簧卷軸靜止。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述副傳 動(dòng)裝置和主傳動(dòng)裝置的外緣分別設(shè)有薄圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，所述支撐桿 能夠沿所述凸輪的面進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可調(diào)剛度彈性的被動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括彈簧卷筒，彈簧卷筒的內(nèi)部裝有關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置，彈簧卷筒與大腿支撐座相連接，關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置的伸出端通過(guò)小腿支撐板與小腿支撐座連接；關(guān)節(jié)剛度彈性調(diào)節(jié)裝置包括平面非接觸渦卷彈簧，平面非接觸渦卷彈簧內(nèi)端與彈簧卷軸連接，外端與彈簧卷筒連接，彈簧卷軸中間為空心，內(nèi)有剛度調(diào)節(jié)電機(jī)，彈簧卷軸一端與剛度調(diào)節(jié)電機(jī)連接，平面非接觸渦卷彈簧節(jié)距中間由支撐桿支撐，支撐桿通過(guò)傳動(dòng)裝置與剛度調(diào)節(jié)減速器連接。支撐桿與傳動(dòng)裝置有徑向運(yùn)動(dòng)，能提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能效性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高速運(yùn)動(dòng)，性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠。
文檔編號(hào)B25J17/00GK101973037SQ201010557689
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者何廣平, 李士明 申請(qǐng)人:北方工業(yè)大學(xué)