一種用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能減震仿生膝關(guān)節(jié)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能減震仿生膝關(guān)節(jié)，包括仿生股骨、仿生脛骨及仿生髕骨；氣缸通過(guò)氣缸支架固連在股骨髁連接件上，膝關(guān)節(jié)的伸膝運(yùn)動(dòng)由氣缸主動(dòng)做功完成。仿生股骨髁通過(guò)第一滑軌與第三滾輪接觸，實(shí)現(xiàn)半月板組件對(duì)仿生股骨髁的支撐與導(dǎo)向作用，同時(shí)通過(guò)第二滾輪在第二滑軌中滾動(dòng)來(lái)模擬人類(lèi)膝關(guān)節(jié)變瞬心的運(yùn)動(dòng)，第二滑軌存在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極限位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍的限制。髕骨組件通過(guò)第一滾輪在第一滑軌中的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬人類(lèi)髕骨，可以增加氣缸輸出力在伸膝運(yùn)動(dòng)中的作用力臂，起到節(jié)能的作用。本發(fā)明通過(guò)引入仿生股骨髁、仿生髕骨、半月板組件取得了膝關(guān)節(jié)變瞬心運(yùn)動(dòng)、低能耗、高緩沖性能的有益效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能減震仿生膝關(guān)節(jié)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能減震仿生膝關(guān)
-K-
T O
【背景技術(shù)】
[0002]雙足步行機(jī)器人由于其形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式與人類(lèi)十分接近，適宜在人類(lèi)的生活環(huán)境中進(jìn)行工作，完成諸如復(fù)雜路況行走、搬運(yùn)重物等任務(wù)。因此，近年來(lái)有關(guān)雙足步行機(jī)器人的研究工作受到廣泛關(guān)注。然而，目前的雙足步行機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)多采用鉸接的方式，雖然很大程度上滿(mǎn)足了機(jī)器人膝關(guān)節(jié)在矢狀平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)自由度要求，但是，目前的機(jī)械式鉸接膝關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，其瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心位置幾乎均保持不變，由此使得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及其穩(wěn)定性完全依靠外部驅(qū)動(dòng)輸入來(lái)進(jìn)行保持，這在很大程度上導(dǎo)致步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)節(jié)能耗增大、運(yùn)動(dòng)不自然；同時(shí)，完全剛性的鉸接方式亦不利于膝關(guān)節(jié)的減震，降低了機(jī)器人行走的穩(wěn)定性。
[0003]人類(lèi)膝關(guān)節(jié)，是人體所有關(guān)節(jié)中構(gòu)造最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。它由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨等結(jié)構(gòu)組成，主要發(fā)揮傳遞載荷、吸收震動(dòng)和承受壓力的重要作用。其中，髕骨為膝關(guān)節(jié)提供了重要的生物力學(xué)功能:它在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)延長(zhǎng)股四頭肌的力臂幫助膝關(guān)節(jié)伸直。膝關(guān)節(jié)中的半月板，除卻支撐功能外，還具有緩沖作用，并能吸收一定的負(fù)荷震蕩。如上所述，人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式與現(xiàn)有的機(jī)械式鉸接膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方式大不相同，它是一種變瞬心運(yùn)動(dòng)。研究表明，在屈膝和伸膝的過(guò)程中，人體膝關(guān)節(jié)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心的軌跡為一條類(lèi)似“J”形的曲線(xiàn)，這使得在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著膝關(guān)節(jié)的逐漸屈曲，主要負(fù)責(zé)伸膝運(yùn)動(dòng)的股四頭肌的作用力臂不斷增大，這可能是人體伸膝動(dòng)作高效省力的重要原因，而目前的雙足步行機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)此考慮較少。
[0004]綜觀(guān)上述雙足步行機(jī)器人膝關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀及人體膝關(guān)節(jié)的優(yōu)異生物結(jié)構(gòu)特征，急需一種可有效提高雙足步行機(jī)器人步行穩(wěn)定性、自然性與節(jié)能特性的仿生膝關(guān)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有雙足步行機(jī)器人膝關(guān)節(jié)存在的高能耗、運(yùn)動(dòng)不自然與減震性能不理想的問(wèn)題，而提供一種用于雙足步行機(jī)器人的仿生膝關(guān)節(jié)，該仿生膝關(guān)節(jié)在改善雙足步行機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能耗與減震性能的同時(shí)使其運(yùn)動(dòng)更加自然。
[0006]本發(fā)明包括仿生股骨、仿生脛骨及仿生髕骨；
[0007]所述的仿生股骨包含股骨髁連接件、氣缸、仿生股骨髁，仿生股骨髁通過(guò)螺紋連接的方式與股骨髁連接件固連，氣缸支架通過(guò)第一螺母固連在股骨髁連接件上;氣缸通過(guò)氣缸缸筒以螺紋連接的方式固連在氣缸支架上。
[0008]所述的仿生脛骨包括脛骨髁構(gòu)件、脛骨髁連接件、半月板組件，第二滾輪與第二連接軸形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第二連接軸通過(guò)第三螺母與脛骨髁構(gòu)件固連。脛骨髁構(gòu)件通過(guò)四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的內(nèi)六角螺釘固連在脛骨髁連接件上。支撐板通過(guò)第四螺母與脛骨髁連接件固連。四組半月板組件對(duì)稱(chēng)分布，滾輪支桿與脛骨髁連接件、支撐板形成滑動(dòng)連接，脛骨髁連接件、支撐板對(duì)滾輪支桿起到導(dǎo)向和限位的作用；銷(xiāo)軸與滾輪支桿固連，第三滾輪與銷(xiāo)軸形成旋轉(zhuǎn)副，壓縮彈簧通過(guò)擋圈與支撐板將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滾輪支桿延軸向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。
[0009]所述的仿生髕骨包含第一拉伸彈簧、髕骨組件、第二拉伸彈簧。其中，第一拉伸彈簧的兩端分別與氣缸接頭、第一髕骨構(gòu)件連接，這里，氣缸接頭通過(guò)螺紋連接的方式與氣缸活塞固連。第二拉伸彈簧對(duì)稱(chēng)分布，兩端分別與第二髕骨構(gòu)件、帶孔螺釘連接，這里，同樣對(duì)稱(chēng)分布的帶孔螺釘通過(guò)螺紋連接的方式與脛骨髁連接件固連。第一髕骨構(gòu)件、第二髕骨構(gòu)件分別與第一連接軸鉸接，對(duì)稱(chēng)分布的第一滾輪與第一連接軸形成旋轉(zhuǎn)副。同時(shí)，髕骨組件通過(guò)軸套、第二螺母完成髕骨組件所有零件相對(duì)裝配關(guān)系的確定，這里，第二螺母通過(guò)螺紋連接的方式與第一連接軸固連。
[0010]所述的仿生股骨髁、脛骨髁構(gòu)件、第一滾輪、第二滾輪和第三滾輪的材質(zhì)為POM工程塑料。
[0011]本發(fā)明的工作過(guò)程和原理:
[0012]在具體的實(shí)施過(guò)程中，仿生股骨髁通過(guò)第一滑軌與第三滾輪接觸，實(shí)現(xiàn)半月板組件對(duì)仿生股骨髁的支撐與導(dǎo)向作用，同時(shí)通過(guò)第二滾輪在第二滑軌中滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)近似人體膝關(guān)節(jié)瞬心的J形曲線(xiàn)軌跡運(yùn)動(dòng)，完成屈膝、伸膝運(yùn)動(dòng)，第二滑軌存在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極限位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屈膝、伸膝運(yùn)動(dòng)范圍的限制。髕骨組件通過(guò)第一滾輪在第一滑軌中的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬人體髕骨的作用，可以增大氣缸輸出力在伸膝運(yùn)動(dòng)中的作用力臂，進(jìn)而在同等關(guān)節(jié)力矩需求下，減小氣缸驅(qū)動(dòng)輸出，起到節(jié)能的作用。這里，第一滾輪的應(yīng)用，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可以有效提高關(guān)節(jié)的靈活性、減少能量消耗。仿生膝關(guān)節(jié)在伸膝的過(guò)程中，氣缸主動(dòng)做功，通過(guò)氣缸活塞的收縮完成伸膝動(dòng)作。雙足機(jī)器人保持站立姿態(tài)時(shí)，仿生膝關(guān)節(jié)處于伸膝的極限位置，需要?dú)飧滋幱诒籂顟B(tài)以維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定位姿。而在屈膝的過(guò)程中，關(guān)閉氣缸氣壓輸入，完全依靠仿生脛骨部分的重力完成被動(dòng)屈膝動(dòng)作。由于在行走過(guò)程中雙足步行機(jī)器人膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)屈膝運(yùn)動(dòng)角度較小，因此本發(fā)明將仿生膝關(guān)節(jié)的被動(dòng)屈膝運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)為0-90°。
[0013]本發(fā)明的有益效果:
[0014]1、股骨髁采用仿生設(shè)計(jì)，可以使仿生膝關(guān)節(jié)的瞬心在屈膝和伸膝的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)與人體膝關(guān)節(jié)相似的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的自然性。
[0015]2、半月板組件采取滾輪支撐設(shè)計(jì)，大大減小了摩擦，有助于降低膝關(guān)節(jié)的能耗，同時(shí)由于半月板組件中彈簧的引入，提高了仿生膝關(guān)節(jié)的緩沖減震能力。
[0016]3、仿生髕骨在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)延長(zhǎng)氣缸作用力的力臂，在同等關(guān)節(jié)力矩需求下能夠減小氣缸驅(qū)動(dòng)輸出，起到節(jié)能作用。
[0017]4、本發(fā)明中，仿生股骨髁、脛骨髁構(gòu)件、第一滾輪、第二滾輪、第三滾輪均采用POM工程塑料制作，自潤(rùn)滑性能優(yōu)異，從而減小摩擦，提高膝關(guān)節(jié)靈活性。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明在完全伸膝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為圖1的右視圖。
[0020]圖3為圖1的仰視圖。
[0021]圖4為圖3的A-A視圖。
[0022]圖5為本發(fā)明在完全屈膝狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖6為本發(fā)明立體示意圖。
[0024]其中:1-股骨髁連接件;2-氣缸;21-氣缸缸筒;22-氣缸活塞;3_第一螺母;4_氣缸支架；5-氣缸接頭;6-第一拉伸彈簧;7-髕骨組件;71-第一髕骨構(gòu)件;72-軸套;73-第一滾輪;74-第一連接軸;75-第二螺母;76-第二髕骨構(gòu)件;8-仿生股骨髁;81-第一滑軌;82-第二滑軌;9-第二拉伸彈簧;10-第二滾輪;11-第三螺母;12-第二連接軸；13-脛骨髁構(gòu)件；14-脛骨髁連接件；15-半月板組件；151-第三滾輪;152-銷(xiāo)軸；153-滾輪支桿；154-擋圈；155-壓縮彈簧;16-支撐板;17-第四螺母;18-內(nèi)六角螺釘;19-帶孔螺釘。
【具體實(shí)施方式】
[0025]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實(shí)施例包括仿生股骨、仿生脛骨及仿生髕骨；
[0026]所述的仿生股骨包含股骨髁連接件1、氣缸2和仿生股骨髁8，仿生股骨髁8通過(guò)螺紋連接的方式與股骨髁連接件I固連，氣缸支架4通過(guò)第一螺母3固連在股骨髁連接件I上；氣缸2通過(guò)氣缸缸筒21以螺紋連接的方式固連在氣缸支架4上；
[0027]所述的仿生脛骨包括脛骨髁構(gòu)件13、脛骨髁連接件14和半月板組件15;第二滾輪10與第二連接軸12形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第二連接軸12通過(guò)第三螺母11與脛骨髁構(gòu)件13固連，脛骨髁構(gòu)件13通過(guò)四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的內(nèi)六角螺釘18固連在脛骨髁連接件14上，支撐板16通過(guò)第四螺母17與脛骨髁連接件14固連；四組半月板組件15對(duì)稱(chēng)分布，滾輪支桿153與脛骨髁連接件14、支撐板16形成滑動(dòng)連接，脛骨髁連接件14和支撐板16對(duì)滾輪支桿153起到導(dǎo)向和限位的作用；銷(xiāo)軸152與滾輪支桿153固連，第三滾輪151與銷(xiāo)軸152形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，壓縮彈簧155通過(guò)擋圈154與支撐板16將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滾輪支桿153沿軸向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能；
[0028]所述的仿生髕骨包含第一拉伸彈簧6、髕骨組件7和第二拉伸彈簧9;第一拉伸彈簧6的兩端分別與氣缸接頭5和第一髕骨構(gòu)件71連接，氣缸接頭5通過(guò)螺紋連接的方式與氣缸活塞22固連，一對(duì)第二拉伸彈簧9對(duì)稱(chēng)分布，兩端分別與第二髕骨構(gòu)件76和帶孔螺釘19連接，對(duì)稱(chēng)分布的一對(duì)帶孔螺釘19通過(guò)螺紋連接的方式與脛骨髁連接件14固連，第一髕骨構(gòu)件71、第二髕骨構(gòu)件76分別與第一連接軸74鉸接，對(duì)稱(chēng)分布的第一滾輪73與第一連接軸74形成轉(zhuǎn)動(dòng)副;髕骨組件7通過(guò)對(duì)稱(chēng)分布的軸套72、第二螺母75完成髕骨組件7相對(duì)裝配關(guān)系的確定，第二螺母75通過(guò)螺紋連接的方式與第一連接軸74固連。
[0029]仿生股骨髁8通過(guò)第一滑軌81與第三滾輪151接觸，實(shí)現(xiàn)半月板組件15對(duì)仿生股骨髁8的支撐與導(dǎo)向作用，同時(shí)通過(guò)第二滾輪10在第二滑軌82中滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)近似人體膝關(guān)節(jié)瞬心的J形曲線(xiàn)軌跡運(yùn)動(dòng)，完成屈膝、伸膝運(yùn)動(dòng)，第二滑軌82存在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極限位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屈膝、伸膝運(yùn)動(dòng)范圍的限制;髕骨組件7通過(guò)第一滾輪73在第一滑軌81中的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬人體髕骨的作用，可以增加氣缸2輸出力在伸膝運(yùn)動(dòng)中的作用力臂，進(jìn)而在同等關(guān)節(jié)力矩需求下，減小氣缸驅(qū)動(dòng)輸出，起到節(jié)能的作用。這里，第一滾輪73的應(yīng)用，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，這樣可以有效提高關(guān)節(jié)的靈活性、減少能量消耗。仿生膝關(guān)節(jié)在伸膝的過(guò)程中，氣缸2主動(dòng)做功，通過(guò)氣缸活塞22的收縮完成伸膝動(dòng)作。雙足機(jī)器人保持站立姿態(tài)時(shí)，仿生膝關(guān)節(jié)處于伸膝的極限位置，需要?dú)飧?處于保壓狀態(tài)以維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定位姿。而在屈膝的過(guò)程中，關(guān)閉氣缸2氣壓輸入，完全依靠仿生脛骨部分的重力完成被動(dòng)屈膝動(dòng)作。
[0030]所述的仿生股骨髁8、脛骨髁構(gòu)件13、第一滾輪73、第二滾輪10和第三滾輪151的材質(zhì)為POM工程塑料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能減震仿生膝關(guān)節(jié)，其特征在于:包括仿生股骨、仿生脛骨及仿生髕骨； 所述的仿生股骨包含股骨髁連接件(I)、氣缸(2)和仿生股骨髁(8)，仿生股骨髁(8)通過(guò)螺紋連接的方式與股骨髁連接件(I)固連，氣缸支架(4)通過(guò)第一螺母(3)固連在股骨髁連接件(I)上;氣缸(2)通過(guò)氣缸缸筒(21)以螺紋連接的方式固連在氣缸支架(4)上； 所述的仿生脛骨包括脛骨髁構(gòu)件(13)、脛骨髁連接件(14)和半月板組件(15);第二滾輪(10)與第二連接軸(12)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第二連接軸(12)通過(guò)第三螺母(11)與脛骨髁構(gòu)件(13)固連，脛骨髁構(gòu)件(13)通過(guò)四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的內(nèi)六角螺釘(18)固連在脛骨髁連接件(14)上，支撐板(16)通過(guò)第四螺母(17)與脛骨髁連接件(14)固連；四組半月板組件(15)對(duì)稱(chēng)分布，滾輪支桿(153)與脛骨髁連接件(14)、支撐板(16)形成滑動(dòng)連接，脛骨髁連接件(14)和支撐板(16)對(duì)滾輪支桿(153)起到導(dǎo)向和限位的作用;銷(xiāo)軸(152)與滾輪支桿(153)固連，第三滾輪(151)與銷(xiāo)軸(152)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，壓縮彈簧155通過(guò)擋圈154與支撐板16將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滾輪支桿(153)沿軸向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能； 所述的仿生髕骨包含第一拉伸彈(簧6)、髕骨組件(7)和第二拉伸彈簧(9);第一拉伸彈簧(6)的兩端分別與氣缸接頭(5)和第一髕骨構(gòu)件(71)連接，氣缸接頭(5)通過(guò)螺紋連接的方式與氣缸活塞(22)固連，一對(duì)第二拉伸彈簧(9)對(duì)稱(chēng)分布，兩端分別與第二髕骨構(gòu)件(76)和帶孔螺釘(19)連接，對(duì)稱(chēng)分布的一對(duì)帶孔螺釘(19)通過(guò)螺紋連接的方式與脛骨髁連接件(14)固連，第一髕骨構(gòu)件(71)、第二髕骨構(gòu)件(76)分別與第一連接軸(74)鉸接，對(duì)稱(chēng)分布的第一滾輪(73)與第一連接軸(74)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副;髕骨組件(7)通過(guò)對(duì)稱(chēng)分布的軸套(72)、第二螺母(75)完成髕骨組件(7)相對(duì)裝配關(guān)系的確定，第二螺母(75)通過(guò)螺紋連接的方式與第一連接軸(74)固連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能仿生膝關(guān)節(jié)，其特征在于:所述的仿生股骨髁(8)通過(guò)第一滑軌(81)與第三滾輪(151)接觸，實(shí)現(xiàn)半月板組件(15)對(duì)仿生股骨髁(8)的支撐與導(dǎo)向作用，通過(guò)第二滾輪(10)在第二滑軌(82)中滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)近似人體膝關(guān)節(jié)瞬心的J形曲線(xiàn)軌跡運(yùn)動(dòng)，完成屈膝、伸膝運(yùn)動(dòng)，第二滑軌(82)存在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)極限位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屈膝、伸膝運(yùn)動(dòng)范圍的限制;髕骨組件(7)通過(guò)第一滾輪(73)在第一滑軌(81)中的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬人體髕骨的作用。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于雙足步行機(jī)器人的節(jié)能仿生膝關(guān)節(jié)，其特征在于:所述的仿生股骨髁(8)、脛骨髁構(gòu)件(13)、第一滾輪(73)、第二滾輪(10)和第三滾輪(151)的材質(zhì)為POM工程塑料。
【文檔編號(hào)】B25J17/02GK105945983SQ201610247421
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月20日
【發(fā)明人】錢(qián)志輝, 周亮, 任雷, 任露泉
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)