專利名稱：擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置，屬擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
在擬人機(jī)器人步行腿研究中，國內(nèi)外都是以人為對象，通過機(jī)械仿生人的雙足運(yùn)動特性，并進(jìn)行必要的簡化，從各種步態(tài)入手，采用不同的傳動結(jié)構(gòu)裝置，做了許多實(shí)驗(yàn)，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)功能仿生、機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原理，目前的擬人機(jī)器人均采用雙腿2*6＝12個關(guān)節(jié)自由度來實(shí)現(xiàn)擬人功能，其關(guān)節(jié)自由度分配如

圖1所示。
圖1是擬人機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是擬人機(jī)器人腳，2是擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，3是擬人機(jī)器人踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，4是擬人機(jī)器人小腿，5是擬人機(jī)器人膝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，6是擬人機(jī)器人大腿，7是擬人機(jī)器人髖的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，8是擬人機(jī)器人髖架，9是擬人機(jī)器人髖的偏航方向關(guān)節(jié)軸，10是擬人機(jī)器人上身，11是擬人機(jī)器人髖的俯仰關(guān)節(jié)軸。
目前國內(nèi)、外典型的擬人機(jī)器人下肢踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置多采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，并采用十字正交軸來實(shí)現(xiàn)踝橫滾和俯仰兩個方向關(guān)節(jié)運(yùn)動，這種結(jié)構(gòu)在占用較小空間體積的條件下能很好地滿足擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能，有利于提高傳動性能、減少運(yùn)動干涉性。
從查閱的中國專利信息網(wǎng)等有關(guān)資料來看，目前公布的有關(guān)擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置中，最有代表性、最典型的是日本本田公司推出的Honda機(jī)器人系列，其踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置如圖2、圖3所示。
圖2、圖3是日本本田公司推出的Honda機(jī)器人P2踝關(guān)節(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)傳動裝置圖，圖2為主視圖，圖3為左視圖。其中，1是擬人機(jī)器人腳，2是擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，3是擬人機(jī)器人踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，4是擬人機(jī)器人小腿，12是六維力/力矩傳感器，13是擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)傳動用諧波齒輪減速器，14是擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)傳動用諧波齒輪減速器，15是擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)裝置，16是帶傳動裝置中的傳動帶，17是帶傳動裝置中的從動帶輪，18擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架。
擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)傳動用諧波齒輪減速器13的鋼輪與擬人機(jī)器人小腿4安裝固定，其波形發(fā)生器與帶傳動裝置中的從動帶輪17通過軸固聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)同步周轉(zhuǎn)，其柔輪與擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)軸3(擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18的一部分)固聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)同步周轉(zhuǎn)。水平安裝在小腿上端的擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)裝置(在圖中未表示)通過帶傳動裝置16、17和諧波齒輪減速器13實(shí)現(xiàn)減速、換向、增大傳動力矩，并運(yùn)用諧波齒輪減速器差動齒輪傳動特性使擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18與擬人機(jī)器人小腿4繞擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)軸3相對轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動；擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)原理和功能類同擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動，只是少一級帶傳動減速裝置。
該擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置能很好地滿足本田公司所采用的諧波齒輪減速傳動方案，踝橫滾和俯仰兩方向關(guān)節(jié)傳動軸垂直正交，較好地滿足了占用體積較小的條件，有利于提高傳動性能、減少運(yùn)動干涉性。但該擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置非規(guī)則面和需加工面偏多，結(jié)構(gòu)偏于復(fù)雜，所需制造、加工和裝配精度要求較高，有一定的技術(shù)難度，且零部件偏多，不利于裝拆和承載。其踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)裝置15內(nèi)嵌于踝關(guān)節(jié)裝置中，踝橫滾和俯仰方向關(guān)節(jié)傳動用諧波齒輪減速器的裝配方案，一方面要求驅(qū)動電機(jī)和諧波齒輪減速器體積盡量小、重量盡量輕，即使在日本，這些也需要定做，另一方面也使該踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置彎曲強(qiáng)度有所降低，為滿足所需強(qiáng)度，不可避免地需要高強(qiáng)重比等高性能材料和高質(zhì)量的鑄造技術(shù)。
本發(fā)明踝關(guān)節(jié)傳動裝置由踝關(guān)節(jié)橫滾傳動系統(tǒng)，踝關(guān)節(jié)俯仰傳動系統(tǒng)和支架三部分組成。所述的踝關(guān)節(jié)橫滾傳動系統(tǒng)由電機(jī)、連桿傳動機(jī)構(gòu)所組成。連桿傳動機(jī)構(gòu)由偏心輪，連桿所組成。所述的踝關(guān)節(jié)俯仰傳動系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲桿、螺母、滑塊機(jī)構(gòu)所組成。所述的支架為一框形結(jié)構(gòu)，其上帶有橫滾方向的關(guān)節(jié)軸。
本發(fā)明踝關(guān)節(jié)傳動裝置實(shí)現(xiàn)了踝橫滾和踝俯仰兩關(guān)節(jié)傳動軸垂直正交。且在占用較小空間體積的條件下能很好地滿足擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能，有利于提高傳動性能、減少運(yùn)動干涉性。其特點(diǎn)還在于本發(fā)明裝置采用傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，制造、加工和裝配較容易，精度要求易滿足等特點(diǎn)。
圖2為已有技術(shù)P2機(jī)器人中踝關(guān)節(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)傳動裝置裝配圖。
圖3為圖2的左視圖。
圖4為本發(fā)明用于擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)上的支架結(jié)構(gòu)的主視圖。
圖5為圖4的俯視圖。
圖6為本發(fā)明擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝配圖的主視圖。
圖7為圖6的A向局部視圖。
圖8為圖7的B-B剖視圖。
圖4、圖5是擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)上的支架結(jié)構(gòu)裝置圖，圖4為主視圖，圖5為俯視圖。其中，2是擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，18是擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架，19是支軸，是用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分，20是支軸，是用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分，21是擬人機(jī)器人踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸安裝孔。
圖6是本發(fā)明擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置圖，為主視圖。其中，1是擬人機(jī)器人腳，2是擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，3是擬人機(jī)器人踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，4是擬人機(jī)器人小腿，18是擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架，20是支軸，是用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分，23是控制擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電位計，24是實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置中連桿部分，25是擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電機(jī)，26是實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的連桿部分，25和26參見專利申請01115517.5，27、28、29分別為擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動絲桿傳動裝置中的傳動螺母、傳動絲桿和傳動導(dǎo)軌，30是擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動用二級齒輪減速裝置，31是擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電機(jī)。
圖7、圖8是本發(fā)明擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置圖，分別為A向局部視圖和B-B俯剖視圖。其中，1是擬人機(jī)器人的腳，2是擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸，3是擬人機(jī)器人踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸，4是擬人機(jī)器人小腿，12是六維力/力矩傳感器，18是擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架，19是支軸，是用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分，20是支軸，是用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分，22是控制擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電位計，23是控制擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電位計，24是實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的連桿部分，26是實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的連桿部分，32是曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置中的偏心曲柄輪，26和32參見專利申請01115517.5。
本發(fā)明踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置由踝橫滾方向關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)、踝俯仰方向關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)和踝關(guān)節(jié)支架結(jié)構(gòu)裝置三部分組成。所說的踝橫滾方向關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)由電機(jī)25(見圖6)，曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置(偏心曲柄輪32、連桿26、支軸19)(見圖7)組成，踝關(guān)節(jié)主支架18(見圖8)在此實(shí)現(xiàn)曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置從動搖桿的功能。所說的踝俯仰方向關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)由電機(jī)31，二級齒輪減速裝置30，絲桿螺母傳動裝置(傳動絲桿28、傳動螺母27和傳動導(dǎo)軌29)，曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置(傳動螺母27實(shí)現(xiàn)主動滑塊功能、連桿24、支軸20)組成，踝關(guān)節(jié)主支架18在此實(shí)現(xiàn)曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置從動曲柄的功能。所說的踝關(guān)節(jié)支架結(jié)構(gòu)裝置，如圖4和圖5所示，為一框型結(jié)構(gòu)，其上帶有擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸2和分別實(shí)現(xiàn)踝橫滾、俯仰方向關(guān)節(jié)傳動用連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的支軸19、20，并為踝俯仰方向關(guān)節(jié)軸3預(yù)制安裝孔21，這種結(jié)構(gòu)有利于承載，簡化結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)模塊式裝配，降低制造、加工和裝配難度。
擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動電機(jī)裝置31通過二級齒輪減速裝置30，絲桿螺母傳動裝置27、28、29，曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置27、24、20和擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18實(shí)現(xiàn)減速、換向、增大傳動力矩，絲桿螺母傳動裝置將擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電機(jī)31的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為傳動螺母27沿傳動絲桿28和傳動導(dǎo)軌29的上下平動，然后運(yùn)用曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動特性通過傳動螺母27(實(shí)現(xiàn)主動滑塊功能)、連桿24、支軸20和擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18(實(shí)現(xiàn)從動曲柄功能)實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18與擬人機(jī)器人小腿4繞擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)軸3的相對轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動。平行擬人機(jī)器人腳1底板安裝的擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的電機(jī)25運(yùn)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動特性通過連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置32、26、19和擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18實(shí)現(xiàn)減速、換向、增大傳動力矩，將驅(qū)動電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成擬人機(jī)器人腳1與擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)主支架18繞擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)軸2相對轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動。本發(fā)明設(shè)計出相對獨(dú)力的擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置，如圖4、圖5，將擬人踝關(guān)節(jié)主支架18、用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝橫滾方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分的支軸19、用以實(shí)現(xiàn)擬人機(jī)器人踝俯仰方向關(guān)節(jié)運(yùn)動的曲柄滑塊連桿機(jī)構(gòu)傳動裝置的一部分的支軸20和擬人機(jī)器人踝的橫滾方向關(guān)節(jié)軸2設(shè)計成一體，并為擬人機(jī)器人踝的俯仰方向關(guān)節(jié)軸3預(yù)制安裝孔21，便于形成模塊式安裝，有利于簡化安裝和提高強(qiáng)度；該擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)支架結(jié)構(gòu)裝置橫截面采用方型結(jié)構(gòu)，這使其具有類似簡支粱承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，承載合理，具有較高的抗彎和抗扭強(qiáng)度；本發(fā)明裝置為電位計等的合理裝配留下充足空間，使得整個裝置分布勻稱、合理，占用較小的空間和體積。
權(quán)利要求
1.一種有踝關(guān)節(jié)橫滾傳動系統(tǒng)，踝關(guān)節(jié)俯仰傳動系統(tǒng)、支架三部分組成的擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置，其特征是所述的踝關(guān)節(jié)橫滾傳動系統(tǒng)由電機(jī)、連桿傳動機(jī)構(gòu)所組成，所述的連桿傳動機(jī)構(gòu)由偏心輪、連桿所組成，所述的踝關(guān)節(jié)俯仰傳動系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲桿螺母滑塊機(jī)構(gòu)所組成，所說的支架為一框形結(jié)構(gòu)，其上帶有橫滾方向的關(guān)節(jié)軸，所說的橫滾傳動系統(tǒng)的電機(jī)(25)其輸出軸的一端與連桿傳動機(jī)構(gòu)的偏心曲柄輪32固聯(lián)，偏心曲柄輪32的偏心軸與連桿26一端相連，連桿(26)上有孔，可安裝在支架(18)上的支軸(19)上，俯仰傳動系統(tǒng)的電機(jī)(31)通過減速機(jī)構(gòu)(30)帶動絲桿(28)轉(zhuǎn)動，絲桿(28)上帶有帶滑塊的螺母(27)，螺母(27)上的滑塊裝在導(dǎo)軌(29)上，當(dāng)絲桿(28)轉(zhuǎn)動時，螺母(27)即沿導(dǎo)軌(29)上、下運(yùn)動，螺母(27)又與連桿(24)相連，當(dāng)螺母(27)上、下運(yùn)動時，即可帶動連桿(24)運(yùn)動，連桿(24)上有孔，可安裝在支架(18)的支軸(20)上。
全文摘要
一種擬人機(jī)器人踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置,屬擬人機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。本踝關(guān)節(jié)傳動結(jié)構(gòu)裝置由踝關(guān)節(jié)橫滾傳動系統(tǒng)、踝關(guān)節(jié)俯仰傳動系統(tǒng)、支架三部分組成。橫滾傳動系統(tǒng)由電機(jī)、連桿傳動機(jī)構(gòu)所組成,俯仰傳動系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、絲桿螺母滑塊機(jī)構(gòu)組成。支架呈一框形結(jié)構(gòu),帶有橫滾及俯仰方向的關(guān)節(jié)軸。本踝關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)其結(jié)構(gòu)簡單易于加工及裝配。
文檔編號B62D57/00GK1351924SQ0114458
公開日2002年6月5日 申請日期2001年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者汪勁松, 陳懇, 王紀(jì)武, 賴慶文, 劉莉, 趙明國, 楊東超, 趙建東, 徐凱, 歐陽興, 邵黎君, 林玎玎 申請人:清華大學(xué)