本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人領(lǐng)域，更具體地，涉及一種液壓驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的種類也越來越多，應(yīng)用范圍越來越廣，目前的機(jī)器人主要有雙足、四足、多足等形式，但無論何種機(jī)器人，其設(shè)計(jì)中一個(gè)不可避免的問題是關(guān)節(jié)部分的設(shè)計(jì)與制造。關(guān)節(jié)部分的設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能、行走效率，因此關(guān)節(jié)仿生驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向。在關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器方面，過去的機(jī)器人更多的使用電機(jī)作為動(dòng)力來源，但是減速器在提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器力和能量密度的同時(shí)，增加了電機(jī)的輸出阻抗，同時(shí)增大了電機(jī)動(dòng)力學(xué)建模的復(fù)雜性與非線性，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行精確力控制比較困難，也使得整個(gè)系統(tǒng)的重量過大，不利于機(jī)器人行走。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種液壓驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)具備精確力輸出、仿生設(shè)計(jì)、整體重量輕等特點(diǎn)，可以滿足機(jī)器人設(shè)計(jì)的需要。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種液壓驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，其特征在于，包括大腿結(jié)構(gòu)、大小腿連接架和小腿結(jié)構(gòu)，其中，

所述大腿結(jié)構(gòu)包括大腿主體架、缸座、液壓缸、移動(dòng)架、導(dǎo)向軸和壓縮彈簧，所述缸座通過第一鉸軸鉸接在所述大腿主體架上，所述液壓缸放置在所述缸座上并且其輸出軸上安裝所述移動(dòng)架，所述移動(dòng)架穿裝在所述導(dǎo)向軸上并且兩者之間設(shè)置有直線軸承，所述導(dǎo)向軸與所述液壓缸的輸出軸平行，所述壓縮彈簧穿裝在所述導(dǎo)向軸上并且位于所述移動(dòng)架內(nèi)，而且所述移動(dòng)架能在移動(dòng)時(shí)擠壓所述壓縮彈簧，所述導(dǎo)向軸上固定安裝有軸環(huán)，所述壓縮彈簧靠近小腿結(jié)構(gòu)的一端抵靠在所述軸環(huán)上；

所述小腿結(jié)構(gòu)包括小腿主體架、導(dǎo)向軌和滑動(dòng)塊，所述小腿主體架通過第二鉸軸鉸接在所述大腿主體架上，所述導(dǎo)向軌安裝在所述小腿主體架上，所述滑動(dòng)塊安裝在所述導(dǎo)向軌上；

所述大小腿連接架的一端通過第三鉸軸鉸接在所述大腿主體架上并且另一端通過第四鉸軸鉸接在所述滑塊上，此外，所述大小腿連接架通過第五鉸軸鉸接在所述導(dǎo)向軸遠(yuǎn)離液壓缸的一端；

所述第一鉸軸、第二鉸軸、第三鉸軸、第四鉸軸和第五鉸軸相互平行，并且所述第一鉸軸與所述導(dǎo)向軸垂直。

優(yōu)選地，所述移動(dòng)架上設(shè)置有與所述導(dǎo)向軸平行的直線導(dǎo)軌，所述缸座上設(shè)置有導(dǎo)軌滑塊并且所述導(dǎo)軌滑塊安裝在所述直線導(dǎo)軌上，以用于對(duì)所述移動(dòng)架的移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向。

優(yōu)選地，所述軸環(huán)與所述移動(dòng)架之間設(shè)置有聚氨酯減震塊，所述聚氨酯減震塊穿裝在所述導(dǎo)向軸上。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)向軌為一根圓桿，所述滑塊內(nèi)設(shè)置有直線軸承，所述圓桿穿過所述直線軸承。

優(yōu)選地，所述移動(dòng)架包括并排設(shè)置的兩塊側(cè)板及連接兩塊側(cè)板的連接支架，兩塊側(cè)板分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在所述壓縮彈簧的兩端，以用于擠壓所述壓縮彈簧，其中的一塊側(cè)板與所述液壓缸的輸出軸連接。

優(yōu)選地，所述液壓缸的輸出軸與所述移動(dòng)架之間設(shè)置有拉壓力傳感器。

優(yōu)選地，所述大腿主體架上設(shè)置有直線位移傳感器，所述直線位移傳感器包括外殼及伸入所述外殼內(nèi)的移動(dòng)桿，所述外殼固定安裝在所述大腿主體架上，所述移動(dòng)桿固定安裝在所述移動(dòng)架上。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

本發(fā)明在在液壓缸與負(fù)載(本發(fā)明的小腿結(jié)構(gòu))之間安裝了彈性結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)承受液壓缸的驅(qū)動(dòng)力與負(fù)載的反作用力，在液壓缸驅(qū)動(dòng)小腿結(jié)構(gòu)伸展或收縮時(shí)增加本機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔性，從而降低本機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)時(shí)的能耗，起到保護(hù)和緩沖的作用，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)具備一定的仿生能力，能夠適應(yīng)負(fù)載的變化，而且其具備仿生特性——柔性、力臂特性，滿足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需要，可以有效地降低整體重量實(shí)現(xiàn)輕量化，提高運(yùn)動(dòng)效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明伸展時(shí)的軸測(cè)圖；

圖2是本發(fā)明伸展時(shí)撤去大腿主體架和小腿主體架等零件后的軸測(cè)圖；

圖3是本發(fā)明簡化為連桿滑塊機(jī)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照?qǐng)D1～圖3，一種液壓驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)，包括大腿結(jié)構(gòu)1、大小腿連接架2和小腿結(jié)構(gòu)3，其中，

所述大腿結(jié)構(gòu)1包括大腿主體架11、缸座12、液壓缸13、移動(dòng)架14、導(dǎo)向軸15和壓縮彈簧16，所述缸座12通過第一鉸軸41鉸接在所述大腿主體架11上，所述液壓缸13放置在所述缸座12上并且其輸出軸上安裝所述移動(dòng)架14，所述移動(dòng)架14穿裝在所述導(dǎo)向軸15上并且兩者之間設(shè)置有直線軸承，所述導(dǎo)向軸15與所述液壓缸13的輸出軸平行，所述壓縮彈簧16穿裝在所述導(dǎo)向軸15上并且位于所述移動(dòng)架14內(nèi)，而且所述移動(dòng)架14能在移動(dòng)時(shí)擠壓所述壓縮彈簧16，所述導(dǎo)向軸15上固定安裝有軸環(huán)17，所述壓縮彈簧16靠近小腿結(jié)構(gòu)3的一端抵靠在所述軸環(huán)17上；

所述小腿結(jié)構(gòu)3包括小腿主體架31、導(dǎo)向軌32和滑動(dòng)塊33，所述小腿主體架31通過第二鉸軸42鉸接在所述大腿主體架11上，所述導(dǎo)向軌32安裝在所述小腿主體架31上，所述滑動(dòng)塊33安裝在所述導(dǎo)向軌32上；

所述大小腿連接架2的一端通過第三鉸軸43鉸接在所述大腿主體架11上并且另一端通過第四鉸軸44鉸接在所述滑塊上，此外，所述大小腿連接架2通過第五鉸軸45鉸接在所述導(dǎo)向軸15遠(yuǎn)離液壓缸13的一端；

所述第一鉸軸41、第二鉸軸42、第三鉸軸43、第四鉸軸44和第五鉸軸45相互平行，并且所述第一鉸軸41與所述導(dǎo)向軸15垂直。

進(jìn)一步，第三鉸軸43通過皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接有角度傳感器，角度傳感器安裝在所述大腿主體架11上，以用于獲取小腿主體架31相對(duì)于大腿主體架11轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

進(jìn)一步，所述移動(dòng)架14上設(shè)置有與所述導(dǎo)向軸15平行的直線導(dǎo)軌18，所述缸座12上設(shè)置有導(dǎo)軌滑塊19并且所述導(dǎo)軌滑塊19安裝在所述直線導(dǎo)軌18上，以用于對(duì)所述移動(dòng)架14的移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向。

進(jìn)一步，所述軸環(huán)17與所述移動(dòng)架14之間設(shè)置有聚氨酯減震塊5，所述聚氨酯減震塊5穿裝在所述導(dǎo)向軸15上。

進(jìn)一步，所述導(dǎo)向軌32為一根圓桿，所述滑塊內(nèi)設(shè)置有直線軸承，所述圓桿穿過所述直線軸承。

進(jìn)一步，所述移動(dòng)架14包括并排設(shè)置的兩塊側(cè)板141及連接兩塊側(cè)板141的連接支架142，兩塊側(cè)板141分別對(duì)應(yīng)設(shè)置在所述壓縮彈簧16的兩端，以用于擠壓所述壓縮彈簧16，其中的一塊側(cè)板141與所述液壓缸13的輸出軸連接。

進(jìn)一步，所述液壓缸13的輸出軸與所述移動(dòng)架14之間設(shè)置有拉壓力傳感器6。

進(jìn)一步，所述大腿主體架11上設(shè)置有直線位移傳感器7，所述直線位移傳感器7包括外殼及伸入所述外殼內(nèi)的移動(dòng)桿，所述外殼固定安裝在所述大腿主體架11上，所述移動(dòng)桿固定安裝在所述移動(dòng)架14上并且其優(yōu)選通過浮動(dòng)接頭安裝在所述移動(dòng)架14上。

進(jìn)一步，所述導(dǎo)向軸15遠(yuǎn)離所述小腿結(jié)構(gòu)3的一端設(shè)置有限位塊，以用于限制所述移動(dòng)架14的位移。

參照?qǐng)D1、圖2，本發(fā)明考慮到人的關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸展和收縮運(yùn)動(dòng)起到了關(guān)鍵性出力和蓄能的作用，在一個(gè)方向上為液壓驅(qū)動(dòng)單元提供了一個(gè)帶有壓縮彈簧16的串聯(lián)彈性系統(tǒng)，在另一方向則放置一個(gè)高負(fù)載用聚氨酯起到減震的作用，導(dǎo)向軸15中間使用軸環(huán)17將彈簧與聚氨酯分開。

當(dāng)液壓缸13需要提供向左方向的輸出載荷時(shí)使關(guān)節(jié)伸展時(shí)，液壓缸13的輸出軸向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)移動(dòng)架14開始移動(dòng)并與軸環(huán)17配合擠壓壓縮彈簧16，而此時(shí)由于小腿結(jié)構(gòu)3具有質(zhì)量，壓縮彈簧16施加在軸環(huán)17上的彈力還不足以帶動(dòng)導(dǎo)向軸15移動(dòng)，導(dǎo)向軸15剛開始是相對(duì)大腿主體架11靜止的，然后液壓缸13的輸出軸慢慢伸出，壓縮彈簧16施加的彈力越來越大，最后足以帶動(dòng)軸環(huán)17和導(dǎo)向軸15移動(dòng)，此時(shí)各鉸接結(jié)構(gòu)開始工作，使得小腿結(jié)構(gòu)3能夠伸展。

當(dāng)液壓缸13需要提供向右方向的輸出載荷時(shí)使關(guān)節(jié)收縮時(shí)，液壓缸13的輸出軸向右運(yùn)動(dòng)，則直接經(jīng)由移動(dòng)架14—聚氨酯減震塊5-軸環(huán)17傳遞力到導(dǎo)向軸15上，導(dǎo)向軸15帶動(dòng)小腿結(jié)構(gòu)3移動(dòng)，正常情況下此過程中壓縮彈簧16是不被壓縮的,會(huì)隨著移動(dòng)架14一起移動(dòng)。但是如果小腿結(jié)構(gòu)3在收縮時(shí)突然遇到外部沖擊(如踩在地面上時(shí))而暫停移動(dòng)了，則此時(shí)導(dǎo)向軸15也會(huì)暫停移動(dòng)，但是液壓缸13的輸出軸還是在向右移動(dòng)，此時(shí)設(shè)置的聚氨酯減震塊5可以發(fā)揮其減震作用，防止移動(dòng)架14與軸環(huán)17的剛性碰撞，以防大面積沖撞造成的機(jī)械損傷。

參照?qǐng)D3，譬如，設(shè)定oc＝64.194mm；od＝427.8978mm；bc＝114.042mm；cod＝24.3529mm；ce＝99.1831mm。圖中，de連桿代表柔性液壓驅(qū)動(dòng)單元，ob連桿為輸出連桿。當(dāng)其運(yùn)動(dòng)時(shí)，de長度發(fā)生變化，推動(dòng)ce連桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)b處滑塊也跟著發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)ob連桿轉(zhuǎn)動(dòng)。這種關(guān)節(jié)的等效力臂示意圖如圖所示，可以看到，其在0°，即完全收縮狀態(tài)時(shí)，等效力臂最短，約為19mm，其在120°時(shí)，等效力臂最長，約為127.1377mm，整體運(yùn)動(dòng)角度為135°，這種設(shè)計(jì)跟人的關(guān)節(jié)作用力與角度間關(guān)系類似，同時(shí)平均等效力臂約為90.6444mm，從而保證了關(guān)節(jié)的整體性能。其中鉸接點(diǎn)d為第一鉸軸41的位置，鉸接點(diǎn)o為第二鉸軸42的位置，鉸接點(diǎn)c為第三鉸軸43的位置，鉸接點(diǎn)b為第四鉸軸44的位置，鉸接點(diǎn)e為第五鉸軸45的位置。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。