[發明專利]擬人機器人踝關節四連桿機構傳動裝置

在審

• 申請號: 201710819692.6
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107379014A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 馬海霞
• 申請（專利權）人: 長沙展朔軒興信息科技有限公司
• 主分類號: B25J18/00
• 分類號: B25J18/00;B25J9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種擬人機器人踝關節四連桿機構傳動裝置。

背景技術

腿部結構是擬人機器人的重要組成部分，其設計是擬人機器人的關鍵技術之一，因為它對整個擬人機器人的能量效率有很大的影響。要實現擬人功能，擬人機器人都必須自身攜帶能源，由于擬人機器人重量和體積是有限制的，所攜帶的能源在重量和體積土也受一定限制，只能用其有限的能源來完成作業。要想獲得更遠距離的擬人式步行和更長時間的工作，唯一的方法是提高步行腿的效率，其中腿部結構的合理設計是提高效率的重要并有效的途徑。

在擬人機器人步行腿研究中，國內外都是以人為對象，通過機械仿生人的雙足運動特性，并進行必要的簡化，從各種步態入手，采用不同的結構傳動裝置，做了許多實驗，積累了較豐富的經驗。但是，從查閱的中國專利信息網等有關資料來看，目前有關擬人機器人雙足傳動裝置公布的不多，有關擬人機器人下肢踝橫滾方向關節運動傳動裝置的專利文獻幾乎沒有。

到目前為此，國內、外所研制的擬人機器人下肢踝橫滾方向關節運動的傳動結構方案中，有一種是采用以絲桿機構為核心的傳動裝置以實現步行腿踝橫滾方向關節運動。

采用以絲桿機構為核心的變減速比傳動裝置以實現步行腿踝橫滾方向關節運動的，因考慮結構布置等，大多采用雙絲桿機構以協同實現踝橫滾和俯仰兩個方向關節運動，其結構如圖2所示。其中，1是腳，2是踝地橫滾方向關節軸，3是踝的俯仰方向關節軸，4是小腿，12是踝部電機等驅動裝置(固定在小腿4上)，13是傳動絲桿，14是可沿著平行于絲桿的導軌上下移動的螺母，15是球面副，16是連桿，22是固定在腳上的軸承座，23是固定在小腿上的軸承座。踝的橫滾方向關節軸2和俯仰方向關節軸3互相正交固聯，連桿16以球面副15分別與螺母14和腳1相聯接，電機等驅動裝置12通過傳動絲桿13輸出轉速和轉矩，帶動螺母沿導軌上下運動，連桿16通過球面副15將螺母14的運動和力矩傳給腳1，實現變比傳動。兩對傳動裝置協同實現踝的橫滾和俯仰方向關節運動。該傳動裝置結構雖然較緊湊，但對絲桿、導軌和球面副的制造、安裝精度要求相當高，運動容易偶合，算法較復雜，加大了控制的難度。

由于要實現踝橫滾方向關節運動，所要求的轉矩變化范圍較大，變化率也較大。如采用定減速比傳動裝置，則要求電機輸出的轉矩和轉速也按同樣規律變化，其變化范圍及其變化率均較大，這不利于電機的選取和使用。此時，如采用平均轉矩和平均轉速(平均功率)法來選取電機，在一個運動周期中，必將有一段較長的超載時期；如以峰值力矩或峰值功率為參考來選取電機，則電機大部分時間都將處于較低功率運轉階段，不利于電機的有效使用；同時，電機等的尺寸、體積和重量也將加大，不利于整個擬人腿結構的布置和優化。

發明內容

本發明的目的是設計一種擬人機器人踝關節四連桿機構傳動裝置，用以實現擬人機器人踝橫滾方向關節運動的四連桿機構傳動裝置。該裝置采用直流伺服電機、自帶行星齒輪減速器以及曲柄搖桿機構來實現變減速比傳動。

本發明設計的擬人機器人踝關節四連桿機構傳動裝置，包括腳、小腿、踝橫滾方向關節軸、踝俯仰方向關節軸和電機。其中踝橫滾方向關節軸和踝俯仰方向關節軸正交固聯，踝橫滾方向關節軸通過固定在腳上的軸承座與腳部相互鉸接，踝俯仰方向關節軸通過固定在小腿上的軸承座與小腿相互鉸接。該裝置還包括曲柄搖桿機構和行星齒輪減速機構，曲柄搖桿機構包括偏心輪、連桿和連接軸，連接軸的一端與踝俯仰方向關節軸正交固聯并與踝橫滾方向關節軸平行，另一端與連桿一端相互鉸接，連桿的另一端與偏心輪相互鉸接，偏心輪固定在行星齒輪減速機構輸出軸上，直流無刷電機通過電機轉軸驅動固聯其上的行星齒輪減速機構。

本發明傳動裝置中，直流無刷伺服電機和行星齒輪減速器布置在腳掌內內側，平行于腳掌，踝的俯仰關節軸在踝橫滾方向關節運動中實現曲柄搖桿機構中搖桿的功能。

該裝置能較好地擬合擬人機器人踝橫滾方向關節的運動特性。電機能以較平緩變化的曲線輸出轉矩和功率，經該傳動裝置變比放大，從而獲得踝橫滾方向關節運動所需的較復雜、較劇烈變化的功率和轉矩輸入，從而大大地削減了對電機的峰值輸出轉矩和峰值輸出功率的要求，利于電機的合理選用，大大提高了電機的使用壽命和使用性能，具有較好的能效性。并有助于電機選取的小型化，利于腿部結構的合理配置。

該裝置較合理地利用了腳和小腿的空間，使本擬人機器人整個下肢結構分布均勻、疏密得當、錯落緊湊、輕便，有益于減少整個下肢的尺寸、體積和重量。以經典四連桿機構為核心構成的本發明傳動裝置結構簡單，容易保證制造、加工和裝配質量。

附圖說明