本發(fā)明涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)，屬于機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人的重要組成部分，對(duì)足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起著非常重要的作用。剛性關(guān)節(jié)的足式機(jī)器人在行走過(guò)程中在足部與地面接觸的瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大的沖力，這種瞬間的沖擊力會(huì)對(duì)組成機(jī)器人的元器件造成一定的損害，并會(huì)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，而且這種剛性接觸會(huì)使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成很大的能量損耗，進(jìn)一步降低了足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。因此，避免機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與地面之間進(jìn)行剛性接觸降低接觸產(chǎn)生的沖力對(duì)足式機(jī)器人的研究具有重要意義。學(xué)者們通過(guò)研究人類下肢運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)，人類下肢具有足夠的柔性，不但可以讓人實(shí)現(xiàn)流暢、省力的雙足步行，而且可以保護(hù)下肢的關(guān)節(jié)。人類下肢靈活、節(jié)能、吸收沖擊的特點(diǎn)對(duì)于足式機(jī)器人來(lái)說(shuō)，具有十分重要的借鑒意義?；诖?，本發(fā)明提出的一種可變剛度柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)具有可主動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度的能力，有利于減小足式機(jī)器人足部與地面接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，并進(jìn)一步提高機(jī)器人的能量效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決現(xiàn)有足式機(jī)器人足部與地面剛性接觸時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，造成很大的能量損耗，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能降低的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種可變剛度的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：一種可變剛度的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)包括位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；所述位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接架和兩套直線移動(dòng)器；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸、足部連接座、兩個(gè)活動(dòng)桿、兩個(gè)限位塊和兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承座；所述剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)彈性元件和兩個(gè)連接桿；

所述連接架固定連接在所述足部連接座上，所述足部連接座固定安裝在所述傳動(dòng)軸上，所述足部連接座的兩側(cè)分別設(shè)置有垂直于傳動(dòng)軸的一個(gè)所述活動(dòng)桿，兩個(gè)所述活動(dòng)桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述傳動(dòng)軸上，位于兩個(gè)所述活動(dòng)桿外側(cè)的所述傳動(dòng)軸的兩端各安裝有一個(gè)所述踝關(guān)節(jié)軸承座，且所述踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)軸能相對(duì)踝關(guān)節(jié)軸承座旋轉(zhuǎn)，所述踝關(guān)節(jié)軸承座的兩側(cè)分別固定安裝有限制所述活動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)的一個(gè)限位塊，兩個(gè)所述活動(dòng)桿以所述傳動(dòng)軸的軸心成中心對(duì)稱；兩個(gè)所述活動(dòng)桿的上方各布置有與所述活動(dòng)桿平行的一個(gè)所述連接桿，所述活動(dòng)桿的另一端與所述連接桿的一端之間布置有與二者固定連接的彈性元件；

兩套所述直線移動(dòng)器滑動(dòng)安裝在連接架上，所述傳動(dòng)軸的軸向與所述直線移動(dòng)器的移動(dòng)方向垂直，兩個(gè)所述活動(dòng)桿和兩個(gè)所述直線移動(dòng)器一一對(duì)應(yīng)布置，所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端帶動(dòng)所述兩套直線移動(dòng)器在各自對(duì)應(yīng)的所述活動(dòng)桿上相向摩擦移動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪，每套直線移動(dòng)器包括齒條、滑動(dòng)件和觸點(diǎn)桿，所述連接架上并列設(shè)置有兩個(gè)滑軌；所述傳動(dòng)軸與兩個(gè)所述滑軌垂直設(shè)置，所述滑動(dòng)件滑動(dòng)安裝在所述滑軌上，所述齒條與所述滑動(dòng)件連接，所述滑動(dòng)件的端部連接有接觸所述活動(dòng)桿的觸點(diǎn)桿，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸向豎向設(shè)置，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端連接有所述齒輪，所述齒輪與兩個(gè)所述齒條均嚙合。

進(jìn)一步地，所述連接架還包括兩套定位裝置，所述滑軌為圓柱形導(dǎo)向桿，所述滑動(dòng)件為直線軸承，所述直線軸承安裝在所述圓柱形導(dǎo)向桿上，兩套所述定位裝置與兩套直線移動(dòng)器一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每套所述定位裝置包括上板、下板和連接板；所述上板和所述下板間距設(shè)置并分別與所述連接架連接，所述齒條布置在所述上半板和所述下板之間并支撐在所述下板上，所述齒條通過(guò)連接板與所述直線軸承連接。

進(jìn)一步地，所述位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還包括聯(lián)軸器；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端與所述齒輪之間布置有與二者連接的聯(lián)軸器。

進(jìn)一步地，所述彈性元件為螺旋彈簧。

進(jìn)一步地，每個(gè)所述活動(dòng)桿為L(zhǎng)形，所述活動(dòng)桿的長(zhǎng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述傳動(dòng)軸上，所述踝關(guān)節(jié)軸承座的兩側(cè)鄰近所述活動(dòng)桿的長(zhǎng)臂的一端分別固定安裝有限制所述活動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)的一個(gè)限位塊，所述活動(dòng)桿的長(zhǎng)臂的另一端與所述活動(dòng)桿的短臂的一端連接，所述活動(dòng)桿的短臂的另一端與所述連接桿的一端之間布置有與二者固定連接的螺旋彈簧。

進(jìn)一步地，所述足部連接座包括連接底座和U形足部連接件；所述連接底座固定安裝在所述傳動(dòng)軸上，所述連接架固定連接在所述連接底座上，所述連接底座固定安裝在所述U形足部連接件內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述一種可變剛度的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)還包括隨動(dòng)帶輪，所述傳動(dòng)軸的一端安裝有一個(gè)隨動(dòng)帶輪。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于杠桿原理，利用改變載荷作用位置的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)改變載荷施加的位置，從而改變剛度；當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，輸入部分的觸點(diǎn)桿會(huì)壓住活動(dòng)桿，活動(dòng)桿便會(huì)拉伸螺旋彈簧，這一過(guò)程使踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻力矩，表現(xiàn)為機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的剛度。

本發(fā)明研制的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)可以主動(dòng)的調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的剛度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔性驅(qū)動(dòng)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中該關(guān)節(jié)剛度可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線調(diào)節(jié)，使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能得到提高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為帶有驅(qū)動(dòng)帶輪的位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接關(guān)系圖；

圖3為位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剖視結(jié)構(gòu)圖；

圖4為剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接關(guān)系圖；

圖5為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1-圖5說(shuō)明，本實(shí)施方式的一種可變剛度的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)包括位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；

所述位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11、連接架12和兩套直線移動(dòng)器13；所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸21、足部連接座22、兩個(gè)活動(dòng)桿23、兩個(gè)限位塊24和兩個(gè)關(guān)節(jié)軸承座35；所述剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)彈性元件31和兩個(gè)連接桿32；

所述連接架12固定連接在所述足部連接座22上，所述足部連接座22固定安裝在所述傳動(dòng)軸21上，所述足部連接座22的兩側(cè)分別設(shè)置有垂直于傳動(dòng)軸21的一個(gè)所述活動(dòng)桿23，兩個(gè)所述活動(dòng)桿23的一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述傳動(dòng)軸21上，位于兩個(gè)所述活動(dòng)桿23外側(cè)的所述傳動(dòng)軸21的兩端各安裝有一個(gè)所述踝關(guān)節(jié)軸承座25，且所述踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)軸21能相對(duì)踝關(guān)節(jié)軸承座35旋轉(zhuǎn)，所述踝關(guān)節(jié)軸承座35的兩側(cè)分別固定安裝有限制所述活動(dòng)桿23旋轉(zhuǎn)的一個(gè)限位塊24，兩個(gè)所述活動(dòng)桿23以所述傳動(dòng)軸21的軸心成中心對(duì)稱；兩個(gè)所述活動(dòng)桿23的上方各布置有與所述活動(dòng)桿23平行的一個(gè)所述連接桿32，所述活動(dòng)桿23的另一端與所述連接桿32的一端之間布置有與二者固定連接的彈性元件31；

兩套所述直線移動(dòng)器13滑動(dòng)安裝在連接架12上，所述傳動(dòng)軸21的軸向與所述直線移動(dòng)器13的移動(dòng)方向垂直，兩個(gè)所述活動(dòng)桿23和兩個(gè)所述直線移動(dòng)器13一一對(duì)應(yīng)布置，所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11的輸出端帶動(dòng)所述兩套直線移動(dòng)器13在各自對(duì)應(yīng)的所述活動(dòng)桿23上相向摩擦移動(dòng)。

傳動(dòng)軸21相當(dāng)于杠桿的支點(diǎn)，活動(dòng)桿23相當(dāng)于杠桿，直線移動(dòng)器13的觸點(diǎn)在杠桿上位置就是載荷施加的位置，彈性元件31在杠桿上的位置是固定不變的。當(dāng)觸點(diǎn)沿著活動(dòng)桿23運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于力的作用點(diǎn)沿著活動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，線性拉伸彈性元件31的剛度是恒定的，從而表現(xiàn)為整個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)剛度隨著觸點(diǎn)的移動(dòng)而變化。從上述可知，當(dāng)我們驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸21旋轉(zhuǎn)時(shí)可以使關(guān)節(jié)的剛度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度的設(shè)計(jì)目的。

為了提高電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率和直線移動(dòng)器的可靠性，本實(shí)施方式采用了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪齒條相結(jié)合的傳動(dòng)方式，優(yōu)選地，電力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)11包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1和齒輪11-2，每套直線移動(dòng)器13包括齒條13-1、滑動(dòng)件13-2和觸點(diǎn)桿13-3，所述連接架12上并列設(shè)置有兩個(gè)滑軌12-1；所述傳動(dòng)軸21與兩個(gè)所述滑軌12-1垂直設(shè)置，所述滑動(dòng)件13-2滑動(dòng)安裝在所述滑軌12-1上，所述齒條13-1與所述滑動(dòng)件13-2連接，所述滑動(dòng)件13-2的端部連接有接觸所述活動(dòng)桿23的觸點(diǎn)桿13-3，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1的軸向豎向設(shè)置，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1的輸出端連接有所述齒輪11-2，所述齒輪11-2與兩個(gè)所述齒條11-2均嚙合。如此設(shè)置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1驅(qū)動(dòng)齒輪11-2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)與齒輪11-2兩側(cè)嚙合的齒條13-1沿彼此相反的方向做直線運(yùn)動(dòng)。齒條13-1與滑動(dòng)件13-2連接，齒條13-1的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑動(dòng)件13-2延滑軌12-1隨動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了安裝在滑動(dòng)件13-2上的觸點(diǎn)桿13-3沿著滑軌12-1方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1驅(qū)動(dòng)齒輪11-2和齒條13-1運(yùn)動(dòng)改變載荷施加的位置，從而改變剛度。

如圖3說(shuō)明，優(yōu)選地，連接架12還包括兩套定位裝置，所述滑軌12-1為圓柱形導(dǎo)向桿，所述滑動(dòng)件13-2為直線軸承，所述直線軸承13-2安裝在所述圓柱形導(dǎo)向桿上，兩套所述定位裝置與兩套直線移動(dòng)器13一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，每套所述定位裝置包括上板12-2、下板12-3和連接板12-4；所述上板12-2和所述下板12-3間距設(shè)置并分別與所述連接架12連接，所述齒條13-1布置在所述上半板12-2和所述下板12-3之間并支撐在所述下板12-3上，所述齒條13-1與通過(guò)連接板12-4與所述直線軸承連接。如此設(shè)置，采用直線軸承提高運(yùn)行精度和可靠性，定位裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線移動(dòng)器的固定。

如圖3說(shuō)明，為了克服驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)剛性運(yùn)動(dòng)，減少扭矩問(wèn)題，增設(shè)聯(lián)軸器，以提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還包括聯(lián)軸器33；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1的輸出端與所述齒輪11-2之間布置有與二者連接的聯(lián)軸器33。如此設(shè)置，聯(lián)軸器以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1通過(guò)聯(lián)軸器33驅(qū)動(dòng)齒輪11-2旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)與齒輪11-2兩側(cè)嚙合的齒條13-1沿彼此相反的方向做直線運(yùn)動(dòng)。齒條13-1通過(guò)連接板12-4與直線軸承相連接，齒條13-1的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)直線軸承延圓柱形導(dǎo)向桿的隨動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了安裝在直線軸承上的觸點(diǎn)桿沿著圓柱形導(dǎo)向桿方向的直線運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，傳動(dòng)軸21相當(dāng)于杠桿的支點(diǎn)，活動(dòng)桿23相當(dāng)于杠桿，觸點(diǎn)桿13-3在杠桿上的位置就是載荷施加的位置，螺旋彈簧在杠桿上的位置是固定不變的。當(dāng)觸點(diǎn)桿13-3沿著活動(dòng)桿23運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于力的作用點(diǎn)沿著活動(dòng)桿23運(yùn)動(dòng)，線性拉伸的螺旋彈簧的剛度是恒定的，從而表現(xiàn)為整個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)剛度隨著觸點(diǎn)桿的移動(dòng)而變化。從上述可知，當(dāng)我們驅(qū)動(dòng)電機(jī)11-1旋轉(zhuǎn)時(shí)可以使關(guān)節(jié)的剛度發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度的設(shè)計(jì)目的。

如圖4說(shuō)明，優(yōu)選地，彈性元件31為螺旋彈簧。如此設(shè)置，廉價(jià)易得，拆裝使用方便。當(dāng)觸點(diǎn)桿13-3沿著活動(dòng)桿23運(yùn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于力的作用點(diǎn)沿著活動(dòng)桿23運(yùn)動(dòng)，線性拉伸的螺旋彈簧的剛度是恒定的，從而表現(xiàn)為整個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)剛度隨著觸點(diǎn)的移動(dòng)而變化。

如圖4說(shuō)明，為了保證活動(dòng)桿起到杠桿的作用更加突顯，每個(gè)所述活動(dòng)桿23為L(zhǎng)形，所述活動(dòng)桿23的長(zhǎng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在所述傳動(dòng)軸21上，所述足部連接座22的兩側(cè)上鄰近所述活動(dòng)桿23的長(zhǎng)臂的一端分別安裝有限制所述活動(dòng)桿23旋轉(zhuǎn)的一個(gè)限位塊24，所述活動(dòng)桿23的長(zhǎng)臂的另一端與所述活動(dòng)桿23的短臂的一端連接，所述活動(dòng)桿23的短臂的另一端與所述連接桿32的一端之間布置有與二者固定連接的螺旋彈簧。如此設(shè)置，L形的活動(dòng)桿起到傳遞力的作用，以保證杠桿效力。

如圖5說(shuō)明，為了保證本實(shí)施方式的關(guān)節(jié)用于雙足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)，足部連接座22包括連接底座22-1和U形足部連接件22-2；所述連接底座22-1固定安裝在所述傳動(dòng)軸21上，所述連接架12固定連接在所述連接底座22-1上，所述連接底座22-1固定安裝在所述U形足部連接件22-2內(nèi)。如此設(shè)置，使用方便，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定。

如圖2說(shuō)明，為了保證本實(shí)施方式的關(guān)節(jié)用于雙足機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)，一種可變剛度的柔性機(jī)器人關(guān)節(jié)還包括隨動(dòng)帶輪34，所述傳動(dòng)軸21的一端安裝有一個(gè)隨動(dòng)帶輪34。如此設(shè)置，機(jī)器人小腿和機(jī)器人關(guān)節(jié)通過(guò)軸承座35連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便可靠。

本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可以利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施案例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施案例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明技術(shù)方案范圍。