專利名稱：一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于足式機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
足式機(jī)器人需要通過膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)組成的腿機(jī)構(gòu)來控制小腿相對于大腿、大腿相對于機(jī)體的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)足式機(jī)器人的各種步態(tài)運(yùn)動。為了提高足式機(jī)器人的運(yùn)動性能，由髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)組成的腿機(jī)構(gòu)需要有較大的足端工作空間；同時，在具有足夠承載能力的前提下，腿機(jī)構(gòu)及其傳動裝置結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、占用空間小，易于實(shí)現(xiàn)對腿關(guān)節(jié)的快速運(yùn)動控制。在現(xiàn)有的足式機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)中，通常采用電機(jī)及其傳動裝置或液壓缸及連桿機(jī)構(gòu)來驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。雖然電機(jī)驅(qū)動技術(shù)成熟，雙向運(yùn)動控制穩(wěn)定可靠，但電機(jī)及其傳動裝置安裝在大腿和小腿，増加的腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動質(zhì)量和結(jié)構(gòu)空間，驅(qū)動功率受腿結(jié)構(gòu)空間限制；同吋，由于機(jī)械慣性的影響，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的往復(fù)運(yùn)動頻率較小。因此，電機(jī)驅(qū)動的腿機(jī)構(gòu)存在重量大，承載能力小，能耗大和機(jī)器人運(yùn)動速度不高的問題。液壓缸及連桿機(jī)構(gòu)驅(qū) 動可大大提高腿機(jī)構(gòu)的承載能力，但在較大關(guān)節(jié)運(yùn)動轉(zhuǎn)角的情況下，液壓缸的工作行程較大，増加了腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)空間；同時，液壓缸的推(拉)力不變時，驅(qū)動カ臂變化導(dǎo)致關(guān)節(jié)驅(qū)動カ矩不穩(wěn)定。因此，液壓缸及連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動的腿機(jī)構(gòu)存在關(guān)節(jié)運(yùn)動空間小和結(jié)構(gòu)不緊湊的缺點(diǎn)。中國專利200610047169. 8是ー種電機(jī)驅(qū)動的腿機(jī)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的大腿上，膝關(guān)節(jié)為兩個四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，可提高足端離地高度，增強(qiáng)腳在行走過程中的避障能力。然而，驅(qū)動電機(jī)及其傳動裝置増加了大腿的重量和結(jié)構(gòu)空間，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動副多，足端工作空間較小。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有足式機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)笨重、承載能力小和運(yùn)動空間小的不足，本發(fā)明基于動物通過肌腱的收縮和松弛來驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的原理，提供ー種結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大、運(yùn)動質(zhì)量小且易于控制的足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的緩沖性能，不僅適用于多足機(jī)器人的前腿，也適用于其后腿。本發(fā)明所提供的一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)包括腿支架I、大腿骨2、大腿前擺缸
3、大腿前拉索4、大腿前滑輪5、小腿前滑輪6、小腿前拉索7、小腿前擺缸8、關(guān)節(jié)墊9、小腿骨10、球形足11、小腿后拉索12、小腿后擺缸13、小腿后滑輪14、大腿后滑輪15、大腿后拉索16、大腿后擺缸17、膝關(guān)節(jié)柱24、髖關(guān)節(jié)柱28 ;所述腿支架I與髖關(guān)節(jié)柱28鉸接組成髖關(guān)節(jié)；所述大腿骨2的上端與髖關(guān)節(jié)柱28固連，所述關(guān)節(jié)墊9位于大腿骨2的下部并與大腿骨2固連，所述大腿骨2的下端與膝關(guān)節(jié)柱24鉸接，所述大腿骨2、關(guān)節(jié)墊9以及膝關(guān)節(jié)柱24組成膝關(guān)節(jié)；所述小腿骨10上端與膝關(guān)節(jié)柱24固連，所述小腿骨10下端與球形足11固連。所述的大腿前擺缸3、大腿后擺缸17、小腿前擺缸8和小腿前擺缸13都是結(jié)構(gòu)相同的柱塞缸，大腿前擺缸3和大腿后擺缸17的缸體平行布置在大腿骨2的前后側(cè)并固定于大腿骨2的上部，小腿前擺缸8和小腿前擺缸13的缸體平行布置在大腿骨2的前后側(cè)并固定于大腿骨2的下部。所述的大腿前滑輪5、大腿后滑輪15、小腿前滑輪6和小腿后滑輪14分別安裝在大腿骨2中部的四段導(dǎo)向槽中，大腿前滑輪5、大腿后滑輪15、小腿前滑輪6和小腿后滑輪14分別與各自的導(dǎo)向槽形成移動副。所述的大腿前拉索4的一端固定于大腿骨2的中上部，另一端繞過大腿前滑輪5固定于腿支架I的前側(cè)；所述大腿后拉索16的一端固定于大腿骨2的中上部,另一端繞過大腿后滑輪15固定于腿支架I的后側(cè)；所述小腿前拉索7的一端固定于大腿骨2的中下部，另一端繞過小腿前滑輪6固定于小腿骨10的前側(cè)；所述小腿后拉索12的一端固定于大腿骨2的中下部，另一端繞過小腿后滑輪14固定于小腿骨10的后側(cè)。所述的大腿前擺缸3的柱塞和大腿前滑輪5的滑座保持接觸，大腿后擺缸17的柱塞和大腿后滑輪15的滑座保持接觸，小腿前擺缸8的柱塞和小腿前滑輪6的滑座保持接 觸，所述小腿前擺缸13的柱塞和小腿后滑輪14的滑座保持接觸。所述的關(guān)節(jié)墊9的半圓柱表面與膝關(guān)節(jié)柱24的圓柱面接觸。當(dāng)大腿前擺缸的柱塞伸出時，推動大腿前滑輪移動使大腿前拉索拉緊，從而驅(qū)動大腿骨相對于腿支架向前擺動；同時，大腿后拉索帶動大腿后滑輪移動使大腿后擺動缸的柱塞縮回。反之，當(dāng)大腿后擺缸的柱塞伸出時，推動大腿后滑輪移動使大腿后拉索拉緊，從而驅(qū)動大腿骨相對于腿支架向后擺動；同時，大腿前拉索帶動大腿前滑輪移動使大腿前擺動缸的柱塞縮回。當(dāng)小腿前擺缸的柱塞伸出時，推動小腿前滑輪移動使小腿前拉索拉緊，從而驅(qū)動小腿骨相對于大腿骨向前擺動；同時，小腿后拉索帶動小腿后滑輪移動使小腿后擺動缸的柱塞縮回。反之，當(dāng)小腿后擺缸的柱塞伸出時，推動小腿后滑輪移動使小腿后拉索拉緊，從而驅(qū)動小腿骨相對于大腿骨向后擺動；同時，小腿前拉索帶動小腿前滑輪移動使小腿前擺動缸的柱塞縮回。柱塞缸密封結(jié)構(gòu)簡單，體積小，采用油壓或氣壓傳動，腿機(jī)構(gòu)的重量大大減小。無論是大腿擺動還是小腿擺動都是雙柱塞缸工作模式，即一柱塞缸為主動缸，另一柱塞缸為從動缸。調(diào)節(jié)從動缸的輸出流量，容易實(shí)現(xiàn)快速的關(guān)節(jié)運(yùn)動控制。本發(fā)明采用動滑輪沿導(dǎo)向槽移動將柱塞的推力轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動的拉力，不僅縮短了柱塞缸的工作行程，使腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且擴(kuò)大了關(guān)節(jié)運(yùn)動的空間。動滑輪沿大腿骨的導(dǎo)向槽運(yùn)動，拉索的拉カ不會使柱塞缸的柱塞承受側(cè)向作用力，因而可提高柱塞缸的使用壽命。大腿前拉索、大腿后拉索、小腿前拉索和小腿后拉索都是截面為矩形的柔性帶，與滑輪輪面接觸均勻，不易跑偏，受カ面積大，能承受較大的拉力。在大腿或小腿擺動過程中，柔性帶與髖關(guān)節(jié)柱或膝關(guān)節(jié)柱的圓柱面接觸使驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動的カ臂保持不變。因此，本發(fā)明的腿機(jī)構(gòu)在不同位姿時都有較大的承載能力。關(guān)節(jié)墊是膝關(guān)節(jié)的彈性構(gòu)件，它與膝關(guān)節(jié)柱有較大的接觸面積，因而可承受較大的關(guān)節(jié)負(fù)載。關(guān)節(jié)墊與膝關(guān)節(jié)柱的接觸面之間形成潤滑油膜，可減小膝關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)，延長膝關(guān)節(jié)的使用壽命。球形足為可充氣的空心球，表面設(shè)有花紋可增加行走時的附著力，球內(nèi)氣體可大大緩沖地面的沖擊カ。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，能耗小，容易實(shí)現(xiàn)快速的關(guān)節(jié)運(yùn)動。2、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動カ臂變化小,承載能力穩(wěn)定,足端運(yùn)動空間大。3、緩沖性能好，使用壽命長。


圖I :為本發(fā)明足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)的主視圖。圖2 :為本發(fā)明足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)的左視圖。圖中1.腿支架、2.大腿骨、3.大腿前擺缸、4.大腿前拉索、5.大腿前滑輪、6.小腿前滑輪、7.小腿前拉索、8.小腿前擺缸、9.關(guān)節(jié)墊、10.小腿骨、11.球形足、12.小腿后拉索、13.小腿后擺缸、14.小腿后滑輪、15.大腿后滑輪、16.大腿后拉索、17.大腿后擺缸、18.空心軸、19.軸承、20.滑座、21.帶輪、22.鉚釘、23.彈性軸套、24.膝關(guān)節(jié)柱、25.銷軸、26.軸套、27.螺栓、28.髖關(guān)節(jié)柱。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)ー步說明
髖關(guān)節(jié)柱28與大腿骨2固接，它的內(nèi)孔與軸承19的外圈配合，軸承19的內(nèi)圈與空心軸18配合，空心軸18的兩端用螺栓27與腿支架I固接，形成大腿的髖關(guān)節(jié)。小腿骨10的上端與膝關(guān)節(jié)柱24固接，關(guān)節(jié)墊9通過螺釘固定在大腿骨2的下端，并與膝關(guān)節(jié)柱24的圓 柱面接觸，用于承受膝關(guān)節(jié)的主要負(fù)載；同時，大腿骨2下端的凸耳與鉚釘22固接，彈性軸套23固定安裝在膝關(guān)節(jié)柱24的通孔中，鉚釘22與弾性軸套23間隙配合形成大腿骨2和膝關(guān)節(jié)柱24之間的輔助鉸接，保證小腿骨不會錯位。大腿前擺缸3、大腿后擺缸17、小腿前擺缸8和小腿后擺缸13都是單作用柱塞缸。其中，大腿前擺缸3的缸體通過螺釘固定安裝在大腿骨2的上部前側(cè)，大腿前擺缸3的柱塞壓靠于大腿前滑輪5的滑座；而大腿后擺缸17的缸體通過螺釘固定安裝在大腿骨2的上部后側(cè)，大腿后擺缸17的柱塞壓靠于大腿后滑輪15的滑座。小腿前擺缸8的缸體通過螺釘固定安裝在大腿骨2的下部前側(cè)，小腿前擺缸8的柱塞壓靠于小腿前滑輪6的滑座；而小腿后擺缸13的缸體通過螺釘固定安裝在大腿骨2的下部后側(cè)，小腿后擺缸13的柱塞壓靠于小腿后滑輪14的滑座。大腿前滑輪5、大腿后滑輪15、小腿前滑輪6和小腿后滑輪14的結(jié)構(gòu)組成相同，由滑座20、帶輪21、銷軸25和軸套26組成，軸套26固定安裝在帶輪21的內(nèi)孔中并以間隙配合支承在銷軸25上，銷軸25固定安裝在滑座20的孔中。大腿骨2的中部設(shè)有四段導(dǎo)向槽，大腿前滑輪5、大腿后滑輪15、小腿前滑輪6和小腿后滑輪14安裝在對應(yīng)的導(dǎo)向槽中，分別沿各自的導(dǎo)向槽上下移動。大腿前拉索4 一端固定于腿支架I前側(cè)，另一端繞過大腿前滑輪5固連于大腿骨
2的中上部；而大腿后拉索16 —端固定于腿支架I后側(cè)，另一端繞過大腿后滑輪15固連于大腿骨2的中上部。當(dāng)大腿前擺缸3的柱塞伸出時，大腿骨2在大腿前拉索4的作用下向前轉(zhuǎn)動，同時大腿后擺缸的柱塞在大腿后拉索16的作用下與大腿后滑輪15 —起縮回。反之，當(dāng)大腿后擺缸17的柱塞伸出吋，大腿骨2在大腿后拉索16的作用下向后轉(zhuǎn)動，同時大腿前擺缸3的柱塞在大腿前拉索4的作用下與大腿前滑輪5 —起縮回。這種雙柱塞缸的柱塞往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了大腿的雙向擺動。小腿前拉索7 —端固定在大腿骨2的中下部，另一端繞過小腿前滑輪6固定在小腿骨10的前側(cè)；而小腿后拉索16 —端固定在大腿骨2的中下部，另一端繞過小腿后滑輪14固定于小腿骨10的后側(cè)。當(dāng)小腿前擺缸8的柱塞伸出時，小腿骨10在小腿前拉索7的作用下向前轉(zhuǎn)動，同時小腿后擺缸13的柱塞在小腿后拉索12的作用下與小腿后滑輪14 一起縮回。反之，當(dāng)小腿后擺缸13的柱塞伸出時，小腿骨10在小腿后拉索12的作用下向后轉(zhuǎn)動，同時小腿前擺缸8的柱塞在小腿前拉索7的作用下與小腿前滑輪6 —起縮回。上述雙柱塞缸的柱塞往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了小腿的雙向擺動。小腿骨10下端與球形足12固連，球形足12是可充氣的空心彈性球體，外表有增加附著力的花紋，球內(nèi)氣體可緩沖地面的沖擊カ。以大腿和小腿直立時為基準(zhǔn)，大腿骨2向后擺動的極限角度稱為大腿后擺幅角· ，，向前擺動的極限角度稱為大腿前擺幅角ひ，小腿骨10相對于大腿骨2向后擺動的極限
角度稱為小腿后擺幅角5。幅角a、ガ、5數(shù)值越大，腿機(jī)構(gòu)的足端工作空間越大。本具體實(shí)施方式
中，a為75°，ガ為50°，5為135°，保證了腿機(jī)構(gòu)的足端有較大的工作空間。不管大腿骨2和小腿骨10處于何種位置，大腿前拉索4、大腿后拉索16、小腿前拉索7、小腿后拉索12的長度均保持不變。由于拉索可以彎曲，大腿前拉索4和大腿后拉索16在大腿擺動過程中能壓靠在髖關(guān)節(jié)柱28的表面，小腿前拉索7和小腿后拉索12在小腿擺動過程中能壓靠在膝關(guān)節(jié)柱24的表面，保證了拉索的拉カ對關(guān)節(jié)中心的カ臂大小穩(wěn)定，使膝關(guān)節(jié)和和髖關(guān)節(jié)都有較大的承載能力。
權(quán)利要求
1.一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)包括腿支架(I)、大腿骨(2)、大腿前擺缸(3)、大腿前拉索(4)、大腿前滑輪(5)、小腿前滑輪(6)、小腿前拉索(7)、小腿前擺缸(8)、關(guān)節(jié)墊(9)、小腿骨(10)、球形足(11)、小腿后拉索(12)、小腿后擺缸(13)、小腿后滑輪(14)、大腿后滑輪(15)、大腿后拉索(16)、大腿后擺缸(17)、膝關(guān)節(jié)柱(24 )、髖關(guān)節(jié)柱(28 );所述腿支架(I)與髖關(guān)節(jié)柱(28 )鉸接組成髖關(guān)節(jié)；所述大腿骨(2 )的上端與髖關(guān)節(jié)柱(28)固連，所述關(guān)節(jié)墊(9)位于大腿骨(2)的下部并與大腿骨(2)固連，所述大腿骨(2 )的下端與膝關(guān)節(jié)柱(24 )鉸接，所述大腿骨(2 )、關(guān)節(jié)墊(9 )以及膝關(guān)節(jié)柱(24 )組成膝關(guān)節(jié)；所述小腿骨(10)上端與膝關(guān)節(jié)柱(24)固連，所述小腿骨(10)下端與球形足(11)固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的大腿前擺缸(3)、大腿后擺缸(17)、小腿前擺缸(8)和小腿前擺缸(13)都是結(jié)構(gòu)相同的柱塞缸，所述大腿前擺缸(3)和大腿后擺缸(17)的缸體平行布置在大腿骨(2)的前后側(cè)并固定于大腿骨(2)的上部，所述小腿前擺缸(8)和小腿前擺缸(13)的缸體平行布置在大腿骨(2)的前后側(cè)并固定于大腿骨(2)的下部。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的大腿前滑輪(5)、大腿后滑輪(15)、小腿前滑輪(6)和小腿后滑輪(14)分別安裝在大腿骨(2)中部的四段導(dǎo)向槽中，所述大腿前滑輪(5)、大腿后滑輪(15)、小腿前滑輪(6)和小腿后滑輪(14)分別與各自的導(dǎo)向槽形成移動副。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的大腿前拉索(4)的一端固定于大腿骨(2)的中上部，另一端繞過大腿前滑輪(5)固定于腿支架(I)的前側(cè)；所述大腿后拉索(16)的一端固定于大腿骨(2)的中上部，另一端繞過大腿后滑輪(15)固定于腿支架(I)的后側(cè)；所述小腿前拉索(7)的一端固定于大腿骨(2)的中下部，另一端繞過小腿前滑輪(6)固定于小腿骨(10)的前側(cè)；所述小腿后拉索(12)的一端固定于大腿骨(2)的中下部，另一端繞過小腿后滑輪(14)固定于小腿骨(10)的后側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的大腿前擺缸(3)的柱塞和大腿前滑輪(5)的滑座保持接觸，所述大腿后擺缸(17)的柱塞和大腿后滑輪(15)的滑座保持接觸，所述小腿前擺缸(8)的柱塞和小腿前滑輪(6)的滑座保持接觸，所述小腿前擺缸(13)的柱塞和小腿后滑輪(14)的滑座保持接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，其特征在于所述的關(guān)節(jié)墊(9)的半圓柱表面與膝關(guān)節(jié)柱(24)的圓柱面接觸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種足式機(jī)器人驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)，屬于足式機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。該驅(qū)動腿機(jī)構(gòu)包括腿支架、大腿骨、大腿前擺缸、大腿前拉索、大腿前滑輪、小腿前滑輪、小腿前拉索、小腿前擺缸、關(guān)節(jié)墊、小腿骨、球形足、小腿后拉索、小腿后擺缸、小腿后滑輪、大腿后滑輪、大腿后拉索、大腿后擺缸、膝關(guān)節(jié)柱、髖關(guān)節(jié)柱；腿支架與髖關(guān)節(jié)柱鉸接組成髖關(guān)節(jié)，大腿骨上端與髖關(guān)節(jié)柱固連，關(guān)節(jié)墊位于大腿骨的下端并與膝關(guān)節(jié)柱鉸接，大腿骨、關(guān)節(jié)墊及膝關(guān)節(jié)柱組成膝關(guān)節(jié)，小腿骨上端與膝關(guān)節(jié)柱固連，小腿骨下端與球形足固連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、能耗小、易實(shí)現(xiàn)快速的關(guān)節(jié)運(yùn)動、承載能力穩(wěn)定、足端運(yùn)動空間大、緩沖性能好以及使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B62D57/032GK102756766SQ201210238828
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者張玉華, 詹玉新 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)