本發(fā)明屬于足式機(jī)器人領(lǐng)域?？捎糜谧闶綑C(jī)器人足部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，降低地面沖擊振動(dòng)對(duì)上部主動(dòng)控制及其機(jī)身的影響，實(shí)現(xiàn)沖擊振動(dòng)削弱效果。

背景技術(shù)：

足式機(jī)器人的靈活行動(dòng)能力與強(qiáng)適應(yīng)環(huán)境能力是輪式機(jī)器人無(wú)可比擬的，因此其具有十分廣泛的應(yīng)用前景。但是在行走的過程中，足端受到地面的振動(dòng)沖擊，會(huì)影響各個(gè)主動(dòng)控制元器件，例如傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)部件等。為了抑制地面沖擊振動(dòng)對(duì)足式機(jī)器人的行走穩(wěn)定性影響，目前國(guó)內(nèi)外有如下幾種主要方法：

一是模擬仿造動(dòng)物腳底的柔性支撐。采用如橡膠等具有一定阻尼的彈性體，通過柔性足墊來吸收沖擊振動(dòng)能量，雖然具有一定的緩沖作用，但由于橡膠等彈性體是非線性材料，對(duì)主動(dòng)控制的關(guān)節(jié)將產(chǎn)生非線性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在關(guān)節(jié)主動(dòng)控制上帶來了困難。

二是采用力矩補(bǔ)償控制法。如根據(jù)肌肉的彈性變化的特征，在擺動(dòng)腳落地時(shí)采用力位混合控制，借此來降低腳部與地面的沖擊力。但是在路面情況比較復(fù)雜的情況下，其計(jì)算量也十分巨大，對(duì)控制形成較大的困難。

三是運(yùn)動(dòng)控制法。該法模擬腳底一半先著地，之后逐步過渡在另一半，如HONDA足式機(jī)器人是通過計(jì)算擺動(dòng)腳和身體之間的相對(duì)位置，來控制落地時(shí)候的位置，以此緩沖地面的沖擊力。但是關(guān)節(jié)各部件受到耦合關(guān)系，造成碰撞現(xiàn)象，難以保證運(yùn)動(dòng)精度。

上述方法既對(duì)控制與計(jì)算要求高，又產(chǎn)生不可控的非線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)影響，因此研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、控制簡(jiǎn)單的減振關(guān)節(jié)，具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決地面沖擊振動(dòng)對(duì)足式機(jī)器人各關(guān)節(jié)及其機(jī)身的振動(dòng)影響，提高足端振動(dòng)能量吸收能力，本發(fā)明提出了一種剛度函數(shù)化的被動(dòng)減振關(guān)節(jié)，使得其吸振能力優(yōu)于常規(guī)的被動(dòng)關(guān)節(jié)。

本發(fā)明包括有關(guān)節(jié)恢復(fù)力矩結(jié)構(gòu)、函數(shù)化摩擦力矩結(jié)構(gòu)和軸向補(bǔ)償力結(jié)構(gòu)；

所述的關(guān)節(jié)恢復(fù)力結(jié)構(gòu)包括對(duì)稱扭簧、上基體、軸承、軸套、下基體、螺釘組成，恢復(fù)力由扭簧提供，扭簧兩端通過螺釘固定在下基體的螺紋孔上，下基體的螺紋孔關(guān)于軸心形成一圈均勻分布，即滿足關(guān)節(jié)初始夾角可調(diào)。

所述的函數(shù)化的摩擦力矩結(jié)構(gòu)包括端蓋、摩擦環(huán)、第二小滾球、第一螺釘、第二壓縮彈簧、凸輪體、第一小滾球、第一壓縮彈簧、小滾子、滾軸、滾輪座、左右滑槽、第一螺栓、第二螺母、螺母座、第二螺栓，摩擦力矩由摩擦環(huán)與端蓋的旋轉(zhuǎn)摩擦提供，摩擦力矩的大小由軸向正壓力控制；端蓋固定在下基體上，摩擦環(huán)通過第二小滾球與關(guān)節(jié)軸產(chǎn)生移動(dòng)副約束，其中第二小滾球安裝在摩擦環(huán)內(nèi)壁面上，在關(guān)節(jié)軸軸向的凹槽中滑動(dòng)，使得摩擦環(huán)只能軸向移動(dòng)；摩擦環(huán)一端面與端蓋發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦，產(chǎn)生摩擦力矩，摩擦環(huán)另一端面通過第二壓縮彈簧與凸輪體連接，凸輪體內(nèi)壁面通過第一小滾球與關(guān)節(jié)軸產(chǎn)生移動(dòng)副約束，使得凸輪體只能軸向移動(dòng)；凸輪體通過第一壓縮彈簧與電磁線圈套筒連接，電磁線圈套筒通過第一螺母固定在關(guān)節(jié)軸上；凸輪體與固定在下基體上的可調(diào)距離的小滾子形成點(diǎn)面約束，即小滾子在凸輪體的凸輪面上滾動(dòng)，從而使凸輪體發(fā)生軸向移動(dòng)，軸向移動(dòng)的凸輪體導(dǎo)致第二壓縮彈簧的形變，從而改變第二壓縮彈簧對(duì)摩擦環(huán)的正壓力，最終改變摩擦力矩，即摩擦力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度成函數(shù)關(guān)系。

補(bǔ)償力結(jié)構(gòu)包括有電磁線圈、電磁套筒、第一螺母，補(bǔ)償力由電磁線圈對(duì)凸輪體的吸引力提供，即當(dāng)凸輪體發(fā)生軸向移動(dòng)時(shí)，第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧的合力將增加在小滾子上，因此電磁線圈對(duì)凸輪體的吸引力將幾乎抵消第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧的合力。

函數(shù)化摩擦力矩功能通過旋轉(zhuǎn)摩擦環(huán)與凸輪機(jī)構(gòu)共同來實(shí)現(xiàn)，由公式所知：

$M_f=\frac{2{\mathrm{\μF}}_N(R_1^2+R_1{R}_2+R_2^2)}{3(R_1+R_2)}$

其中R₁為摩擦環(huán)大徑，R₂為小徑，R₁>R₂，F(xiàn)_N為正壓力，μ為摩擦系數(shù)。

由上式可知，摩擦力矩與軸向正壓力成正比，通過改變軸向正壓力來控制摩擦力矩。經(jīng)過軸向第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧的傳遞，軸向正壓力與凸輪體的軸向位移成正比，凸輪體端面尺寸又與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成函數(shù)關(guān)系，關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)通過小滾子滾動(dòng)擠壓使得凸輪體產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，從而使得凸輪體的軸向位移與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成函數(shù)關(guān)系，從而導(dǎo)致摩擦力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成函數(shù)關(guān)系。補(bǔ)償力的主要作用是抵消小滾子對(duì)凸輪體端面的軸向擠壓力，由于該軸向擠壓力會(huì)對(duì)凸輪體產(chǎn)生關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切線方向的分力，該分力對(duì)足關(guān)節(jié)軸心將產(chǎn)生一個(gè)阻力矩，該力矩的作用效果等同恢復(fù)力，可阻礙關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，也可驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。因此在凸輪體外側(cè)增加一個(gè)電磁線圈來提供補(bǔ)償力，該電磁線圈僅對(duì)凸輪體有軸向吸引力，通過該吸引力抵消第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧合力，從而減少小滾子對(duì)凸輪體端面的擠壓力，降低關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)阻力距。

本發(fā)明的工作過程：

當(dāng)下基體受力而產(chǎn)生關(guān)節(jié)角位移時(shí)，關(guān)節(jié)便產(chǎn)生關(guān)節(jié)恢復(fù)力矩與摩擦力矩，其中恢復(fù)力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，摩擦力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成函數(shù)化關(guān)系，摩擦力方向始終與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反；扭簧起到儲(chǔ)能作用，摩擦部件起到耗能作用，兩者共同作用起到緩沖減振作用。

本發(fā)明的有益效果：由于關(guān)節(jié)具備函數(shù)化的摩擦力矩，對(duì)沖擊振動(dòng)能量的吸收具有針對(duì)性，例如隨著關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角的增加，其摩擦力矩越大，摩擦耗能就越大，其摩擦力矩與關(guān)節(jié)角的函數(shù)關(guān)系可定制，因此提高了緩沖減振的通用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明關(guān)節(jié)的正視圖。

圖2為本發(fā)明關(guān)節(jié)的剖視圖。

圖3為本發(fā)明關(guān)節(jié)的左視圖。

圖4為本發(fā)明關(guān)節(jié)受力示意圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明包括有關(guān)節(jié)恢復(fù)力矩結(jié)構(gòu)、函數(shù)化摩擦力矩結(jié)構(gòu)和軸向補(bǔ)償力結(jié)構(gòu)；

所述的關(guān)節(jié)恢復(fù)力結(jié)構(gòu)包括對(duì)稱扭簧16、上基體15、關(guān)節(jié)軸1、軸承13、軸套14、下基體25、螺釘24組成；上基體15通過軸承13和軸套14共同約束在下基體25上，使得上基體15與下基體行程旋轉(zhuǎn)副約束，恢復(fù)力距由扭簧16提供，扭簧16兩端通過螺釘24固定在下基體25的螺紋孔上，下基體25的螺紋孔關(guān)于軸心形成一圈均勻分布，即滿足關(guān)節(jié)初始夾角可調(diào)。

所述的函數(shù)化的摩擦力矩結(jié)構(gòu)包括端蓋11、摩擦環(huán)10、第二小滾球9、第一螺釘12、第二壓縮彈簧8、凸輪體7、第二小滾球6、第一壓縮彈簧5、小滾子22、滾軸23、滾輪座21、滑槽20、第二螺母18、第一螺栓26、螺母座19、第二螺栓17；摩擦力矩由摩擦環(huán)10與端蓋11的旋轉(zhuǎn)摩擦提供，摩擦力矩的大小由軸向正壓力控制；端蓋11固定在下基體25上，摩擦環(huán)10通過第三小滾球9與關(guān)節(jié)軸1產(chǎn)生移動(dòng)副約束，其中第三小滾球9安裝在摩擦環(huán)10內(nèi)壁面上，在關(guān)節(jié)軸1軸向的凹槽中滑動(dòng)，使得摩擦環(huán)10只能軸向移動(dòng)；摩擦環(huán)10一端面與端蓋11發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦，產(chǎn)生摩擦力矩，摩擦環(huán)10另一端面通過第二壓縮彈簧8與凸輪體7連接，凸輪體7內(nèi)壁面通過第二小滾球6與關(guān)節(jié)軸1產(chǎn)生移動(dòng)副約束，使得凸輪體只能軸向移動(dòng)；凸輪體7通過第二壓縮彈簧8與電磁線圈套筒3連接；凸輪體7與固定在下基體25上的可調(diào)距離的小滾子22形成點(diǎn)面約束，即小滾子22在凸輪體7的凸輪面上滾動(dòng)，從而使凸輪體7發(fā)生軸向移動(dòng)，軸向移動(dòng)的凸輪體7導(dǎo)致第二壓縮彈簧8的形變，從而改變第二壓縮彈簧8對(duì)摩擦環(huán)10的正壓力，最終改變摩擦力矩，即摩擦力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度成函數(shù)關(guān)系。

補(bǔ)償力結(jié)構(gòu)包括有電磁線圈、電磁套筒3、第一小滾球4、第一螺母2，電磁線圈套筒3通過第一螺母2與第一小滾球4約束在關(guān)節(jié)軸1上，使得電磁線圈套筒3只能發(fā)送軸向運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)第一壓縮彈簧5的初始?jí)毫烧{(diào)；補(bǔ)償力由電磁線圈對(duì)凸輪體7的吸引力提供，即當(dāng)凸輪體7發(fā)生軸向移動(dòng)時(shí)，第二壓縮彈簧8和第一壓縮彈簧5的合力將增加在小滾子22上，因此電磁線圈對(duì)凸輪體7的吸引力將幾乎抵消第二壓縮彈簧8和第一壓縮彈簧5的合力。

本發(fā)明的工作過程：

當(dāng)下基體25受力而產(chǎn)生關(guān)節(jié)角位移時(shí)，關(guān)節(jié)便產(chǎn)生關(guān)節(jié)恢復(fù)力矩與摩擦力矩，其中恢復(fù)力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，摩擦力矩與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角成函數(shù)化關(guān)系，摩擦力方向始終與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反；扭簧起到儲(chǔ)能作用，摩擦部件起到耗能作用，兩者共同作用起到緩沖減振作用。