移动副冗余驱动的2-dof球面并联仿生踝关节的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种移动副冗余驱动的2?DOF球面并联仿生踝关节。该仿生踝关节主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成。支撑中心球面副支链包括支撑半球窝、圆柱形直输出杆、脚板、球头和柱型机体支架。两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条运动支链自柱型机体支架至支撑半球窝依次均由侧摆丝杠、侧摆滑块、侧摆拉杆、半圆弧型叉组成。俯仰运动支链自柱型机体支架至支撑半球窝依次由俯仰丝杠、俯仰滑块、上复合铰链叉架、上俯仰拉杆、下俯仰拉杆、下复合铰链叉架组成。本实用新型结构简单、驱动装置布置方便、承载能力强，肢体的运动更加快速、灵活，从而在结构、运动和功能上最大限度接近人体踝关节的实际状态。
【专利说明】
移动副冗余驱动的2-D0F球面并联仿生踝关节
[0001 ]技术领域本实用新型属于人形机器人领域，特别是人形机器人仿生踝关节。
[0002]【背景技术】并联机构特别是具有中心球面副的球面并联机构，作为机构集合的一部分，具有刚度高、承载能力高、响应速度快、精度高等优点。近年来，随着人们对并联机构理论研究和应用研究的逐步深入，一些人开始考虑将并联机构引入到人形机器人踝关节的研究中。
[0003]冗余驱动具有提高球面并联机构精度容错能力、减小并联机构雅可比矩阵的条件数(增加灵活度)和增加并联机构刚度等优点。冗余驱动并联机构一般有两种方式。一种是在保证机构自由度不变的前提下直接在原来并联机构的基础上增加驱动关节，这种方式虽然简单，但是增加了机构的不对称性，影响了机构的动力学性能，并且机构的运动学反解和正解会变得比较复杂。另一种方式是增加一条与机构中的支链完全相同的支链，并保证机构的自由度不变，然后在增加的支链中引入驱动关节，构成冗余驱动并联机构。这种方式可以非常容易地将驱动器安装在基座上，保持机构的对称性，使得运动学反解简单，同时还可以消除运动学正解的多解问题。
[0004]
【发明内容】
本实用新型的目的在于，结合并联机构、冗余驱动的优点，提供一种移动副冗余驱动的具有中心球面副的两自由度球面并联的仿生踝关节，该仿生踝关节具有结构简单、空间尺寸小、驱动装置布置方便、仿生水平接近人体踝关节实际状态等优点。本实用新型主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成。所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝、圆柱形直输出杆、脚板、球头和柱型机体支架。其中，支撑半球窝为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，该直输出杆的下端与脚板上端面固联，支撑半球窝的内凹球面内设有球头，两者中心重合构成球面副，该球头上部与柱型机体支架下端固联，该柱型机体支架的轴线过球头中心点，该柱型机体支架内开有截面呈矩形的通孔，该矩形通孔底部接有弓型支撑块，其圆弧外表面与半圆弧型叉的圆弧内表面重合，该弓型支撑块的圆弧外表面所在轴线过支撑半球窝球心，在上述柱型机体支架两侧，开有两凹槽，两凹槽对称分布，两侧摆丝杠通过转动副与凹槽上下两端连接，两侧摆丝杠的轴线相互平行且与柱型机体支架的轴线在同一平面内；在上述柱型机体支架上，固定有两支耳，俯仰丝杠两端通过转动副与两支耳相连，俯仰丝杠的轴线与柱型机体支架的轴线平行且与半圆弧型叉的轴线在同一平面内。
[0005]两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自柱型机体支架至支撑半球窝依次均由侧摆丝杠、侧摆滑块、侧摆拉杆、半圆弧型叉组成。其中，侧摆丝杠通过螺旋副与侧摆滑块连接，该滑块与侧摆拉杆上端通过转动副连接，该转动副的轴线与半圆弧型叉的轴线相互平行，对称结构的半圆弧型叉穿过柱型机体支架的矩形通孔，其圆弧内表面与弓型支撑块的圆弧外表面重合，且其轴向宽度的中间平面过柱型机体支架的轴线，侧摆拉杆下端通过销轴与半圆弧型叉构成转动副连接，该转动副轴线与半圆弧型叉轴线平行，半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两支撑销轴构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上端面平行。电机带动两侧摆丝杠，驱动侧摆滑块实现往复运动，通过侧摆拉杆，一拉一推协调运作，驱动半圆弧型叉带动支撑半球窝，实现支撑半球窝和圆柱形直输出杆及脚板的侧向滚动(Roll)运动。
[0006]所述的俯仰运动支链自柱型机体支架至支撑半球窝依次由俯仰丝杠、俯仰滑块、上复合铰链叉架、上俯仰拉杆、下俯仰拉杆、下复合铰链叉架组成。其中，俯仰丝杠通过螺旋副与俯仰滑块连接，俯仰滑块与上俯仰拉杆上端通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线与俯仰丝杠的轴线垂直相交，上俯仰拉杆的下端与下俯仰拉杆的上端通过一转动副连接，该转动副的轴线与上下两拉杆的轴线重合;下俯仰拉杆的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与下俯仰拉杆的下端形成转动连接。电机带动俯仰丝杠，驱动俯仰滑块实现往复运动，通过上、下俯仰拉杆带动支撑半球窝和圆柱形直输出杆完成脚底俯仰(Pitch)运动。
[0007]本实用新型具有高过约束、大刚度和卸载特性，在形态、结构、和功能上最大限度接近人体踝关节实际状态;驱动装置都采用滚珠丝杠驱动，使得该关节结构简单、紧凑、驱动装置布置方便;增加一条对称分布的侧摆运动支链，形成冗余驱动，提高仿生踝关节精度容错能力，增加关节灵活度和机构刚度。
[0008]总之，该仿生踝关节对于提高人形机器人的机动能力、操作能力、承载能力、运动稳定性、肢体运动的协调能力及姿态变化、运动的控制性能有重要意义和价值。
【附图说明】
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[0009]图1是本实用新型立体示意简图。
[0010]图2是弓型支撑块示意简图。
【具体实施方式】
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[0011]实施例1:
[0012]结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0013]移动副冗余驱动的2-D0F球面并联仿生踝关节，主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成。所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝1、圆柱形直输出杆2、脚板3、球头4和柱型机体支架5。其中，支撑半球窝I为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝I下端面与圆柱形直输出杆2上端固联，该直输出杆2的轴线穿过支撑半球窝I的中心且与支撑半球窝I的回转轴重合，该直输出杆2的下端与脚板3上端面固联，支撑半球窝I的内凹球面内设有球头4，两者中心重合构成球面副，该球头4上部与柱型机体支架5下端固联，该柱型机体支架5的轴线过球头4中心点，该柱型机体支架5内开有截面呈矩形的通孔，该矩形通孔底部接有弓型支撑块9，其圆弧外表面与半圆弧型叉10的圆弧内表面重合，该弓型支撑块9的圆弧外表面所在轴线过支撑半球窝I球心，在上述柱型机体支架5两侧，开有两凹槽，两凹槽对称分布，两侧摆丝杠6通过转动副与凹槽上下两端连接，两侧摆丝杠6的轴线相互平行且与柱型机体支架5轴线在同一平面内；在上述柱型机体支架5上，固定有两支耳13，俯仰丝杠14两端通过转动副与两支耳13相连，俯仰丝杠14的轴线与柱型机体支架5的轴线平行且与半圆弧型叉10的轴线在同一平面内。
[0014]两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自柱型机体支架5至支撑半球窝I依次均由侧摆丝杠6、侧摆滑块7、侧摆拉杆8、半圆弧型叉10组成。其中，侧摆丝杠6通过螺旋副与侧摆滑块7连接，该滑块7与侧摆拉杆8上端通过转动副连接，该转动副的轴线与半圆弧型叉10的轴线相互平行，对称结构的半圆弧型叉10穿过柱型机体支架5的矩形通孔，其圆弧内表面与弓型支撑块9的圆弧外表面重合，且其轴向宽度的中间平面过柱型机体支架5的轴线，侧摆拉杆8下端通过销轴11与半圆弧型叉10构成转动副连接，该转动副轴线与半圆弧型叉10轴线平行，半圆弧型叉10在下端与支撑半球窝I通过两支撑销轴12构成转动连接，该两支撑销轴12的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝I的球心，同时与支撑半球窝I的上端面平行。电机带动两侧摆丝杠6，驱动侧摆滑块7实现往复运动，通过侧摆拉杆8，一拉一推协调运作，驱动半圆弧型叉10带动支撑半球窝I，实现支撑半球窝I和圆柱形直输出杆2及脚板3的侧向滚动(Ro11)运动。
[0015]所述的俯仰运动支链自柱型机体支架5至支撑半球窝I依次由俯仰丝杠14、俯仰滑块15、上复合铰链叉架16、上俯仰拉杆17、下俯仰拉杆18、下复合铰链叉架19组成。其中，俯仰丝杠14通过螺旋副与俯仰滑块15连接，俯仰滑块15与上俯仰拉杆17上端通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架16连接，该上复合铰链叉架16的竖向转动副轴线与俯仰丝杠14的轴线垂直相交，上俯仰拉杆17的下端与下俯仰拉杆18的上端通过一转动副连接，该转动副的轴线与上下两拉杆的轴线重合;下俯仰拉杆18的下端与支撑半球窝I外壁通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架19连接，该下复合铰链叉架19的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝I的中心，并与侧摆支链中的半圆弧型叉10下端的两个支撑销轴12公共轴线相垂直，且与支撑半球窝I的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与下俯仰拉杆18的下端形成转动连接。电机带动俯仰丝杠14，驱动俯仰滑块15实现往复运动，通过上、下俯仰拉杆带动支撑半球窝1、圆柱形直输出杆2和脚板3完成俯仰(Pitch)运动。
【主权项】
1.一种移动副冗余驱动的2-D0F球面并联仿生踝关节，其特征是:该仿生踝关节主要由支撑中心球面副支链、两条侧摆运动支链和一条俯仰运动支链组成;所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝、圆柱形直输出杆、脚板、球头和柱型机体支架，其中，支撑半球窝为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，该直输出杆的下端与脚板上端面固联，支撑半球窝的内凹球面内设有球头，两者中心重合构成球面副，该球头上部与柱型机体支架下端固联，该柱型机体支架的轴线过球头中心点，该柱型机体支架内开有截面呈矩形的通孔，该矩形通孔底部接有弓型支撑块，其圆弧外表面与半圆弧型叉的圆弧内表面重合，该弓型支撑块的圆弧外表面所在轴线过支撑半球窝球心，在上述柱型机体支架两侧，开有两凹槽，两凹槽对称分布，两侧摆丝杠通过转动副与凹槽上下两端连接，两侧摆丝杠的轴线相互平行且与柱型机体支架的轴线在同一平面内；在上述柱型机体支架上，固定有两支耳，俯仰丝杠两端通过转动副与两支耳相连，俯仰丝杠的轴线与柱型机体支架的轴线平行且与半圆弧型叉的轴线在同一平面内；两条侧摆运动支链结构相同，分布对称，形成冗余驱动，每条侧摆运动支链自柱型机体支架至支撑半球窝依次均由侧摆丝杠、侧摆滑块、侧摆拉杆、半圆弧型叉组成，其中，侧摆丝杠通过螺旋副与侧摆滑块连接，该滑块与侧摆拉杆上端通过转动副连接，该转动副的轴线与半圆弧型叉的轴线相互平行，对称结构的半圆弧型叉穿过柱型机体支架的矩形通孔，其圆弧内表面与弓型支撑块的圆弧外表面重合，且其轴向宽度的中间平面过柱型机体支架的轴线，侧摆拉杆下端通过销轴与半圆弧型叉构成转动副连接，该转动副轴线与半圆弧型叉轴线平行，半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两支撑销轴构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上端面平行;所述的俯仰运动支链自柱型机体支架至支撑半球窝依次由俯仰丝杠、俯仰滑块、上复合铰链叉架、上俯仰拉杆、下俯仰拉杆、下复合铰链叉架组成，其中，俯仰丝杠通过螺旋副与俯仰滑块连接，俯仰滑块与上俯仰拉杆上端通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线与俯仰丝杠的轴线垂直相交，上俯仰拉杆的下端与下俯仰拉杆的上端通过一转动副连接，该转动副的轴线与上下两拉杆的轴线重合，下俯仰拉杆的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行;另一横向转动副为两端对称与下俯仰拉杆的下端形成转动连接。
【文档编号】B25J9/00GK205521372SQ201620254272
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】周玉林, 杨中原, 杨龙, 肖超, 赵冠楠
【申请人】燕山大学