一种三自由度仿人踝部关节装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿人踝部关节的技术领域，具体涉及一种具有空间绳驱动非球副的三 自由度仿人踝部关节装置。
【背景技术】
[0002] 随着机器人从军事、工业等领域走入人们的日常生活，对拟人机器人的各项技术 领域都提出了更高的要求。两足步行器是一种多支链机构，其自动化程度高，动态系统最为 复杂，近几年成为机器人领域内的研宄热点。两足步行器在理论和实践方面取得了一些卓 有成效的成果，开发了多种结构的步行机器人。如日本本田公司的ASM0、东京大学的H7、 索尼公司的QRI0、早稻田大学的WABIAN 2R、韩国科技先进研宄院的HUB和北京理工大学的 "汇童"机器人。以上双足机器人踝关节串联结构形式通常采用谐波减速器与直流电动机配 合谐波减速器的大减速比减速，导致踝关节运动缺少柔顺性。德国慕尼黑大学的BUSCHMANN 等研制的双足机器人LOLA采用多连杆机构传动，以实现踝关节运动柔顺性，但其踝关节驱 动结构较大，不利于仿人结构设计。VERRELST等直接采用人工肌肉驱动方式，设计了双足机 器人LUCY，但驱动数量大于机器人自由度，增加了控制难度。美国麻省理工学院的M2双足 机器人能够实现3D被动动态行走，其踝关节也采用2自由度的胡克铰机构，但该机构在一 定程度上限制了踝关节的承重能力。人体踝足部的生理结构特点主要是其关节轴线（踝关 节、距下关节与跖趾关节)在3维空间内呈现倾斜状态，且相互不垂直、不交叉。而现有的拟 人机器人踝关节仍然大多采用垂直布置的两自由度踝部关节。
[0003] 综上所述，受驱动和控制困难所限，现有仿人机器人踝关节机构大多采用相邻轴 线垂直交叉于一点或空间垂直交叉的转动轴线，驱动大都采用电机+齿轮、滚珠丝杠或连 杆机构等刚性传动方式。现有的仿人机器人踝关节机构复杂且笨重，存在如下问题： (1) 电机直接驱动，关节占用空间大、惯性大； (2) 并联机构驱动，运动学复杂，无弹性缓冲功能，连杆不能太细，否则不能承受压、弯 载荷； (3) 同步带驱动，运动必须在平行轴间传递，距下关节驱动困难。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三自由度仿人踝部关节装置，其结构 简单，惯性小，可实现分别驱动非垂直空间交叉布置的两轴，控制简单，可实现足的内旋、外 旋、内翻、外翻、趾屈和背屈运动。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种三自由度仿人踝部关节装置，包括 大腿部分、小腿部分和踝部，所述大腿部分与小腿部分之间通过膝关节轴相连接，小腿部分 与踝部之间通过踝关节轴相连接；所述大腿部分上设有驱动电机和膝关节轴，踝部包括安 装外壳，安装外壳上设有交叉分布的踝关节轴和距下关节轴；所述驱动电机与膝关节轴之 间、膝关节轴与踝关节轴之间设有两组可滑动的绳。
[0006] 所述大腿部分包括大腿，大腿上部设有驱动电机I和驱动电机II，大腿下部设有膝 关节轴；所述驱动电机I和驱动电机II分别设有绳轮I和绳轮II，膝关节轴上设有空套的滑 轮I和滑轮II，绳轮I与滑轮I之间、绳轮Π 与滑轮II之间分别设有绳I和绳Π 。
[0007] 所述小腿部分下端设有踝关节轴，踝关节轴上设有绳轮ΙΠ 和滑轮III，绳轮III与滑 轮I之间设有绳III，滑轮III与滑轮Π 之间设有绳IV。
[0008] 所述绳轮III通过紧定螺钉与踝关节轴配合连接，踝关节轴通过轴端卡片与安装外 壳相对固定连接。
[0009] 所述小腿部分包括小腿上板和小腿下板，小腿上板上设有驱动电机III，驱动电机 III下方设有弹性联轴器，弹性联轴器下方设有小腿旋转轴，小腿旋转轴下部与小腿下板相 连接，小腿下板与踝关节轴相连接。
[0010] 所述小腿旋转轴通过轴承支座I和轴承支座II固定在小腿上板上，轴承支座I、轴 承支座II与小腿旋转轴之间分别设有翻边轴承I、翻边轴承II。
[0011] 所述绳III和绳IV上均设有绳张紧装置I ;所述绳张紧装置I包括涨紧头I、双头螺 柱和涨紧头II，双头螺柱两端固定有双头异径螺母I和双头异径螺母II，涨紧头I与双头异径 螺母I之间设有涨紧套I、涨紧头II与双头异径螺母II之间设有涨紧套II。
[0012] 所述滑轮III上设有两个滑槽，一个滑槽上设有盲孔，盲孔上设有绳张紧装置π ;所 述绳张紧装置II内设有绳V，踝关节轴和距下关节轴通过绳V相连接。
[0013] 所述绳张紧装置II包括涨紧头III、张紧调节螺柱、交叉件和涨紧头IV，涨紧头III、 涨紧头IV与交叉件之间分别设有涨紧套III和涨紧套IV ;所述张紧调节螺柱与滑轮III上的 盲孔相匹配。
[0014] 所述踝关节轴通过腿踝连接件I、腿踝连接件II与小腿下板相连接，距下关节轴通 过距足连接件I、距足连接件II和距足连接件III与脚底部分相连接。
[0015] 本发明具有以下有益效果： 1、本发明采用非球形空间三自由度关节机构增强了踝部关节的承重能力。
[0016] 2、本发明引入了绳驱动，增加了系统的缓冲减震性能和过载保护能力。
[0017] 3、本发明踝部关节内、外旋自由度上移，保证达到同样作用效果的情况下降低了 足踝部的体积和质量。
[0018] 4、本发明的安装外壳，取代了以前常用的把两关节轴直接以虎克铰相连的形式， 进一步增加了结构的承重能力和可靠性能。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的整体结构示意图。
[0020] 图2为本发明大腿部分的结构示意图。
[0021] 图3为本发明小腿部分的结构示意图。
[0022] 图4为图3中A的局部放大图。
[0023] 图5为图3中绳张紧装置I的爆炸图。
[0024] 图6为本发明踝部的爆炸图。
[0025] 图7为本发明踝部绕绳方式的结构示意图。
[0026] 图8为图5中绳张紧装置II的爆炸图。
【具体实施方式】
[0027] 下面通过附图和实施例具体描述一下本发明。
[0028] 一种三自由度仿人踝部关节装置，如图1所示，包括大腿部分1、小腿部分2和踝部 3。大腿部分1与小腿部分2之间通过膝关节轴107相连接，小腿部分2与踝部3之间通过 踝关节轴318相连接，踝部3下端设有脚底部分。大腿部分1、小腿部分2和踝部3为非球 形三自由度关节，增加了其承重能力。
[0029] 如图2所示，大腿部分1包括大腿100,大腿100上部设有驱动电机i 101和驱动电 机Π 103,大腿100下部设有膝关节轴107。驱动电机I 101位于驱动电机II 103上端，且驱 动电机I 101、驱动电机II 103固定在大腿100的两侧。驱动电机I 101和驱动电机Π 103固 定在大腿100的上部，减小了惯量，减小了驱动力矩；固定在在大腿100的两侧增加了整个 装置的平衡性。膝关节轴107通过膝关节轴卡片110固定在大腿100上。驱动电机I 101 和驱动电机II 103的输出轴上分别设有绳轮I 102和绳轮II 104,膝关节轴107上设有空套 的滑轮I 109和滑轮II 108。绳轮I 102与滑轮I 109之间设有绳I 105,绳轮II 104与滑轮II 108之间设有绳Π 106。
[0030] 如图3所示，小腿部分2包括小腿上板200和小腿下板211，小腿上板200上固定 有驱动电机ΙΠ 201，驱动电机ΙΠ 201下方与弹性联轴器202相连接。弹性联轴器202下方 设有小腿旋转轴205,小腿旋转轴205下部与小腿下板211相连接，小腿下板211与踝关节 轴318相连接。如图4所示，小腿旋转轴205通过轴承支座I 203和轴承支座Π 207固定在 小腿上板200上，轴承支座1 203、轴承支座II 207与小腿旋转轴205之间分别设有翻边轴承 I 204、翻边轴承II 206,翻边轴承〖204、翻边轴承II 206对小腿旋转轴205有轴向定位径向 支撑的作用。
[0031] 如图3和图6所示，小腿部分2下端设有踝关节轴318,踝关节轴318上设有绳轮 III 309和滑轮III 311，绳轮III 309与滑轮I 109之间、滑轮III 311与滑轮Π 108之间分别设 有绳III 209和绳IV 210。绳III 209和绳IV 210上均设有绳张紧装置I 208。如图5所示， 绳张紧装置I 208包括涨紧头I 212、双头螺柱215和涨紧头Il 218,双头螺柱215两端固定有 双头异径螺母I 214和双头异径螺母II 216,涨紧头I 212与双头异径螺母I 214之间设有涨 紧套I 213,涨紧头[I 218与双头异径螺母II 216之间涨紧套II 217。涨紧头1 212和涨紧头 II 218均为设有内通孔、右旋的外螺纹、有一定锥度的涨紧头。双头螺柱215为左右旋的， 且上右旋、下左旋。双头异径螺母I 214为上右旋、下右旋的双头异径螺母，双头异径螺母II 216为上左旋、下右旋的双头异径螺母。通过调节绳张紧装置I 208上的双头螺柱215可以 调节绳ΠΙ 209和绳IV 210的张紧力。本发明通过在膝关节轴107、踝关节轴318上空套滑 轮，在传动链中实现了绳驱动，其结构紧凑，增加了系统的减震缓冲性能、过载保护功能。
[0032] 如图6所示，踝部3包括安装外壳319,安装外壳319上设有交叉分布的踝关节轴 318和距下关节轴324。安装外壳319上设有两对安装孔，踝关节轴318和距下关节轴324 固定在安装外壳319上相对的安装孔上。安装外壳319取代了以前常用的把两关节轴直接 以虎克铰相连的形式，