一种气电混合驱动的柔性双足机器人的制作方法_2

文档序号:9879122阅读:来源:国知局
[0024]膝关节传动机构包括一个中心齿轮25、一个行星齿轮26、一个系杆27和膝关节从动轴28;
[0025]两个气动人工肌肉24采用拮抗式布置方式设置,两个气动人工肌肉24的上端与大腿I的上端连接;一个中心齿轮25固装在大腿I上,膝关节驱动轴23通过轴承30转动安装在一个中心齿轮25上;
[0026]一个行星齿轮26固装在小腿2上,膝关节从动轴28通过轴承30转动安装在一个行星齿轮26上,中心齿轮25与行星齿轮26啮合,膝关节驱动轴23通过一个系杆27与膝关节从动轴28连接;
[0027]滑轮31固装在膝关节驱动轴23上,钢丝绳22缠绕在滑轮31上,钢丝绳22的一端与一个气动人工肌肉24的下端连接,钢丝绳22的另一端与另一个气动人工肌肉24的下端连接;
[0028]位于一个中心齿轮25上方的大腿I上安装有一个第一弹簧支架29,位于一个行星齿轮26下方的小腿2上安装有第二弹簧支架20,一个拉伸弹簧21设置在滑轮31的一侧,一个拉伸弹簧21的两端分别与第一弹簧支架29和第二弹簧支架20连接;
[0029]踝关节6包括踝关节气动人工肌肉38、踝关节弹簧支架32、踝关节拉伸弹簧33、传动轮34、踝关节轴35、转接座36和踝关节钢丝绳37;
[0030]足部3包括脚底41、脚跟42、脚掌43和足趾关节;
[0031]转接座36安装在足部3的脚跟42上,转接座36与第二弹簧支架20之间的小腿2上安装有踝关节弹簧支架32,踝关节轴35穿过转接座36并通过轴承30转动安装在小腿2上,传动轮34固定在踝关节轴35上,踝关节气动人工肌肉38的上端与第二弹簧支架20连接,踝关节拉伸弹簧33的上端与踝关节弹簧支架32连接,踝关节钢丝绳37缠绕在传动轮34上,踝关节钢丝绳37的一端与踝关节拉伸弹簧33的下端连接,踝关节钢丝绳37的另一端与踝关节气动人工肌肉38的下端连接;
[0032]脚底41的上表面上安装有脚跟42和脚掌43,脚底41为可充放气的弹性气囊;足趾关节包括第一铰链座44-1、第二铰链座44-2、第三铰链座44-3、铰链销44-4和两个扭簧44-5;
[0033]第一铰链座44-1安装在脚跟42上,第二铰链座44-2和第三铰链座44-3安装在脚掌43上,第一铰链座44-1布置在第二铰链座44-2和第三铰链座44-3之间,第一铰链座44-1和第二铰链座44-2之间布置有一个扭簧44-5,第一铰链座44-1和第三铰链座44-3之间布置有另一个扭簧44-5,铰链销44-4安装在第二铰链座44-2、第一铰链座44-1和第三铰链座44-3上,两个扭簧44-5套装在铰链销44-4上。
[0034]足部安装有由柔性材质加工而成的可充放气的密闭弹性气囊,通过向气囊内部充气,或者从气囊内部向外放气,实现足底的刚度调节。铰链销可布置在分体设置脚跟和脚掌的对接处。足趾关节为被动关节,在外力作用下,脚跟与脚掌之间可以相对转动。电机转动时,通过单向串联弹性驱动器带动髋关节驱动轴旋转,进而通过同步传动带传动带动大腿绕髋关节从动轴转动。转接座为支撑座结构。
[0035]【具体实施方式】二:结合图8说明,本实施方式的脚底41为热塑性聚氨酯弹性体橡胶气囊。如此设置,质轻取材容易,满足设计要求和实际需要。其它与【具体实施方式】一相同。
[0036]【具体实施方式】三:结合图5和图6说明,本实施方式所述膝关节5还包括另一个中心齿轮25和另一个行星齿轮26;两个中心齿轮25设置在滑轮31的两侧,另一个中心齿轮25固装在大腿I上,两个行星齿轮26设置在滑轮31的两侧,另一个行星齿轮26固装在小腿2上,膝关节驱动轴23通过轴承30转动安装在另一个中心齿轮25上,膝关节从动轴28通过轴承30转动安装在另一个行星齿轮26上,另一个中心齿轮25与另一个行星齿轮26啮合。如此设置,减少中心齿轮和行星齿轮间隙配合,保持平衡,保证膝关节运行稳定可靠。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0037]【具体实施方式】四:结合图5说明,本实施方式所述膝关节5还包括另一个拉伸弹簧21;另一个拉伸弹簧21设置在滑轮31的另一侧,另一个拉伸弹簧21的上端与第一弹簧支架29连接,另一个拉伸弹簧21的下端与第二弹簧支架20连接。如此设置,有利于半被动运动模式时提供足够的驱动力。其它与【具体实施方式】三相同。
[0038]【具体实施方式】五:结合图5说明,本实施方式所述所述膝关节还包括另一个系杆27,两个系杆27设置在滑轮31的两侧,膝关节驱动轴23通过另一个系杆27与膝关节从动轴28连接。如此设置,保证膝关节驱动轴和膝关节从动轴运行稳定可靠。其它与具体实施一、二或四相同。
[0039]【具体实施方式】六:结合图4说明,本实施方式的第一凸爪14-1和第二凸爪15-1的横截面为扇形。如此设置,满足设计要求和实际需要。其它与【具体实施方式】五相同。
[0040]【具体实施方式】七:结合图8说明,本实施方式的脚跟42和脚掌43粘接在脚底41的上表面上。如此设置,简便易行,方便使用。其它与【具体实施方式】一、二、四或六相同。
[0041]【具体实施方式】八:结合图8说明,本实施方式的脚跟42和脚掌43为聚碳酸酯和聚丙烯腈合金而成的热可塑性塑胶板。如此设置,脚跟和脚掌强度大,质轻,廉价易得,满足实际需要。其它与【具体实施方式】七相同。
[0042]【具体实施方式】九:结合图8说明,本实施方式的脚跟42和脚掌43均由聚丙烯腈或聚丙交酯制成。如此设置,脚跟和脚掌强度大,质轻,廉价易得,满足实际需要。其它与【具体实施方式】七相同。
[0043]【具体实施方式】九:结合图3和图8说明,本实施方式的足部3还包括气动快换接头45,气动快换接头45安装在脚底41的充放气口上,单向串联弹性驱动器还包括减速器19,电机11的输出端与减速器19的输入端连接,减速器19的输出端与第一轮毂14的一端连接。气动快换接头穿过脚跟42与脚底41的充放气口连通,气动快换接头与脚底上的充放气口相通,通过气动快换接头可以向脚底内部充气或者从脚底内部向外排气,实现足底刚度的调节。减速器的设计便于输出轴的输出速率的调整,满足设计要求和实际需要。其它与【具体实施方式】一、二、四、六、八或九相同。
[0044]工作过程:当电机11沿扭转弹簧13的螺旋方向旋转时,第一^^环16的第一凸台16-1部分压紧扭转弹簧13的力臂使其变形,扭转弹簧13另一端的力臂驱动第二卡环17与第二轮毂5旋转,进而驱动输出轴18转动,由于扭转弹簧13的作用,该驱动器在该旋转方向具有柔性;当电机11沿反方向旋转时,扭转弹簧13不承受载荷,第一轮毂14直接带动第二轮毂15转动,进而驱动髋关节驱动轴8旋转,进而通过同步传动带121传动带动大腿I绕髋关节从动轴122转动。
[0045]膝关节可分别实现主动驱动与半被动驱动,两种驱动方式的实现原理介绍如下。当小腿I与大腿2在一条直线上时是膝关节的初始状态,此时气动人工肌肉24内部均充有一定量的的气体。在主动驱动模式,由两个气动人工肌肉24提供关节运动的驱动力,具体为屈膝时,图5中外侧的气动人工肌肉24充气收缩,内侧的气动人工肌肉24排气伸长,通过钢丝绳的拉力带动传动轮21和第一转轴13旋转,进而实现屈膝动作;伸膝时,图5中的内侧的气动人工肌肉24充气收缩,外侧的气动人工肌肉24排气伸长,通过钢丝绳的拉力带动传动轮和第一转轴23旋转,进而实现伸膝动作。在半被动运动模式,屈膝由图5中的内侧的气动人工肌肉24提供驱动力,伸膝由拉伸弹簧21提供驱动力,具体为屈膝时,图5中的内侧的气动人工肌肉24充气收缩,外侧的气动人工肌肉24排气伸长,通过钢丝绳22的拉力带动滑轮31和膝关节驱动轴23旋转,随着小腿2相对大腿I不断转动,拉伸弹簧21不断伸长储存能量;伸膝时,图5中的内侧的气动人工肌肉24排气伸长,外侧的气动人工肌肉24与内侧的气动人工肌肉24之间的钢丝绳22变得松弛,不再提供驱动力,而是由拉伸弹簧21提供作用力,带动小腿2摆动实现伸直动作。
[0046]由于气动人工肌肉24具有与人体肌肉类似的生物力学特性,使本发明仿人机器人膝关节具有一定的柔性,并且可以通过调节气动人工肌肉内部的气体压力,实现对膝关节柔性的调整。当两个气动人工肌肉24伸缩运动时,钢丝绳22拉动滑轮31与膝关节驱动轴23旋转,并通过系杆27带动行星齿轮26绕中心齿轮25运动,行星齿轮26绕膝关节从动轴28也自转,从而实现小腿2相对于大腿I的转动。根据行星轮系的传动原理,小腿2相对大腿2的瞬时转动中心不断变化。脚底41安装在脚跟42和脚掌43的下表面上,第一铰链座44-1固接在脚跟2上,第二铰链座44-2和第三铰链座44-3固接在脚掌43上,铰链销44_4安装在三个铰链座上,两个扭簧44-5套装在铰链销44-4上,通过足趾关节,脚跟42与脚掌43之间可以相对转动
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