专利名称：仿人机器人可变刚度柔性关节设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人可变刚度柔性关节设 计。
二.
背景技术：
研制与人类外观特征类似，具有高度智能，能像人一样灵活动作，能够与人交流， 并能不断适应环境的双足机器人一直是人类的梦想。自上世纪七十年代日本早稻田大学的 加藤先生提出人型机器人概念以来，近四十多年的研究发展，研究人员在该领域已经取得 了令人瞩目的成就。目前，现有的仿人机器人大多采用大力矩、高刚度的伺服电机作为驱动器，通过精 确的伺服控制使机器人在步行过程中准确跟踪预定义的关节角度轨迹，实现稳定步行。该 方法的有效性虽然得到多个机器人项目的验证，但是伺服电机及其减速系统的高刚度和高 惯性使仿人机器人在行走过程中难于克服与地面的碰撞现象。即，仿人机器人在快速行走 时，因其摆动脚在落地瞬间，与地面发生碰撞，使得零力矩点产生较大跳变，造成了仿人机 器人的稳定裕度降低，严重时导致机器人跌倒。另外，采用刚性元件和传统驱动器的精密 组合来实现双足机器人的地面行走的，只是现代先进机械操作臂的地面行走类衍生产品而 已，其刚性机构和仅以电机伺服控制跟踪离线规划运动轨迹的控制方法与传统的操作臂无 本质区别，能量效率低下且能耗很大，如ASIM0，当携带电池步行时，连续工作时间为仅为1 个小时。所以，要想真正使这类双足机器人应用于人类真实环境或人类不能到达的危险、复 杂环境中，必须提高其行走能量效率及其环境适应性。而在对人类步行的研究中发现下述现象在摆动腿落地前腿部肌肉会放松以吸收 冲击，而在摆动腿落地后的双脚支撑相中，腿部肌肉收缩以维持平衡。通过这种机制，人类 在快速步行和跑步过程中可以有效降低冲击保持稳定。从而为克服仿人机器人冲击现象， 人类腿部肌肉的松弛和张紧动作类似于柔性驱动器的刚度控制过程，因此采用可变刚度柔 性驱动器作为机器人的驱动源可以有效吸收冲击，实现快速步行。另外可变刚度柔性驱动 器的抗冲击能力及安全性，为外骨骼等辅助行走设备的研制，提供新的解决办法。现有柔性 关节大多采用气动柔性关节，实现比较复杂，例如中国专利CN87107075A，一种柔性气缸及弯曲、扭转关节，其工作容积是由弹性壁 围成。在工作中不存在摩擦及泄露，在工作时可模拟人类关节做弯曲动作。该结构采用气 动驱动，实现比较复杂，其柔性不易调节。
三.
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种更加有效的仿人机器人可 变刚度柔性关节系统，在行走和跑步过程中有效降低冲击，实现能量的存储和释放，解决现 有机器人高能耗及环境适应性问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种仿人机器人可变刚度柔性关
3节，主要包括可变柔性关节驱动器、2-D0F差分驱动关节机构；其特征在于所述的可变柔 性关节驱动器通过柔索与2D差分驱动关节机构相连。所述的可变柔性关节驱动器，主要包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元；所述微型驱动单元，包括微型电机、减速器；其特征在于所述的微型电机通过电 机支架A固结在双足机器人本体上；所述微型电机输出轴，通过联轴器与螺旋轴相连，所述 螺旋轴为两侧带有螺旋导轨，中间为光杆的旋转轴，其两端分别由电机支架A、B内装配的 轴承支撑；所述的电机支架A与导杆固结，其特征在于，所述导杆另一端与电机支架B固结， 导杆上只有滑块，滑块可沿导杆运动；所述的滑块，将弹簧A微型电机外壳与电机支架A固结；导杆一端固结于电机支 架A，另一端联接电机支架B ；滑块可沿导杆运动；所述滑块，上表面接弹性元件A ；其特征 在于所述弹性元件A，一部分沿螺旋导轨穿在螺旋轴上，剩余部分为有效工作长度；弹性 元件直径应略小于螺旋轴直径，防止弹性元件在外力作用下，轴向移动；所述滑块，下表面接弹性元件B ；其特征在于所述弹性元件B，一部分沿螺旋导轨 穿在螺旋轴上，剩余部分为有效工作长度；弹性元件直径应略小于螺旋轴直径，防止弹性元 件在外力作用下，轴向移动；所述滑块，其特征在于在弹性元件A、B共同的作用力下，滑块可以沿导杆滑动；所述滑块两侧分别设有柔索固定端；所述的柔性固定端分别固结柔索A和柔索B 的一端；所述的2D差分驱动关节，主要包括柔索输入轮A、柔索输入轮B、输出轮C、柔索C、 D、定滑轮，其连接关系为所述的柔性输入轮A、B通过柔索C、D与输出轮C相连；所述柔索输入轮A、B,分别固结柔索A、B,所述柔索B需先绕过电机支架A的定滑 轮后，再固结于关节处的柔索输入轮上，以完成转向；所述的输出轮C为关节输出终端，与脚板相连。为实现位置闭环控制，在所述的关节轴一端安装有磁旋转编码器作为位置传感 器；为实现力可控，在所述的弹性单元处安装有应变仪作为力传感器；本发明具有以下优点及特出性效果所设计的可变刚度柔性关节，采用柔索差动 机构，较以往齿轮设计，结构简单，摩擦小，无回程误差，并且缩小机器人关节尺寸。依据人 类能耗分布的角度，实现驱动力矩再分配，也是本发明区别于其它已有研究成果的重要特 征；所设计的可变刚度柔性关节驱动系统，引入特殊弹性元件，在步行过程中，通过不断的 调整弹簧元件刚度来改变可变刚度柔性驱动机构的刚度，以适应不同步行阶段关节刚度需 要，并且能够存储/释放能量和吸收冲击；本发明无冗余驱动；采用柔索传动，结构简单，易 于加工装配，摩擦小，无回程误差；本发明提出的可变刚度柔性关节紧凑，易于安装，使得构 造全动力可变刚性柔性双足机器人成为可能，实现双足机器人行走功能多样化，如稳定行 走、不平地面行走及扰动下的自平衡。
四.
图1是本发明仿人机器人可变刚度柔性关节的结构示意图2是本发明中可变刚度柔性驱动器结构示意图；图3是本发明中2-D0F差分踝关节结构前向示意图；图4是本发明中2-D0F差分踝关节结构后视示意图；图5是本发明中可变刚度柔性驱动器刚度变化原理示意图；图中1脚底板，2柔索输入端A，3输出端D，4柔索，5输入端C，6柔索，7可变刚度 柔性驱动器，8可变刚度柔性驱动器，9支撑架，10小腿支撑，11柔索，12柔索，132-D0F差分 驱动踝关节，14柔索输入端B，15脚板支撑，16关节处柔索输入轮，17导杆，18柔索B，19定 滑轮，20编码器，21微型电机，22减速器，23电机支撑架A，24螺旋轴，25弹簧A，26滑块，27 弹簧B，28电机支撑架B，29柔索A，30柔索固结块A，31柔索固结块B
五.
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。参见图1，一种仿人机器人可变柔性关节结构，主要包括2-D0F差分驱动踝关节 12，可变刚度柔性驱动器7、8，柔索4、6、11、12。柔索4、6、11、12分别由可变刚度柔性驱动 器7、8穿出，一端绕过定滑轮，固结于差分2-D0F差分驱动踝关节12的柔索固结块5，20。 具体实现方法为通过柔索4、6、11、12，将柔索输入轮A 2、柔索输入轮B 14与输出端C 5、 输出端D 3相连，将输入轮A 2，输入轮B 14两个平行旋转运动转化为两个正交方向运动， 该传动方式摒弃齿轮传动摩擦大，易磨损，存在回程误差等特点，输入轮A、B轴向方向为踝 关节的主运动轴，可实现屈足背/屈趾运动，另踝关节可绕输出端C轴向作微小的外翻和内 翻运动。参见图2，可变刚度柔性驱动器7通过电机支架A 13固结在双足机器人本体上，其 中，微型电机21外壳与电机支架A 23固结；导杆17—端固结于电机支架A 23，另一端联 接电机支架B 28 ；滑块26可沿导杆17运动；微型电机21输出轴通过联轴器与螺旋轴24 相连；其中，螺旋轴24为两侧带有螺旋导轨，中间为光杆的旋转轴，其两端分别由电机支架 A23、电机支架B 28内装配的轴承支撑；弹性元件A 25，弹性元件B 27，一部分沿螺旋导轨 穿在螺旋轴24上，剩余部分为有效工作长度，分别接滑块26上、下表面；弹性元件25、27直 径应略小于螺旋轴24直径，防止弹性元件25、27在外力作用下，轴向移动。滑块26在弹性元件25、26共同的作用力下，可以沿导杆17滑动；滑块26两侧分 别设有柔索固定端30、31，分别固结柔索18、29的一端；柔索18的另一端直接固结于关节 处柔索输入轮2上；柔索B 29需先绕过电机支架A 23的定滑轮后，再固结于关节处的柔索 输入轮14上，以完成转向。当微型电机21转动时，带动螺旋轴24旋转；同时，弹性元件A 25及弹性元件B 27沿螺旋轴24轴向移动，其有效工作长度也随之发生变化；因弹性元件的刚度为其有效长 度的函数，当其有效工作长度改变时，弹性元件的刚度也随之改变，进而改变仿生关节的刚度。参见图3、4，所设计踝关节工作原理。为方便说明柔索绕向，现将柔索输入端A 2， 柔索输入端B 14展开来示意，当输入轮2、14以相同的方向转动一定角度θ时，踝关节主 转动方向发生转动，即整个足部绕输入轮Α、Β轴线转动，实现俯仰运动；当输入轮A 2、柔索 输入端B 14以相反的方向转动一定角度θ时，副转动方向发生转动，即脚板绕输出端C 5、输出端D 3的轴线转，实现旋转运动；其他情况下，实现足部的2-D0F运动。
参加图5，所设计可变刚度柔性驱动关节刚度变化原理，设弹性元件25的有效长 度为Lai，初始刚度为Ka = fA (Lai)，弹性元件27初始有效长度Lbi，初始刚度为Kb = fB (Lbi)， 那么此时仿生关节刚度可表示为K_it = f_it(LA1，LB1)，改变弹性元件25、27的有效工作长 度便可改变仿生关节的刚度；所设计的仿生关节能吸收一定的冲击，从而防止冲击对机器 人机械装置的损坏；当关节处受到外力F作用时，滑块26压缩弹簧向右运动，平衡位置的变 化量为Ax = F/KJoint ；弹性元件25、27处设有应变仪，用来测量弹性元件的变形量，由胡克 定律便可计算出施加在关节处的力的大小，从而实现闭环控制，并降低仿生关节输出阻抗。
权利要求
一种仿人机器人可变刚度柔性关节，主要包括可变柔性关节驱动器、2D差分驱动关节机构。所述的可变柔性关节驱动器，主要包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元。所述的2D差分驱动关节，主要包括柔索输入轮A、柔索输入轮B、输出轮C、柔索C、D、定滑轮。其特征在于所述的可变柔性关节驱动器通过柔索与2D差分驱动关节机构相连，无冗余驱动；采用柔索传动，结构简单，易于加工装配，摩擦小，无回程误差；所述仿人机器人可变刚度柔性关节结构紧凑，易于安装，为构造全动力可变刚性柔性双足机器人提供新的解决办法。
2.如权利要求1所述的一种仿人机器人可变刚度柔性关节，其特征在于所述的微型 电机通过电机支架A固结在双足机器人本体上；所述微型电机输出轴，通过联轴器与螺旋 轴相连，所述螺旋轴为两侧带有螺旋导轨，中间为光杆的旋转轴，其两端分别由电机支架A、 B内装配的轴承支撑；所述的电机支架A与导杆固结，其特征在于，所述导杆另一端与电机 支架B固结，导杆上只有滑块，滑块可沿导杆运动；所述的滑块，将弹簧A微型电机外壳与电 机支架A固结；导杆一端固结于电机支架A，另一端联接电机支架B ；滑块可沿导杆运动；所 述滑块，上表面接弹性元件A ；其特征在于所述弹性元件A，一部分沿螺旋导轨穿在螺旋轴 上，剩余部分为有效工作长度；弹性元件直径应略小于螺旋轴直径，防止弹性元件在外力作 用下，轴向移动；
3.如权利要求1所述的一种仿人机器人可变刚度柔性关节，其特征在于所述的可变 刚度柔性关节驱动器，引入特殊弹性元件，在步行过程中，通过不断的调整弹簧元件刚度来 改变可变刚度柔性关节刚度，以适应不同步行阶段关节刚度需要，并且能够存储/释放能 量和吸收冲击；
4.如权利要求1所述的一种仿人机器人可变刚度柔性关节，其特征在于采用2-D0F 差分驱动机构，采用柔索差动关节，较齿轮设计，结构简单，摩擦小，无回程误差，并且缩小 机器人关节尺寸。依据人类能耗分布的角度，实现驱动力矩再分配。
全文摘要
本发明公开了一种仿人机器人可变刚度柔性关节，主要包括可变柔性关节驱动器、2D差分驱动关节机构。所述的可变柔性关节驱动器，主要包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元。所述的2D差分驱动关节，主要包括柔索输入轮、输出轮、柔索。其特征在于所述的可变刚度柔性关节驱动器，引入特殊弹性元件，刚性可变，以适应不同步行阶段关节刚度需要，并且能够存储/释放能量和吸收冲击；所述的可变柔性关节驱动器通过柔索与2-DOF差分驱动关节机构相连，无冗余驱动；采所述的2-DOF差分机构，采用柔索传动，较齿轮设计，结构简单，摩擦小，无回程误差，并且缩小机器人关节尺寸，能够依据人类能耗分布的角度，实现驱动力矩再分配。
文档编号B25J17/00GK101934525SQ20101028356
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者帅梅, 张占芳, 王中宇, 魏慧 申请人:北京航空航天大学