一种可变刚度的柔性机器人关节的制作方法

本发明涉及一种机器人关节，属于机器人领域。

背景技术：

机器人关节是机器人的重要组成部分，对足式机器人运动起着非常重要的作用。刚性关节的足式机器人在行走过程中在足部与地面接触的瞬间会产生巨大的冲力，这种瞬间的冲击力会对组成机器人的元器件造成一定的损害，并会影响机器人运动的稳定性，而且这种刚性接触会使机器人在运动过程中造成很大的能量损耗，进一步降低了足式机器人的运动效率。因此，避免机器人在运动过程中与地面之间进行刚性接触降低接触产生的冲力对足式机器人的研究具有重要意义。学者们通过研究人类下肢运动发现，人类下肢具有足够的柔性，不但可以让人实现流畅、省力的双足步行，而且可以保护下肢的关节。人类下肢灵活、节能、吸收冲击的特点对于足式机器人来说，具有十分重要的借鉴意义。基于此，本发明提出的一种可变刚度柔性机器人关节具有可主动调节关节刚度的能力，有利于减小足式机器人足部与地面接触时产生的冲击力，并进一步提高机器人的能量效率。

技术实现要素：

本发明是为解决现有足式机器人足部与地面刚性接触时产生的冲击力，造成很大的能量损耗，机器人运动性能降低的问题，进而提供一种可变刚度的柔性机器人关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种可变刚度的柔性机器人关节包括位置调节机构、刚度调节机构和传动机构；所述位置调节机构包括电力驱动机构、连接架和两套直线移动器；所述传动机构包括传动轴、足部连接座、两个活动杆、两个限位块和两个关节轴承座；所述刚度调节机构包括两个弹性元件和两个连接杆；

所述连接架固定连接在所述足部连接座上，所述足部连接座固定安装在所述传动轴上，所述足部连接座的两侧分别设置有垂直于传动轴的一个所述活动杆，两个所述活动杆的一端转动安装在所述传动轴上，位于两个所述活动杆外侧的所述传动轴的两端各安装有一个所述踝关节轴承座，且所述踝关节传动轴能相对踝关节轴承座旋转，所述踝关节轴承座的两侧分别固定安装有限制所述活动杆旋转的一个限位块，两个所述活动杆以所述传动轴的轴心成中心对称；两个所述活动杆的上方各布置有与所述活动杆平行的一个所述连接杆，所述活动杆的另一端与所述连接杆的一端之间布置有与二者固定连接的弹性元件；

两套所述直线移动器滑动安装在连接架上，所述传动轴的轴向与所述直线移动器的移动方向垂直，两个所述活动杆和两个所述直线移动器一一对应布置，所述动力驱动机构的输出端带动所述两套直线移动器在各自对应的所述活动杆上相向摩擦移动。

进一步地，所述电力驱动机构包括驱动电机和齿轮，每套直线移动器包括齿条、滑动件和触点杆，所述连接架上并列设置有两个滑轨；所述传动轴与两个所述滑轨垂直设置，所述滑动件滑动安装在所述滑轨上，所述齿条与所述滑动件连接，所述滑动件的端部连接有接触所述活动杆的触点杆，所述驱动电机的轴向竖向设置，所述驱动电机的输出端连接有所述齿轮，所述齿轮与两个所述齿条均啮合。

进一步地，所述连接架还包括两套定位装置，所述滑轨为圆柱形导向杆，所述滑动件为直线轴承，所述直线轴承安装在所述圆柱形导向杆上，两套所述定位装置与两套直线移动器一一对应设置，每套所述定位装置包括上板、下板和连接板；所述上板和所述下板间距设置并分别与所述连接架连接，所述齿条布置在所述上半板和所述下板之间并支撑在所述下板上，所述齿条通过连接板与所述直线轴承连接。

进一步地，所述位置调节机构还包括联轴器；所述驱动电机的输出端与所述齿轮之间布置有与二者连接的联轴器。

进一步地，所述弹性元件为螺旋弹簧。

进一步地，每个所述活动杆为L形，所述活动杆的长臂转动安装在所述传动轴上，所述踝关节轴承座的两侧邻近所述活动杆的长臂的一端分别固定安装有限制所述活动杆旋转的一个限位块，所述活动杆的长臂的另一端与所述活动杆的短臂的一端连接，所述活动杆的短臂的另一端与所述连接杆的一端之间布置有与二者固定连接的螺旋弹簧。

进一步地，所述足部连接座包括连接底座和U形足部连接件；所述连接底座固定安装在所述传动轴上，所述连接架固定连接在所述连接底座上，所述连接底座固定安装在所述U形足部连接件内。

进一步地，所述一种可变刚度的柔性机器人关节还包括随动带轮，所述传动轴的一端安装有一个随动带轮。

本发明的有益效果是：本发明基于杠杆原理，利用改变载荷作用位置的方法来实现刚度的调节，通过电机驱动齿轮齿条运动改变载荷施加的位置，从而改变刚度；当传动轴旋转的时候，输入部分的触点杆会压住活动杆，活动杆便会拉伸螺旋弹簧，这一过程使踝关节的转动产生阻力矩，表现为机器人踝关节的刚度。

本发明研制的柔性机器人关节可以主动的调节关节的刚度，进而实现机器人关节的柔性驱动。在机器人运动过程中该关节刚度可实现实时的在线调节，使得机器人运动性能得到提高。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为带有驱动带轮的位置调节机构、刚度调节机构和传动机构连接关系图；

图3为位置调节机构剖视结构图；

图4为刚度调节机构和传动机构连接关系图；

图5为传动机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-图5说明，本实施方式的一种可变刚度的柔性机器人关节包括位置调节机构、刚度调节机构和传动机构；

所述位置调节机构包括电力驱动机构11、连接架12和两套直线移动器13；所述传动机构包括传动轴21、足部连接座22、两个活动杆23、两个限位块24和两个关节轴承座35；所述刚度调节机构包括两个弹性元件31和两个连接杆32；

所述连接架12固定连接在所述足部连接座22上，所述足部连接座22固定安装在所述传动轴21上，所述足部连接座22的两侧分别设置有垂直于传动轴21的一个所述活动杆23，两个所述活动杆23的一端转动安装在所述传动轴21上，位于两个所述活动杆23外侧的所述传动轴21的两端各安装有一个所述踝关节轴承座25，且所述踝关节传动轴21能相对踝关节轴承座35旋转，所述踝关节轴承座35的两侧分别固定安装有限制所述活动杆23旋转的一个限位块24，两个所述活动杆23以所述传动轴21的轴心成中心对称；两个所述活动杆23的上方各布置有与所述活动杆23平行的一个所述连接杆32，所述活动杆23的另一端与所述连接杆32的一端之间布置有与二者固定连接的弹性元件31；

两套所述直线移动器13滑动安装在连接架12上，所述传动轴21的轴向与所述直线移动器13的移动方向垂直，两个所述活动杆23和两个所述直线移动器13一一对应布置，所述动力驱动机构11的输出端带动所述两套直线移动器13在各自对应的所述活动杆23上相向摩擦移动。

传动轴21相当于杠杆的支点，活动杆23相当于杠杆，直线移动器13的触点在杠杆上位置就是载荷施加的位置，弹性元件31在杠杆上的位置是固定不变的。当触点沿着活动杆23运动时相当于力的作用点沿着活动杆运动，线性拉伸弹性元件31的刚度是恒定的，从而表现为整个关节的旋转刚度随着触点的移动而变化。从上述可知，当我们驱动传动轴21旋转时可以使关节的刚度发生变化，从而实现了主动调节关节刚度的设计目的。

为了提高电力驱动机构运行效率和直线移动器的可靠性，本实施方式采用了驱动电机和齿轮齿条相结合的传动方式，优选地，电力驱动机构11包括驱动电机11-1和齿轮11-2，每套直线移动器13包括齿条13-1、滑动件13-2和触点杆13-3，所述连接架12上并列设置有两个滑轨12-1；所述传动轴21与两个所述滑轨12-1垂直设置，所述滑动件13-2滑动安装在所述滑轨12-1上，所述齿条13-1与所述滑动件13-2连接，所述滑动件13-2的端部连接有接触所述活动杆23的触点杆13-3，所述驱动电机11-1的轴向竖向设置，所述驱动电机11-1的输出端连接有所述齿轮11-2，所述齿轮11-2与两个所述齿条11-2均啮合。如此设置，驱动电机11-1驱动齿轮11-2旋转，从而驱动与齿轮11-2两侧啮合的齿条13-1沿彼此相反的方向做直线运动。齿条13-1与滑动件13-2连接，齿条13-1的运动带动滑动件13-2延滑轨12-1随动，从而实现了安装在滑动件13-2上的触点杆13-3沿着滑轨12-1方向的直线运动，通过驱动电机11-1驱动齿轮11-2和齿条13-1运动改变载荷施加的位置，从而改变刚度。

如图3说明，优选地，连接架12还包括两套定位装置，所述滑轨12-1为圆柱形导向杆，所述滑动件13-2为直线轴承，所述直线轴承13-2安装在所述圆柱形导向杆上，两套所述定位装置与两套直线移动器13一一对应设置，每套所述定位装置包括上板12-2、下板12-3和连接板12-4；所述上板12-2和所述下板12-3间距设置并分别与所述连接架12连接，所述齿条13-1布置在所述上半板12-2和所述下板12-3之间并支撑在所述下板12-3上，所述齿条13-1与通过连接板12-4与所述直线轴承连接。如此设置，采用直线轴承提高运行精度和可靠性，定位装置实现了对直线移动器的固定。

如图3说明，为了克服驱动电机直接驱动刚性运动，减少扭矩问题，增设联轴器，以提高运行的稳定性，位置调节机构还包括联轴器33；所述驱动电机11-1的输出端与所述齿轮11-2之间布置有与二者连接的联轴器33。如此设置，联轴器以提高系统动态性能。驱动电机11-1通过联轴器33驱动齿轮11-2旋转，从而驱动与齿轮11-2两侧啮合的齿条13-1沿彼此相反的方向做直线运动。齿条13-1通过连接板12-4与直线轴承相连接，齿条13-1的运动带动直线轴承延圆柱形导向杆的随动，从而实现了安装在直线轴承上的触点杆沿着圆柱形导向杆方向的直线运动。如图4所示，传动轴21相当于杠杆的支点，活动杆23相当于杠杆，触点杆13-3在杠杆上的位置就是载荷施加的位置，螺旋弹簧在杠杆上的位置是固定不变的。当触点杆13-3沿着活动杆23运动时相当于力的作用点沿着活动杆23运动，线性拉伸的螺旋弹簧的刚度是恒定的，从而表现为整个关节的旋转刚度随着触点杆的移动而变化。从上述可知，当我们驱动电机11-1旋转时可以使关节的刚度发生变化，从而实现了主动调节关节刚度的设计目的。

如图4说明，优选地，弹性元件31为螺旋弹簧。如此设置，廉价易得，拆装使用方便。当触点杆13-3沿着活动杆23运动时相当于力的作用点沿着活动杆23运动，线性拉伸的螺旋弹簧的刚度是恒定的，从而表现为整个关节的旋转刚度随着触点的移动而变化。

如图4说明，为了保证活动杆起到杠杆的作用更加突显，每个所述活动杆23为L形，所述活动杆23的长臂转动安装在所述传动轴21上，所述足部连接座22的两侧上邻近所述活动杆23的长臂的一端分别安装有限制所述活动杆23旋转的一个限位块24，所述活动杆23的长臂的另一端与所述活动杆23的短臂的一端连接，所述活动杆23的短臂的另一端与所述连接杆32的一端之间布置有与二者固定连接的螺旋弹簧。如此设置，L形的活动杆起到传递力的作用，以保证杠杆效力。

如图5说明，为了保证本实施方式的关节用于双足机器人，实现机器人行走运动，足部连接座22包括连接底座22-1和U形足部连接件22-2；所述连接底座22-1固定安装在所述传动轴21上，所述连接架12固定连接在所述连接底座22-1上，所述连接底座22-1固定安装在所述U形足部连接件22-2内。如此设置，使用方便，机器人运行稳定。

如图2说明，为了保证本实施方式的关节用于双足机器人，实现机器人行走运动，一种可变刚度的柔性机器人关节还包括随动带轮34，所述传动轴21的一端安装有一个随动带轮34。如此设置，机器人小腿和机器人关节通过轴承座35连接，结构简单，使用方便可靠。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。