专利名称：一种两自由度仿人踝部关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人的部件结构，具体地说是一种两自由度仿人踝部关节。
背景技术：
近些年来，机器人技术发展十分迅速，机器人在工业、农业、服务、医疗、军事等领域获得了广泛应用。作为机器人研究领域最前沿的问题之一，模拟人类行走的双足步行机器人集机械、控制、人工智能等多门学科于一体，反映着一个国家智能化和自动化研究的水平。踝部关节是双足机器人的关键部件，其灵活性、拟人性很大程度上决定了双足机器人行走的灵活性、拟人性。因此设计拟人性高，灵活性好的双足机器人踝部关节具有十分重要的意义。目前公开的仿人机器人踝部关节结构有许多种，早期的仿人机器人2自由度踝关节，国内外普遍采用两关节轴线空间垂直交叉、串联驱动的布置方式，主要是俄亥俄大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学，这种机构的自由度配置及其驱动方式简单，但是踝部关节的驱动电机及其减速装置增大了腿的摆动惯量，造成控制困难，难以实现快速行走。目前以ASIMO为代表的大多数仿人机器人踝部关节采用2个自由度的胡克铰机构，该机构前摆和侧摆两个关节轴线垂直相交，这种自由度配置的机器人常采用谐波减速器(或加上同步带)的定传动比装置，其驱动机构及驱动方式使踝部结构变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑，拟人性高，能实现近似三自由度运动的一种两自由度仿人踝部关节。本发明的技术方案是一种两自由度仿人踝部关节，其组成包括小腿上部、小腿下部、驱动装置1、驱动装置I1、双关节构件、足、闸线；双关节构件包括踝关节驱动装置和距下关节驱动装置，踝关节驱动装置包括踝关节轴，距下关节驱动装置包括距下关节轴，踝部关节包括上部轴和下部轴，上部轴为踝关节轴，下部轴为距下关节轴；踝关节轴和距下关节轴空间交叉，踝关节轴和距下关节轴的轴线不在同一个平面内，踝关节轴的轴线与额状面的夹角取为25°，与水平面的夹角为8°，距下关节轴的轴线与额状面的夹角取为16°，与水平面的夹角为45°，踝关节轴的轴线与距下关节轴的轴线的最短距离为20mm，踝关节轴和距下关节轴的轴线夹角为56. 54° ;所述闸线为柔性闸线。所述的一种两自由度仿人踝部关节，所述驱动装置包括驱动电机I，在驱动电机I输出轴上固定有驱动摆杆1、闸线芯线I固结于驱动摆杆I上；在小腿上部上固定驱动导槽I，驱动导槽I上开孔I使电机轴从中穿过，闸线外管端部固定于驱动导槽I之上；踝关节轴左侧端部固定有被动摆杆I，并通过轴套I安装在左支架I，左支架I上加工有被动导槽I，被动摆杆I上固定闸线芯线I，被动导槽I固定有闸线外管I ;在驱动电机II输出轴上固定有驱动摆杆I1、闸线芯线II固结于驱动摆杆上；在小腿下部上固定驱动导槽II，驱动导槽II上开孔II使电机轴从中穿过，闸线外管II端部固定于驱动导槽II之上；距下关节轴右端固定有被动导槽II，对应的右支架II上加工有被动摆杆II，被动摆杆II上固定闸线芯线II，被动导槽II固定有闸线外管II。小腿上部和小腿下部均为法兰件，小腿上部和小腿下部之间通过螺栓连接，小腿下部折弯角度为踝关节轴与小腿正常运动面的夹角，距下关节轴安装在折弯支架上，折弯支架折弯角和其在足上的安装方向角为距下关节轴与正常运动面的夹角。两自由度仿人踝部关节的组成包括小腿上部、小腿下部、驱动电机及其驱动组件、双关节及其驱动组件、足、闸线；踝部关节的踝关节安装于小腿下部；距下关节安装于足上；电机驱动组件安装在小腿上，关节驱动组件分别在踝关节和距下关节的运动轴及支架上。电机驱动闸线带动踝关节轴和距下关节轴同时运动，实现仿人踝关节的运动。人体踝部关节包括踝关节和距下关节两个独立的关节，是人体主要负重运动关节之一，它既是人体的弹跳启动器，也是落地缓冲装置，是人体灵活运动的关键关节。人体踝足部生理结构的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。这种倾斜轴线结构有以下优点一是有利于减小肌肉驱动的作用力臂，在同样负荷下可以减小所需的肌肉力量；二是三个轴线的空间斜交叉产生的耦合转动作用，在站立相有利于维持腿在前进平面内；三是地面垂直反作用力沿踝关节轴线产生分量，这个分量对于绕踝关节的转动不起作用。本发明具有以下有益效果(I)本发明的关节轴线结构与人体实际关节结构相似度高；(2)本发明采用柔性闸线驱动可使机构实现仿踝关节运动；(3)本发明通过控制两根轴的运动使机构实现近似三自由度的运动，满足人体踝关节运动要求；(4)本发明可应用于仿人机器人与假肢的踝关节。本发明的踝部关节机构运动范围与人体实际运动范围相近，达到了正常行走所需要的基本条件，本发明可用于仿人机器人踝部关节，提高仿人机器人的拟人性。另一方面，此机构通过控制两个参量可得三个运动角度，也就是说空间二自由度机构近似实现踝关节三自由度运动，提高了运动灵活性。
图1是本发明的整体结构示意 图2是小腿下部的结构 图3是踝部关节的结构 图4是距下关节支架的结构 图5是驱动装置I的结构 图6是驱动装置II的结构 图7是踝关节驱动装置的结构 图8是距下关节驱动装置的结构 图9是图1中A部放大图。
具体实施例方式结合图1-9，本发明由小腿上部1、小腿下部3、驱动装置I 2、驱动装置II 4、双关节构件5、折弯支架6、足7、驱动闸线组成；小腿上部I和小腿下部3均为法兰件，小腿上部I和小腿下部3之间通过螺栓连接，如图1和图9所示。小腿下部3折弯角度保证踝关节轴514与额状面的夹角为25°，与水平面的夹角为8°，如图2所示。踝关节轴514与距下关节轴523通过螺钉固结保证其夹角56.54°以及距离20mm，如图3所示。距下关节轴523安装在折弯支架6上，折弯支架6的折弯角和其在足7上的安装方向角保证距下关节轴523与额状面的夹角取为16°，与水平面的夹角为45°，如图4所示。驱动电机I 21输出轴上固定有驱动摆杆I 27、闸线芯线I 10固结于驱动摆杆27上；在小腿上部I上固定驱动导槽I 25，驱动导槽I 25上开孔I 26使电机轴从中穿过，闸线外管I 11端部固定于驱动导槽I 25之上。踝关节轴514左侧端部固定有被动摆杆I 511，左支架I 512上加工有被动导槽I 517，被动摆杆I 511上固定闸线芯线I 10，被动导槽I 517固定有闸线外管I 11;在驱动电机II 41输出轴上固定有驱动摆杆II 47、闸线芯线II 8固结于驱动摆杆II 47上；在小腿下部3上固定驱动导槽II 45，驱动导槽II 45上开孔II 46使电机轴从中穿过，闸线外管II 9端部固定于驱动导槽45 II之上。距下关节轴523右端固定有被动导槽II 524，右支架II 527上加工有被动摆杆II 526，被动摆杆II 526上固定闸线芯线8，被动导槽II 524固定有导槽外管9。结合图2，踝关节轴514的轴线与额状面的夹角为25。，踝关节轴514的轴线与水平面的夹角为8°。结合图3，踝关节轴514的轴线与距下关节轴523的轴线的最短距离为20mm，两轴线夹角为56. 54°。结合图4，距下关节轴523的轴线与额状面的夹角为16°，距下关节轴523的轴线与水平面的夹角为45°。结合图5，驱动电机I 21通过螺钉24固定于电机支架I 23上，然后通过螺栓连接22固定于小腿上部1，驱动摆杆I 27通过紧定螺钉28固定在驱动电机I 21的输出轴上，闸线芯线I 10固结于驱动摆杆I 27上；在小腿上部I上固定驱动导槽I 25，驱动导槽I 25上开孔I 26使电机轴从中穿过，闸线外管I 11端部固定于驱动导槽I 25之上。结合图6，驱动电机II 41通过螺钉44固定于电机支架II 43上，然后通过螺栓连接42固定于小腿下部3，驱动摆杆II 47通过紧定螺钉48固定在驱动电机II 41的输出轴上，闸线芯线II 8固结于驱动摆杆II 47上；在小腿下部3上固定驱动导槽II 45，驱动导槽II 45上开孔II 46使电机轴从中穿过，闸线外管II 9端部固定于导槽1145之上。结合图7，踝关节轴514左端固定有被动摆杆I 511，然后通过轴套I 513安装在左支架I 512，左支架I 512上加工有被动导槽I 517，被动摆杆I 511上固定闸线芯线I 10，被动导槽I 517固定有闸线外管I 11，踝关节轴514右端则通过轴套II 515安装在支架516上。踝关节轴514通过左支架I 512、右支架I 516安装在小腿下部3上。结合图8，距下关节轴523右端固定有被动导槽II 524，然后通过轴套IV 525安装在右支架II 527上，右支架527 II上加工有被动摆杆II 526，被动摆杆II 526上固定闸线芯线II 8，被动导槽II 524上固定有闸线外管II 9，距下关节轴523左端则通过轴套III 522安装在左支架II 521上。距下关节轴523通过左支架II 521、右支架II 527安装在折弯支架6上。本发明的工作过程与原理为驱动电机I 21转动带动驱动摆杆I 27在驱动导槽
I25内运动，驱动摆杆I 27带动闸线芯线I 10运动，闸线芯线I 10带动被动摆杆I 511在被动导槽I 517内运动；驱动电机II 41转动带动驱动摆杆II 47在驱动导槽II 45内运动，驱动摆杆II 47带动闸线芯线II 8运动，闸线芯线II 8带动被动摆杆II 526在被动导槽
II524内运动。驱动电机I 21与驱动电机II 41同时运动可实现机构的并联驱动，实现仿人踝关节的运动。
权利要求
1.一种两自由度仿人踝部关节，其组成包括小腿上部(I)、小腿下部(3)、驱动装置I(2)、驱动装置II (4)、双关节构件(5)、足(7)、闸线；其特征是双关节构件(5)包括踝关节驱动装置(51)和距下关节驱动装置(52)，踝关节驱动装置(51)包括踝关节轴(514)，距下关节驱动装置(52)包括距下关节轴(523)，踝部关节包括上部轴和下部轴，上部轴为踝关节轴(514)，下部轴为距下关节轴(523);踝关节轴(514)和距下关节轴(523)空间交叉，踝关节轴(514)和距下关节轴(523)的轴线不在同一个平面内，踝关节轴(514)的轴线与额状面的夹角取为25°，与水平面的夹角为8°，距下关节轴(523)的轴线与额状面的夹角取为16°，与水平面的夹角为45°，踝关节轴(514)的轴线与距下关节轴(523)的轴线的最短距离为20mm，踝关节轴(514)和距下关节轴(523)的轴线夹角为56. 54° ;所述闸线为柔性闸线。
2.根据权利要求1所述的一种两自由度仿人踝部关节，其特征是所述驱动装置(2)包括驱动电机I (21)，在驱动电机I (21)输出轴上固定有驱动摆杆I (27)、闸线芯线I (10)固结于驱动摆杆I (27)上；在小腿上部(I)上固定驱动导槽I (25)，驱动导槽I (25)上开孔I (26)使电机轴从中穿过，闸线外管I (11)端部固定于驱动导槽I (25)之上；踝关节轴(514)左侧端部固定有被动摆杆I (511)，并通过轴套I (513)安装在左支架I (512)，左支架I (512)上加工有被动导槽I (517)，被动摆杆I (511)上固定闸线芯线I (10)，被动导槽I (517)固定有闸线外管(11);在驱动电机II (41)输出轴上固定有驱动摆杆II (47)、闸线芯线II (8)固结于驱动摆杆(47)上；在小腿下部(3)上固定驱动导槽II (45)，驱动导槽II (45)上开孔II (46)使电机轴从中穿过，闸线外管II (9)端部固定于驱动导槽II (45)之上；距下关节轴(523)右端固定有被动导槽II (524)，对应的右支架II (527)上加工有被动摆杆II (526)，被动摆杆II (526)上固定闸线芯线II (8)，被动导槽II (524)固定有闸线外管II (9)。
3.根据权利要求1或2所述的一种两自由度仿人踝部关节，其特征是小腿上部(I)和小腿下部(3)均为法兰件，小腿上部(I)和小腿下部(3)之间通过螺栓连接，小腿下部(3)折弯角度为踝关节轴(514)与小腿正常运动面的夹角，距下关节轴(523)安装在折弯支架(6)上，折弯支架(6)折弯角和其在足(7)上的安装方向角为距下关节轴(523)与正常运动面的夹角。
全文摘要
本发明公开了一种两自由度仿人踝部关节，其组成包括小腿上部、小腿下部、驱动装置Ⅰ、驱动装置Ⅱ、双关节构件、足、闸线；双关节构件包括踝关节驱动装置和距下关节驱动装置，踝关节驱动装置包括踝关节轴，距下关节驱动装置包括距下关节轴，踝部关节包括上部轴和下部轴，上部轴为踝关节轴，下部轴为距下关节轴；踝关节轴和距下关节轴空间交叉，踝关节轴和距下关节轴的轴线不在同一个平面内。本发明可用于仿人机器人踝部关节，提高仿人机器人的拟人性。另一方面，此机构通过控制两个参量可得三个运动角度，也就是说空间二自由度机构近似实现踝关节三自由度运动，提高了运动灵活性。
文档编号B62D57/032GK102991601SQ201210523210
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月9日 优先权日2012年12月9日
发明者陈鹿民, 王才东, 王新杰, 刘洁, 陈仁涛, 陈震, 王辉 申请人:郑州轻工业学院