一种刚度函数化的被动减振关节的制作方法

本发明属于足式机器人领域。可用于足式机器人足部关节设计，降低地面冲击振动对上部主动控制及其机身的影响，实现冲击振动削弱效果。

背景技术：

足式机器人的灵活行动能力与强适应环境能力是轮式机器人无可比拟的，因此其具有十分广泛的应用前景。但是在行走的过程中，足端受到地面的振动冲击，会影响各个主动控制元器件，例如传感器、伺服驱动部件等。为了抑制地面冲击振动对足式机器人的行走稳定性影响，目前国内外有如下几种主要方法：

一是模拟仿造动物脚底的柔性支撑。采用如橡胶等具有一定阻尼的弹性体，通过柔性足垫来吸收冲击振动能量，虽然具有一定的缓冲作用，但由于橡胶等弹性体是非线性材料，对主动控制的关节将产生非线性的旋转运动，在关节主动控制上带来了困难。

二是采用力矩补偿控制法。如根据肌肉的弹性变化的特征，在摆动脚落地时采用力位混合控制，借此来降低脚部与地面的冲击力。但是在路面情况比较复杂的情况下，其计算量也十分巨大，对控制形成较大的困难。

三是运动控制法。该法模拟脚底一半先着地，之后逐步过渡在另一半，如HONDA足式机器人是通过计算摆动脚和身体之间的相对位置，来控制落地时候的位置，以此缓冲地面的冲击力。但是关节各部件受到耦合关系，造成碰撞现象，难以保证运动精度。

上述方法既对控制与计算要求高，又产生不可控的非线性旋转运影响，因此研发一种结构简明、控制简单的减振关节，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了解决地面冲击振动对足式机器人各关节及其机身的振动影响，提高足端振动能量吸收能力，本发明提出了一种刚度函数化的被动减振关节，使得其吸振能力优于常规的被动关节。

本发明包括有关节恢复力矩结构、函数化摩擦力矩结构和轴向补偿力结构；

所述的关节恢复力结构包括对称扭簧、上基体、轴承、轴套、下基体、螺钉组成，恢复力由扭簧提供，扭簧两端通过螺钉固定在下基体的螺纹孔上，下基体的螺纹孔关于轴心形成一圈均匀分布，即满足关节初始夹角可调。

所述的函数化的摩擦力矩结构包括端盖、摩擦环、第二小滚球、第一螺钉、第二压缩弹簧、凸轮体、第一小滚球、第一压缩弹簧、小滚子、滚轴、滚轮座、左右滑槽、第一螺栓、第二螺母、螺母座、第二螺栓，摩擦力矩由摩擦环与端盖的旋转摩擦提供，摩擦力矩的大小由轴向正压力控制；端盖固定在下基体上，摩擦环通过第二小滚球与关节轴产生移动副约束，其中第二小滚球安装在摩擦环内壁面上，在关节轴轴向的凹槽中滑动，使得摩擦环只能轴向移动；摩擦环一端面与端盖发生旋转摩擦，产生摩擦力矩，摩擦环另一端面通过第二压缩弹簧与凸轮体连接，凸轮体内壁面通过第一小滚球与关节轴产生移动副约束，使得凸轮体只能轴向移动；凸轮体通过第一压缩弹簧与电磁线圈套筒连接，电磁线圈套筒通过第一螺母固定在关节轴上；凸轮体与固定在下基体上的可调距离的小滚子形成点面约束，即小滚子在凸轮体的凸轮面上滚动，从而使凸轮体发生轴向移动，轴向移动的凸轮体导致第二压缩弹簧的形变，从而改变第二压缩弹簧对摩擦环的正压力，最终改变摩擦力矩，即摩擦力矩与关节旋转的角度成函数关系。

补偿力结构包括有电磁线圈、电磁套筒、第一螺母，补偿力由电磁线圈对凸轮体的吸引力提供，即当凸轮体发生轴向移动时，第二压缩弹簧和第一压缩弹簧的合力将增加在小滚子上，因此电磁线圈对凸轮体的吸引力将几乎抵消第二压缩弹簧和第一压缩弹簧的合力。

函数化摩擦力矩功能通过旋转摩擦环与凸轮机构共同来实现，由公式所知：

$M_f=\frac{2{\mathrm{\μF}}_N(R_1^2+R_1{R}_2+R_2^2)}{3(R_1+R_2)}$

其中R₁为摩擦环大径，R₂为小径，R₁>R₂，F_N为正压力，μ为摩擦系数。

由上式可知，摩擦力矩与轴向正压力成正比，通过改变轴向正压力来控制摩擦力矩。经过轴向第二压缩弹簧和第一压缩弹簧的传递，轴向正压力与凸轮体的轴向位移成正比，凸轮体端面尺寸又与关节旋转角成函数关系，关节旋转通过小滚子滚动挤压使得凸轮体产生轴向运动，从而使得凸轮体的轴向位移与关节旋转角成函数关系，从而导致摩擦力矩与关节旋转角成函数关系。补偿力的主要作用是抵消小滚子对凸轮体端面的轴向挤压力，由于该轴向挤压力会对凸轮体产生关节旋转运动切线方向的分力，该分力对足关节轴心将产生一个阻力矩，该力矩的作用效果等同恢复力，可阻碍关节旋转，也可驱动关节旋转。因此在凸轮体外侧增加一个电磁线圈来提供补偿力，该电磁线圈仅对凸轮体有轴向吸引力，通过该吸引力抵消第二压缩弹簧和第一压缩弹簧合力，从而减少小滚子对凸轮体端面的挤压力，降低关节旋转阻力距。

本发明的工作过程：

当下基体受力而产生关节角位移时，关节便产生关节恢复力矩与摩擦力矩，其中恢复力矩与关节旋转角成线性关系，摩擦力矩与关节旋转角成函数化关系，摩擦力方向始终与相对运动方向相反；扭簧起到储能作用，摩擦部件起到耗能作用，两者共同作用起到缓冲减振作用。

本发明的有益效果：由于关节具备函数化的摩擦力矩，对冲击振动能量的吸收具有针对性，例如随着关节旋转角的增加，其摩擦力矩越大，摩擦耗能就越大，其摩擦力矩与关节角的函数关系可定制，因此提高了缓冲减振的通用性。

附图说明

图1为本发明关节的正视图。

图2为本发明关节的剖视图。

图3为本发明关节的左视图。

图4为本发明关节受力示意图

具体实施方式

本发明包括有关节恢复力矩结构、函数化摩擦力矩结构和轴向补偿力结构；

所述的关节恢复力结构包括对称扭簧16、上基体15、关节轴1、轴承13、轴套14、下基体25、螺钉24组成；上基体15通过轴承13和轴套14共同约束在下基体25上，使得上基体15与下基体行程旋转副约束，恢复力距由扭簧16提供，扭簧16两端通过螺钉24固定在下基体25的螺纹孔上，下基体25的螺纹孔关于轴心形成一圈均匀分布，即满足关节初始夹角可调。

所述的函数化的摩擦力矩结构包括端盖11、摩擦环10、第二小滚球9、第一螺钉12、第二压缩弹簧8、凸轮体7、第二小滚球6、第一压缩弹簧5、小滚子22、滚轴23、滚轮座21、滑槽20、第二螺母18、第一螺栓26、螺母座19、第二螺栓17；摩擦力矩由摩擦环10与端盖11的旋转摩擦提供，摩擦力矩的大小由轴向正压力控制；端盖11固定在下基体25上，摩擦环10通过第三小滚球9与关节轴1产生移动副约束，其中第三小滚球9安装在摩擦环10内壁面上，在关节轴1轴向的凹槽中滑动，使得摩擦环10只能轴向移动；摩擦环10一端面与端盖11发生旋转摩擦，产生摩擦力矩，摩擦环10另一端面通过第二压缩弹簧8与凸轮体7连接，凸轮体7内壁面通过第二小滚球6与关节轴1产生移动副约束，使得凸轮体只能轴向移动；凸轮体7通过第二压缩弹簧8与电磁线圈套筒3连接；凸轮体7与固定在下基体25上的可调距离的小滚子22形成点面约束，即小滚子22在凸轮体7的凸轮面上滚动，从而使凸轮体7发生轴向移动，轴向移动的凸轮体7导致第二压缩弹簧8的形变，从而改变第二压缩弹簧8对摩擦环10的正压力，最终改变摩擦力矩，即摩擦力矩与关节旋转的角度成函数关系。

补偿力结构包括有电磁线圈、电磁套筒3、第一小滚球4、第一螺母2，电磁线圈套筒3通过第一螺母2与第一小滚球4约束在关节轴1上，使得电磁线圈套筒3只能发送轴向运动，即实现第一压缩弹簧5的初始压力可调；补偿力由电磁线圈对凸轮体7的吸引力提供，即当凸轮体7发生轴向移动时，第二压缩弹簧8和第一压缩弹簧5的合力将增加在小滚子22上，因此电磁线圈对凸轮体7的吸引力将几乎抵消第二压缩弹簧8和第一压缩弹簧5的合力。

本发明的工作过程：

当下基体25受力而产生关节角位移时，关节便产生关节恢复力矩与摩擦力矩，其中恢复力矩与关节旋转角成线性关系，摩擦力矩与关节旋转角成函数化关系，摩擦力方向始终与相对运动方向相反；扭簧起到储能作用，摩擦部件起到耗能作用，两者共同作用起到缓冲减振作用。