一种双足机器人髌骨变阻抗仿生驱动单元的制作方法

本发明属于液压伺服控制领域，更具体地，涉及一种双足机器人髌骨变阻抗仿生驱动单元。

背景技术：

关节仿生驱动技术已成为机器人领域中的一个重要研究方向，在关节伺服驱动方面，由于液压驱动存在缸体与杆件的机械摩擦、本身高输出阻抗的特性以及油液非线性流动、泄露等问题，使得液压驱动器的精确力控制变得非常困难，因此，液压驱动系统在工程应用时更适合采用速度或位置控制，而并非力控制。

串联弹性驱动器的特点是在动力源与负载间安装弹性装置，可以同时承受动力源的驱动力与负载的反作用力，在驱动器驱动机器人关节运动时增加关节的柔性，从而降低机器人关节驱动时的能耗，并起到保护和缓冲的作用。类似于动物的肌肉组织，具有很好的适应外部环境的能力，而且运动过程中具有较好的柔顺性和适应性，能够适应外部负载的变化。在人体仿生学中，小腿韧带和髌骨韧带对高性能稳定行走起着举足轻重的作用，髌骨韧带主要对膝关节的驱动有一个补力矩的作用，小腿韧带主要对足底与地面产生弹性冲击之后有一个减缓振动、吸收动能的作用。

由于变阻尼变刚度液压弹性驱动单元要应用到机器人膝关节上，因而在功能和结构上有自身的特殊性。现有的变阻尼装置和变刚度装置难以模拟小腿韧带及髌骨韧带，而且所占据的空间和自身重量较大，难以满足双足机器人膝关节对减震和缓冲的要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双足机器人髌骨变阻抗仿生驱动单元，能对机器人的膝关节弹跳运动有着力矩补偿和吸收振动的作用。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种双足机器人髌骨变阻抗仿生驱动单元，其特征在于，包括大腿板及共同安装在所述大腿板上的阻尼器、转轴、离合器片a、阻尼绳a、舵机、棘爪、棘轮、液压缸、凯夫拉传动带、离合器片b和非线性弹簧，其中，

所述阻尼器竖直安装在所述大腿板上；

所述离合器片a和转轴分别可转动安装在所述大腿板上；

所述阻尼绳a的一端固定在所述转轴上，而另一端固定在所述离合器片a上，并且所述阻尼绳a搭在所述阻尼器的顶端，以用于压缩所述阻尼器从而产生阻尼；

所述棘轮固定套接在所述转轴上，所述棘爪的一端可转动安装在所述大腿板上，该棘爪的另一端通过所述舵机驱动进行摆动，从而控制所述棘轮的摆动；

所述液压缸竖直安装在所述大腿板上并且该液压缸的活塞杆朝下；

所述非线性弹簧竖直安装在所述大腿板上；

所述凯夫拉传动带的一端固定连接在所述液压缸的活塞杆上，并且另一端固定连接在所述离合器片b上，并且所述凯夫拉传动带搭在所述非线性弹簧的顶端，以用于压缩所述非线性弹簧从而产生阻尼；

所述离合器片a上设置有弧形槽，所述离合器片b上设置有凸台并且所述凸台伸入所述弧形槽内，以用于让所述离合器片a带动所述离合器片b转动。

优选地，所述大腿板上还安装有用于让所述棘爪复位的回位弹簧。

优选地，还包括阻尼绳b，所述阻尼绳b的一端固定安装在所述转轴上，而另一端固定连接在所述离合器片b上。

优选地，所述大腿板上设置有多个导向板，以对所述阻尼绳b的移动进行导向。

优选地，所述大腿板上设置有多个导向板，以对所述阻尼绳a的移动进行导向。

优选地，所述大腿板上设置有多个导向轮，以对所述凯夫拉传动带的移动进行导向。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过使用可变阻尼的结构实现小腿韧带对弹性冲击的减缓振动和吸收动能的作用，同时使用可变弹性装置进行力矩补偿，满足液压弹性驱动器对膝关节的力矩需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是舵机通过棘爪控制棘轮的示意图；

图3是非线性弹簧的刚度变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，一种双足机器人髌骨变阻抗仿生驱动单元，包括大腿板及共同安装在所述大腿板上的阻尼器5、转轴3、离合器片a1、阻尼绳a2、舵机4、棘爪11、棘轮12、液压缸7、凯夫拉传动带8、离合器片b10和非线性弹簧9，其中，

所述阻尼器5竖直安装在所述大腿板上；

所述离合器片a1和转轴3分别可转动安装在所述大腿板上；

所述阻尼绳a2的一端固定在所述转轴3上，而另一端固定在所述离合器片a1上，并且所述阻尼绳a2搭在所述阻尼器5的顶端，以用于压缩所述阻尼器5从而产生阻尼；

所述棘轮12固定套接在所述转轴3上，所述棘爪11的一端可转动安装在所述大腿板上，该棘爪11的另一端通过所述舵机4驱动进行摆动，从而控制所述棘轮12的摆动；

所述液压缸7竖直安装在所述大腿板上并且该液压缸7的活塞杆朝下；

所述非线性弹簧9竖直安装在所述大腿板上；

所述凯夫拉传动带8的一端固定连接在所述液压缸7的活塞杆上，并且另一端固定连接在所述离合器片b10上，并且所述凯夫拉传动带8搭在所述非线性弹簧9的顶端，以用于压缩所述非线性弹簧9从而产生阻尼；

所述离合器片a1上设置有弧形槽，所述离合器片b10上设置有凸台并且所述凸台伸入所述弧形槽内，以用于让所述离合器片a1带动所述离合器片b10转动。

进一步，所述大腿板上还安装有用于让所述棘爪11复位的回位弹簧。

进一步，还包括阻尼绳b6，所述阻尼绳b6的一端固定安装在所述离合器片a1上，而另一端固定连接在所述离合器片b10上。

进一步，所述大腿板上设置有多个导向板，以对所述阻尼绳b10的移动进行导向。

进一步，所述大腿板上设置有多个导向板，以对所述阻尼绳a1的移动进行导向。

进一步，所述大腿板上设置有多个导向轮，以对所述凯夫拉传动带8的移动进行导向。

该仿生驱动单元的功能实现过程为：

当机器人做行走、弹跳运动时，小腿往复摆动，足底与地面周期性碰撞冲击，这时就需要本驱动单元的非线性弹簧9和阻尼器5进行缓冲。当膝关节是由串联弹性驱动器进行驱动时，由于串联弹性驱动器的特性，小腿将产生周期性衰减振动。当不需要给膝关节施加阻尼作用时(摆动相)，舵机4不发生转动，棘轮12自由旋转，转轴3随之转动，阻尼绳a或阻尼绳b不对阻尼器5产生约束。当需要给膝关节施加阻尼作用时，舵机4转动，带动棘爪11顺时针转动将棘轮12抵住卡死，此时转轴3不再转动，固定在转轴3上的阻尼绳a或阻尼绳b的一端均保持不动，而固定在离合器片a或阻尼绳b上的另一端则随之转动，压动阻尼器5，对整个系统产生阻尼，减缓振动，吸收动能。其中，本发明设计有两套带有阻尼绳的装置，一套是离合器片a和阻尼绳a，另一套则是离合器片b和阻尼绳b，前一套装置在离合器片a逆时针转动，即膝关节逆时针转动，带动小腿向前弹踢时产生阻尼；后一套装置，离合器片a推动离合器片b顺时针转动，即膝关节顺时针转动，带动小腿向后弯曲时产生阻尼。在需要的阻尼较小的情况下，只有前一套装置会产生作用，在需要的阻尼较大的情况下，两套装置都会产生作用。

同时，当机器人进行腿足弹跳运动时，由于膝关节的驱动元件-串联弹性驱动器的力矩曲线与人体腿足弹跳时的力矩曲线存在差异，故采用了变刚度液压驱动元件，对膝关节的单液压驱动力矩值做以补偿。因为非线性弹簧9刚度是非线性的，且凯夫拉传动带8在板件上端采用倒三角形的尖端构型，决定其输出端为反余弦函数曲线。凯夫拉传动带8一端固定在离合器片b上，另一端与液压缸的液压杆7相连，当腿足端为支撑相时，离合器片a角度固定锁死，液压杆7伸出，拉动凯夫拉传动带8，进行推动非线性弹簧9进行刚度调节。当腿足端为摆动相时，液压杆7锁死不动，液压杆7伸出长度不变，离合器片a随膝关节运动无规律转动，此时凯夫拉传动带8不对非线性弹簧9作用。

本发明使得膝关节的驱动单元增加了变阻抗的性能，补充力矩、减缓振动，更好地实现类人化平稳运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。