CN102198664B - 具有中心球面副的两自由度球面并联的机器人仿生踝关节 - Google Patents

Abstract

一种具有中心球面副的两自由度球面并联的机器人仿生踝关节，其主要是：支撑半球窝下面固定有直输出杆，内设有球头，球头上部与柱形机体支架推杆相连，该推杆上设有截面呈矩形的通孔，外齿半圆弧型叉穿过该通孔且下端与支撑半球窝连接，支撑辊两端置于机体支架推杆通孔内，该支撑辊与半圆弧型叉的圆弧内表面接触，在上述机体支架推杆外设有支座，该支座上设丝杠，在上述丝杠上设滑块，该滑块与拉杆的上端通过上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架又与拉杆上端连接，该拉杆下端与支撑半球窝外壁通过下复合铰链叉架连接。本发明结构简单、紧凑、肢体的运动更加快速、灵活、平滑连续，从而在形态、结构、运动、力学和功能上最大限度接近人类的实际状态。

Description

具有中心球面副的两自由度球面并联的机器人仿生踝关节

技术领域

本发明涉及一种人形机器人，特别是人形机器人仿生踝关节。 

背景技术

目前，在全世界范围内，人们已经开发出大量的各种人形机器人。考察现有的人形机器人发现：其本体构型几乎都是串联的构型，即机器人多自由度关节为多个单转动副（或移动副）串联构成。这种串联构型在控制上比较容易实现，而且结构简单，但是，存在着严重缺陷：如下级驱动器的重量往往成了上级驱动器的负载，从而降低了驱动能力；对多运动副组合关节如腕、踝关节，其运动功能只在几个特定的方向(驱动器轴线)与人相当，而在其余方向上出现明显分解动作，其灵活性、准确性及稳定性，与人有较大差距；多运动副串联关节占用空间尺寸较大而且刚度小；肢体功能不完全，对合理补偿运动、调节机器人平衡，完成姿态变换及保证机器人的操作稳定等功能均不理想。 

并联机构作为机构集合的一部分，具有刚度高、承载能力高、速度高、驱动电机在机架上而使活动构件的质量轻等一系列串联机构所不具有的优点。近年来，随着人们对并联机构理论研究和应用研究的逐步深入，一些人开始考虑将并联机构引入到人形机器人踝关节的研究中。 

2009年，哈尔滨工程大学的余志伟、王立权等人，在《双足机器人并联踝关节优化设计》（机械工程学报，第45卷第11期）一文中，提出了一种并联踝关节机构，该关节包括足部、小腿、两根导杆和两根连杆，并由一个胡克铰链，两个移动副，4个球面副连接而成。其中胡克铰链作为踝关节的力支撑体，具有绕前x轴和侧向z轴2自由度转动。但该机构占用空间尺寸大、运动副过多、结构复杂。 

现有仿人形机器人的构型主要为单一的串联形式，有限的一些并联关节在结构复杂、性能、技术指标方面不理想，在形式和功能上仿生水平较低，与人的实际要求有较大的差距，不能完全满足实际需要。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、空间尺寸小、仿生水平接近人类实际状态的具有中心球面副的两自由度球面并联的机器人仿生踝关节。本发明主要是由支撑中心球面副支链、侧摆支链和俯仰支链三部分组成。所述的支撑中心球面副支链包括支撑半球窝，直输出杆，球头和机体支架推杆。其中，支撑半球窝为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直。该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，直输出杆下端可与脚板上端面固联。支撑半球窝的内凹球面设有球头，两者中心重合构成球面副，可实现三个方向的转动，该球头上部与柱形机体支架推杆下端固联，该机体支架推杆的轴线过球头中心点，其上端可与人体大腿（机架）固联。该机体支架推杆上设有贯穿两侧壁、截面呈矩形的通孔。所述的侧摆支链，包括外齿半圆弧型叉，支撑辊和外齿半圆弧型叉下侧的两个支撑销轴。其中，半圆形对称结构的外齿半圆弧型叉穿过机体支架推杆的矩形通孔，其轴向宽度的中间平面与由丝杠、机体支架推杆的轴线所构成的平面正交，外齿半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两支撑销轴构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上端面平行。短圆柱形支撑辊两端转动支撑于机体支架推杆矩形通孔的前后壁上，该支撑辊与外齿半圆弧型叉的圆弧内表面接触，两者轴线平行且位于丝杠的轴线与机体支架推杆轴线所构成的平面内，同时与机体支架推杆的轴线垂直，实现反向支撑。旋转电机通过外齿啮合驱动外齿半圆弧型叉带动球窝，实现球窝和输出杆及脚板的侧向滚动（Roll）运动。所述的俯仰支链，包括支座，滑块，丝杠，上复合铰链叉架，拉杆上部分，拉杆下部分和下复合铰链叉架。在上述机体支架推杆外设有支座，该支座有一条形连板，其固定在机体支架推杆上，且该条形连板的宽度中线与机体支架推杆的轴线平行。在该条形连板两端垂直固定有两个支耳，丝杠的两端通过转动副与两支耳相连，并且丝杠轴线与机体支架推杆轴线平行同时又与上述 支撑辊的轴线在同一平面内。在上述丝杠上通过螺旋副与滑块相连。该滑块与拉杆上部分的上端通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线通过滑块中心与丝杠轴线垂直正交，且位于丝杠、机体支架推杆轴线所构成的平面内；另一横向转动副为两端对称与拉杆上部分的上端形成转动连接。该拉杆为上下两段，中间通过沿拉杆长度方向的轴向转动副直接连接。该拉杆下部分的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形撗竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的外齿半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与拉杆下部分的下端形成转动连接。滑块由电机、丝杠驱动实现往复运动，带动拉杆、球窝和输出杆完成脚底俯仰（Pitch）运动。 

从结构仿生角度，本发明在结构形态上最大限度的接近人类的实际状态。其中，支撑中心球面副支链相当于人体胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同作成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车（关节头）构成踝关节；俯仰支链相当于人体的足跟与小腿之间的跟腱。从运动仿生角度，经对照发现：人体踝关节除能绕小腿内收、外展外，自身能完成以足根为支点，足尖向上抬起的背屈及以足尖为支点，足根向上抬起的跖屈（运动范围15⁰-30⁰/30⁰-45⁰）以及绕从足跟到足尖水平轴的外翻、内翻（运动范围15⁰-25⁰/30⁰-45⁰）。而本发明的工作空间为：绕与外齿半圆弧型叉的两支撑销轴的公共轴线、以及绕与该公共轴线和机体支架推杆轴线所在平面相垂直的、并且过球心的轴线的摆动均为±47⁰以上；完全覆盖实际人体踝关节的运动范围。从功能仿生角度，本发明当电机驱动丝杠旋转时，滑块可上下移动、牵动拉杆上下运动、支撑半球窝绕两支撑销轴的公共轴线转动,实现脚底俯仰运动；而另一电机驱动外齿半圆弧型叉左右摆动时，带动支撑半球窝、直输出杆及脚板实现侧摆运动，两电动机联动可实现人类踝关节的全部功能。同时，当输出杆受到向心的压力时，力载荷经过脚板、直输出杆、支撑半球窝、球头直达机体支架推杆（即机架），达到完全卸载，同时增大了线位移刚度；当脚板或直输出杆受到背离球心拉力时，力载荷分别由侧摆支链和俯仰支链共同承担。至此，发明了一种完全满足人形机器人要求的、高度仿生的踝关节，即具有中心球面副的两自由度球面并联的人形机器人仿生踝关节。 

本发明与现有技术相比具有如下优点： 

本发明在形态、结构、运动、力学和功能上最大限度接近人类的实际状态；具有高过约束、大刚度、大工作空间（可实现的工作空间比人腿的实际运动范围大很多）和卸载特性等优点；该关节结构简单、紧凑、驱动器并联设置在机体上，减轻了肢体负荷，提高了肢体驱动能力、操作能力；使肢体的运动更加快速、灵活、平滑连续，改善肢体协调及姿态变换能力，特别是大刚度使肢体的承载能力增加、运动稳定性提高。

总之，该仿生踝关节对于提高人形机器人的机动能力、操作能力、承载能力、运动稳定性、肢体运动的协调能力及姿态变化、运动的控制性能有重要意义和价值。 

附图说明

图1是本发明立体示意简图。 

具体实施方式

在图1所示的具有中心球面副的两自由度球面并联的仿生踝关节的立体示意简图中，支撑半球窝1为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直。该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆2上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，直输出杆下端与脚板3上端面固联。支撑半球窝的内凹球面内设有球头4，两者中心重合构成球面副，该球头上部与柱形机体支架推杆5下端固联，该机体支架推杆的轴线过球头中心点，其上端与人体大腿（机架）固联。该机体支架推杆上设有贯穿两侧壁、截面呈矩形的通孔。半圆形对称结构的外齿半圆弧型叉6穿过机体支架推杆的矩形通孔，其轴向宽度的中间平面与由丝杠7、机体支架推杆的轴线所构成的平面正交，外齿半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两支撑销轴8构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上端面平行。短圆柱形支撑辊9两端转动支撑于机体支架推杆矩形通孔的前后壁上，该支撑辊与外齿半圆弧型叉的圆弧内表面接触，两者轴线平行且位于丝杠的轴线与机体支架推杆轴线所构成的平面内，同时与机体支架推杆的轴线垂直。在上述机体支架推杆外设有支座10，该支座有一条形连板，其固定在机体支架推杆上，且该条形连板的宽度中线与机体支架推杆的轴线平行。在该条形连板两端垂直固定有两个支耳，丝杠的两端通过转动副与两支耳相连，并且丝杠轴线与机体支架推杆轴线平行同时又与上述 支撑辊的轴线在同一平面内。在上述丝杠上通过螺旋副与滑块相连。该滑块与拉杆上部分的上端通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架13连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线通过滑块11中心与丝杠轴线垂直正交，且位于丝杠、机体支架推杆轴线所构成的平面内；另一横向转动副为两端对称与拉杆上部分12｀的上端形成转动连接。该拉杆为上下两段，中间通过沿拉杆长度方向的轴向转动副直接连接。该拉杆下部分12的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形撗竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架14连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的外齿半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与拉杆下部分的下端形成转动连接。 

Claims (1)

1.一种具有中心球面副的两自由度球面并联的机器人仿生踝关节，其特征在于：支撑半球窝为内凹球面且球心在回转轴线上的回转体，其上端面和下端面均与回转轴线垂直，该支撑半球窝下端面与圆柱形直输出杆上端固联，该直输出杆的轴线穿过支撑半球窝的中心且与支撑半球窝的回转轴重合，支撑半球窝的内凹球面内设有球头，两者中心重合构成球面副，该球头上部与柱形机体支架推杆下端固联，该机体支架推杆的轴线过球头中心点，该机体支架推杆上设有贯穿两侧壁、截面呈矩形的通孔，半圆形对称结构的外齿半圆弧型叉穿过机体支架推杆的矩形通孔，其轴向宽度的中间平面与由丝杠、机体支架推杆的轴线所构成的平面正交，外齿半圆弧型叉在下端与支撑半球窝通过两支撑销轴构成转动连接，该两支撑销轴的轴线位于一条直线上并且过支撑半球窝的球心，同时与支撑半球窝的上端面平行，短圆柱形支撑辊两端转动支撑于机体支架推杆矩形通孔的前后壁上，该支撑辊与外齿半圆弧型叉的圆弧内表面接触，两者轴线平行且位于丝杠的轴线与机体支架推杆轴线所构成的平面内，同时与机体支架推杆的轴线垂直，在上述机体支架推杆外设有支座，该支座有一条形连板，其固定在机体支架推杆上，且该条形连板的宽度中线与机体支架推杆的轴线平行，在该条形连板两端垂直固定有两个支耳，丝杠的两端通过转动副与两支耳相连，并且丝杠轴线与机体支架推杆轴线平行同时又与上述 支撑辊的轴线在同一平面内，在上述丝杠上通过螺旋副与滑块相连，该滑块与拉杆上部分的上端通过一个T字形横竖两转动副轴线正交的上复合铰链叉架连接，该上复合铰链叉架的竖向转动副轴线通过滑块中心与丝杠轴线垂直正交，且位于丝杠、机体支架推杆轴线所构成的平面内；另一横向转动副为两端对称与拉杆上部分的上端形成转动连接，该拉杆为上下两段，中间通过沿拉杆长度方向的轴向转动副直接连接，该拉杆下部分的下端与支撑半球窝外壁通过一个T字形撗竖两转动副轴线正交的下复合铰链叉架连接，该下复合铰链叉架的一个竖向转动副轴线通过支撑半球窝的中心，并与侧摆支链中的外齿半圆弧型叉下端的两个支撑销轴公共轴线相垂直，且与支撑半球窝的上端面平行；另一横向转动副为两端对称与拉杆下部分的下端形成转动连接。