一种用于半被动双足机器人的柔性驱动髋关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种用于半被动双足机器人的柔性驱动髋关节。

背景技术

由于双足步行机器人行走方式更加接近人类，能够快速适应人类生存环境(如生活中的楼梯等)，从而更好地服务人类。因此，有关双足步行机器人的研究工作在世界范围内得到广泛开展。

近年来，随着被动行走原理的提出，越来越多的学者开始着手开发基于该原理的半被动双足机器人，此类机器人具有节能、行走自然、结构简单等特性。世界范围内，美国康奈尔大学(Cornell University)、麻省理工学院(Massachusetts Institute ofTechnology)、荷兰戴尔福特理工大学(Delft University of Technology)等研究机构纷纷开发出系列半被动双足机器人，它们都可以实现较为理想的行走。

但分析发现，现有的半被动双足机器人所使用的角平分线机构(减少整机的自由度，以降低控制的难度，同时保证躯干时刻保持在下肢的角平分线上)普遍存在结构过于复杂，工作可靠性较差的问题，而且现有的欠驱动双足机器人较多采用刚性驱动(如在关节处利用电机直接驱动)，这使得机器人在运动中难以保证传动及运动的柔顺性，无法有效应对较大刚性冲击，进而严重影响行走的稳定性，同时，刚性驱动还会抑制关节的自然力学特性，从而影响到机器人的行走自然性。由于刚性驱动的种种缺陷，近年来，该领域的研究人员不断尝试利用人工肌肉(如气动人工肌肉)的柔性驱动方式对欠驱动双足机器人进行驱动，但这种柔性驱动的方式不但体积大、重量高，且驱动效率低，而利用高效率的电机结合弹簧的柔性驱动方可能是一种较好的柔性驱动方式。

综观上述半被动双足机器人的研究现状，急需一种集成结构简单、可靠性佳的角平分线机构与高效、轻巧柔性驱动于一体的用于半被动双足机器人的柔性驱动髋关节。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有半被动双足步行机普遍存在的角平分线机构复杂、髋关节驱动不完善的问题，而提供一种用于半被动双足机器人的柔性驱动髋关节，该柔性驱动髋关节具有角平分线机构简洁、柔性驱动机构紧凑，可使行走更加自然的特点。

本发明包括角平分线机构和髋关节柔性驱动机构；

所述的角平分线机构包含第一连接件、第一连杆、第二连杆、套筒、第三连杆、第二连接件等。其中，髋部支架通过定位销固定在轴的中部，第四销轴以螺纹连接的方式固定在髋部支架上部，第二连杆中部与第四销轴铰接，构成转动副。一对连杆连接件铰接在第一连杆的两端构成转动副。第一销轴与第一连接件固连，对称布置的第一连杆与第一连接件铰接。套筒的上端与第一连杆以螺纹连接的方式固连，套筒的下端与第三连杆的上端构成转动副，第三连杆通过第二销轴与第二连接件铰接，对称分布的第三销轴以螺纹连接的方式固定在腿部连接件上，第三销轴与第二连接件构成转动副；角平分线机构可以实现两侧腿部连接件运动的耦合，在不增加多余自由度的情况下，使髋部支架时刻保持在两侧腿部连接件运动的角平分线上。

所述的髋关节柔性驱动机构左右对称分布，髋关节柔性驱动机构包括右侧第一柔性驱动构件、左侧第一柔性驱动构件、第二柔性驱动构件、右侧舵机、左侧舵机，右侧舵机、左侧舵机分别通过两对内六角螺钉对称布置在髋部支架的两侧，右侧舵机通过右侧第一齿轮及右侧第二齿轮将动力传递给右侧第一柔性驱动构件，左侧舵机通过左侧第一齿轮及左侧第二齿轮将动力传递给左侧第一柔性驱动构件；第一柔性驱动构件和第一柔性驱动构件分别通过均匀布置在内侧的四个第一拉簧固定件牵引拉簧带动固连在第二柔性驱动构件上的四个第二拉簧固定件，从而实现右侧舵机、左侧舵机分别对腿部连接件的柔性驱动，腿部连接件与第二柔性驱动构件固连，右侧第一柔性驱动构件、左侧第一柔性驱动构件分别通过一对第一轴承与轴构成转动副，对称分布的第二柔性驱动构件通过一对第二轴承与轴构成转动副，轴套、轴承固定螺母用来确定第一轴承与第二轴承的相对位置。

本发明的工作过程和原理：

在具体的工作过程中，右侧舵机与左侧舵机的转动总保持大小相等、方向相反的状态，结合角平分线机构的使用，可以很好地模拟双足行走的步态，由于右侧舵机与左侧舵机的驱动是由拉簧进行传递的，故不存在刚性驱动所带来的惯性冲击等问题，带给系统稳定性的同时，还可以更好地对生物的双足行走运动进行模拟，体现髋关节的自然力学特性使行走步态更加自然。该部分在模拟生物肌肉驱动的同时，将拉簧集成在右侧第一柔性驱动构件及左侧第一柔性驱动构件这样的圆形结构中，使整体机构简单、紧凑，避免了直线型柔性驱动体积占用过大的问题。

本发明的有益效果：

1、本发明创新性地设计了广泛应用在欠驱动双足机器人上的角平分线机构，本设计为连杆机构，结构简单紧凑，连接均为铰连接，工作稳定可靠。

2、本发明采用柔性驱动的方式，避免了刚性驱动带来的刚性冲击大、行走不自然等问题，同时本发明的柔性驱动整体集成在一个圆形结构中，易于与传统的旋转驱动器(如舵机)相结合，结构紧凑、合理。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为图2的局部剖视图。

图4为图2的左视图。

其中：1-髋部支架；2-第一销轴；3-第一连接件；4-第一连杆；5-第二连杆；6-套筒；7-第三连杆；8-第二销轴；9-第二连接件；10-第三销轴；11-第四销轴；12-定位销；13-腿部连接件；14-内六角螺钉；1501-右侧舵机；1502-左侧舵机；1601-右侧第一齿轮；1602-左侧第一齿轮；1701-右侧第二齿轮；1702-左侧第二齿轮；1801-右侧第一柔性驱动构件；1802-左侧第一柔性驱动构件；19-轴；20-第二柔性驱动构件；21-第一轴承；22-轴套；23-轴承固定螺母；24-第二轴承；25-第一拉簧固定件；26-拉簧；27-第二拉簧固定件。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3及图4所示，本实施例包括角平分线机构、髋关节柔性驱动机构；

所述的角平分线机构包含第一连接件3、第一连杆4、第二连杆5、套筒6、第三连杆7、第二连接件9，髋部支架1通过定位销12固定在轴19的中部，第四销轴11以螺纹连接的方式固定在髋部支架1上部，第二连杆5中部与第四销轴11铰接构成转动副；一对连杆连接件3铰接在第一连杆4的两端构成转动副；第一销轴2与第一连接件3固连，对称布置的第一连杆4与第一连接件3铰接；套筒6的上端与第一连杆4以螺纹连接的方式固连，套筒6的下端与第三连杆7的上端构成转动副，第三连杆7通过第二销轴8与第二连接件9铰接，对称分布的第三销轴10以螺纹连接的方式固定在腿部连接件13上，第三销轴10与第二连接件9构成转动副；角平分线机构能实现两侧腿部连接件13运动的耦合，在不增加多余自由度的情况下，使髋部支架1时刻保持在两侧腿部连接件13运动的角平分线上。

所述的髋关节柔性驱动机构左右对称分布，髋关节柔性驱动机构包括右侧第一柔性驱动构件1801、左侧第一柔性驱动构件1802、第二柔性驱动构件20、右侧舵机1501和左侧舵机1502，右侧舵机1501和左侧舵机1502分别通过两对内六角螺钉14对称布置在髋部支架1的两侧，右侧舵机1501通过右侧第一齿轮1601及右侧第二齿轮1701将动力传递给右侧第一柔性驱动构件1801，左侧舵机1502通过左侧第一齿轮1602及左侧第二齿轮1702将动力传递给左侧第一柔性驱动构件1802；第一柔性驱动构件1801和第一柔性驱动构件1802分别通过均匀布置在内侧的四个第一拉簧固定件25牵引拉簧26带动固连在第二柔性驱动构件20上的四个第二拉簧固定件27，从而实现右侧舵机1501、左侧舵机1502分别对腿部连接件13的柔性驱动；腿部连接件13与第二柔性驱动构件20固连，右侧第一柔性驱动构件1801、左侧第一柔性驱动构件1802分别通过一对第一轴承21与轴19构成转动副，对称分布的第二柔性驱动构件20通过一对第二轴承24与轴19构成转动副，轴套22和轴承固定螺母23用来确定第一轴承21与第二轴承24的相对位置；右侧舵机1501和左侧舵机1502为相同舵机，右侧第一齿轮1601和左侧第一齿轮1602为相同齿轮，右侧第二齿轮1701和左侧第二齿轮1702为相同齿轮，第一柔性驱动构件1801和第一柔性驱动构件1802为结构相同构件。

在具体的工作过程中，右侧舵机1501与左侧舵机1502的转动总保持大小相等、方向相反的状态，结合角平分线机构的使用，可以很好地模拟双足行走的步态，由于右侧舵机1501与左侧舵机1502的驱动是由拉簧26进行传递的，故不存在刚性驱动所带来的惯性冲击等问题，带给系统稳定性的同时，还可以更好地对生物的双足行走运动进行模拟，体现髋关节的自然力学特性使行走步态更加自然。该部分在模拟生物肌肉驱动的同时，将拉簧26集成在右侧第一柔性驱动构件1801及左侧第一柔性驱动构件1802这样的圆形结构中，使整体机构简单、紧凑，避免了直线型柔性驱动体积占用过大的问题。