一种可实现主动与半被动驱动的仿人机器人膝关节

摘要

一种可实现主动与半被动驱动的仿人机器人膝关节，它涉及一种仿人机器人膝关节，以解决现有机器人主动膝关节步行时不能利用其被动特性，能量效率低，以及被动膝关节没有驱动，其运动不可控制，主被动膝关节都无法实现动态和高效运动的问题，它包括驱动机构和传动机构；驱动机构包括传动轮、钢丝绳、第一转轴、一个第一弹簧支架、一个第二弹簧支架、一个拉伸弹簧和两个气动人工肌肉；传动机构包括一个中心齿轮、一个行星齿轮、一个系杆和第二转轴；位于一个中心齿轮上方的大腿上安装有一个第一弹簧支架，位于一个行星齿轮下方的小腿上安装有第二弹簧支架，一个拉伸弹簧的两端分别与第一弹簧支架和第二弹簧支架连接。本发明用于仿人机器人。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿人机器人膝关节，属于仿人机器人领域。

背景技术

人体生物力学的研究表明，人体膝关节兼具有主动、被动等驱动模式，能够协助人体 完成步行、跑步、跳跃等多种运动。在步行过程中，屈膝动作，即小腿向后弯曲，通常由 肌肉组织驱动完成；伸膝动作，即小腿向前摆动与伸直，通常依靠惯性等被动动力完成， 因此人体步行的能量效率非常高。在跑步与跳跃时，膝关节由肌肉组织驱动，以提供足够 的爆发力和驱动力。目前，机器人的膝关节一般可分为两种——主动膝关节和被动膝关节， 主动膝关节利用电机等驱动装置提供运动所需的驱动力，但是步行时不能利用其被动特性， 能量效率低；被动膝关节在机器人步行时依靠被动动力实现运动，能量效率高，但是由于 没有驱动，其运动不可控制。

发明内容

本发明为解决现有机器人主动膝关节步行时不能利用其被动特性，能量效率低，以及被 动膝关节没有驱动，其运动不可控制，主被动膝关节都无法实现动态和高效运动的问题， 进而提供一种可实现主动与半被动驱动的仿人机器人膝关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种可实现主动与半被动驱动的仿人机器 人膝关节，它包括驱动机构和传动机构；驱动机构包括传动轮、钢丝绳、第一转轴、一个 第一弹簧支架、一个第二弹簧支架、一个拉伸弹簧和两个气动人工肌肉；

传动机构包括一个中心齿轮、一个行星齿轮、一个系杆和第二转轴；

两个气动人工肌肉采用拮抗式布置方式设置，两个气动人工肌肉的上端与大腿连接； 一个中心齿轮固装在大腿上，第一转轴通过轴承转动安装在一个中心齿轮上；

一个行星齿轮固装在小腿上，第二转轴通过轴承转动安装在一个行星齿轮上，中心齿 轮与行星齿轮啮合，第一转轴通过一个系杆与第二转轴连接；

传动轮固装在第一转轴上，钢丝绳缠绕在传动轮上，钢丝绳的一端与一个气动人工肌 肉的下端连接，钢丝绳的另一端与另一个气动人工肌肉的下端连接；

位于一个中心齿轮上方的大腿上安装有一个第一弹簧支架，位于一个行星齿轮下方的 小腿上安装有第二弹簧支架，一个拉伸弹簧设置在传动轮的一侧，一个拉伸弹簧的两端分 别与第一弹簧支架和第二弹簧支架连接。

本发明的有益效果是：本发明膝关节由一对拮抗式布置的气动人工肌肉和拉伸弹簧驱 动，在主动驱动模式，通过拮抗式气动人工肌肉驱动关节运动；在半被动运动模式，屈膝 时由气动人工肌肉驱动，拉伸弹簧随屈膝角度不断增大随之被不断拉伸，储存能量；伸膝 时由拉伸弹簧的回复力提供驱动。本发明所研制的仿人机器人膝关节克服了传统的机器人 膝关节的缺点，可以实现主动驱动和半被动驱动，以适应机器人步行、跑步、跳跃等不同 运动模式的需要，有助于机器人实现动态、高效运动。

本发明仿照人体膝关节的结构，所设计的仿人膝关节采用行星轮系传动机构，使膝关节 旋转时，其瞬时转动中心也随之运动；仿照人体关节的驱动机理，气动人工肌肉具有与人 体肌肉类似的生物力学特性，使膝关节还具有柔性，并且可以通过调节气动人工肌肉内部 的气体压力，实时调节膝关节的柔性。能够缓冲在运动时外界对膝关节的冲击，无论在关 节结构还是驱动机理上都与人体膝关节十分类似。

附图说明

图1是本发明的一种可实现主动与半被动驱动的仿人机器人膝关节的整体结构示意 图，图2是图1的A向示意图，图3是具体实施方式六的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明，本实施方式的一种可实现主动与半被动驱动的仿人 机器人膝关节，它包括驱动机构和传动机构；驱动机构包括传动轮11、钢丝绳12、第一转 轴13、一个第一弹簧支架19、一个第二弹簧支架20、一个拉伸弹簧21和两个气动人工肌 肉14；

传动机构包括一个中心齿轮15、一个行星齿轮16、一个系杆17和第二转轴18；

两个气动人工肌肉14采用拮抗式布置方式设置，两个气动人工肌肉14的上端与大腿9 连接；一个中心齿轮15固装在大腿9上，第一转轴13通过轴承10转动安装在一个中心齿 轮15上；

一个行星齿轮16固装在小腿1上，第二转轴18通过轴承10转动安装在一个行星齿轮 16上，中心齿轮15与行星齿轮16啮合，第一转轴13通过一个系杆17与第二转轴18连接；

传动轮11固装在第一转轴13上，钢丝绳12缠绕在传动轮11上，钢丝绳12的一端 与一个气动人工肌肉14的下端连接，钢丝绳12的另一端与另一个气动人工肌肉14的下端 连接；

位于一个中心齿轮15上方的大腿9上安装有一个第一弹簧支架19，位于一个行星齿 轮16下方的小腿1上安装有第二弹簧支架20，一个拉伸弹簧21设置在传动轮11的一侧， 一个拉伸弹簧21的两端分别与第一弹簧支架19和第二弹簧支架20连接。

具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式所述的一种可实现主动与半被动 驱动的仿人机器人膝关节还包括另一个中心齿轮15和另一个行星齿轮16；两个中心齿轮 15设置在传动轮11的两侧，另一个中心齿轮15固装在大腿9上，两个行星齿轮16设置在 传动轮11的两侧，另一个行星齿轮16固装在小腿11上，第一转轴13通过轴承10转动安 装在另一个中心齿轮15上，第二转轴18通过轴承10转动安装在另一行星齿轮16上，另 一个中心齿轮15与另一个行星齿轮16啮合。如此设置，减少中心齿轮和行星齿轮间隙配 合，保持平衡，保证膝关节运行稳定可靠。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述的一种可实现主动与半被动驱动的 仿人机器人膝关节还包括另一个拉伸弹簧21；另一个拉伸弹簧21设置在传动轮11的另一 侧，另一个拉伸弹簧21的上端与第一弹簧支架19连接，另一个拉伸弹簧21的下端与第二 弹簧支架20连接。如此设置，有利于半被动运动模式时提供足够的驱动力。其它与具体实 施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述的一种可实现主动与半被动驱动的 仿人机器人膝关节还包括另一个系杆17，两个系杆17设置在传动轮11的两侧，第一转轴 13通过另一个系杆17与第二转轴18连接。如此设置，保证第一转轴和第二转轴运行稳定 可靠。其它与具体实施一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和2说明，本实施方式所述的一种可实现主动与半被动驱 动的仿人机器人膝关节还包括保护壳2，保护壳2安装在传动轮11上。如此设置，防止缠 绕在传动轮上的钢丝绳脱离传动轮，保证传动轮和钢丝绳运行稳定可靠。其它与具体实施 方式四相同。

具体实施方式六：结合图3说明，本实施方式所述的一种可实现主动与半被动驱动的 仿人机器人膝关节还包括控制器23和电磁阀24。气源25采用小型空气压缩机，用于向气 动人工肌肉14提供压缩空气；电磁阀24采用中位封闭的三位五通电磁阀，可以分别控制 气动人工肌肉14进气、排气和封闭；控制器23用于向电磁阀24发送控制信号，实现气路 的通断。其它与具体实施方式一、二、三或五相同。

工作过程：该仿人机器人膝关节可分别实现主动驱动与半被动驱动，两种驱动方式的 实现原理介绍如下。当小腿1与大腿9在一条直线上时是膝关节的初始状态，此时气动人 工肌肉14内部均充有一定量的的气体。在主动驱动模式，由两个气动人工肌肉14提供关 节运动的驱动力，具体为屈膝时，图1中外侧的气动人工肌肉14充气收缩，内侧的气动人 工肌肉14排气伸长，通过钢丝绳的拉力带动传动轮11和第一转轴13旋转，进而实现屈膝 动作；伸膝时，图1中的内侧的气动人工肌肉14充气收缩，外侧的气动人工肌肉14排气 伸长，通过钢丝绳的拉力带动传动轮和第一转轴13旋转，进而实现伸膝动作。在半被动运 动模式，屈膝由图1中的内侧的气动人工肌肉14提供驱动力，伸膝由拉伸弹簧21提供驱 动力，具体为屈膝时，图1中的内侧的气动人工肌肉14充气收缩，外侧的气动人工肌肉14 排气伸长，通过钢丝绳12的拉力带动传动轮11和第一转轴13旋转，随着小腿1相对大腿 9不断转动，拉伸弹簧21不断伸长储存能量；伸膝时，图1中的内侧的气动人工肌肉14排 气伸长，外侧的气动人工肌肉14与内侧的气动人工肌肉14之间的钢丝绳12变得松弛，不 再提供驱动力，而是由拉伸弹簧21提供作用力，带动小腿1摆动实现伸直动作。

由于气动人工肌肉14具有与人体肌肉类似的生物力学特性，使本发明仿人机器人膝关 节具有一定的柔性，并且可以通过调节气动人工肌肉内部的气体压力，实现对膝关节柔性 的调整。当两个气动人工肌肉14伸缩运动时，钢丝绳12拉动传动轮11与第一转轴13旋 转，并通过系杆17带动行星齿轮16绕中心齿轮15运动，行星齿轮16绕第二转轴18也自 转，从而实现小腿1相对于大腿9的转动。根据行星轮系的传动原理，小腿1相对大腿9 的瞬时转动中心不断变化。