一种用于双足步行机器人的节能减震仿生膝关节

摘要

本发明公开了一种用于双足步行机器人的节能减震仿生膝关节，包括仿生股骨、仿生胫骨及仿生髌骨；气缸通过气缸支架固连在股骨髁连接件上，膝关节的伸膝运动由气缸主动做功完成。仿生股骨髁通过第一滑轨与第三滚轮接触，实现半月板组件对仿生股骨髁的支撑与导向作用，同时通过第二滚轮在第二滑轨中滚动来模拟人类膝关节变瞬心的运动，第二滑轨存在两个运动极限位置，来实现对膝关节运动范围的限制。髌骨组件通过第一滚轮在第一滑轨中的运动来模拟人类髌骨，可以增加气缸输出力在伸膝运动中的作用力臂，起到节能的作用。本发明通过引入仿生股骨髁、仿生髌骨、半月板组件取得了膝关节变瞬心运动、低能耗、高缓冲性能的有益效果。

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种用于双足步行机器人的节能减震仿生膝关节。

背景技术

双足步行机器人由于其形态与运动方式与人类十分接近，适宜在人类的生活环境中进行工作，完成诸如复杂路况行走、搬运重物等任务。因此，近年来有关双足步行机器人的研究工作受到广泛关注。然而，目前的双足步行机器人的膝关节设计多采用铰接的方式，虽然很大程度上满足了机器人膝关节在矢状平面内的转动运动自由度要求，但是，目前的机械式铰接膝关节进行屈伸运动时，其瞬时旋转中心位置几乎均保持不变，由此使得关节运动及其稳定性完全依靠外部驱动输入来进行保持，这在很大程度上导致步行运动过程中的关节能耗增大、运动不自然；同时，完全刚性的铰接方式亦不利于膝关节的减震，降低了机器人行走的稳定性。

人类膝关节，是人体所有关节中构造最复杂的关节。它由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨等结构组成，主要发挥传递载荷、吸收震动和承受压力的重要作用。其中，髌骨为膝关节提供了重要的生物力学功能：它在整个运动过程中通过延长股四头肌的力臂帮助膝关节伸直。膝关节中的半月板，除却支撑功能外，还具有缓冲作用，并能吸收一定的负荷震荡。如上所述，人体膝关节的运动方式与现有的机械式铰接膝关节的旋转方式大不相 同，它是一种变瞬心运动。研究表明，在屈膝和伸膝的过程中，人体膝关节瞬时旋转中心的轨迹为一条类似“J”形的曲线，这使得在运动过程中，随着膝关节的逐渐屈曲，主要负责伸膝运动的股四头肌的作用力臂不断增大，这可能是人体伸膝动作高效省力的重要原因，而目前的双足步行机器人的膝关节设计对此考虑较少。

综观上述双足步行机器人膝关节的研究现状及人体膝关节的优异生物结构特征，急需一种可有效提高双足步行机器人步行稳定性、自然性与节能特性的仿生膝关节。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有双足步行机器人膝关节存在的高能耗、运动不自然与减震性能不理想的问题，而提供一种用于双足步行机器人的仿生膝关节，该仿生膝关节在改善双足步行机器人的关节运动能耗与减震性能的同时使其运动更加自然。

本发明包括仿生股骨、仿生胫骨及仿生髌骨；

所述的仿生股骨包含股骨髁连接件、气缸、仿生股骨髁，仿生股骨髁通过螺纹连接的方式与股骨髁连接件固连，气缸支架通过第一螺母固连在股骨髁连接件上；气缸通过气缸缸筒以螺纹连接的方式固连在气缸支架上。

所述的仿生胫骨包括胫骨髁构件、胫骨髁连接件、半月板组件，第二滚轮与第二连接轴形成转动副，第二连接轴通过第三螺母与胫骨髁构件固连。胫骨髁构件通过四个对称分布的内六角螺钉固连在胫骨髁连接件上。支撑板通过第四螺母与胫骨髁连接件固连。四组半月板组件对称分布，滚轮支杆与胫骨髁连接件、支撑板形成滑动连接，胫骨髁连接件、支撑板对滚轮支杆起到导向和限位的作用；销轴与滚轮支杆固连，第三滚轮与销轴形成旋转副， 压缩弹簧通过挡圈与支撑板将弹性势能转化为滚轮支杆延轴向运动的动能。

所述的仿生髌骨包含第一拉伸弹簧、髌骨组件、第二拉伸弹簧。其中，第一拉伸弹簧的两端分别与气缸接头、第一髌骨构件连接，这里，气缸接头通过螺纹连接的方式与气缸活塞固连。第二拉伸弹簧对称分布，两端分别与第二髌骨构件、带孔螺钉连接，这里，同样对称分布的带孔螺钉通过螺纹连接的方式与胫骨髁连接件固连。第一髌骨构件、第二髌骨构件分别与第一连接轴铰接，对称分布的第一滚轮与第一连接轴形成旋转副。同时，髌骨组件通过轴套、第二螺母完成髌骨组件所有零件相对装配关系的确定，这里，第二螺母通过螺纹连接的方式与第一连接轴固连。

所述的仿生股骨髁、胫骨髁构件、第一滚轮、第二滚轮和第三滚轮的材质为POM工程塑料。

本发明的工作过程和原理：

在具体的实施过程中，仿生股骨髁通过第一滑轨与第三滚轮接触，实现半月板组件对仿生股骨髁的支撑与导向作用，同时通过第二滚轮在第二滑轨中滚动来实现近似人体膝关节瞬心的J形曲线轨迹运动，完成屈膝、伸膝运动，第二滑轨存在两个运动极限位置，来实现对屈膝、伸膝运动范围的限制。髌骨组件通过第一滚轮在第一滑轨中的运动来模拟人体髌骨的作用，可以增大气缸输出力在伸膝运动中的作用力臂，进而在同等关节力矩需求下，减小气缸驱动输出，起到节能的作用。这里，第一滚轮的应用，将滑动摩擦变为滚动摩擦，可以有效提高关节的灵活性、减少能量消耗。仿生膝关节在伸膝的过程中，气缸主动做功，通过气缸活塞的收缩完成伸膝动作。双足机器人保持站立姿态时，仿生膝关节处于伸膝的极限位置，需要气缸处于保压状态以维持膝关节稳定位姿。而在屈膝的过程中，关闭气缸气压输入，完全依靠仿 生胫骨部分的重力完成被动屈膝动作。由于在行走过程中双足步行机器人膝关节在矢状面内屈膝运动角度较小，因此本发明将仿生膝关节的被动屈膝运动范围设计为0-90°。

本发明的有益效果：

1、股骨髁采用仿生设计，可以使仿生膝关节的瞬心在屈膝和伸膝的过程中实现与人体膝关节相似的运动轨迹，提高关节运动的自然性。

2、半月板组件采取滚轮支撑设计，大大减小了摩擦，有助于降低膝关节的能耗，同时由于半月板组件中弹簧的引入，提高了仿生膝关节的缓冲减震能力。

3、仿生髌骨在整个运动过程中通过延长气缸作用力的力臂，在同等关节力矩需求下能够减小气缸驱动输出，起到节能作用。

4、本发明中，仿生股骨髁、胫骨髁构件、第一滚轮、第二滚轮、第三滚轮均采用POM工程塑料制作，自润滑性能优异，从而减小摩擦，提高膝关节灵活性。

附图说明

图1为本发明在完全伸膝状态下的结构示意图。

图2为图1的右视图。

图3为图1的仰视图。

图4为图3的A-A视图。

图5为本发明在完全屈膝状态下的结构示意图。

图6为本发明立体示意图。

其中：1-股骨髁连接件；2-气缸；21-气缸缸筒；22-气缸活塞；3-第一螺母；4-气缸支架；5-气缸接头；6-第一拉伸弹簧；7-髌骨组件；71-第一髌骨构 件；72-轴套；73-第一滚轮；74-第一连接轴；75-第二螺母；76-第二髌骨构件；8-仿生股骨髁；81-第一滑轨；82-第二滑轨；9-第二拉伸弹簧；10-第二滚轮；11-第三螺母；12-第二连接轴；13-胫骨髁构件；14-胫骨髁连接件；15-半月板组件；151-第三滚轮；152-销轴；153-滚轮支杆；154-挡圈；155-压缩弹簧；16-支撑板；17-第四螺母；18-内六角螺钉；19-带孔螺钉。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例包括仿生股骨、仿生胫骨及仿生髌骨；

所述的仿生股骨包含股骨髁连接件1、气缸2和仿生股骨髁8，仿生股骨髁8通过螺纹连接的方式与股骨髁连接件1固连，气缸支架4通过第一螺母3固连在股骨髁连接件1上；气缸2通过气缸缸筒21以螺纹连接的方式固连在气缸支架4上；

所述的仿生胫骨包括胫骨髁构件13、胫骨髁连接件14和半月板组件15；第二滚轮10与第二连接轴12形成转动副，第二连接轴12通过第三螺母11与胫骨髁构件13固连，胫骨髁构件13通过四个对称分布的内六角螺钉18固连在胫骨髁连接件14上，支撑板16通过第四螺母17与胫骨髁连接件14固连；四组半月板组件15对称分布，滚轮支杆153与胫骨髁连接件14、支撑板16形成滑动连接，胫骨髁连接件14和支撑板16对滚轮支杆153起到导向和限位的作用；销轴152与滚轮支杆153固连，第三滚轮151与销轴152形成转动副，压缩弹簧155通过挡圈154与支撑板16将弹性势能转化为滚轮支杆153沿轴向运动的动能；

所述的仿生髌骨包含第一拉伸弹簧6、髌骨组件7和第二拉伸弹簧9；第一拉伸弹簧6的两端分别与气缸接头5和第一髌骨构件71连接，气缸接头5 通过螺纹连接的方式与气缸活塞22固连，一对第二拉伸弹簧9对称分布，两端分别与第二髌骨构件76和带孔螺钉19连接，对称分布的一对带孔螺钉19通过螺纹连接的方式与胫骨髁连接件14固连，第一髌骨构件71、第二髌骨构件76分别与第一连接轴74铰接，对称分布的第一滚轮73与第一连接轴74形成转动副；髌骨组件7通过对称分布的轴套72、第二螺母75完成髌骨组件7相对装配关系的确定，第二螺母75通过螺纹连接的方式与第一连接轴74固连。

仿生股骨髁8通过第一滑轨81与第三滚轮151接触，实现半月板组件15对仿生股骨髁8的支撑与导向作用，同时通过第二滚轮10在第二滑轨82中滚动来实现近似人体膝关节瞬心的J形曲线轨迹运动，完成屈膝、伸膝运动，第二滑轨82存在两个运动极限位置，来实现对屈膝、伸膝运动范围的限制；髌骨组件7通过第一滚轮73在第一滑轨81中的运动来模拟人体髌骨的作用，可以增加气缸2输出力在伸膝运动中的作用力臂，进而在同等关节力矩需求下，减小气缸驱动输出，起到节能的作用。这里，第一滚轮73的应用，将滑动摩擦变为滚动摩擦，这样可以有效提高关节的灵活性、减少能量消耗。仿生膝关节在伸膝的过程中，气缸2主动做功，通过气缸活塞22的收缩完成伸膝动作。双足机器人保持站立姿态时，仿生膝关节处于伸膝的极限位置，需要气缸2处于保压状态以维持膝关节稳定位姿。而在屈膝的过程中，关闭气缸2气压输入，完全依靠仿生胫骨部分的重力完成被动屈膝动作。

所述的仿生股骨髁8、胫骨髁构件13、第一滚轮73、第二滚轮10和第三滚轮151的材质为POM工程塑料。