[发明专利]拟人机器人踝关节传动结构装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种拟人机器人踝关节传动结构装置，属拟人机器人技术领域。

背景技术

腿部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一，因为它对整个拟人机器人的能量效率有很大的影响。要实现拟人功能，拟人机器人都必须自身携带能源，由于拟人机器人重量和体积是有限制的，所携带的能源在重量和体积上也受一定限制，只能用其有限的能源来完成作业。要想获得更远距离的拟人式步行和更长时间的工作，唯一的方法是提高步行腿的效率，其中腿部结构的合理设计是提高效率的重要并有效的途径。

在拟人机器人步行腿研究中，国内外都是以人为对象，通过机械仿生人的双足运动特性，并进行必要的简化，从各种步态入手，采用不同的传动结构装置，做了许多实验，积累了较丰富的经验。根据功能仿生、机械结构实现原理，目前的拟人机器人均采用双腿2*6＝12个关节自由度来实现拟人功能，其关节自由度分配如图1所示。

图1是拟人机器人下肢关节结构示意图。其中，1是拟人机器人脚，2是拟人机器人踝的横滚方向关节轴，3是拟人机器人踝的俯仰方向关节轴，4是拟人机器人小腿，5是拟人机器人膝的俯仰方向关节轴，6是拟人机器人大腿，7是拟人机器人髋的横滚方向关节轴，8是拟人机器人髋架，9是拟人机器人髋的偏航方向关节轴，10是拟人机器人上身，11是拟人机器人髋的俯仰关节轴。

目前国内、外典型的拟人机器人下肢踝关节传动结构装置多采用复合结构，并采用十字正交轴来实现踝横滚和俯仰两个方向关节运动，这种结构在占用较小空间体积的条件下能很好地满足拟人机器人踝关节运动功能，有利于提高传动性能、减少运动干涉性。

从查阅的中国专利信息网等有关资料来看，目前公布的有关拟人机器人踝关节传动结构装置中，最有代表性、最典型的是日本本田公司推出的Honda机器人系列，其踝关节传动结构装置如图2、图3所示。

图2、图3是日本本田公司推出的Honda机器人P2踝关节复合结构传动装置图，图2为主视图，图3为左视图。其中，1是拟人机器人脚，2是拟人机器人踝的横滚方向关节轴，3是拟人机器人踝的俯仰方向关节轴，4是拟人机器人小腿，12是六维力/力矩传感器，13是拟人机器人踝俯仰方向关节传动用谐波齿轮减速器，14是拟人机器人踝横滚方向关节传动用谐波齿轮减速器，15是拟人机器人踝横滚方向关节运动驱动电机装置，16是带传动装置中的传动带，17是带传动装置中的从动带轮，18拟人机器人踝关节主支架。

拟人机器人踝俯仰方向关节传动用谐波齿轮减速器13的钢轮与拟人机器人小腿4安装固定，其波形发生器与带传动装置中的从动带轮17通过轴固联，以实现同步周转，其柔轮与拟人机器人踝俯仰方向关节轴3(拟人机器人踝关节主支架18的一部分)固联，以实现同步周转。水平安装在小腿上端的拟人机器人踝俯仰方向关节运动驱动电机装置(在图中未表示)通过带传动装置16、17和谐波齿轮减速器13实现减速、换向、增大传动力矩，并运用谐波齿轮减速器差动齿轮传动特性使拟人机器人踝关节主支架18与拟人机器人小腿4绕拟人机器人踝俯仰方向关节轴3相对转动，从而实现拟人机器人踝俯仰方向关节运动；拟人机器人踝横滚方向关节运动实现原理和功能类同拟人机器人踝俯仰方向关节运动，只是少一级带传动减速装置。

该拟人机器人踝关节传动结构装置能很好地满足本田公司所采用的谐波齿轮减速传动方案，踝横滚和俯仰两方向关节传动轴垂直正交，较好地满足了占用体积较小的条件，有利于提高传动性能、减少运动干涉性。但该拟人机器人踝关节传动结构装置非规则面和需加工面偏多，结构偏于复杂，所需制造、加工和装配精度要求较高，有一定的技术难度，且零部件偏多，不利于装拆和承载。其踝横滚方向关节运动驱动电机装置15内嵌于踝关节装置中，踝横滚和俯仰方向关节传动用谐波齿轮减速器的装配方案，一方面要求驱动电机和谐波齿轮减速器体积尽量小、重量尽量轻，即使在日本，这些也需要定做，另一方面也使该踝关节传动结构装置弯曲强度有所降低，为满足所需强度，不可避免地需要高强重比等高性能材料和高质量的铸造技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现拟人机器人踝横滚和俯仰方向关节运动的结构简单，易于加工和装配的踝关节传动装置。

本发明踝关节传动装置由踝关节横滚传动系统，踝关节俯仰传动系统和支架三部分组成。所述的踝关节横滚传动系统由电机、连杆传动机构所组成。连杆传动机构由偏心轮，连杆所组成。所述的踝关节俯仰传动系统由电机、减速机构、丝杆、螺母、滑块机构所组成。所述的支架为一框形结构，其上带有横滚方向的关节轴。