[发明专利]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

说明书

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。