[发明专利]一种可实现主动与半被动驱动的仿人机器人膝关节

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；