[发明专利]一种用于双足步行机器人的节能减震仿生膝关节

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：