仿人机器人可变刚度柔性关节设计.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN101934525A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN101934525A(43)申请公布日2011.01.05(21)申请号201010283564.2(22)申请日2010.09.15(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人魏慧帅梅王中宇张占芳(51)Int.Cl.B25J17/00(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图3页(54)发明名称仿人机器人可变刚度柔性关节设计(57)摘要本发明公开了一种仿人机器人可变刚度柔性关节，主要包括可变柔性关节驱动器、2D差分驱动关节机构。所述的可变柔性关节驱动器，主要包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元。所述的2D差分驱动关节，主要包括柔索输入轮、输出轮、柔索。其特征在于：所述的可变刚度柔性关节驱动器，引入特殊弹性元件，刚性可变，以适应不同步行阶段关节刚度需要，并且能够存储/释放能量和吸收冲击；所述的可变柔性关节驱动器通过柔索与2-DOF差分驱动关节机构相连，无冗余驱动；采所述的2-DOF差分机构，采用柔索传动，较齿轮设计，结构简单，摩擦小，无回程误差，并且缩小机器人关节尺寸，能够依据人类能耗分布的角度，实现驱动力矩再分配。CN1093452ACN101934525A权利要求书1/1页1.一种仿人机器人可变刚度柔性关节，主要包括可变柔性关节驱动器、2D差分驱动关节机构。所述的可变柔性关节驱动器，主要包括微型驱动单元、电机支架、弹性单元。所述的2D差分驱动关节，主要包括柔索输入轮A、柔索输入轮B、输出轮C、柔索C、D、定滑轮。其特征在于：所述的可变柔性关节驱动器通过柔索与2D差分驱动关节机构相连，无冗余驱动；采用柔索传动，结构简单，易于加工装配，摩擦小，无回程误差；所述仿人机器人可变刚度柔性关节结构紧凑，易于安装，为构造全动力可变刚性柔性双足机器人提供新的解决办法。2.如权利要求1所述的一种仿人机器人可变刚度柔性关节，其特征在于：所述的微型电机通过电机支架A固结在双足机器人本体上；所述微型电机输出轴，通过联轴器与螺旋轴相连，所述螺旋轴为两侧带有螺旋导轨，中间为光杆的旋转轴，其两端分别由电机支架A、B内装配的轴承支撑；所述的电机支架A与导杆固结，其特征在于，所述导杆另一端与电机支架B固结，导杆上只有滑块，滑块可沿导杆运动；所述的滑块，将弹簧A微型电机外壳与电机支架A固结；导杆一端固结于电机支架A，另一端联接电机支架B；滑块可沿导杆运动；所述滑块，上表面接弹性元件A；其特征在于：所述弹性元件A，一部分沿螺旋导轨穿在螺旋轴上，剩余部分为有效工作长度；弹性元件直径应略小于螺旋轴直径，防止弹性元件在外力作用下，轴向移动；3.如权利要求1所述的一种仿人机器人可变刚度柔性关节，其特征在于：所述的可变刚度柔性关节驱动器，引入特殊弹性元件，在步行过程中，通过不断的调整弹簧元件刚度来改变可变刚度柔性关节刚度，以适应不同步行阶段关节刚度需要，并且能够存储/释放能量和吸收冲击；4.如权利要求1所述的一种仿人机器人可变刚度柔性关节，其特征在于：采用2-DOF差分驱动机构，采用柔索差动关节，较齿轮设计，结构简单，摩擦小，无回程误差，并且缩小机器人关节尺寸。依据人类能耗分布的角度，实现驱动力矩再分配。2CN101934525A说明书1/4页仿人机器人可变刚度柔性关节设计一.技术领域[0001]本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人可变刚度柔性关节设计。二.背景技术[0002]研制与人类外观特征类似，具有高度智能，能像人一样灵活动作，能够与人交流，并能不断适应环境的双足机器人一直是人类的梦想。自上世纪七十年代日本早稻田大学的加藤先生提出人型机器人概念以来，近四十多年的研究发展，研究人员在该领域已经取得了令人瞩目的成就。[0003]目前，现有的仿人机器人大多采用大力矩、高刚度的伺服电机作为驱动器，通过精确的伺服控制使机器人在步行过程中准确跟踪预定义的关节角度轨迹，实现稳定步行。该方法的有效性虽然得到多个机器人项目的验证，但是伺服电机及其减速系统的高刚度和高惯性使仿人机器人在行走过程中难于克服与地面的碰撞现象。即，仿人机器人在快速行走时，因其摆动脚在落地瞬间，与地面发生碰撞，使得零力矩点产生较大跳变，造成了仿人机器人的稳定裕度降低，严重时导致机器人跌倒。另外，采用刚性元件和传统驱动器的精密组合来实现双足机器人的地面行走的，只是现代先进机械操作臂的地面行走类衍生产品而已，其刚性机构和仅以电机伺服控制跟踪离线规划运动轨迹的控制方法与传统的操作臂无本质区别，能量效率低下且能耗很大，如ASIMO，当携带电池步行时，连续工作时间为仅为1个小时。所以，要想真正使这类双足机器人应用于人类真实环境或人类不能到达的危险、复杂环