一种液压驱动柔性机器人关节的制作方法

本发明属于仿生机器人领域，更具体地，涉及一种液压驱动柔性机器人关节。

背景技术：

随着机器人技术的发展，机器人的种类也越来越多，应用范围越来越广，目前的机器人主要有双足、四足、多足等形式，但无论何种机器人，其设计中一个不可避免的问题是关节部分的设计与制造。关节部分的设计，直接关系到整个机器人的动态性能、行走效率，因此关节仿生驱动技术已成为机器人领域中的一个重要研究方向。在关节伺服驱动器方面，过去的机器人更多的使用电机作为动力来源，但是减速器在提高电机驱动器力和能量密度的同时，增加了电机的输出阻抗，同时增大了电机动力学建模的复杂性与非线性，使得电机驱动器进行精确力控制比较困难，也使得整个系统的重量过大，不利于机器人行走。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液压驱动柔性机器人关节，该关节具备精确力输出、仿生设计、整体重量轻等特点，可以满足机器人设计的需要。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种液压驱动柔性机器人关节，其特征在于，包括大腿结构、大小腿连接架和小腿结构，其中，

所述大腿结构包括大腿主体架、缸座、液压缸、移动架、导向轴和压缩弹簧，所述缸座通过第一铰轴铰接在所述大腿主体架上，所述液压缸放置在所述缸座上并且其输出轴上安装所述移动架，所述移动架穿装在所述导向轴上并且两者之间设置有直线轴承，所述导向轴与所述液压缸的输出轴平行，所述压缩弹簧穿装在所述导向轴上并且位于所述移动架内，而且所述移动架能在移动时挤压所述压缩弹簧，所述导向轴上固定安装有轴环，所述压缩弹簧靠近小腿结构的一端抵靠在所述轴环上；

所述小腿结构包括小腿主体架、导向轨和滑动块，所述小腿主体架通过第二铰轴铰接在所述大腿主体架上，所述导向轨安装在所述小腿主体架上，所述滑动块安装在所述导向轨上；

所述大小腿连接架的一端通过第三铰轴铰接在所述大腿主体架上并且另一端通过第四铰轴铰接在所述滑块上，此外，所述大小腿连接架通过第五铰轴铰接在所述导向轴远离液压缸的一端；

所述第一铰轴、第二铰轴、第三铰轴、第四铰轴和第五铰轴相互平行，并且所述第一铰轴与所述导向轴垂直。

优选地，所述移动架上设置有与所述导向轴平行的直线导轨，所述缸座上设置有导轨滑块并且所述导轨滑块安装在所述直线导轨上，以用于对所述移动架的移动进行导向。

优选地，所述轴环与所述移动架之间设置有聚氨酯减震块，所述聚氨酯减震块穿装在所述导向轴上。

优选地，所述导向轨为一根圆杆，所述滑块内设置有直线轴承，所述圆杆穿过所述直线轴承。

优选地，所述移动架包括并排设置的两块侧板及连接两块侧板的连接支架，两块侧板分别对应设置在所述压缩弹簧的两端，以用于挤压所述压缩弹簧，其中的一块侧板与所述液压缸的输出轴连接。

优选地，所述液压缸的输出轴与所述移动架之间设置有拉压力传感器。

优选地，所述大腿主体架上设置有直线位移传感器，所述直线位移传感器包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定安装在所述大腿主体架上，所述移动杆固定安装在所述移动架上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明在在液压缸与负载(本发明的小腿结构)之间安装了弹性结构，可以同时承受液压缸的驱动力与负载的反作用力，在液压缸驱动小腿结构伸展或收缩时增加本机器人关节的柔性，从而降低本机器人关节驱动时的能耗，起到保护和缓冲的作用，使得机器人关节具备一定的仿生能力，能够适应负载的变化，而且其具备仿生特性——柔性、力臂特性，满足机器人的运动需要，可以有效地降低整体重量实现轻量化，提高运动效率。

附图说明

图1是本发明伸展时的轴测图；

图2是本发明伸展时撤去大腿主体架和小腿主体架等零件后的轴测图；

图3是本发明简化为连杆滑块机构的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，一种液压驱动柔性机器人关节，包括大腿结构1、大小腿连接架2和小腿结构3，其中，

所述大腿结构1包括大腿主体架11、缸座12、液压缸13、移动架14、导向轴15和压缩弹簧16，所述缸座12通过第一铰轴41铰接在所述大腿主体架11上，所述液压缸13放置在所述缸座12上并且其输出轴上安装所述移动架14，所述移动架14穿装在所述导向轴15上并且两者之间设置有直线轴承，所述导向轴15与所述液压缸13的输出轴平行，所述压缩弹簧16穿装在所述导向轴15上并且位于所述移动架14内，而且所述移动架14能在移动时挤压所述压缩弹簧16，所述导向轴15上固定安装有轴环17，所述压缩弹簧16靠近小腿结构3的一端抵靠在所述轴环17上；

所述小腿结构3包括小腿主体架31、导向轨32和滑动块33，所述小腿主体架31通过第二铰轴42铰接在所述大腿主体架11上，所述导向轨32安装在所述小腿主体架31上，所述滑动块33安装在所述导向轨32上；

所述大小腿连接架2的一端通过第三铰轴43铰接在所述大腿主体架11上并且另一端通过第四铰轴44铰接在所述滑块上，此外，所述大小腿连接架2通过第五铰轴45铰接在所述导向轴15远离液压缸13的一端；

所述第一铰轴41、第二铰轴42、第三铰轴43、第四铰轴44和第五铰轴45相互平行，并且所述第一铰轴41与所述导向轴15垂直。

进一步，第三铰轴43通过皮带传动机构连接有角度传感器，角度传感器安装在所述大腿主体架11上，以用于获取小腿主体架31相对于大腿主体架11转动的角度。

进一步，所述移动架14上设置有与所述导向轴15平行的直线导轨18，所述缸座12上设置有导轨滑块19并且所述导轨滑块19安装在所述直线导轨18上，以用于对所述移动架14的移动进行导向。

进一步，所述轴环17与所述移动架14之间设置有聚氨酯减震块5，所述聚氨酯减震块5穿装在所述导向轴15上。

进一步，所述导向轨32为一根圆杆，所述滑块内设置有直线轴承，所述圆杆穿过所述直线轴承。

进一步，所述移动架14包括并排设置的两块侧板141及连接两块侧板141的连接支架142，两块侧板141分别对应设置在所述压缩弹簧16的两端，以用于挤压所述压缩弹簧16，其中的一块侧板141与所述液压缸13的输出轴连接。

进一步，所述液压缸13的输出轴与所述移动架14之间设置有拉压力传感器6。

进一步，所述大腿主体架11上设置有直线位移传感器7，所述直线位移传感器7包括外壳及伸入所述外壳内的移动杆，所述外壳固定安装在所述大腿主体架11上，所述移动杆固定安装在所述移动架14上并且其优选通过浮动接头安装在所述移动架14上。

进一步，所述导向轴15远离所述小腿结构3的一端设置有限位块，以用于限制所述移动架14的位移。

参照图1、图2，本发明考虑到人的关节在运动时，伸展和收缩运动起到了关键性出力和蓄能的作用，在一个方向上为液压驱动单元提供了一个带有压缩弹簧16的串联弹性系统，在另一方向则放置一个高负载用聚氨酯起到减震的作用，导向轴15中间使用轴环17将弹簧与聚氨酯分开。

当液压缸13需要提供向左方向的输出载荷时使关节伸展时，液压缸13的输出轴向左运动，此时移动架14开始移动并与轴环17配合挤压压缩弹簧16，而此时由于小腿结构3具有质量，压缩弹簧16施加在轴环17上的弹力还不足以带动导向轴15移动，导向轴15刚开始是相对大腿主体架11静止的，然后液压缸13的输出轴慢慢伸出，压缩弹簧16施加的弹力越来越大，最后足以带动轴环17和导向轴15移动，此时各铰接结构开始工作，使得小腿结构3能够伸展。

当液压缸13需要提供向右方向的输出载荷时使关节收缩时，液压缸13的输出轴向右运动，则直接经由移动架14—聚氨酯减震块5-轴环17传递力到导向轴15上，导向轴15带动小腿结构3移动，正常情况下此过程中压缩弹簧16是不被压缩的,会随着移动架14一起移动。但是如果小腿结构3在收缩时突然遇到外部冲击(如踩在地面上时)而暂停移动了，则此时导向轴15也会暂停移动，但是液压缸13的输出轴还是在向右移动，此时设置的聚氨酯减震块5可以发挥其减震作用，防止移动架14与轴环17的刚性碰撞，以防大面积冲撞造成的机械损伤。

参照图3，譬如，设定oc＝64.194mm；od＝427.8978mm；bc＝114.042mm；cod＝24.3529mm；ce＝99.1831mm。图中，de连杆代表柔性液压驱动单元，ob连杆为输出连杆。当其运动时，de长度发生变化，推动ce连杆发生转动，同时b处滑块也跟着发生相应转动，推动ob连杆转动。这种关节的等效力臂示意图如图所示，可以看到，其在0°，即完全收缩状态时，等效力臂最短，约为19mm，其在120°时，等效力臂最长，约为127.1377mm，整体运动角度为135°，这种设计跟人的关节作用力与角度间关系类似，同时平均等效力臂约为90.6444mm，从而保证了关节的整体性能。其中铰接点d为第一铰轴41的位置，铰接点o为第二铰轴42的位置，铰接点c为第三铰轴43的位置，铰接点b为第四铰轴44的位置，铰接点e为第五铰轴45的位置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。