一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踝關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踝關(guān)節(jié)，由液壓齒輪傳動(dòng)裝置和連桿機(jī)構(gòu)組成，液壓缸輸出軸帶動(dòng)雙邊齒條向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪及各個(gè)連桿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人有向上的加速度來(lái)模擬踝關(guān)節(jié)起跳的發(fā)力過(guò)程，同時(shí)儲(chǔ)能拉簧的拉力為機(jī)器人提供一部分跳躍動(dòng)力。當(dāng)機(jī)器人起跳后落地時(shí)，落地沖擊力使各個(gè)連桿相對(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄能拉簧被拉伸將落地動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)雙邊齒條帶動(dòng)液壓缸輸出軸向下運(yùn)動(dòng)，液壓缸油路起到阻尼作用。通過(guò)齒輪五桿非線性特性模擬生物踝關(guān)節(jié)非線性發(fā)力過(guò)程，蓄能拉簧和液壓管路起到儲(chǔ)能、減振緩沖作用，模擬踝關(guān)節(jié)落地的減振緩沖過(guò)程。齒輪五桿跳躍踝關(guān)節(jié)具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)功率大的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
-種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，設(shè)及一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿 跳躍踩關(guān)節(jié)。 技術(shù)背景
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有翻越各自障礙物能力的移動(dòng)機(jī)器人的研究越來(lái)越受到 重視。當(dāng)前該類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式主要是輪式、履帶式和仿生多足，并且在各自領(lǐng)域得到了 發(fā)展。然而對(duì)于一些較高的障礙物，只有通過(guò)跳躍運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)翻越。目前國(guó)內(nèi)的機(jī)器人技 術(shù)采用電機(jī)、氣缸或液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是在機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)處，特別是仿人機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)上，均采用普通較鏈連接方式。運(yùn)種設(shè)計(jì)使機(jī)器人在發(fā)力時(shí)，關(guān)節(jié)很難提供理想的跳躍姿 態(tài)，從而限制了機(jī)器人跳高跳遠(yuǎn)能力。在專利CN201520489083.5中機(jī)器人踩關(guān)節(jié)是由艙機(jī) 軸直接驅(qū)動(dòng)，因此存在動(dòng)力不足、加速效果不明顯。有些跳躍機(jī)器人為了避免現(xiàn)有踩關(guān)節(jié)結(jié) 構(gòu)的不足，采用其它方式替代腳掌和踩關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)力、蓄能的作用；在專利 CN201210369619.0中通過(guò)單軸形式的彈黃小腿替代腳掌和踩關(guān)節(jié)，雖然實(shí)現(xiàn)了良好的跳躍 能力，但是運(yùn)種機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)定，需要不停的跳躍才能平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩 關(guān)節(jié)。該踩關(guān)節(jié)通過(guò)齒輪五桿非線性特性模擬生物踩關(guān)節(jié)非線性變化和發(fā)力特性，同時(shí)蓄 能拉黃和液壓管路起到儲(chǔ)能、減振緩沖的作用。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:包括液壓齒輪傳動(dòng)裝置、連桿機(jī)構(gòu)， 其特征在于所述液壓齒輪傳動(dòng)裝置包括包括小腿腔、連接架、液壓缸、雙邊齒條、第一傳動(dòng) 齒輪、第二傳動(dòng)齒輪，小腿腔下端與連接架固連，液壓缸位于小腿腔內(nèi)，液壓缸輸出軸與雙 邊齒條的上端連接，連接架下端部有對(duì)稱的定位孔，用于安裝第一傳動(dòng)齒輪和第二傳動(dòng)齒 輪，小腿腔上端有圓孔用于與機(jī)器人大腿連接;所述連桿機(jī)構(gòu)包括第二連桿、第一銷軸、蓄 能拉黃、第一轉(zhuǎn)軸、第Ξ連桿、腳型連桿、第二銷軸、第二轉(zhuǎn)軸、第四連桿，第四連桿一端與第 二傳動(dòng)齒輪固連，并通過(guò)第二銷軸安裝在連接架上位于雙邊齒條的一側(cè)，第四連桿另一端 與腳型連桿上端通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸連接;第二連桿一端與第一傳動(dòng)齒輪固連，并通過(guò)第一銷軸 安裝在連接架上位于雙邊齒條的另一側(cè)，第二連桿另一端與第Ξ連桿一端通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸連 接，第Ξ連桿另一端與腳型連桿的轉(zhuǎn)接孔通過(guò)軸連接;第一傳動(dòng)齒輪、第二傳動(dòng)齒輪與雙邊 齒條曬合傳動(dòng)。
[0005] 所述蓄能拉黃為兩根，兩根蓄能拉黃分別位于連接架兩側(cè)的下方，蓄能拉黃一端 連接在第二轉(zhuǎn)軸上，另一端連接在第一轉(zhuǎn)軸上，兩根蓄能拉黃對(duì)稱安裝并施加預(yù)拉力。
[0006] 所述連接架與小腿腔、液壓缸、雙邊齒條同軸安裝;連接架與第二連桿、第Ξ連桿、 腳型連桿、第四連桿形成閉環(huán)五桿機(jī)構(gòu)。
[0007] 有益效果
[0008] 本發(fā)明提出的一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)，包括液壓齒輪傳動(dòng)裝置 和連桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)齒輪五桿非線性特性模擬生物踩關(guān)節(jié)非線性發(fā)力過(guò)程，同時(shí)蓄能拉黃和 液壓管路起到儲(chǔ)能、減振緩沖的作用。
[0009] 本發(fā)明基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)的各個(gè)桿長(zhǎng)W及齒輪傳動(dòng)比，通過(guò)模 擬生物踩關(guān)節(jié)發(fā)力特性計(jì)算確定。通過(guò)液壓缸輸出軸帶動(dòng)雙邊齒條向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)齒 輪及各個(gè)連桿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人有向上的加速度來(lái)模擬踩關(guān)節(jié)起跳的發(fā)力過(guò)程，同時(shí)儲(chǔ) 能拉黃的拉力也為機(jī)器人提供一部分跳躍動(dòng)力。當(dāng)機(jī)器人起跳后落地時(shí)，落地沖擊力使各 個(gè)連桿相對(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄能拉黃被拉伸將落地動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)雙邊齒條帶 動(dòng)液壓缸輸出軸向下運(yùn)動(dòng)，液壓缸油路起到阻尼作用，模擬踩關(guān)節(jié)落地的減振緩沖過(guò)程。
[0010] 本發(fā)明采用齒輪五桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)跳躍踩關(guān)節(jié)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單軸較鏈形 式的機(jī)器人踩關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)角度非線性變化和驅(qū)動(dòng)所需的發(fā)力特性，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、 驅(qū)動(dòng)功率大的特點(diǎn)。特別適用于單腿或雙腿機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)作 進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0012] 圖1為本發(fā)明基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)軸測(cè)圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)示意圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)局部剖視圖。
[0015] 圖4為本發(fā)明齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)的蓄能拉黃安裝部位示意圖。
[0016] 圖5為本發(fā)明齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)下蹲、落地緩沖階段狀態(tài)圖。
[0017] 圖6為本發(fā)明齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)起跳發(fā)力階段狀態(tài)圖。
[0018] 圖7為本發(fā)明齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)的角度、傳動(dòng)比的位置關(guān)系圖。
[0019] 圖中
[0020] 1.小腿腔2.連接架3.第一銷軸4.第二連桿5.蓄能拉黃6.第一轉(zhuǎn)軸7.第Ξ 連桿8.腳型連桿9.第四連桿10.液壓缸11.雙邊齒條12.第一傳動(dòng)齒輪13.第二傳動(dòng) 齒輪14.第二銷軸15.第二轉(zhuǎn)軸16.軸
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]本實(shí)施例是一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)。
[0022]參閱圖1~圖6,本實(shí)施例基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)，由液壓齒輪傳動(dòng) 裝置和連桿機(jī)構(gòu)組成。液壓齒輪傳動(dòng)裝置包括小腿腔1、連接架2、液壓缸10、雙邊齒條11、第 一傳動(dòng)齒輪12、第二傳動(dòng)齒輪13,小腿腔1下端與連接架2固定連接，液壓缸10安裝在小腿腔 1內(nèi)，液壓缸10的輸出軸與雙邊齒條11的上端部通過(guò)銷軸連接，連接架2下端部有對(duì)稱的定 位孔，用于安裝第一傳動(dòng)齒輪12和第二傳動(dòng)齒輪13,連接架2上的兩定位孔之間距離及第一 傳動(dòng)齒輪12、第二傳動(dòng)齒輪13的傳動(dòng)比是通體踩關(guān)節(jié)仿生計(jì)算確定的。小腿腔1上端部有圓 孔用于與機(jī)器人大腿連接。連桿機(jī)構(gòu)包括第二連桿4、第一銷軸3、蓄能拉黃5、第一轉(zhuǎn)軸6、第 Ξ連桿7、腳型連桿8、第二銷軸14、第二轉(zhuǎn)軸15、第四連桿9、軸16,第四連桿9 一端與第二傳 動(dòng)齒輪13固定連接，并通過(guò)第二銷軸14安裝在連接架2上位于雙邊齒條11的一側(cè)，第四連桿 9另一端與腳型連桿8上端通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸15連接。第二連桿4 一端與第一傳動(dòng)齒輪12固定連 接，并通過(guò)第一銷軸3安裝在連接架2上位于雙邊齒條11的另一側(cè)，第二連桿4另一端與第Ξ 連桿7-端通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸6連接，第Ξ連桿7另一端與腳型連桿8的轉(zhuǎn)接孔通過(guò)軸16連接，第 一傳動(dòng)齒輪12、第二傳動(dòng)齒輪13與雙邊齒條11曬合傳動(dòng)。連接架2與小腿腔1、液壓缸10、雙 邊齒條11同軸安裝;連接架2與第二連桿4、第Ξ連桿7、腳型連桿8、第四連桿9形成閉環(huán)五桿 機(jī)構(gòu)。
[0023] 本實(shí)施例中，蓄能拉黃5為兩根，兩根蓄能拉黃5分別安裝在連接架2兩側(cè)的下方， 避免與連桿和齒條發(fā)生干設(shè);蓄能拉黃5-端連接在第二轉(zhuǎn)軸15上，另一端連接在第一轉(zhuǎn)軸 6上，兩根蓄能拉黃對(duì)稱安裝并施加預(yù)拉力。第一轉(zhuǎn)軸6、第二轉(zhuǎn)軸15的兩端均有圓形凸臺(tái)， 防止蓄能拉黃5從中滑出。各個(gè)連桿的相對(duì)尺寸通過(guò)模擬踩關(guān)節(jié)發(fā)力特性計(jì)算確定。
[0024] 本實(shí)施例中，腳型連桿8的腳掌仿人體腳掌外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)器人平穩(wěn)站立時(shí)，腳 型連桿8的腳跟和前腳掌部分均與地面接觸。當(dāng)機(jī)器人起跳前下蹲或者落地緩沖時(shí)，蓄能拉 黃5被拉長(zhǎng)，起到蓄能作用，第一傳動(dòng)齒輪12與第二傳動(dòng)齒輪13帶動(dòng)雙邊齒條11及液壓缸10 的液壓輸出軸向下移動(dòng)，此時(shí)液壓缸10回路打開，液壓系統(tǒng)起到阻尼減振作用。當(dāng)機(jī)器人起 跳時(shí)，踩關(guān)節(jié)進(jìn)行發(fā)力，液壓缸10通過(guò)液壓缸輸出軸帶動(dòng)雙邊齒條11向上移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)第 一傳動(dòng)齒輪12與第二傳動(dòng)齒輪13發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄能拉黃5長(zhǎng)度縮短，釋放能量，機(jī)器人整體獲 得向上加速度。在起跳發(fā)力階段，腳型連桿8的腳跟部分與地面分離，W腳掌前端做為支點(diǎn) 繞地面順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);使機(jī)器人起跳踩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)所需的發(fā)力特性具有驅(qū)動(dòng)功率大的優(yōu)勢(shì)。
[0025] 如圖7所示，齒輪五桿跳躍踩關(guān)節(jié)的角度、傳動(dòng)比的位置關(guān)系中，A、B、C、D、E五點(diǎn)分 別為第一銷軸3、第一轉(zhuǎn)軸6、軸16、第二轉(zhuǎn)軸15和第二銷軸14的軸屯、，0點(diǎn)是腳型連桿與地面 的接觸點(diǎn)，AB兩點(diǎn)的距離Ιαβ為第二連桿4的長(zhǎng)度，BC兩點(diǎn)的距離Ibg為第Ξ連桿7的長(zhǎng)度，CD 兩點(diǎn)的距離IcD為腳型連桿8在封閉五桿機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)度，DE兩點(diǎn)的距離Ide為第四連桿9的長(zhǎng) 度，EA兩點(diǎn)的距離Iea為連接架2在封閉五桿機(jī)構(gòu)中的長(zhǎng)度，抓兩點(diǎn)的距離為Ibd，同時(shí)第一傳 動(dòng)齒輪12與雙邊齒條11的傳動(dòng)比為m，第二傳動(dòng)齒輪13與雙邊齒條11的傳動(dòng)比為Π 2。第四連 桿9與水平面的夾角為01，第二連桿4與水平面的夾角為02,腳型連桿8中DC連線與C0連線的 夾角為目C，抓兩點(diǎn)的連線與水平面的夾角為α，抓兩點(diǎn)連線與DC連線的夾角為β。當(dāng)機(jī)器人站 立時(shí)，夾角目1和目2的初始角度為θιο和020,第一傳動(dòng)齒輪12角速度為ωι，第二傳動(dòng)齒輪13角 速度為《2。本實(shí)施例在模擬踩關(guān)節(jié)時(shí)首先滿足的是轉(zhuǎn)角特性，由于通過(guò)封閉五桿機(jī)構(gòu)替代 了通用的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，因此模擬的踩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角指的是液壓缸10的軸線與腳型連桿8中腳底部 分之間的夾角Θ。本實(shí)施例應(yīng)用于仿人機(jī)器人時(shí)，假設(shè)人體跳躍時(shí)的踩關(guān)節(jié)規(guī)律為0/(t)，則 模擬的踩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角需滿足e(t) = 0/(t)。
[00%] 本實(shí)施例的計(jì)算關(guān)系式如下：
[0027]目二目1〇+ ω it [002引 目 2(t)二目 20+C02t (10瓜）τΛ [00巧]瑪而=萬(wàn) 「 Π 注Θ入
[0030] 挪1二一- 戒
[0031] (。、=(堅(jiān) 一 at
[0035]通過(guò)擬合使目（t) = 0/(t)，則可W得到傳動(dòng)比m、n2W及各個(gè)桿長(zhǎng)具體尺寸。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踝關(guān)節(jié)，包括液壓齒輪傳動(dòng)裝置、連桿機(jī)構(gòu)，其特 征在于:所述液壓齒輪傳動(dòng)裝置包括包括小腿腔、連接架、液壓缸、雙邊齒條、第一傳動(dòng)齒 輪、第二傳動(dòng)齒輪，小腿腔下端與連接架固連，液壓缸位于小腿腔內(nèi)，液壓缸輸出軸與雙邊 齒條的上端連接，連接架下端部有對(duì)稱的定位孔，用于安裝第一傳動(dòng)齒輪和第二傳動(dòng)齒輪， 小腿腔上端有圓孔用于與機(jī)器人大腿連接;所述連桿機(jī)構(gòu)包括第二連桿、第一銷軸、蓄能拉 簧、第一轉(zhuǎn)軸、第三連桿、腳型連桿、第二銷軸、第二轉(zhuǎn)軸、第四連桿，第四連桿一端與第二傳 動(dòng)齒輪固連，并通過(guò)第二銷軸安裝在連接架上位于雙邊齒條的一側(cè)，第四連桿另一端與腳 型連桿上端通過(guò)第二轉(zhuǎn)軸連接;第二連桿一端與第一傳動(dòng)齒輪固連，并通過(guò)第一銷軸安裝 在連接架上位于雙邊齒條的另一側(cè)，第二連桿另一端與第三連桿一端通過(guò)第一轉(zhuǎn)軸連接， 第三連桿另一端與腳型連桿的轉(zhuǎn)接孔通過(guò)軸連接;第一傳動(dòng)齒輪、第二傳動(dòng)齒輪與雙邊齒 條嗤合傳動(dòng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踝關(guān)節(jié)，其特征在于:所述蓄能 拉簧為兩根，兩根蓄能拉簧分別位于連接架兩側(cè)的下方，蓄能拉簧一端連接在第二轉(zhuǎn)軸上， 另一端連接在第一轉(zhuǎn)軸上，兩根蓄能拉簧對(duì)稱安裝并施加預(yù)拉力。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪五桿跳躍踝關(guān)節(jié)，其特征在于:所述連接 架與小腿腔、液壓缸、雙邊齒條同軸安裝;連接架與第二連桿、第三連桿、腳型連桿、第四連 桿形成閉環(huán)五桿機(jī)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B62D57/02GK105966483SQ201610416336
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】葛文杰, 趙東來(lái), 張文磊, 劉博 , 董典彪
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)