一种拟人双足机器人人工腿制造技术

一种拟人双足机器人人工腿，属于机器人技术领域。包括髋关节、膝关节、踝关节、脚、大腿连杆及小腿连杆，其特征在于在髋关节和膝关节之间的大腿连杆上安装有膝关节驱动电机，膝关节为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机通过平行四连杆机构与膝关节的四连杆的后杆连接，在四连杆的前端固定有挡块，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器。本发明专利技术优点是提高了脚离地的高度，增强脚在行走过程中有更好的避障能力，而且在小腿摆动过程中不会碰到地面，增强行走的稳定性和高效性。腿的质量分布更接近于人腿，整体结构紧凑，传动精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，特别是涉及一种拟人双足机器人人工腿。
技术介绍
我国现有腿部残疾人约30多万，而且每年增加大约1.5万人，如果人的腿部因故从膝关节以上被切除，将会给他本人及家人带来极大的痛苦。他们都企盼着具有适合中国国情的智能仿生腿的问世。伴随着微电子技术和控制技术的发展，20世纪90年代开始，康复医学领域研究用微处理器控制的智能假肢来代偿残疾人的残缺肢体。智能假肢是一种能够很好代替残疾人部分或全部下肢功能的装置，可以帮助残疾人像正常人一样站立、行走、上下楼梯、跑步甚至参加体育运动，做到“活动自如”。它是集机械、电子、控制、人工智能、生物医疗等技术为一体的前沿性、多学科交叉的研究课题。目前，国外已经研制出智能仿生腿产品，但价格昂贵、技术保密，而且服务上也不够到位。在下肢智能假肢的研制开发过程中，需要对智能假肢做大量、重复、多种步态的实验。显然，如果让一个残疾人穿戴智能假肢做这样的实验是不现实的，因为可能对残疾人造成不必要的伤害，而且残疾人也无法满足所要求的大量、重复性好、各种步态的实验。所以，智能假肢的开发需要一个理想的实验平台，这个实验平台的作用就是代替穿戴智能假肢的残疾人做各种各样的实验。这就要求实验平台具有良好的拟人性，能够模拟人的各种行走步态。我们来分析一下普通双腿行走机器人的腿与人腿在结构上存在的根本差别以及产生的影响人腿骨骼机构是人类经过漫长的进化形成的，应该是最适合双腿行走的生物机构。人腿膝关节主要由股骨内外侧髁、胫骨平台、髌骨、交叉韧带ACL和PCL、肌肉和神经组成。生物医学研究表明，股骨下端和胫骨上端接触表面形状不规则，在膝关节屈伸活动中，两表面间既有滚动又有滑动。韧带位于骨头之间，起润滑和缓冲作用。膝关节水平转动轴在屈伸活动中位置是不恒定的，可有一定的移动，其曲率中心即瞬时旋转中心(Instant Centre ofRotation，ICR)移动轨迹按J形曲线变化，如图1所示。关节由内外两侧肌肉伸缩运动驱动，如图2所示。因此，在人体步行过程中，大、小腿长度是变化的，膝关节ICR也是变化的，可以在较小关节曲屈角度下，提高脚离地高度。其中大小腿长度是指上下大小腿连杆的交点分别与髋关节和踝关节中心点之间的距离。同时，膝关节ICR的变化，可以调节地面反力对膝关节的转矩大小，也可以影响髋关节转动对膝关节的从动作用，所以对行走的稳定性和高效性有直接的影响。而目前大多数的双腿行走机器人，为了机构设计、控制、数学模型的建立和解算的方便，关节模型相比人体关节进行了大量的简化。尤其是有源双腿行走机器人，膝关节都沿用了工业机器人中常用的二连杆绞链膝关节机构，转动中心(Centre ofRotation，CR)固定不变，如图3所示。这种膝关节结构上的差别导致保证支撑相稳定方法不同，人腿在站立和处于支撑相时，膝关节是伸直状态，而普通双腿机器人在站立状态或处于支撑相时，大都弯曲着双腿，为防止冲击，脚在落地前总要先放平，并导致行走速度缓慢。人腿与普通双足机器人的腿另一个区别是人脚具有柔性，而机器人的脚是刚性的。由于机器人的脚缺乏柔性，没有缓冲作用，为避免在行走过程中地面对脚的冲击，必须从行走姿态上进行控制，从而影响了机器人步态的拟人性。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术提供一种拟人双足机器人人工腿，它使机器人具有拟人的行走步态，并降低控制的难度，用这种机器人作为开发研制智能假肢的试验平台。本专利技术的人工腿包括髋关节、膝关节、踝关节、脚、大腿连杆及小腿连杆，在髋关节和膝关节之间的大腿连杆上安装有膝关节驱动电机，膝关节为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机通过平行四连杆机构与膝关节的四连杆的前杆连接，在四连杆的前端固定有挡块，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器。其膝关节处的四连杆封闭链结构是在膝关节两侧分别设有一组四连杆，之间通过转轴连接。平行四连杆机构是以大腿连杆为一连杆形成的。踝关节为倒U型，倒U型结构内平行置有两个转轴，在一个转轴上安装有踝关节电机，在倒U型结构外部一侧，两转轴端部分别安装有消隙齿轮，两齿轮相啮合传动，在安装有电机的转轴靠近齿轮的一侧安装有谐波减速器。脚为柔性储能假脚，安装在倒U型结构内下方的踝关节转轴上。本专利技术的优点是膝关节采用四连杆封闭链结构，有利于提高的脚离地高度，增强脚在行走过程中有更好的避障能力，而且在小腿摆动过程中不会碰到地面，增强行走的稳定性和高效性。采用平行四连杆机构将电机的驱动力矩传递到膝关节处，使腿的质量分布更接近于人腿，使膝关节的结构更加紧凑；从动力学角度来说，可以降低对髋关节电机驱动力矩的要求，降低驱动力矩的耦合程度，使动力学模型更加简单，更加易于控制。踝关节采用谐波减速器加消隙齿轮传动，结构更紧凑，而且传动精度提高；采用柔性储能假脚，使其接近于人脚。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中膝关节结构示意图； 图3是本专利技术中膝关节驱动、传动结构示意图；图4是本专利技术中踝关节结构示意图；图5是人腿膝关节结构示意图；图6是人腿膝关节肌肉驱动示意图；图7是现有的单轴膝关节转动示意图；图8是人腿膝关节等效转换示意图；图9是单轴和多轴膝关节摆动离地高度对比示意图，其中(a)为单轴膝关节，(b)为多轴膝关节；图10是本专利技术支撑相反力作用线与ICR的关系示意图，其中a为支撑相初期，b为支撑相中期，c为支撑相晚期；图11刚体旋转和平移示意图；图12是本专利技术的机构尺寸定义示意图；图13是本专利技术中踝关节点轨迹跟踪效果曲线示意图；图14是优化程序流程图。图中1.髋关节，2.大腿连杆，3.膝关节驱动电机，4.平行四连杆机构，5.膝关节，6.小腿连杆，7.踝关节，8.脚，9.挡块，10.膝关节连杆，11.编码器，12.踝关节电机，13.踝关节转轴，14.肌肉，15.消隙齿轮，16.股骨头，17.胫骨头，18.肌肉内侧，19.肌肉外侧。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述如图1所示，本专利技术包括髋关节1、膝关节5、踝关节7、脚8、大腿连杆2及小腿连杆6，在髋关节1和膝关节5之间的大腿连杆2上安装有膝关节驱动电机3，膝关节5为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机3通过平行四连杆机构4与膝关节5的四连杆的后杆连接，在四连杆的前端固定有挡块9，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器11。膝关节处的四连杆封闭链结构，如图2所示，是在膝关节5两侧分别设有一组四连杆，之间通过转轴连接。平行四连杆机构4如图3所示，是以大腿连杆2为一连杆形成的。如图4所示，踝关节7为倒U型，倒U型结构内平行置有两个转轴，在一个转轴上安装有踝关节电机12，倒U型结构外部一侧的两转轴端部分别安装有消隙齿轮15，两齿轮啮合传动，在安装有电机的转轴靠近齿轮的一侧安装有谐波减速器。脚8为柔性储能假脚，安装在倒U型结构内下方的踝关节转轴13上。本专利技术中膝关节驱动电机3带动平行四连杆机构4运动，将动力传递给膝关节5的四连杆，使四连杆带动小腿、踝关节及脚运动，达到仿真人腿的效果。如图5所示为人腿膝关节结构示意图，图6为人腿膝关节肌肉驱动示意图，图7为单轴膝关节示意图，由于四连杆膝关节的瞬时转动中心ICR的位置在转动过程中是变化的，从而导致大小腿长度在摆动中变化，如图9所示，所以在膝关节曲屈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拟人双足机器人人工腿，包括髋关节、膝关节、踝关节、脚、大腿连杆及小腿连杆，其特征在于在髋关节和膝关节之间的大腿连杆上安装有膝关节驱动电机，膝关节为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机通过平行四连杆机构与膝关节的四连杆的后杆连接，在四连杆的前端固定有挡块，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丛德宏，刘兴刚，谢华龙，徐心和，程军，王佳，李倩，贾鹏宇，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]