一种用于双足行走机器人的仿生拉压体膝关节制造技术

一种用于双足行走机器人的仿生拉压体膝关节属机械仿生工程技术领域，本发明专利技术由受压体的仿生双球构件、仿生球窝构件和受拉体的韧带组件组成，本发明专利技术的仿生拉压体膝关节利用特殊的关节几何结构，通过仿生韧带引导和限制关节运动，实现类似人体膝关节的六个自由度运动；本发明专利技术适用于双足行走机器人，能实现低能耗、高稳定、高灵活度和高度拟人化运动。高灵活度和高度拟人化运动。高灵活度和高度拟人化运动。

【技术实现步骤摘要】
一种用于双足行走机器人的仿生拉压体膝关节


[0001]本专利技术属机械仿生工程
，具体涉及一种用于双足行走机器人的仿生拉压体膝关节。

技术介绍

[0002]目前双足机器人行走步态的膝关节屈曲运动面临着能耗高且稳定性低的问题，。多数双足机器人的膝关节设计为刚性铰链连接结构，仅在矢状平面具有单个自由度来实现膝关节的屈伸运动。为了保持刚性铰链关节在运动过程中的稳定性，驱动系统需要提供实时精确的关节控制，这无疑需要高能耗计算性能支持。同时精确的关节控制需要配合电机来避免运动过程中的关节惯性运动，这也增加了系统的能耗。
[0003]人体关节在各项运动过程中，能够承受巨大的冲击力并保持稳定，很大程度上归功于柔性关节的特点。膝关节作为人体最大，最复杂的关节，其主要功能是协助髋关节与脚踝来完成日常活动，例如行走，跑步，攀爬。从生物力学方面分析，膝关节在人体步态的摆荡期做屈曲运动，来提升下肢离地高度。在着地期，膝关节产生轻微的屈曲，起到吸收地面反作用力的同时储蓄能量。在站立期，膝关节的自锁机制使单腿支撑时的稳定性大大地提升。
[0004]人体的膝关节由股骨，胫骨和髌骨组成，包含双关节的复杂运动，通过骼接触面之间的非对称特殊结构和韧带，关节囊，韧带及肌肉等软组织的约束保证其稳定性。在膝关节运动中，骨头及半月板主要承受并传递垂直压力，而韧带，关节囊和肌肉主要承受拉力。这种特殊的拉压体结构关节，使人体在动态运动过程中能够承受较大的冲击力同时保持被动稳定性。
[0005]针对双足行走机器人步态的高能耗，低稳定性问题，仿生拉压体膝关节通过自身结构的运动形式和稳定特性，能为双足机器人的行走提供高效稳定的解决方案。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种受人体骨骼肌肉系统启发，用于解决目前双足行走机器人面临的高能耗，低稳定性的步态问题的拉压体结构仿生膝关节。
[0007]本专利技术由仿生双球构件A、仿生球窝构件B、韧带组件C、连接头Ⅰ1和连接头Ⅱ2组成，其中连接头Ⅰ1、仿生双球构件A、仿生球窝构件B和连接头Ⅱ2自上而下顺序排列，连接头Ⅰ1固接于仿生双球构件A上端，连接头Ⅱ2固接于仿生球窝构件B下端；韧带组件C的柔性仿生内侧副韧带19上端经螺栓与仿生双球构件A中仿生内骨髁4的矩阵型螺纹孔组Ⅰ3螺纹连接；柔性仿生内侧副韧带19下端经螺栓与仿生球窝构件B中内侧仿生胫骨平台16的矩阵型螺纹孔组Ⅱ13螺纹连接；柔性仿生外侧副韧带22上端经螺栓与仿生双球构件A中仿生外骨髁6的矩阵型螺纹孔组Ⅲ7螺纹连接；柔性仿生外侧副韧带22下端经螺栓与仿生球窝构件B中外侧仿生胫骨平台18的矩阵型螺纹孔组Ⅳ14螺纹连接；柔性仿生前十字韧带21上端经螺栓与仿生双球构件A中仿生外骨髁6的矩阵型螺纹孔组
Ⅴ
8螺纹连接；柔性仿生前十字韧带21下端经螺栓与仿生球窝构件B中外侧仿生胫骨平台18的矩阵型螺纹孔组
Ⅵ
17螺纹连接；
柔性仿生后十字韧带20上端经螺栓与仿生双球构件A中仿生内骨髁4的矩阵型螺纹孔组
Ⅶ
9螺纹连接；柔性仿生后十字韧带20下端经螺栓与仿生球窝构件B中内侧仿生胫骨平台16的矩阵型螺纹孔组
Ⅷ
15螺纹连接。
[0008]所述的仿生双球构件A由仿生内骨髁4、仿生外骨髁6和仿生髁间窝5组成；仿生内骨髁4左右两侧分别设有矩阵型螺纹孔组Ⅰ3和矩阵型螺纹孔组
Ⅶ
9；仿生外骨髁6左右两侧分别设有矩阵型螺纹孔组Ⅲ7和矩阵型螺纹孔组
Ⅴ
8；仿生内骨髁4的外围轮廓线由线段a1a2、线段a2a3、线段a3a4圆滑连接而成，位于平面Ⅰ10上，平面Ⅰ10与矢状面之间夹角为9
°
；仿生外骨髁6的外围轮廓线由线段b1b2、线段b2b3、线段b3b4圆滑连接而成，位于平面Ⅱ11上，平面Ⅱ11与矢状面之间夹角为
‑9°
；仿生髁间窝5的外围轮廓线由线段c1c2、线段c2c3、线段c3c4圆滑连接而成。
[0009]线段a1a2的数学表达式为：y＝2.6767x
‑
3.3617，其中：x为2.57至3.0。
[0010]线段a2a3的数学表达式为：y＝0.007645x4
‑
0.1886x3+1.761x2
‑
7.475x+13.38，其中：x为2.52至10.05
[0011]线段a3a4的数学表达式为：y＝
‑
0.3979x2+6.4071x
‑
21.042,其中：x为9.97至7.73。
[0012]线段b1b2的数学表达式为：y＝0.4019x3
‑
2.7539x2+6.657x
‑
1.1152，其中：x为2.83至0.95。
[0013]线段b2b3的数学表达式为：y＝0.003949x4
‑
0.08591x3+0.7102x2
‑
2.625x+4.633，其中：x为1.03至9.84。
[0014]线段b3b4的数学表达式为：y＝13.645x2
‑
271.27x+1351.3，其中：x为9.93至9.64。
[0015]线段c1c2的数学表达式为：y＝18.056x
‑
64.194，其中：x为3.83至4.03。
[0016]线段c2c3的数学表达式为：y＝0.04621x4
‑
1.17x3+11.11x2
‑
46.92x+76.69，其中：x为3.81至8.86。线段c3c4的数学表达式为：y＝
‑
3.0536x+31.805，其中：x为7.53至8.76。
[0017]所述的仿生球窝构件B由内侧仿生胫骨平台16、外侧仿生胫骨平台18和髁间突起12组成，内侧仿生胫骨平台16的外围轮廓线为曲线d1d2，外侧仿生胫骨平台18的外围轮廓线为曲线d3d4；内侧仿生胫骨平台16的曲线d1d2和外侧仿生胫骨平台18的曲线d3d4相连形成闭合曲线；髁间突起12的外围轮廓线为曲线e1e2。
[0018]曲线d1d2的数学表达式为：y＝
‑
2.15e
‑
05x4+0.002372x3
‑
0.1203x2+3.277x+29.12，其中：x为0至53.5。
[0019]曲线d3d4的数学表达式为：y＝6.827e
‑
05x4
‑
0.00588x3+0.193x2
‑
9.125x+23.42，其中：x为0至43.5。
[0020]曲线e1e2的数学表达式为：y＝5.81e
‑
05x4
‑
0.009628x3+0.5383x2
‑
11.78x2+130.4，其中：x为43.5至53.5。
[0021]内侧仿生胫骨平台16上侧和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于双足行走机器人的仿生拉压体膝关节，其特征在于：由仿生双球构件(A)、仿生球窝构件(B)、韧带组件(C)、连接头Ⅰ(1)和连接头Ⅱ(2)组成，其中：连接头Ⅰ(1)、仿生双球构件(A)、仿生球窝构件(B)和连接头Ⅱ(2)自上而下顺序排列，连接头Ⅰ(1)固接于仿生双球构件(A)上端，连接头Ⅱ(2)固接于仿生球窝构件(B)下端；韧带组件(C)的柔性仿生内侧副韧带(19)上端经螺栓与仿生双球构件(A)中仿生内骨髁(4)的矩阵型螺纹孔组Ⅰ(3)螺纹连接；柔性仿生内侧副韧带(19)下端经螺栓与仿生球窝构件(B)中内侧仿生胫骨平台(16)的矩阵型螺纹孔组Ⅱ(13)螺纹连接；柔性仿生外侧副韧带(22)上端经螺栓与仿生双球构件(A)中仿生外骨髁(6)的矩阵型螺纹孔组Ⅲ(7)螺纹连接；柔性仿生外侧副韧带(22)下端经螺栓与仿生球窝构件(B)中外侧仿生胫骨平台(18)的矩阵型螺纹孔组Ⅳ(14)螺纹连接；柔性仿生前十字韧带(21)上端经螺栓与仿生双球构件(A)中仿生外骨髁(6)的矩阵型螺纹孔组
Ⅴ
(8)螺纹连接；柔性仿生前十字韧带(21)下端经螺栓与仿生球窝构件(B)中外侧仿生胫骨平台(18)的矩阵型螺纹孔组
Ⅵ
(17)螺纹连接；柔性仿生后十字韧带(20)上端经螺栓与仿生双球构件(A)中仿生内骨髁(4)的矩阵型螺纹孔组
Ⅶ
(9)螺纹连接；柔性仿生后十字韧带(20)下端经螺栓与仿生球窝构件(B)中内侧仿生胫骨平台(16)的矩阵型螺纹孔组
Ⅷ
(15)螺纹连接。2.按权利要求1所述的用于双足行走机器人的仿生拉压体膝关节，其特征在于：所述的仿生双球构件(A)由仿生内骨髁(4)、仿生外骨髁(6)和仿生髁间窝(5)组成；仿生内骨髁(4)左右两侧分别设有矩阵型螺纹孔组Ⅰ(3)和矩阵型螺纹孔组
Ⅶ
(9)；仿生外骨髁(6)左右两侧分别设有矩阵型螺纹孔组Ⅲ(7)和矩阵型螺纹孔组
Ⅴ
(8)；仿生内骨髁(4)的外围轮廓线由线段a1a2、线段a2a3、线段a3a4圆滑连接而成，位于平面Ⅰ(10)上，平面Ⅰ(10)与矢状面之间夹角为9
°
；仿生外骨髁(6)的外围轮廓线由线段b1b2、线段b2b3、线段b3b4圆滑连接而成，位于平面Ⅱ(11)上，平面Ⅱ(11)与矢状面之间夹角为
‑9°
；仿生髁间窝(5)的外围轮廓线由线段c1c2、线段c2c3、线段c3c4圆滑连接而成；线段a1a2的数学表达式为：y＝2.6767x
‑
3.3617，其中：x为2.57至3.08；线段a2a3的数学表达式为：y＝0.007645x4‑
0.1886x3+1.761x2‑
7.475x+13.38，其中：x为2.52至10.05线段a3a4的数学表达式为：y＝
‑
0.3979x2+6.4071x
‑
21.042,其中：x为9.97至7.73；线段b1b2的数学表达式为：y＝0.4019x3‑
2.7539x2+6.657x
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：任雷，卢雪薇，王坤阳，钱志辉，修豪华，梁威，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：