[发明专利]仿人机器人可变刚度柔性关节设计

说明书

一.技术领域

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

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。

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、复杂环境中，必须提高其行走能量效率及其环境适应性。

而在对人类步行的研究中发现下述现象：在摆动腿落地前腿部肌肉会放松以吸收冲击，而在摆动腿落地后的双脚支撑相中，腿部肌肉收缩以维持平衡。通过这种机制，人类在快速步行和跑步过程中可以有效降低冲击保持稳定。从而为克服仿人机器人冲击现象，人类腿部肌肉的松弛和张紧动作类似于柔性驱动器的刚度控制过程，因此采用可变刚度柔性驱动器作为机器人的驱动源可以有效吸收冲击，实现快速步行。另外可变刚度柔性驱动器的抗冲击能力及安全性，为外骨骼等辅助行走设备的研制，提供新的解决办法。现有柔性关节大多采用气动柔性关节，实现比较复杂，例如：

中国专利CN87107075A，一种柔性气缸及弯曲、扭转关节，其工作容积是由弹性壁围成。在工作中不存在摩擦及泄露，在工作时可模拟人类关节做弯曲动作。该结构采用气动驱动，实现比较复杂，其柔性不易调节。

三.发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种更加有效的仿人机器人可变刚度柔性关节系统，在行走和跑步过程中有效降低冲击，实现能量的存储和释放，解决现有机器人高能耗及环境适应性问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：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、2-DOF差分驱动关节机构；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。

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；

所述微型驱动单元，包括微型电机、减速器；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；

所述滑块，下表面接弹性元件B；其特征在于：所述弹性元件B，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；

所述滑块，其特征在于：在弹性元件A、B共同的作用力下，滑块可以沿导杆滑动；

所述滑块两侧分别设有柔索固定端；所述的柔性固定端分别固结柔索A和柔索B的一端；

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，其连接关系为：所述的柔性输入轮A、B通过柔索C、D与输出轮C相连；

所述柔索输入轮A、B，分别固结柔索A、B，所述柔索B需先绕过电机支架A的定滑轮后，再固结于关节处的柔索输入轮上，以完成转向；

所述的输出轮C为关节输出终端，与脚板相连。