一種擬人雙足機(jī)器人人工腿，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳、大腿連桿及小腿連桿，其特征在于在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的大腿連桿上安裝有膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，膝關(guān)節(jié)為兩個(gè)四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過平行四連桿機(jī)構(gòu)與膝關(guān)節(jié)的四連桿的后桿連接，在四連桿的前端固定有擋塊，在四連桿的前桿上端的轉(zhuǎn)軸上安裝有編碼器。本發(fā)明專利技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是提高了腳離地的高度，增強(qiáng)腳在行走過程中有更好的避障能力，而且在小腿擺動(dòng)過程中不會(huì)碰到地面，增強(qiáng)行走的穩(wěn)定性和高效性。腿的質(zhì)量分布更接近于人腿，整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精度高。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于機(jī)器人
，特別是涉及一種擬人雙足機(jī)器人人工腿。
技術(shù)介紹
我國(guó)現(xiàn)有腿部殘疾人約30多萬(wàn)，而且每年增加大約1.5萬(wàn)人，如果人的腿部因故從膝關(guān)節(jié)以上被切除，將會(huì)給他本人及家人帶來(lái)極大的痛苦。他們都企盼著具有適合中國(guó)國(guó)情的智能仿生腿的問世。伴隨著微電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代開始，康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究用微處理器控制的智能假肢來(lái)代償殘疾人的殘缺肢體。智能假肢是一種能夠很好代替殘疾人部分或全部下肢功能的裝置，可以幫助殘疾人像正常人一樣站立、行走、上下樓梯、跑步甚至參加體育運(yùn)動(dòng)，做到“活動(dòng)自如”。它是集機(jī)械、電子、控制、人工智能、生物醫(yī)療等技術(shù)為一體的前沿性、多學(xué)科交叉的研究課題。目前，國(guó)外已經(jīng)研制出智能仿生腿產(chǎn)品，但價(jià)格昂貴、技術(shù)保密，而且服務(wù)上也不夠到位。在下肢智能假肢的研制開發(fā)過程中，需要對(duì)智能假肢做大量、重復(fù)、多種步態(tài)的實(shí)驗(yàn)。顯然，如果讓一個(gè)殘疾人穿戴智能假肢做這樣的實(shí)驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)榭赡軐?duì)殘疾人造成不必要的傷害，而且殘疾人也無(wú)法滿足所要求的大量、重復(fù)性好、各種步態(tài)的實(shí)驗(yàn)。所以，智能假肢的開發(fā)需要一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的作用就是代替穿戴智能假肢的殘疾人做各種各樣的實(shí)驗(yàn)。這就要求實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的擬人性，能夠模擬人的各種行走步態(tài)。我們來(lái)分析一下普通雙腿行走機(jī)器人的腿與人腿在結(jié)構(gòu)上存在的根本差別以及產(chǎn)生的影響人腿骨骼機(jī)構(gòu)是人類經(jīng)過漫長(zhǎng)的進(jìn)化形成的，應(yīng)該是最適合雙腿行走的生物機(jī)構(gòu)。人腿膝關(guān)節(jié)主要由股骨內(nèi)外側(cè)髁、脛骨平臺(tái)、髕骨、交叉韌帶ACL和PCL、肌肉和神經(jīng)組成。生物醫(yī)學(xué)研究表明，股骨下端和脛骨上端接觸表面形狀不規(guī)則，在膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)中，兩表面間既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)。韌帶位于骨頭之間，起潤(rùn)滑和緩沖作用。膝關(guān)節(jié)水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸在屈伸活動(dòng)中位置是不恒定的，可有一定的移動(dòng)，其曲率中心即瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心(Instant Centre ofRotation，ICR)移動(dòng)軌跡按J形曲線變化，如圖1所示。關(guān)節(jié)由內(nèi)外兩側(cè)肌肉伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。因此，在人體步行過程中，大、小腿長(zhǎng)度是變化的，膝關(guān)節(jié)ICR也是變化的，可以在較小關(guān)節(jié)曲屈角度下，提高腳離地高度。其中大小腿長(zhǎng)度是指上下大小腿連桿的交點(diǎn)分別與髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)之間的距離。同時(shí)，膝關(guān)節(jié)ICR的變化，可以調(diào)節(jié)地面反力對(duì)膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩大小，也可以影響髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)膝關(guān)節(jié)的從動(dòng)作用，所以對(duì)行走的穩(wěn)定性和高效性有直接的影響。而目前大多數(shù)的雙腿行走機(jī)器人，為了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制、數(shù)學(xué)模型的建立和解算的方便，關(guān)節(jié)模型相比人體關(guān)節(jié)進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化。尤其是有源雙腿行走機(jī)器人，膝關(guān)節(jié)都沿用了工業(yè)機(jī)器人中常用的二連桿絞鏈膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心(Centre ofRotation，CR)固定不變，如圖3所示。這種膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)上的差別導(dǎo)致保證支撐相穩(wěn)定方法不同，人腿在站立和處于支撐相時(shí)，膝關(guān)節(jié)是伸直狀態(tài)，而普通雙腿機(jī)器人在站立狀態(tài)或處于支撐相時(shí)，大都彎曲著雙腿，為防止沖擊，腳在落地前總要先放平，并導(dǎo)致行走速度緩慢。人腿與普通雙足機(jī)器人的腿另一個(gè)區(qū)別是人腳具有柔性，而機(jī)器人的腳是剛性的。由于機(jī)器人的腳缺乏柔性，沒有緩沖作用，為避免在行走過程中地面對(duì)腳的沖擊，必須從行走姿態(tài)上進(jìn)行控制，從而影響了機(jī)器人步態(tài)的擬人性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決上述存在的問題，本專利技術(shù)提供一種擬人雙足機(jī)器人人工腿，它使機(jī)器人具有擬人的行走步態(tài)，并降低控制的難度，用這種機(jī)器人作為開發(fā)研制智能假肢的試驗(yàn)平臺(tái)。本專利技術(shù)的人工腿包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳、大腿連桿及小腿連桿，在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的大腿連桿上安裝有膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，膝關(guān)節(jié)為兩個(gè)四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過平行四連桿機(jī)構(gòu)與膝關(guān)節(jié)的四連桿的前桿連接，在四連桿的前端固定有擋塊，在四連桿的前桿上端的轉(zhuǎn)軸上安裝有編碼器。其膝關(guān)節(jié)處的四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)是在膝關(guān)節(jié)兩側(cè)分別設(shè)有一組四連桿，之間通過轉(zhuǎn)軸連接。平行四連桿機(jī)構(gòu)是以大腿連桿為一連桿形成的。踝關(guān)節(jié)為倒U型，倒U型結(jié)構(gòu)內(nèi)平行置有兩個(gè)轉(zhuǎn)軸，在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上安裝有踝關(guān)節(jié)電機(jī)，在倒U型結(jié)構(gòu)外部一側(cè)，兩轉(zhuǎn)軸端部分別安裝有消隙齒輪，兩齒輪相嚙合傳動(dòng)，在安裝有電機(jī)的轉(zhuǎn)軸靠近齒輪的一側(cè)安裝有諧波減速器。腳為柔性儲(chǔ)能假腳，安裝在倒U型結(jié)構(gòu)內(nèi)下方的踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是膝關(guān)節(jié)采用四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，有利于提高的腳離地高度，增強(qiáng)腳在行走過程中有更好的避障能力，而且在小腿擺動(dòng)過程中不會(huì)碰到地面，增強(qiáng)行走的穩(wěn)定性和高效性。采用平行四連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩傳遞到膝關(guān)節(jié)處，使腿的質(zhì)量分布更接近于人腿，使膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)更加緊湊；從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，可以降低對(duì)髖關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的要求，降低驅(qū)動(dòng)力矩的耦合程度，使動(dòng)力學(xué)模型更加簡(jiǎn)單，更加易于控制。踝關(guān)節(jié)采用諧波減速器加消隙齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)更緊湊，而且傳動(dòng)精度提高；采用柔性儲(chǔ)能假腳，使其接近于人腳。附圖說(shuō)明圖1是本專利技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利技術(shù)中膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本專利技術(shù)中膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本專利技術(shù)中踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是人腿膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是人腿膝關(guān)節(jié)肌肉驅(qū)動(dòng)示意圖；圖7是現(xiàn)有的單軸膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖；圖8是人腿膝關(guān)節(jié)等效轉(zhuǎn)換示意圖；圖9是單軸和多軸膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)離地高度對(duì)比示意圖，其中(a)為單軸膝關(guān)節(jié)，(b)為多軸膝關(guān)節(jié)；圖10是本專利技術(shù)支撐相反力作用線與ICR的關(guān)系示意圖，其中a為支撐相初期，b為支撐相中期，c為支撐相晚期；圖11剛體旋轉(zhuǎn)和平移示意圖；圖12是本專利技術(shù)的機(jī)構(gòu)尺寸定義示意圖；圖13是本專利技術(shù)中踝關(guān)節(jié)點(diǎn)軌跡跟蹤效果曲線示意圖；圖14是優(yōu)化程序流程圖。圖中1.髖關(guān)節(jié)，2.大腿連桿，3.膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，4.平行四連桿機(jī)構(gòu)，5.膝關(guān)節(jié)，6.小腿連桿，7.踝關(guān)節(jié)，8.腳，9.擋塊，10.膝關(guān)節(jié)連桿，11.編碼器，12.踝關(guān)節(jié)電機(jī)，13.踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸，14.肌肉，15.消隙齒輪，16.股骨頭，17.脛骨頭，18.肌肉內(nèi)側(cè)，19.肌肉外側(cè)。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步描述如圖1所示，本專利技術(shù)包括髖關(guān)節(jié)1、膝關(guān)節(jié)5、踝關(guān)節(jié)7、腳8、大腿連桿2及小腿連桿6，在髖關(guān)節(jié)1和膝關(guān)節(jié)5之間的大腿連桿2上安裝有膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3，膝關(guān)節(jié)5為兩個(gè)四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3通過平行四連桿機(jī)構(gòu)4與膝關(guān)節(jié)5的四連桿的后桿連接，在四連桿的前端固定有擋塊9，在四連桿的前桿上端的轉(zhuǎn)軸上安裝有編碼器11。膝關(guān)節(jié)處的四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，如圖2所示，是在膝關(guān)節(jié)5兩側(cè)分別設(shè)有一組四連桿，之間通過轉(zhuǎn)軸連接。平行四連桿機(jī)構(gòu)4如圖3所示，是以大腿連桿2為一連桿形成的。如圖4所示，踝關(guān)節(jié)7為倒U型，倒U型結(jié)構(gòu)內(nèi)平行置有兩個(gè)轉(zhuǎn)軸，在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上安裝有踝關(guān)節(jié)電機(jī)12，倒U型結(jié)構(gòu)外部一側(cè)的兩轉(zhuǎn)軸端部分別安裝有消隙齒輪15，兩齒輪嚙合傳動(dòng)，在安裝有電機(jī)的轉(zhuǎn)軸靠近齒輪的一側(cè)安裝有諧波減速器。腳8為柔性儲(chǔ)能假腳，安裝在倒U型結(jié)構(gòu)內(nèi)下方的踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸13上。本專利技術(shù)中膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)3帶動(dòng)平行四連桿機(jī)構(gòu)4運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給膝關(guān)節(jié)5的四連桿，使四連桿帶動(dòng)小腿、踝關(guān)節(jié)及腳運(yùn)動(dòng)，達(dá)到仿真人腿的效果。如圖5所示為人腿膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，圖6為人腿膝關(guān)節(jié)肌肉驅(qū)動(dòng)示意圖，圖7為單軸膝關(guān)節(jié)示意圖，由于四連桿膝關(guān)節(jié)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心ICR的位置在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是變化的，從而導(dǎo)致大小腿長(zhǎng)度在擺動(dòng)中變化，如圖9所示，所以在膝關(guān)節(jié)曲屈本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種擬人雙足機(jī)器人人工腿，包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腳、大腿連桿及小腿連桿，其特征在于在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的大腿連桿上安裝有膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，膝關(guān)節(jié)為兩個(gè)四連桿封閉鏈結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過平行四連桿機(jī)構(gòu)與膝關(guān)節(jié)的四連桿的后桿連接，在四連桿的前端固定有擋塊，在四連桿的前桿上端的轉(zhuǎn)軸上安裝有編碼器。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：叢德宏，劉興剛，謝華龍，徐心和，程軍，王佳，李倩，賈鵬宇，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東北大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：89[中國(guó)|沈陽(yáng)]
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