本發(fā)明屬于足式機器人領域。可用于足式機器人足部關節(jié)設計，降低地面沖擊振動對上部主動控制及其機身的影響，實現(xiàn)沖擊振動削弱效果。

背景技術：

足式機器人的靈活行動能力與強適應環(huán)境能力是輪式機器人無可比擬的，因此其具有十分廣泛的應用前景。但是在行走的過程中，足端受到地面的振動沖擊，會影響各個主動控制元器件，例如傳感器、伺服驅動部件等。為了抑制地面沖擊振動對足式機器人的行走穩(wěn)定性影響，目前國內外有如下幾種主要方法：

一是模擬仿造動物腳底的柔性支撐。采用如橡膠等具有一定阻尼的彈性體，通過柔性足墊來吸收沖擊振動能量，雖然具有一定的緩沖作用，但由于橡膠等彈性體是非線性材料，對主動控制的關節(jié)將產生非線性的旋轉運動，在關節(jié)主動控制上帶來了困難。

二是采用力矩補償控制法。如根據肌肉的彈性變化的特征，在擺動腳落地時采用力位混合控制，借此來降低腳部與地面的沖擊力。但是在路面情況比較復雜的情況下，其計算量也十分巨大，對控制形成較大的困難。

三是運動控制法。該法模擬腳底一半先著地，之后逐步過渡在另一半，如HONDA足式機器人是通過計算擺動腳和身體之間的相對位置，來控制落地時候的位置，以此緩沖地面的沖擊力。但是關節(jié)各部件受到耦合關系，造成碰撞現(xiàn)象，難以保證運動精度。

上述方法既對控制與計算要求高，又產生不可控的非線性旋轉運影響，因此研發(fā)一種結構簡明、控制簡單的減振關節(jié)，具有十分重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決地面沖擊振動對足式機器人各關節(jié)及其機身的振動影響，提高足端振動能量吸收能力，本發(fā)明提出了一種剛度函數(shù)化的被動減振關節(jié)，使得其吸振能力優(yōu)于常規(guī)的被動關節(jié)。

本發(fā)明包括有關節(jié)恢復力矩結構、函數(shù)化摩擦力矩結構和軸向補償力結構；

所述的關節(jié)恢復力結構包括對稱扭簧、上基體、軸承、軸套、下基體、螺釘組成，恢復力由扭簧提供，扭簧兩端通過螺釘固定在下基體的螺紋孔上，下基體的螺紋孔關于軸心形成一圈均勻分布，即滿足關節(jié)初始夾角可調。

所述的函數(shù)化的摩擦力矩結構包括端蓋、摩擦環(huán)、第二小滾球、第一螺釘、第二壓縮彈簧、凸輪體、第一小滾球、第一壓縮彈簧、小滾子、滾軸、滾輪座、左右滑槽、第一螺栓、第二螺母、螺母座、第二螺栓，摩擦力矩由摩擦環(huán)與端蓋的旋轉摩擦提供，摩擦力矩的大小由軸向正壓力控制；端蓋固定在下基體上，摩擦環(huán)通過第二小滾球與關節(jié)軸產生移動副約束，其中第二小滾球安裝在摩擦環(huán)內壁面上，在關節(jié)軸軸向的凹槽中滑動，使得摩擦環(huán)只能軸向移動；摩擦環(huán)一端面與端蓋發(fā)生旋轉摩擦，產生摩擦力矩，摩擦環(huán)另一端面通過第二壓縮彈簧與凸輪體連接，凸輪體內壁面通過第一小滾球與關節(jié)軸產生移動副約束，使得凸輪體只能軸向移動；凸輪體通過第一壓縮彈簧與電磁線圈套筒連接，電磁線圈套筒通過第一螺母固定在關節(jié)軸上；凸輪體與固定在下基體上的可調距離的小滾子形成點面約束，即小滾子在凸輪體的凸輪面上滾動，從而使凸輪體發(fā)生軸向移動，軸向移動的凸輪體導致第二壓縮彈簧的形變，從而改變第二壓縮彈簧對摩擦環(huán)的正壓力，最終改變摩擦力矩，即摩擦力矩與關節(jié)旋轉的角度成函數(shù)關系。

補償力結構包括有電磁線圈、電磁套筒、第一螺母，補償力由電磁線圈對凸輪體的吸引力提供，即當凸輪體發(fā)生軸向移動時，第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧的合力將增加在小滾子上，因此電磁線圈對凸輪體的吸引力將幾乎抵消第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧的合力。

函數(shù)化摩擦力矩功能通過旋轉摩擦環(huán)與凸輪機構共同來實現(xiàn)，由公式所知：

$M_f=\frac{2{\mathrm{\μF}}_N(R_1^2+R_1{R}_2+R_2^2)}{3(R_1+R_2)}$

其中R₁為摩擦環(huán)大徑，R₂為小徑，R₁>R₂，F(xiàn)_N為正壓力，μ為摩擦系數(shù)。

由上式可知，摩擦力矩與軸向正壓力成正比，通過改變軸向正壓力來控制摩擦力矩。經過軸向第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧的傳遞，軸向正壓力與凸輪體的軸向位移成正比，凸輪體端面尺寸又與關節(jié)旋轉角成函數(shù)關系，關節(jié)旋轉通過小滾子滾動擠壓使得凸輪體產生軸向運動，從而使得凸輪體的軸向位移與關節(jié)旋轉角成函數(shù)關系，從而導致摩擦力矩與關節(jié)旋轉角成函數(shù)關系。補償力的主要作用是抵消小滾子對凸輪體端面的軸向擠壓力，由于該軸向擠壓力會對凸輪體產生關節(jié)旋轉運動切線方向的分力，該分力對足關節(jié)軸心將產生一個阻力矩，該力矩的作用效果等同恢復力，可阻礙關節(jié)旋轉，也可驅動關節(jié)旋轉。因此在凸輪體外側增加一個電磁線圈來提供補償力，該電磁線圈僅對凸輪體有軸向吸引力，通過該吸引力抵消第二壓縮彈簧和第一壓縮彈簧合力，從而減少小滾子對凸輪體端面的擠壓力，降低關節(jié)旋轉阻力距。

本發(fā)明的工作過程：

當下基體受力而產生關節(jié)角位移時，關節(jié)便產生關節(jié)恢復力矩與摩擦力矩，其中恢復力矩與關節(jié)旋轉角成線性關系，摩擦力矩與關節(jié)旋轉角成函數(shù)化關系，摩擦力方向始終與相對運動方向相反；扭簧起到儲能作用，摩擦部件起到耗能作用，兩者共同作用起到緩沖減振作用。

本發(fā)明的有益效果：由于關節(jié)具備函數(shù)化的摩擦力矩，對沖擊振動能量的吸收具有針對性，例如隨著關節(jié)旋轉角的增加，其摩擦力矩越大，摩擦耗能就越大，其摩擦力矩與關節(jié)角的函數(shù)關系可定制，因此提高了緩沖減振的通用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明關節(jié)的正視圖。

圖2為本發(fā)明關節(jié)的剖視圖。

圖3為本發(fā)明關節(jié)的左視圖。

圖4為本發(fā)明關節(jié)受力示意圖

具體實施方式

本發(fā)明包括有關節(jié)恢復力矩結構、函數(shù)化摩擦力矩結構和軸向補償力結構；

所述的關節(jié)恢復力結構包括對稱扭簧16、上基體15、關節(jié)軸1、軸承13、軸套14、下基體25、螺釘24組成；上基體15通過軸承13和軸套14共同約束在下基體25上，使得上基體15與下基體行程旋轉副約束，恢復力距由扭簧16提供，扭簧16兩端通過螺釘24固定在下基體25的螺紋孔上，下基體25的螺紋孔關于軸心形成一圈均勻分布，即滿足關節(jié)初始夾角可調。

所述的函數(shù)化的摩擦力矩結構包括端蓋11、摩擦環(huán)10、第二小滾球9、第一螺釘12、第二壓縮彈簧8、凸輪體7、第二小滾球6、第一壓縮彈簧5、小滾子22、滾軸23、滾輪座21、滑槽20、第二螺母18、第一螺栓26、螺母座19、第二螺栓17；摩擦力矩由摩擦環(huán)10與端蓋11的旋轉摩擦提供，摩擦力矩的大小由軸向正壓力控制；端蓋11固定在下基體25上，摩擦環(huán)10通過第三小滾球9與關節(jié)軸1產生移動副約束，其中第三小滾球9安裝在摩擦環(huán)10內壁面上，在關節(jié)軸1軸向的凹槽中滑動，使得摩擦環(huán)10只能軸向移動；摩擦環(huán)10一端面與端蓋11發(fā)生旋轉摩擦，產生摩擦力矩，摩擦環(huán)10另一端面通過第二壓縮彈簧8與凸輪體7連接，凸輪體7內壁面通過第二小滾球6與關節(jié)軸1產生移動副約束，使得凸輪體只能軸向移動；凸輪體7通過第二壓縮彈簧8與電磁線圈套筒3連接；凸輪體7與固定在下基體25上的可調距離的小滾子22形成點面約束，即小滾子22在凸輪體7的凸輪面上滾動，從而使凸輪體7發(fā)生軸向移動，軸向移動的凸輪體7導致第二壓縮彈簧8的形變，從而改變第二壓縮彈簧8對摩擦環(huán)10的正壓力，最終改變摩擦力矩，即摩擦力矩與關節(jié)旋轉的角度成函數(shù)關系。

補償力結構包括有電磁線圈、電磁套筒3、第一小滾球4、第一螺母2，電磁線圈套筒3通過第一螺母2與第一小滾球4約束在關節(jié)軸1上，使得電磁線圈套筒3只能發(fā)送軸向運動，即實現(xiàn)第一壓縮彈簧5的初始壓力可調；補償力由電磁線圈對凸輪體7的吸引力提供，即當凸輪體7發(fā)生軸向移動時，第二壓縮彈簧8和第一壓縮彈簧5的合力將增加在小滾子22上，因此電磁線圈對凸輪體7的吸引力將幾乎抵消第二壓縮彈簧8和第一壓縮彈簧5的合力。

本發(fā)明的工作過程：

當下基體25受力而產生關節(jié)角位移時，關節(jié)便產生關節(jié)恢復力矩與摩擦力矩，其中恢復力矩與關節(jié)旋轉角成線性關系，摩擦力矩與關節(jié)旋轉角成函數(shù)化關系，摩擦力方向始終與相對運動方向相反；扭簧起到儲能作用，摩擦部件起到耗能作用，兩者共同作用起到緩沖減振作用。