本发明属于仿人机器人，具体涉及一种变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节。
背景技术：
1、仿人机器人的跳跃运动，要求机器人膝关节具有较强的爆发能力和良好的缓冲能力。为了提升膝关节的爆发能力，常见的技术方案是在机器人膝关节处设计变减速比机构，保证机器人下蹲时膝关节减速比较大，直立时膝关节减速比较小，满足机器人跳跃时不同运动阶段对膝关节转矩、转速的不同要求，而跳跃产生的落地冲击主要由柔顺控制算法进行缓冲。为了提升膝关节的机械缓冲能力，常见的技术方案是在机器人膝关节处添加变刚度机构，机器人起跳时关节处于高刚度，以提升力矩响应速度和起跳运动的动作准确性；机器人落地时关节处于低刚度，利用柔性元件吸收落地冲击。
2、变减速比关节能有效提高机器人膝关节爆发能力，但由于缺乏柔性部件，容易在机器人落地时因大冲击而损坏；变刚度关节可以调节自身刚度，能兼顾起跳运动的动作准确性和落地时的缓冲，但其能输出的最大力矩往往小于刚性关节，只在小型的人形跳跃机器人上有所应用。可见现有仿人机器人膝关节的主要缺点是难以兼顾高爆发能力和机械缓冲能力。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节。
2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，包括：
4、电机模块，包括电机、滑动电机座、直线轴承a、电机端绳轮、电机端绳压盘、绳压块a、电机模块导轨底板和光轴a；所述滑动电机座底部安装直线轴承a，所述电机模块导轨底板的凸台上安装光轴a，所述直线轴承a连接在光轴a上，并能沿光轴a滑动；所述滑动电机座一侧安装电机，所述电机端绳轮位于滑动电机座另一侧，且与电机连接；所述电机端绳轮轴向面上安装电机端绳压盘，所述电机端绳压盘上连接绳压块a；
5、推杆模块，包括推杆、推杆连接头和推杆固定座；所述推杆连接在推杆固定座上，且推杆的头部安装推杆连接头；
6、变构四连杆变速比模块，包括输入轴、输入轴座左板、输入轴座右板、输入轴滑动座、直线轴承b、推杆连接板、绳轮转接件、连杆端绳轮、连杆端绳压盘、绳压块b、输入轴底板、光轴b、输出轴、输出轴座左板、输出轴座右板、输出轴座底板、输入杆、活动杆、输出杆；所述输入轴两端通过轴承分别连接输入轴座左板和输入轴座右板，所述输入轴座左板和输入轴座右板内侧连接推杆连接板、下部连接输入轴滑动座；所述推杆连接板与推杆连接头连接；所述输入轴滑动座底部安装直线轴承b，所述输入轴底板上通过凸台固定光轴b，所述直线轴承b连接在光轴b上，并能沿光轴b滑动；所述输入轴一端固定输入杆，且输入杆与电机位于同一侧，输入轴另一端连接绳轮转接件，绳轮转接件连接连杆端绳轮；所述连杆端绳轮轴向面上安装连杆端绳压盘，连杆端绳压盘上连接绳压块b；所述输出轴两端通过轴承分别连接输出轴座左板和输出轴座右板，所述输出轴座左板和输出轴座右板下部连接输出轴座底板；所述输出轴一端连接输出杆；所述输出杆、活动杆、输入杆依次叠放连接，形成连杆结构；
7、变刚度弹性单元，包括通孔壳体、封底壳体、绳连接盖、芯轴、低刚度弹簧、高刚度弹簧、碟簧和限位套；所述通孔壳体和封底壳体均是轴向为圆形的u形框架结构，两者交错对合在一起形成的内部空间用于放置弹簧组，两者敞口一端分别安装绳连接盖；所述通孔壳体底部的通孔中穿过芯轴，所述芯轴一端安装在封底壳体底部圆槽中，另一端安装在封底壳体敞口端的绳连接盖的下表面圆槽中；所述弹簧组按低刚度弹簧-限位套-高刚度弹簧-限位套-多个碟簧的顺序套设于芯轴上；
8、所述电机端绳轮和连杆端绳轮圆周均设有两条凹槽，凹槽中沿直径方向设有两组通孔，每组有两个通孔，作为绳孔，两组绳孔围绕绳轮轴线呈中心对称排布，同侧的两个绳孔分别穿入一根绳索的两个绳头，所述绳头缠绕在绳压块a/绳压块b上；
9、所述连杆端绳轮、电机端绳轮、绳索和变刚度弹性单元共同组成拮抗式变刚度机构，所述拮抗式变刚度机构以绳轮-绳索传动机构为基底，电机端绳轮为输入端，连杆端绳轮为输出端；两个变刚度弹性单元分别安装于绳轮上、下两侧的绳索中部，绳索连接在绳连接盖上。
10、上述技术方案中，所述电机模块还包括调节螺丝和调节螺母，所述调节螺丝尾部穿过滑动电机座底部、电机模块导轨底板上的凸台后，与调节螺母连接，且所述调节螺母与电机模块导轨底板上的凸台接触。
11、上述技术方案中，所述输出杆、活动杆、输入杆之间的连接通过连杆轴、铜垫圈、铜挡片和滚针轴承完成。
12、上述技术方案中，在活动杆两端分别压入一个滚针轴承，在输入杆和输出杆上对应位置安装连杆轴和铜垫圈、铜挡片，铜垫圈和铜挡片夹住滚针轴承，通过连杆轴和滚针轴承将输入杆、活动杆、输出杆依次连接。
13、上述技术方案中，所述输出杆通过输出轴一端的输出轴挡片实现轴向定位。
14、上述技术方案中，所述输入轴座左板和输入轴座右板上部连接输入轴座盖板。
15、上述技术方案，还包括底板，所述电机模块导轨底板、推杆固定座、输入轴底板、输出轴座底板均安装在底板上。
16、上述技术方案中，所述推杆的高度与电机端绳轮、连杆端绳轮的圆心高度一致。
17、上述技术方案中，所述输出轴的直径小于输入轴。
18、上述技术方案中，所述变构四连杆变速比模块还包括编码器，所述编码器安装在输出轴座左板外侧，且所述编码器与输出轴另一端连接。
19、本发明的有益效果为：
20、(1)本发明设计了一种变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，将变构四连杆变速比模块和拮抗式变刚度机构结合在一起；在具体设计上，变构四连杆变速比模块主体为变构四连杆结构，其输入轴位置可沿滑动轨道改变，使变速比模块在平行四连杆机构和双曲柄机构之间的变化，实现减速比变化曲线的调节；拮抗式变刚度机构由绳轮-绳索传动结构和拉伸式变刚度弹性单元组成，变刚度弹性单元分别串联于绳轮两侧的绳索上形成拮抗式排布，通过改变输入和输出绳轮的间距实现刚度调节；本发明通过变构四连杆变速比模块放大了拮抗式变刚度机构的输出扭矩，利用变刚度弹性单元为关节提供机械缓冲应对机器人的落地冲击，兼顾了高爆发能力和机械缓冲能力。
21、(2)本发明在具体设计上，变构四连杆变速比模块输入轴与拮抗式变刚度机构的连杆端绳轮连接，将减速比和刚度的调节耦合在一起，通过一个推杆便可改变输入、输出轴间距和绳轮间距，同时实现关节减速比变化曲线和关节刚度的主动调节，节约了驱动组件的使用。
22、(3)本发明中变构四连杆变速比模块和拮抗式变刚度机构的调节耦合，实现了关节大刚度大减速比、小刚度小减速比两种模式的耦合；大刚度大减速比模式符合机器人起跳时对关节爆发力和动作准确性的需求；小刚度小减速比模式更适合吸收冲击，有利于防止机器人落地时损坏硬件，从原理上有利于机器人执行跳跃运动。
1.一种变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述电机模块(1)还包括调节螺丝(109)和调节螺母(110)，所述调节螺丝(109)尾部穿过滑动电机座(102)底部、电机模块导轨底板(107)上的凸台后，与调节螺母(110)连接，且所述调节螺母(110)与电机模块导轨底板(107)上的凸台接触。
3.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述输出杆(324)、活动杆(323)、输入杆(322)之间的连接通过连杆轴(325)、铜垫圈(326)、铜挡片(327)和滚针轴承完成。
4.根据权利要求3所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，在活动杆(323)两端分别压入一个滚针轴承，在输入杆(322)和输出杆(324)上对应位置安装连杆轴(325)和铜垫圈(326)、铜挡片(327)，铜垫圈(326)和铜挡片(327)夹住滚针轴承，通过连杆轴(325)和滚针轴承将输入杆(322)、活动杆(323)、输出杆(324)依次连接。
5.根据权利要求4所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述输出杆(324)通过输出轴(315)一端的输出轴挡片(321)实现轴向定位。
6.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述输入轴座左板(302)和输入轴座右板(303)上部连接输入轴座盖板(305)。
7.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，还包括底板(6)，所述电机模块导轨底板(107)、推杆固定座(203)、输入轴底板(313)、输出轴座底板(318)均安装在底板(6)上。
8.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述推杆(201)的高度与电机端绳轮(104)、连杆端绳轮(310)的圆心高度一致。
9.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述输出轴(315)的直径小于输入轴(301)。
10.根据权利要求1所述的变减速比-变刚度耦合的仿人机器人膝关节，其特征在于，所述变构四连杆变速比模块(3)还包括编码器(320)，所述编码器(320)安装在输出轴座左板(316)外侧，且所述编码器(320)与输出轴(315)另一端连接。
