CN102717847A - 四足机器人低转动惯量配置的腿足机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机器人的低转动惯量配置的腿足机构，该腿足机构包括髋关节、大腿、膝关节、小腿，还包括一个固定连接于机器人本体的髋关节电机，该髋关节电机包括一个垂直于大腿的轴向的动力输出轴，其通过一个髋关节同步带带动髋关节的枢转部，从而带动大腿相对于本体进行转动；此外，该腿足机构还包括安装于大腿的上部的膝关节电机，膝关节电机包括平行于大腿的轴向的动力输出轴，第一带轮通过蜗轮蜗杆与该膝关节电机的动力输出轴相连，以将其转动进行90度的转换，并且第一带轮通过膝关节同步带带动第二带轮转动，从而带动小腿相对于膝关节的固定部进行转动。本发明减小了髋关节的转动惯量，使髋关节电机得到最大的功率利用，使机器人能够更加平稳的行走。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及四足机器人的腿足机构，特别是一种具有低转动惯量配置的四足机器人的腿足机构。
背景技术
四足机器人是一个新兴的技术领域，目前正在处于探索发展之中，四足机器人设计成功与否的关键技术之一是机器人腿足结构。
现有的机器人腿足机构为单一电机带动关节运动的装置，并且腿足结构比较简单，缺少一些相应的传感和限位装置，转动惯量比较高，不利于四足机器人行走。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对当前的机器人腿足机构的转动惯量过高且安全性差，不适于四足机器人应用的问题，本发明提供了一种具有低转动惯量配置的四足机器人的腿足机构。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种用于机器人的腿足机构，该机器人包括本体，该腿足机构包括髋关节、大腿、膝关节、小腿，其中髋关节和膝关节均具有一个固定部和一个相对于该固定部作枢转运动的枢转部，所述髋关节的固定部固定连接于所述本体，所述髋关节的枢转部固定连接于所述大腿的上部，所述膝关节的固定部固定连接于所述大腿的下部，所述膝关节的枢转部固定连接于所述小腿的上部，该腿足机构还包括一个固定连接于所述本体的髋关节电机，该髋关节电机包括一个垂直于大腿的轴向的动力输出轴，该动力输出轴通过一个髋关节同步带带动髋关节的枢转部相对于髋关节的固定部进行转动，从而带动大腿相对于所述本体进行转动。
根据本发明的一种具体实施方式，该腿足机构还包括一个安装于大腿的上部的膝关节电机、一个蜗轮蜗杆、一个第一带轮、一个膝关节同步带和一个第二带轮；该膝关节电机包括一个平行于大腿的轴向的动力输出轴，该第一带轮通过该蜗轮蜗杆与该膝关节电机的动力输出轴相连，以将该膝关节电机的动力输出轴的转动进行90度的转换，使该第一带轮在平行于大腿的轴向的转动平面上转动；并且，该第一带轮通过该膝关节同步带带动该第二带轮转动；该第二带轮与所述膝关节的枢轴部固定连接，带动小腿相对于所述膝关节的固定部进行转动。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一带轮和第二带轮位于所述大腿的相对于本体的外侧位置。
根据本发明的一种具体实施方式，所述蜗轮蜗杆的转动轴与髋关节的枢转部同轴。
根据本发明的一种具体实施方式，所述髋关节或膝关节上安装有限位构件，该限位构件用于防止关节运动幅度过大。
根据本发明的一种具体实施方式，所述限位构件为机械限位构件，其通过机械方式限制构件的相对运动。
根据本发明的一种具体实施方式，述机械限位构件件包括限位块和限位栓，其分别固定于关节的固定部和枢转部，限位块位于限位栓的运动路径上。
根据本发明的一种具体实施方式，所述限位块的安装位置是可调的。
根据本发明的一种具体实施方式，所述限位构件为感应限位机构，其用于对构件的相对机械运动进行感应产生感应信号的构件，并将该感应信号发送给一个外部控制装置，使该外部控制装置通过对该感应信号的处理来限制所述构件的相对机械运动。
根据本发明的一种具体实施方式，所述感应限位机构为霍尔限位机构，其包括一个霍尔传感器和一个感应片，其分别安装于能够绕髋关节或膝关节相对转动的两个机械构件上。
根据本发明的一种具体实施方式，所述感应片包括磁性材料，所述外部控制器为所述机器人的上位控制器。
根据本发明的一种具体实施方式，该腿足机构还包括一个足部，该足部安装有触地感知机构和被动柔顺机构，所述触地感知机构用于感知所述足部触地力的大小，所述被动柔顺机构用于缓冲所述足部落地瞬间的碰撞。
根据本发明的一种具体实施方式，所述触地感知机构包括触地传感器和弹簧，所述弹簧安装于足部的一个可伸缩装置的立柱上。
根据本发明的一种具体实施方式，所述被动柔顺机构包括脚套，其安装于机器人的足部的底部。
根据本发明的一种具体实施方式，所述被动柔顺机构包括缓冲垫片，其安装于触地传感器的上下两面。
(三)有益效果
本发明的四足机器人的腿足机构采用同步带进行传动，膝关节电机纵向安装于大腿上部，使蜗轮蜗杆对其输出转动进行90度转换，从而大大的减小了髋关节的转动惯量，使髋关节电机得到最大的功率利用，使机器人能够更加平稳的行走。
本发明的四足机器人的腿足结构安装有可以调节的机械限位和传感限位，增加了安全性。
本发明的足部底部便于安装触地传感器，并能够大大减小了缓冲力，从而能够很好的适应环境的变化。
附图说明
图1为本发明的四足机器人的腿足机构的立体结构示意图；
图2是本发明的一个具体实施例的机械限位构件的安装示意图；
图3是本发明的一个具体实施例的霍尔限位构件的安装示意图；
图4是本发明的腿足机构的足部结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种低转动惯量配置的四足机器人的腿足机构，该腿足机构包括髋关节、大腿、膝关节、小腿和足部。其中，髋关节和膝关节均为一个枢轴结构，即具有一个固定部和相对于该固定部作枢转运动的枢转部。髋关节的固定部固定连接于四足机器人的躯体，其枢转部固定连接于大腿上部；膝关节的固定部固定连接于大腿下部，其枢转部固定连接于小腿的上部。由此，髋关节和膝关节构成了该腿足机构进行行走的两个自由度。
图1为本发明的四足机器人的腿足机构的立体结构示意图。
如图1所示，本发明的腿足机构还包括一个髋关节电机1，其也固定连接于四足机器人的躯体，该髋关节电机1包括一个输出转动力矩的动力输出轴，该动力输出轴垂直于大腿的轴向，并通过一个髋关节同步带2带动髋关节的枢转部，使之相对于髋关节的固定部进行转动，从而带动大腿8相对于本体进行转动。
本发明的腿足机构还包括一个膝关节电机3，该膝关节电机3安装于大腿8的上部，其也包括一个输出转动力矩的动力输出轴，但是，与髋关节电机1不同的是，膝关节电机3的动力输出轴平行于大腿8的轴向。为了将膝关节电机3的动力输出轴转动力传动给膝关节以带动小腿的转动，本发明在通过一个蜗轮蜗杆和两个带轮进行传动。具体来说，在大腿8的上部的相对于本体的外侧位置设置一个可相对于大腿8进行转动的第一带轮5，该第一带轮5通过一个蜗轮蜗杆4与膝关节电机3的动力输出轴相连接，由于蜗轮蜗杆4的作用，将膝关节电机3的动力输出轴的转动进行90度的转换，即将膝关节电机3的动力输出轴的转动平面由垂直于大腿8转变为平行于大腿8。并且，在大腿8的下部，并于大腿8的安装所述第一带轮5的同一侧安装有第二带轮7，该第二带轮7与膝关节的枢轴部固定连接。并且，在第一带轮5和第二带轮7之间通过一个膝关节同步带6进行传动。由此，将膝关节电机3的动力输出轴的转动通过蜗轮蜗杆4和带轮的传动，转换为膝关节枢转部的转动，从而带动小腿9相对于膝关节的固定部的转动。
如上所述，本发明将蜗轮蜗杆4和膝关节电机7安装于机器人的大腿8的上部。更优选的是，将蜗轮蜗杆4的转动轴设置为与髋关节的枢转部同轴。蜗轮蜗杆4的质量较大，当其设置为与髋关节同轴时，大大的降低大腿部分的转动惯量，从而大大降低髋关节电机1所需的驱动力。
机器人在行走时，由于可能存在各种不可预知的情况，导致机器人不能按照既定的程序进行行走，所以机器人必须安装限位，以使机器人的各个关节不会发生运动幅度过大，这样，既可以保护机器人本体的安全，也可以防止机器人对周围操作人员的生命造成威胁。
根据本发明，机器人的髋关节和膝关节处均安装限位构件。所述限位构件包括机械限位构件和感应限位构件。所谓机械限位构件是通过机械方式限制构件的相对运动的限位构件，感应限位构件是能够对构件的相对机械运动进行感应产生感应信号的构件，并发送给外部控制装置，使外部控制装置能够通过对该感应信号的处理来限制机械运动。
根据本发明的一个具体实施例，可以在髋关节或膝关节处安装机械限位构件。图2是本发明的一个具体实施例的机械限位构件的安装示意图，该图中以膝关节为例进行说明。其中，机械限件构件包括限位块10和限位栓11，其分别固定于关节的固定部和枢转部，并且使限位块10位于限位栓11的运动路径上。当电机运转时，限位栓11随着关节的枢转部发生转动，当限位栓11碰触固定在固定部上的限位块10时，关节的转动角度被限制。所述的限位块10和限位栓11优选为抗压性能较好的金属构件，例如限位块10为一铁块，限位栓11为一合金螺栓。
根据本发明的优选实施方式，限位块10的位置是可调的，以便于根据需要限定关节运动的幅度。
需要注意的是，以上所述的机械限位构件仅仅是一种示例，本领域技术人员也可以其它的机械限位构件来对本发明的腿足机构的运动进行限位。
在本发明中，还采用了感应限位机构。在本发明的一个具体实施例中，所述感应限位机构为霍尔限位机构。霍尔限位机构利用的是霍尔感应的原理，其包括霍尔传感器12和感应片13，其分别安装于能够相对运动的两个机械构件上，以使其能通过该两个机械构件的相对运动而相互靠近或远离。根据本发明，可以在四足机器人的腿足机构的髋关节处或膝关节处安装霍尔限位机构，霍尔传感器12和感应片13分别安装于能够绕所述关节相对转动的两个机械构件上。
图3是本发明的一个具体实施例的霍尔限位构件的安装示意图。该图中同样以膝关节为例进行说明。其中霍尔传感器12通过一个安装座安装大腿8上，感应片13安装在膝关节的枢转轴上。当膝关节电机3运转时，带动感应片13绕膝关节的枢转轴进行转动，使之远离或靠近霍尔传感器12。在该实施例中，感应片13是一个铝合金薄片，并在铝合金薄片上贴有磁性材料，例如磁钢材料。当感应片转到靠近霍尔传感器12的位置时，由于磁感应，霍尔传感器12向机器人上位控制器(例如是一个计算机)发送一个感应信号(例如一个高电平信号)，机器人上位控制机接受该感应信号，启动相应的程序对膝关节的运动进行控制。例如当机器人的大腿顺时针运动到霍尔传感限位装置时，上位控制器接受到一个高电平信号，然后向电机发送指令，机器人大腿做逆时针运动或者停止。
根据本发明的四足机器人的腿足机构，其足部的底部还安装有触地感知机构和被动柔顺机构。触地感知机构用于感知机器人腿足机构的足部触地力的大小，被动柔顺机构用于缓冲足部落地瞬间的碰撞。
图4是本发明的腿足机构的足部的结构示意图。如图4所示，该图的上部为足部的脚跟部分，图的下部分为足部的脚掌部分。该足部安装有触地感知机构和被动柔顺机构，其中触地感知机构包括触地传感器14和弹簧15，触地传感器14位于缓冲垫片18中间，弹簧15安装于伸缩装置处。当机器人的足部触地时，压迫伸缩装置里面的弹簧15，使弹簧15发生形变，触地传感器14受到一个由小开始增大的压迫力。当这个压迫力到达预定的第一压力阈值F1时，触地传感器14向机器人上位控制器发送一个触地信号(例如一个高电平信号)；当机器人的足部离地时，弹簧15开始恢复，触地传感器14所受的压迫力开始变小，当压迫力到达预定的第二压力阈值F2时，触地传感器14向机器人上位控制器发送一个离地信号(例如一个低电平信号)。
根据本发明的足部还包括被动柔顺机构，该被动1柔顺机构包括脚套17和缓冲垫片18，其中脚套17通过紧固螺帽16安装于足底，缓冲垫片18安装于触底传感器14的两面，并通过一个销子19防止其被弹簧15弹出。缓冲垫片18和脚套17均可由橡校等具有弹性变形性能的材料构成，它们均可以用于可以缓冲机器人足部落地瞬间的碰撞，也可以防止机器人足部在光滑路面上行走时发生打滑。
以上具体说明了本发明的用于四足机器人的腿足机构，但是，本发明也可用于其它类型的机器人的腿足机构，例如双足机器人等。只要机器人设计为利用腿足机构进行行走，本发明的腿足机构均可以应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种用于机器人的腿足机构，该机器人包括本体，该腿足机构包括髋关节、大腿、膝关节、小腿，其中髋关节和膝关节均具有一个固定部和一个相对于该固定部作枢转运动的枢转部，所述髋关节的固定部固定连接于所述本体，所述髋关节的枢转部固定连接于所述大腿的上部，所述膝关节的固定部固定连接于所述大腿的下部，所述膝关节的枢转部固定连接于所述小腿的上部，其特征在于，
该腿足机构还包括一个固定连接于所述本体的髋关节电机(1)，该髋关节电机包括一个垂直于大腿的轴向的动力输出轴，该动力输出轴通过一个髋关节同步带(2)带动髋关节的枢转部相对于髋关节的固定部进行转动，从而带动大腿(8)相对于所述本体进行转动。
2.如权利要求1所述的机器人的腿足机构，其特征在于，
该腿足机构还包括一个安装于大腿的上部的膝关节电机(3)、一个蜗轮蜗杆(4)、一个第一带轮(5)、一个膝关节同步带(6)和一个第二带轮(7)；
该膝关节电机包括一个平行于大腿的轴向的动力输出轴，该第一带轮通过该蜗轮蜗杆与该膝关节电机的动力输出轴相连，以将该膝关节电机的动力输出轴的转动进行90度的转换，使该第一带轮在平行于大腿的轴向的转动平面上转动；并且，
该第一带轮通过该膝关节同步带带动该第二带轮转动；
该第二带轮与所述膝关节的枢轴部固定连接，带动小腿(9)相对于所述膝关节的固定部进行转动。
3.如权利要求2所述的机器人的腿足机构，其特征在于，所述第一带轮和第二带轮位于所述大腿的相对于本体的外侧位置。
4.如权利要求2所述的机器人的腿足机构，其特征在于，所述蜗轮蜗杆的转动轴与髋关节的枢转部同轴。
5.如权利要求2所述的机器人的腿足机构，其特征在于，所述髋关节或膝关节上安装有限位构件，该限位构件用于防止关节运动幅度过大。
6.如权利要求5所述机器人的腿足机构，其特征在于，所述限位构件为机械限位构件，其通过机械方式限制构件的相对运动。
7.如权利要求6所述机器人的腿足机构，其特征在于，所述机械限位构件件包括限位块(10)和限位栓(11)，其分别固定于关节的固定部和枢转部，限位块位于限位栓的运动路径上。
8.如权利要求7所述机器人的腿足机构，其特征在于，所述限位块的安装位置是可调的。
9.如权利要求5所述机器人的腿足机构，其特征在于，所述限位构件为感应限位机构，其用于对构件的相对机械运动进行感应产生感应信号的构件，并将该感应信号发送给一个外部控制装置，使该外部控制装置通过对该感应信号的处理来限制所述构件的相对机械运动。
10.如权利要求9所述机器人的腿足机构，其特征在于，所述感应限位机构为霍尔限位机构，其包括一个霍尔传感器(12)和一个感应片(13)，其分别安装于能够绕髋关节或膝关节相对转动的两个机械构件上。
11.如权利要求10所述机器人的腿足机构，其特征在于，所述感应片(13)包括磁性材料，所述外部控制器为所述机器人的上位控制器。
12.如权利要求2所述的机器人的腿足机构，其特征在于，该腿足机构还包括一个足部，该足部安装有触地感知机构和被动柔顺机构，所述触地感知机构用于感知所述足部触地力的大小，所述被动柔顺机构用于缓冲所述足部落地瞬间的碰撞。
13.如权利要求12所述的机器人的腿足机构，其特征在于，所述触地感知机构包括触地传感器(14)和弹簧(15)，所述弹簧(15)安装于足部的一个可伸缩装置的立柱上。
14.如权利要求12所述的机器人的腿足机构，其特征在于，所述被动柔顺机构包括脚套(17)，其安装于机器人的足部的底部。
15.如权利要求12所述的机器人的腿足机构，其特征在于，所述被动柔顺机构包括缓冲垫片(18)，其安装于触地传感器(14)的上下两面。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121010 |