CN102756766B - 一种足式机器人驱动腿机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种足式机器人驱动腿机构，属于足式机器人技术领域。该驱动腿机构包括腿支架、大腿骨、大腿前摆缸、大腿前拉索、大腿前滑轮、小腿前滑轮、小腿前拉索、小腿前摆缸、关节垫、小腿骨、球形足、小腿后拉索、小腿后摆缸、小腿后滑轮、大腿后滑轮、大腿后拉索、大腿后摆缸、膝关节柱、髋关节柱；腿支架与髋关节柱铰接组成髋关节，大腿骨上端与髋关节柱固连，关节垫位于大腿骨的下端并与膝关节柱铰接，大腿骨、关节垫及膝关节柱组成膝关节，小腿骨上端与膝关节柱固连，小腿骨下端与球形足固连。本发明具有结构紧凑、重量轻、能耗小、易实现快速的关节运动、承载能力稳定、足端运动空间大、缓冲性能好以及使用寿命长的优点。

Description

一种足式机器人驱动腿机构

技术领域

本发明属于足式机器人技术领域，具体涉及一种足式机器人驱动腿机构。

背景技术

足式机器人需要通过膝关节和髋关节组成的腿机构来控制小腿相对于大腿、大腿相对于机体的运动，从而实现足式机器人的各种步态运动。为了提高足式机器人的运动性能，由髋关节和膝关节组成的腿机构需要有较大的足端工作空间；同时，在具有足够承载能力的前提下，腿机构及其传动装置结构紧凑、自重轻、占用空间小，易于实现对腿关节的快速运动控制。在现有的足式机器人的腿机构中，通常采用电机及其传动装置或液压缸及连杆机构来驱动关节转动。虽然电机驱动技术成熟，双向运动控制稳定可靠，但电机及其传动装置安装在大腿和小腿，增加的腿机构的运动质量和结构空间，驱动功率受腿结构空间限制；同时，由于机械惯性的影响，髋关节和膝关节的往复运动频率较小。因此，电机驱动的腿机构存在重量大，承载能力小，能耗大和机器人运动速度不高的问题。液压缸及连杆机构驱动可大大提高腿机构的承载能力，但在较大关节运动转角的情况下，液压缸的工作行程较大，增加了腿机构的结构空间；同时，液压缸的推（拉）力不变时，驱动力臂变化导致关节驱动力矩不稳定。因此，液压缸及连杆机构驱动的腿机构存在关节运动空间小和结构不紧凑的缺点。中国专利200610047169.8是一种电机驱动的腿机构，膝关节驱动电机安装在髋关节和膝关节之间的大腿上，膝关节为两个四连杆封闭链结构，可提高足端离地高度，增强脚在行走过程中的避障能力。然而，驱动电机及其传动装置增加了大腿的重量和结构空间，膝关节机构复杂，运动副多，足端工作空间较小。

发明内容

为了克服现有足式机器人腿机构的结构笨重、承载能力小和运动空间小的不足，本发明基于动物通过肌腱的收缩和松弛来驱动关节转动的原理，提供一种结构简单、承载能力大、运动质量小且易于控制的足式机器人驱动腿机构。该驱动腿机构结构紧凑，具有良好的缓冲性能，不仅适用于多足机器人的前腿，也适用于其后腿。

本发明所提供的一种足式机器人驱动腿机构包括腿支架1、大腿骨2、大腿前摆缸3、大腿前拉索4、大腿前滑轮5、小腿前滑轮6、小腿前拉索7、小腿前摆缸8、关节垫9、小腿骨10、球形足11、小腿后拉索12、小腿后摆缸13、小腿后滑轮14、大腿后滑轮15、大腿后拉索16、大腿后摆缸17、膝关节柱24、髋关节柱28；所述腿支架1与髋关节柱28铰接组成髋关节；所述大腿骨2的上端与髋关节柱28固连，所述关节垫9位于大腿骨2的下部并与大腿骨2固连，所述大腿骨2的下端与膝关节柱24铰接，所述大腿骨2、关节垫9以及膝关节柱24组成膝关节；所述小腿骨10上端与膝关节柱24固连，所述小腿骨10下端与球形足11固连。

所述的大腿前摆缸3、大腿后摆缸17、小腿前摆缸8和小腿前摆缸13都是结构相同的柱塞缸，大腿前摆缸3和大腿后摆缸17的缸体平行布置在大腿骨2的前后侧并固定于大腿骨2的上部，小腿前摆缸8和小腿前摆缸13的缸体平行布置在大腿骨2的前后侧并固定于大腿骨2的下部。

所述的大腿前滑轮5、大腿后滑轮15、小腿前滑轮6和小腿后滑轮14分别安装在大腿骨2中部的四段导向槽中，大腿前滑轮5、大腿后滑轮15、小腿前滑轮6和小腿后滑轮14分别与各自的导向槽形成移动副。

所述的大腿前拉索4的一端固定于大腿骨2的中上部，另一端绕过大腿前滑轮5固定于腿支架1的前侧；所述大腿后拉索16的一端固定于大腿骨2的中上部，另一端绕过大腿后滑轮15固定于腿支架1的后侧；所述小腿前拉索7的一端固定于大腿骨2的中下部，另一端绕过小腿前滑轮6固定于小腿骨10的前侧；所述小腿后拉索12的一端固定于大腿骨2的中下部，另一端绕过小腿后滑轮14固定于小腿骨10的后侧。

所述的大腿前摆缸3的柱塞和大腿前滑轮5的滑座保持接触，大腿后摆缸17的柱塞和大腿后滑轮15的滑座保持接触，小腿前摆缸8的柱塞和小腿前滑轮6的滑座保持接触，所述小腿前摆缸13的柱塞和小腿后滑轮14的滑座保持接触。

所述的关节垫9的半圆柱表面与膝关节柱24的圆柱面接触。

当大腿前摆缸的柱塞伸出时，推动大腿前滑轮移动使大腿前拉索拉紧，从而驱动大腿骨相对于腿支架向前摆动；同时，大腿后拉索带动大腿后滑轮移动使大腿后摆动缸的柱塞缩回。反之，当大腿后摆缸的柱塞伸出时，推动大腿后滑轮移动使大腿后拉索拉紧，从而驱动大腿骨相对于腿支架向后摆动；同时，大腿前拉索带动大腿前滑轮移动使大腿前摆动缸的柱塞缩回。

当小腿前摆缸的柱塞伸出时，推动小腿前滑轮移动使小腿前拉索拉紧，从而驱动小腿骨相对于大腿骨向前摆动；同时，小腿后拉索带动小腿后滑轮移动使小腿后摆动缸的柱塞缩回。反之，当小腿后摆缸的柱塞伸出时，推动小腿后滑轮移动使小腿后拉索拉紧，从而驱动小腿骨相对于大腿骨向后摆动；同时，小腿前拉索带动小腿前滑轮移动使小腿前摆动缸的柱塞缩回。

柱塞缸密封结构简单，体积小，采用油压或气压传动，腿机构的重量大大减小。无论是大腿摆动还是小腿摆动都是双柱塞缸工作模式，即：一柱塞缸为主动缸，另一柱塞缸为从动缸。调节从动缸的输出流量，容易实现快速的关节运动控制。

本发明采用动滑轮沿导向槽移动将柱塞的推力转变为驱动关节运动的拉力，不仅缩短了柱塞缸的工作行程，使腿机构的结构更加紧凑，而且扩大了关节运动的空间。动滑轮沿大腿骨的导向槽运动，拉索的拉力不会使柱塞缸的柱塞承受侧向作用力，因而可提高柱塞缸的使用寿命。

大腿前拉索、大腿后拉索、小腿前拉索和小腿后拉索都是截面为矩形的柔性带，与滑轮轮面接触均匀，不易跑偏，受力面积大，能承受较大的拉力。在大腿或小腿摆动过程中，柔性带与髋关节柱或膝关节柱的圆柱面接触使驱动关节运动的力臂保持不变。因此，本发明的腿机构在不同位姿时都有较大的承载能力。

关节垫是膝关节的弹性构件，它与膝关节柱有较大的接触面积，因而可承受较大的关节负载。关节垫与膝关节柱的接触面之间形成润滑油膜，可减小膝关节的摩擦系数，延长膝关节的使用寿命。球形足为可充气的空心球，表面设有花纹可增加行走时的附着力，球内气体可大大缓冲地面的冲击力。

本发明具有如下优点：

1、腿机构的结构紧凑，重量轻，能耗小，容易实现快速的关节运动。

2、髋关节和膝关节的驱动力臂变化小，承载能力稳定，足端运动空间大。

3、缓冲性能好，使用寿命长。

附图说明

图1：为本发明足式机器人驱动腿机构的主视图。

图2：为本发明足式机器人驱动腿机构的左视图。

图中：1.腿支架、2.大腿骨、3.大腿前摆缸、4.大腿前拉索、5.大腿前滑轮、6.小腿前滑轮、7.小腿前拉索、8.小腿前摆缸、9.关节垫、10.小腿骨、11.球形足、12.小腿后拉索、13.小腿后摆缸、14.小腿后滑轮、15.大腿后滑轮、16.大腿后拉索、17.大腿后摆缸、18.空心轴、19.轴承、20.滑座、21.带轮、22.铆钉、23.弹性轴套、24.膝关节柱、25.销轴、26. 轴套、27.螺栓、28.髋关节柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

髋关节柱28与大腿骨2固接，它的内孔与轴承19的外圈配合，轴承19的内圈与空心轴18配合，空心轴18的两端用螺栓27与腿支架1固接，形成大腿的髋关节。小腿骨10的上端与膝关节柱24固接，关节垫9通过螺钉固定在大腿骨2的下端，并与膝关节柱24的圆柱面接触，用于承受膝关节的主要负载；同时，大腿骨2下端的凸耳与铆钉22固接，弹性轴套23固定安装在膝关节柱24的通孔中，铆钉22与弹性轴套23间隙配合形成大腿骨2和膝关节柱24之间的辅助铰接，保证小腿骨不会错位。

大腿前摆缸3、大腿后摆缸17、小腿前摆缸8和小腿后摆缸13都是单作用柱塞缸。其中，大腿前摆缸3的缸体通过螺钉固定安装在大腿骨2的上部前侧，大腿前摆缸3的柱塞压靠于大腿前滑轮5的滑座；而大腿后摆缸17的缸体通过螺钉固定安装在大腿骨2的上部后侧，大腿后摆缸17的柱塞压靠于大腿后滑轮15的滑座。小腿前摆缸8的缸体通过螺钉固定安装在大腿骨2的下部前侧，小腿前摆缸8的柱塞压靠于小腿前滑轮6的滑座；而小腿后摆缸13的缸体通过螺钉固定安装在大腿骨2的下部后侧，小腿后摆缸13的柱塞压靠于小腿后滑轮14的滑座。

大腿前滑轮5、大腿后滑轮15、小腿前滑轮6和小腿后滑轮14的结构组成相同，由滑座20、带轮21、销轴25和轴套26组成，轴套26固定安装在带轮21的内孔中并以间隙配合支承在销轴25上，销轴25固定安装在滑座20的孔中。大腿骨2的中部设有四段导向槽，大腿前滑轮5、大腿后滑轮15、小腿前滑轮6和小腿后滑轮14安装在对应的导向槽中，分别沿各自的导向槽上下移动。

大腿前拉索4一端固定于腿支架1前侧，另一端绕过大腿前滑轮5固连于大腿骨2的中上部；而大腿后拉索16一端固定于腿支架1后侧，另一端绕过大腿后滑轮15固连于大腿骨2的中上部。当大腿前摆缸3的柱塞伸出时，大腿骨2在大腿前拉索4的作用下向前转动，同时大腿后摆缸的柱塞在大腿后拉索16的作用下与大腿后滑轮15一起缩回。反之，当大腿后摆缸17的柱塞伸出时，大腿骨2在大腿后拉索16的作用下向后转动，同时大腿前摆缸3的柱塞在大腿前拉索4的作用下与大腿前滑轮5一起缩回。这种双柱塞缸的柱塞往复运动实现了大腿的双向摆动。

小腿前拉索7一端固定在大腿骨2的中下部，另一端绕过小腿前滑轮6固定在小腿骨10的前侧；而小腿后拉索16一端固定在大腿骨2的中下部，另一端绕过小腿后滑轮14固定于小腿骨10的后侧。当小腿前摆缸8的柱塞伸出时，小腿骨10在小腿前拉索7的作用下向前转动，同时小腿后摆缸13的柱塞在小腿后拉索12的作用下与小腿后滑轮14一起缩回。反之，当小腿后摆缸13的柱塞伸出时，小腿骨10在小腿后拉索12的作用下向后转动，同时小腿前摆缸8的柱塞在小腿前拉索7的作用下与小腿前滑轮6一起缩回。上述双柱塞缸的柱塞往复运动实现了小腿的双向摆动。

小腿骨10下端与球形足12固连，球形足12是可充气的空心弹性球体，外表有增加附着力的花纹，球内气体可缓冲地面的冲击力。

以大腿和小腿直立时为基准，大腿骨2向后摆动的极限角度称为大腿后摆幅角β，，向前摆动的极限角度称为大腿前摆幅角α，小腿骨10相对于大腿骨2向后摆动的极限角度称为小腿后摆幅角δ。幅角α、β、δ数值越大，腿机构的足端工作空间越大。本具体实施方式中，α为75°，β为50°，δ为135°，保证了腿机构的足端有较大的工作空间。

不管大腿骨2和小腿骨10处于何种位置，大腿前拉索4、大腿后拉索16、小腿前拉索7、小腿后拉索12的长度均保持不变。由于拉索可以弯曲，大腿前拉索4和大腿后拉索16在大腿摆动过程中能压靠在髋关节柱28的表面，小腿前拉索7和小腿后拉索12在小腿摆动过程中能压靠在膝关节柱24的表面，保证了拉索的拉力对关节中心的力臂大小稳定，使膝关节和和髋关节都有较大的承载能力。

Claims (6)

1.一种足式机器人驱动腿机构，其特征在于所述的驱动腿机构包括腿支架（1）、大腿骨（2）、大腿前摆缸（3）、大腿前拉索（4）、大腿前滑轮（5）、小腿前滑轮（6）、小腿前拉索（7）、小腿前摆缸（8）、关节垫（9）、小腿骨（10）、球形足（11）、小腿后拉索（12）、小腿后摆缸（13）、小腿后滑轮（14）、大腿后滑轮（15）、大腿后拉索（16）、大腿后摆缸（17）、膝关节柱（24）、髋关节柱（28）；所述腿支架（1）与髋关节柱（28）铰接组成髋关节；所述大腿骨（2）的上端与髋关节柱（28）固连，所述关节垫（9）位于大腿骨（2）的下部并与大腿骨（2）固连，所述大腿骨（2）的下端与膝关节柱（24）铰接，所述大腿骨（2）、关节垫（9）以及膝关节柱（24）组成膝关节；所述小腿骨（10）上端与膝关节柱（24）固连，所述小腿骨（10）下端与球形足（11）固连。

2.根据权利要求1所述的一种足式机器人驱动腿机构，其特征在于所述的大腿前摆缸（3）、大腿后摆缸（17）、小腿前摆缸（8）和小腿后摆缸（13）都是结构相同的柱塞缸，所述大腿前摆缸（3）和大腿后摆缸（17）的缸体平行布置在大腿骨（2）的前后侧并固定于大腿骨（2）的上部，所述小腿前摆缸（8）和小腿后摆缸（13）的缸体平行布置在大腿骨（2）的前后侧并固定于大腿骨（2）的下部。

3.根据权利要求1所述的一种足式机器人驱动腿机构，其特征在于所述的大腿前滑轮（5）、大腿后滑轮（15）、小腿前滑轮（6）和小腿后滑轮（14）分别安装在大腿骨（2）中部的四段导向槽中，所述大腿前滑轮（5）、大腿后滑轮（15）、小腿前滑轮（6）和小腿后滑轮（14）分别与各自的导向槽形成移动副。

4.根据权利要求1所述的一种足式机器人驱动腿机构，其特征在于所述的大腿前拉索（4）的一端固定于大腿骨（2）的中上部，另一端绕过大腿前滑轮（5）固定于腿支架（1）的前侧；所述大腿后拉索（16）的一端固定于大腿骨（2）的中上部，另一端绕过大腿后滑轮（15）固定于腿支架（1）的后侧；所述小腿前拉索（7）的一端固定于大腿骨（2）的中下部，另一端绕过小腿前滑轮（6）固定于小腿骨（10）的前侧；所述小腿后拉索（12）的一端固定于大腿骨（2）的中下部，另一端绕过小腿后滑轮（14）固定于小腿骨（10）的后侧。

5.根据权利要求1所述的一种足式机器人驱动腿机构，其特征在于所述的大腿前摆缸（3）的柱塞和大腿前滑轮（5）的滑座保持接触，所述大腿后摆缸（17）的柱塞和大腿后滑轮（15）的滑座保持接触，所述小腿前摆缸（8）的柱塞和小腿前滑轮（6）的滑座保持接触，所述小腿后摆缸（13）的柱塞和小腿后滑轮（14）的滑座保持接触。

6.根据权利要求1所述的一种足式机器人驱动腿机构，其特征在于所述的关节垫（9）的半圆柱表面与膝关节柱（24）的圆柱面接触。

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