CN103144693A - 一种四足仿生机器人腿机构 - Google Patents

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雷静桃
王峰
俞煌颖
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Abstract

本发明涉及一种四足仿生机器人腿机构，属于仿生机器人技术领域。本发明包括肩关节模块、股骨（或大腿）、膝关节模块、膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧、胫骨（或小腿）、被动踝关节及脚掌。所述四足仿生机器人的肩关节模块连接机器人的机体和股骨；所述的膝关节模块结构与肩关节模块完全相同，膝关节模块连接股骨和胫骨；所述膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧连接股骨和胫骨；所述被动踝关节连接脚掌和胫骨。本发明突出模块化的特点，关节结构紧凑，与其它模块或零部件连接接口简单，便于连接和拆卸；膝关节采用弹性缓冲和蓄能弹簧降低能量消耗，缓冲步行中冲击；足端设置缓冲及测力弹簧。四足仿生机器人腿机构结构紧凑，具有更好的灵活性。

Description

一种四足仿生机器人腿机构
技术领域
本发明涉及一种四足仿生机器人腿机构，结构设计突出体现相同的关节模块和标准接口等特点，总体结构轻盈紧凑、运动灵活、缓冲蓄能，能减少四足机器人高速步行的能耗，提高机器人的机动性。
背景技术
       随着机器人技术的迅猛发展，对能在复杂环境下执行任务的的特种机器人的需求日益增加。由于四足动物经过漫长的进化，对地形的适应能力较强，在复杂地形环境下能行走自如、高速奔跑、跳跃，其结构和运动方式为四足仿生机器人的研究提供了很好的借鉴。研发在复杂的非结构、危险环境下能实现稳定快速地行走，并代替人类完成危险作业的四足仿生机器人，成为各国机器人学界研究的热点。
        国内外研发了不同构型的四足机器人，但距离真正实用尚有许多关键技术待解决。研究大多集中机器人结构设计、步态规划、运动学和动力学分析、控制算法研究等方面，已有系统的研究并取得系列成果。由于四足机器人的四条腿机构完全相同，将模块化思想运用到四足仿生机器人，设计模块化腿机构和独立关节模块，关节和连杆间采用统一的机械和电气接口，不仅可根据需要自由组合关节模块和连杆模块，快速重构不同构型的机器人，而且提高四足仿生机器人整体结构的紧凑性、灵活性。与采用液压或气压驱动的四足机器人相比，轻载、小型的四足仿生机器人采用电机驱动能降低控制系统的复杂性和机器人的总重量，从而提高机器人的步行速度和行走步态的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种四足仿生机器人模块化腿机构，结构简单紧凑，模块化机动性好。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种四足仿生机器人模块化腿机构，由肩关节模块、股骨、膝关节模块、胫骨、膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧和踝关节及脚掌组成，其特征在于：
所述肩关节模块和膝关节模块结构尺寸均相同，构成模块化关节的零件结构尺寸、数量和固定方式均相同；所述肩关节模块连接仿生机器人机体和股骨；所述膝关节模块连接股骨和胫骨；所述膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧连接股骨和胫骨；所述脚掌和胫骨通过踝关节球铰连接。
所述的股骨为一复合形状钢板，外形根据犬类动物股骨形状设计，具有更好的仿生效果；其上加工若干孔以减轻腿部重量，减少步行过程中的能量消耗；股骨通过螺钉与肩关节模块的连接件紧固，实现与连接件的同步转动；股骨下固定环通过螺栓与膝关节模块的电机座紧固；靠近下固定环的吊耳连接膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧的一端。
所述的胫骨为一复合形状钢板，根据犬类动物胫骨形状设计，其整体尺寸均小于股骨，胫骨上固定面通过螺钉与膝关节模块的转动连接件紧固；胫骨下固定部分由两个环形凸台构成，通过踝关节球铰与脚掌连接，两环形凸台分别紧贴于脚掌内壁，实现胫骨的轴向定位；靠近上固定面的吊耳连接膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧的另一端。
所述的膝关节模块包括编码器、驱动电机、行星齿轮减速箱、开槽圆柱螺钉、键、转动连接件、弹性挡圈、深沟球轴承、六角螺栓、轴承端盖、开槽圆柱螺钉、关节基座、六角螺栓、电机座、六角螺栓；行星齿轮减速箱通过开槽圆柱螺钉固定在电机座上，电机座通过螺栓与股骨固定，实现膝关节模块与股骨的连接；另外，电机座与关节基座固定，关节基座通过开槽圆柱螺钉与轴承端盖固定；行星齿轮减速箱通过键将运动传递到转动连接件，转动连接件通过六角螺栓固定在胫骨上，胫骨实现与转动连接件的同步转动。
本发明与现有技术相比较，具有如下特点：
一、本发明采用模块化关节，系统结构简单，能提高运动精度和灵活性。
二、本发明在膝关节部位增加弹簧作为弹性缓冲和蓄能结构，既能降低运动时对关节的冲击，又可减少能量消耗。
三、本发明腿部的外形结构根据四足动物肢体骨骼设计，具有更好的仿生效果，减轻腿部机构重量，减少步行过程中能量消耗。
附图说明
图1是本发明一种四足仿生机器人的示意图；
图2是本发明四足仿生机器人腿机构的示意图；
图3是本发明腿机构股骨的示意图；
图4是本发明腿机构胫骨的示意图；
图5是本发明腿机构膝关节的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1
如附图1所示，本发明的四足仿生机器人腿机构由肩关节模块（Ⅰ）、股骨（Ⅱ）、膝关节模块（Ⅲ）、胫骨（Ⅳ）、膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧（Ⅴ）及脚掌（Ⅵ）组成。
所述肩关节模块（Ⅰ）和膝关节模块（Ⅲ）结构尺寸均相同，构成模块化关节的零件结构尺寸、数量和固定方式均相同；所述肩关节模块（Ⅰ）连接仿生机器人机体和股骨（Ⅱ）的上端；所述膝关节模块（Ⅲ）连接股骨（Ⅱ）的下端和胫骨（Ⅳ）的上端；所述膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧（Ⅴ）连接股骨（Ⅱ）和胫骨（Ⅳ）；所述脚掌（Ⅵ）和胫骨（Ⅳ）的下端通过踝关节球铰（A3）连接。
实施例2：
参见图2、图3、图4、图5，本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下
所述的股骨（Ⅱ）为一复合形状钢板，外形根据犬类动物股骨形状设计，具有更好的仿生效果；其上加工若干孔以减轻腿部重量，减少步行过程中的能量消耗；股骨（Ⅱ）通过螺钉（9）与肩关节模块（Ⅰ）的转动连接件（6）紧固，实现与转动连接件（6）的同步转动；股骨（Ⅱ）下固定环通过螺栓（15）与膝关节模块（Ⅲ）的电机座（14）紧固；靠近下固定环的吊耳（A1）连接膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧（Ⅴ）的一端。
所述的胫骨（Ⅳ）为一复合形状钢板，根据犬类动物胫骨形状设计，其整体尺寸均小于股骨（Ⅱ），胫骨（Ⅳ）上固定面通过螺钉（9）与膝关节模块（Ⅲ）的转动连接件（6）紧固；胫骨（Ⅳ）下固定部分由两个环形凸台构成，通过踝关节球铰（A3）与脚掌（Ⅵ）连接，两环形凸台分别紧贴于脚掌内壁，实现胫骨（Ⅳ）的轴向定位；靠近上固定面的吊耳（A2）连接膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧（Ⅴ）的另一端。
所述的膝关节模块（Ⅲ）包括编码器（1）、驱动电机（2）、行星齿轮减速箱（3）、开槽圆柱螺钉（4）、键（5）、转动连接件（6）、弹性挡圈（7）、深沟球轴承（8）、六角螺栓（9）、轴承端盖（10）、开槽圆柱螺钉（11）、关节基座（12）、六角螺栓（13）、电机座（14）、六角螺栓（15）；行星齿轮减速箱（3）通过开槽圆柱螺钉（4）固定在电机座（14）上，电机座通过螺栓（15）与股骨（Ⅱ）固定，实现膝关节模块（Ⅲ）与股骨（Ⅱ）的连接；另外，电机座（14）与关节基座（12）固定，关节基座（12）通过开槽圆柱螺钉（11）与轴承端盖（10）固定；行星齿轮减速箱（3）通过键（5）将运动传递到转动连接件（6），转动连接件（6）通过六角螺栓（9）固定在胫骨（Ⅳ）上，胫骨（Ⅳ）实现与转动连接件（6）的同步转动。
本发明四足仿生机器人腿机构的工作原理结合附图说明如下：肩关节模块和膝关节模块中，电机输出轴通过键与转动连接件相连，将电机的旋转运动传递到转动连接件，实现转动连接件的运动输出。转动连接件分别与股骨、胫骨紧固连接，从而带动股骨、胫骨摆动，控制肩关节模块和膝关节模块转动不同角位移，整个腿机构便随着股骨、胫骨的摆动做相应的运动。

Claims (4)

1.一种四足仿生机器人腿机构，由肩关节模块（Ⅰ）、股骨（Ⅱ）、膝关节模块（Ⅲ）、胫骨（Ⅳ）、膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧（Ⅴ）和被动踝关节及脚掌（Ⅵ）组成。其特征在于：
所述肩关节模块（Ⅰ）和膝关节模块（Ⅲ）结构尺寸均相同，构成模块化关节的零件结构尺寸、数量和固定方式均相同；所述肩关节模块（Ⅰ）连接仿生机器人机体和股骨（Ⅱ）得上端；所述膝关节模块（Ⅲ）连接股骨（Ⅱ）的下端和胫骨（Ⅳ）；所述膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧（Ⅴ）连接股骨（Ⅱ）和胫骨（Ⅳ）；所述脚掌（Ⅵ）和胫骨（Ⅳ）下端通过踝关节球铰（A3）连接。
2.根据权利要求书1所述的四足仿生机器人腿机构，其特征在于：所述的股骨（Ⅱ）为一复合形状钢板，外形根据犬类动物股骨形状设计，具有更好的仿生效果；其上加工若干孔以减轻腿部重量，减少步行过程中的能量消耗；股骨（Ⅱ）上端通过螺钉（9）与肩关节模块（Ⅰ）的一个转动连接件（6）紧固，实现与转动连接件（6）的同步转动；股骨（Ⅱ）的下固定环通过螺栓（15）与膝关节模块（Ⅲ）的电机座（14）紧固；靠近下固定环的吊耳（A1）连接膝关节弹性缓冲及蓄能弹簧（Ⅴ）的一端。
3.根据权利要求书2所述的四足仿生机器人腿机构，其特征在于：所述的胫骨（Ⅳ）为一复合形状钢板，根据犬类动物胫骨形状设计，其整体尺寸均小于股骨（Ⅱ），胫骨（Ⅳ）的上固定面通过螺钉（9）与膝关节模块（Ⅲ）的转动连接件（6）紧固；胫骨（Ⅳ）的下固定部分由两个环形凸台构成，通过踝关节球铰（A3）与脚掌（Ⅵ）连接，两环形凸台分别紧贴于脚掌内壁，实现胫骨（Ⅳ）的轴向定位；靠近上固定面的吊耳（A2）连接膝关节弹性缓冲和蓄能弹簧（Ⅴ）的另一端。
4.根据权利要求书1所述的四足仿生机器人腿机构，其特征证在于：所述的膝关节模块（Ⅲ）包括编码器（1）、驱动电机（2）、行星齿轮减速箱（3）、开槽圆柱螺钉（4）、键（5）、转动连接件（6）、弹性挡圈（7）、深沟球轴承（8）、六角螺栓（9）、轴承端盖（10）、开槽圆柱螺钉（11）、关节基座（12）、六角螺栓（13）、电机座（14）和六角螺栓（15）；行星齿轮减速箱（3）通过开槽圆柱螺钉（4）固定在电机座（14）上，电机座通过螺栓（15）与股骨（Ⅱ）固定，实现膝关节模块（Ⅲ）与股骨（Ⅱ）的连接；另外，电机座（14）与关节基座（12）固定，关节基座（12）通过开槽圆柱螺钉（11）与轴承端盖（10）固定；行星齿轮减速箱（3）通过键（5）将运动传递到转动连接件（6），转动连接件（6）通过六角螺栓（9）固定在胫骨（Ⅳ）上，胫骨（Ⅳ）实现与转动连接件（6）的同步转动。
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