CN103448828A

CN103448828A - 一种四足仿生机器人腿机构

Info

Publication number: CN103448828A
Application number: CN2013102147627A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 雷静桃; 俞煌颖
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-03
Filing date: 2013-06-03
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-03
Also published as: CN103448828B

Abstract

本发明涉及一种四足仿生机器人腿机构。本发明包括肩胛骨、肩关节、股骨（或大腿）、膝关节、胫骨（或小腿）、被动踝关节、脚掌及驱动模块。所述四足仿生机器人的肩关节连接机器人的肩胛骨和股骨；所述四足仿生机器人膝关节连接股骨和胫骨；所述被动踝关节连接胫骨和脚掌。本发明采用滚珠丝杠驱动关节，具有传动效率高、传动精度高等特点，同时由于滚动摩擦的摩擦力较小，降低因摩擦而产生的热量，从而降低能耗。肩胛骨和股骨为空腔壳体结构，减轻重量，能降低能耗。胫骨采用弹性缓冲和弹簧蓄能结构，能降低能耗，缓冲地面冲击；末端踝关节采用球铰副，脚掌为圆形面形状，使步行机器人落地更平稳。

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，总体结构紧凑、运动灵活、落地平稳、缓冲蓄能，能减少四足机器人高速步行的能耗。

背景技术

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。提高步行机器人行走时的稳定性，提升步行速度，增强其对地面环境的适应能力，降低步行过程中的能量消耗等，日益成为各国机器人学界研究的热点。

目前国内外已经研发出不同构型的四足步行机器人样机。常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电机驱动等。液压驱动能输出较大的驱动力矩，机器人负载能力较强。成本较高、控制复杂。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可以采用电机驱动，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。采用滚珠丝杠传动方式，具有传动效率高、传动速度快等优点，由于滚动摩擦的摩擦力较小，降低关节摩擦发热，从而降低能耗。当四足动物高速奔跑、跨越时，落地会产生较大的冲击，动物腿部肌肉会吸收部分冲击，并将吸收的能量储存于肌肉中以待下次蹬地腾空时释放。将这一原理应用到四足仿生机器人设计中，如在腿部安装弹簧，起到蓄能减震作用。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种四足仿生机器人腿机构，结构简单紧凑，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腿机构，由肩胛骨、肩关节、股骨（或大腿）、膝关节、胫骨（或小腿）、被动踝关节、脚掌及驱动模块组成，其特征在于：

所述肩胛骨通过其上端固定耳环与机体连接；所述肩关节连接肩胛骨和股骨；所述膝关节连接股骨和胫骨；所述被动踝关节连接胫骨；两个所述驱动模块分别联接驱动肩关节和膝关节运动，带动整体腿机构运动。

所述的驱动模块包括驱动电机，开槽圆柱头螺钉，滚珠丝杠，螺母，推杆，电机座和六角头螺栓；所述驱动电机通过开槽圆柱头螺钉与电机座紧固，且所述电机座通过六角头螺栓固定到肩胛骨或股骨侧板上，从而固定整个驱动模块；丝杠与螺母组成一个螺旋副，通过丝杠的旋转运动，驱动螺母沿直线方向前后运动，且所述螺母和推杆固联，螺母的前后运动带动了推杆实现关节部位的运动。

所述的肩关节包括深沟球轴承，弹性挡圈，关节连接件，肩关节Ⅰ轴，六角头螺栓，肩关节Ⅱ轴，弹性挡圈和深沟球轴承；所述推杆末端周向套于深沟球轴承外圈上，深沟球轴承外圈通过关节连接件的伸出环紧固，内圈通过弹性挡圈紧固；肩关节Ⅰ轴两端螺纹与关节连接件紧固，关节连接件通过六角头螺栓与股骨紧固，当推杆推动肩关节Ⅰ轴运动时，便可实现关节连接件和股骨同步运动；同时，肩胛骨和关节连接件组成一个旋转副，实现关节连接件和股骨绕肩胛骨的转动；深沟球轴承和深沟球轴承的内外圈固定方式类似，肩关节Ⅱ轴和肩关节Ⅰ轴固定方式类似。

所述胫骨、被动踝关节、脚掌包括开槽圆柱头螺钉，末端盖板，膝关节连接件，轴套，圆柱螺旋压缩弹簧，胫骨轴，球铰，脚掌和传感器；所述开槽圆柱头螺钉将末端盖板和胫骨轴紧固，圆柱螺旋压缩弹簧绕在胫骨轴上，两端分别套于两个轴套上；两个轴套分别支撑膝关节连接件下面和胫骨轴凸肩上面，当膝关节连接件向下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧被压缩；球铰一端通过螺纹连接和胫骨轴紧固，另一端球体置于脚掌的球腔中，形成一个球铰，即被动踝关节，脚底固定力传感器。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

一、本发明采用滚珠丝杠驱动关节运动，系统结构简单，能提高传动效率和运动精确。

二、本发明在胫骨部位增加弹簧作为弹性缓冲和蓄能结构，既能降低运动时对腿部的冲击，又可减少能量消耗。

三、本发明肩胛骨和股骨为空腔壳体结构，减轻重量，能降低步行能耗。

附图说明

图1是本发明一种四足仿生机器人腿机构的示意图

图2是本发明四足仿生机器人腿机构滚珠丝杠驱动的示意图；

图3是本发明四足仿生机器人腿机构肩关节的示意图；

图4是本发明四足仿生机器人腿机构胫骨及被动踝关节脚掌的示意图；

图5是本发明四足仿生机器人腿机构胫骨及被动踝关节脚掌的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明：

实施例1

一种四足仿生机器人腿机构，由肩胛骨（Ⅰ）、肩关节（Ⅱ）、股骨（或大腿）（Ⅲ）、膝关节（Ⅳ）、胫骨（或小腿）（Ⅴ）、被动踝关节（Ⅵ）、脚掌（Ⅶ）及驱动模块（Ⅷ）

其特征在于：

所述肩胛骨（Ⅰ）通过其上端固定耳环与机体连接；所述肩关节（Ⅱ）连接肩胛骨（Ⅰ）和股骨（Ⅲ）；所述膝关节（Ⅳ）连接股骨（Ⅲ）和胫骨（Ⅴ）；所述被动踝关节（Ⅵ）连接胫骨（Ⅴ）；两个所述驱动模块（Ⅷ）分别联接驱动肩关节（Ⅱ）和膝关节（Ⅳ）运动，带动整体腿机构运动。

实施例2：

所述的驱动模块（Ⅷ）包括驱动电机（1），开槽圆柱头螺钉（2），滚珠丝杠（3），螺母（4），推杆（5），电机座（6）和六角头螺栓（7）；所述驱动电机（1）通过开槽圆柱头螺钉（2）与电机座（6）紧固，且所述电机座（6）通过六角头螺栓（7）固定到肩胛骨（Ⅰ）或股骨（Ⅲ）侧板上，从而固定整个驱动模块（Ⅷ）；丝杠（3）与螺母（4）组成一个螺旋副，通过丝杠（3）的旋转运动，驱动螺母（4）沿直线方向前后运动，且所述螺母（4）和推杆（5）固联，螺母（4）的前后运动带动了推杆实现关节部位的运动。

所述的肩关节（Ⅱ）包括深沟球轴承（8），弹性挡圈（9），关节连接件（10），肩关节Ⅰ轴（11），六角头螺栓（12），肩关节Ⅱ轴（13），弹性挡圈（14）和深沟球轴承（15）；所述推杆（5）末端周向套于深沟球轴承（8）外圈上，深沟球轴承（8）外圈通过关节连接件（10）的伸出环紧固，内圈通过弹性挡圈（9）紧固；肩关节Ⅰ轴（11）两端螺纹与关节连接件（10）紧固，关节连接件（10）通过六角头螺栓（12）与股骨（Ⅲ）紧固，当推杆（5）推动肩关节Ⅰ轴（11）运动时，便可实现关节连接件（10）和股骨（Ⅲ）同步运动；同时，肩胛骨（Ⅰ）和关节连接件（10）组成一个旋转副，实现关节连接件（10）和股骨（Ⅲ）绕肩胛骨（Ⅰ）的转动；深沟球轴承（15）和深沟球轴承（8）的内外圈固定方式类似，肩关节Ⅱ轴（13）和肩关节Ⅰ轴（11）固定方式类似。

所述胫骨（Ⅴ）、被动踝关节（Ⅵ）、脚掌（Ⅶ）包括开槽圆柱头螺钉（16），末端盖板（17），膝关节连接件（18），轴套（19），圆柱螺旋压缩弹簧（20），胫骨轴（21），球铰（22），脚掌（23）和传感器（24）；所述开槽圆柱头螺钉（16）将末端盖板（17）和胫骨轴（21）紧固，圆柱螺旋压缩弹簧（20）绕在胫骨轴（21）上，两端分别套于两个轴套（19）上；两个轴套（19）分别支承于膝关节连接件（18）下面和胫骨轴（18）凸肩上面，当膝关节连接件（18）向下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧（20）被压缩；球铰（22）一端通过螺纹连接和胫骨轴（21）紧固，另一端球体置于脚掌（23）的球腔中，形成一个球铰，即被动踝关节，脚底固定力传感器（24）。

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：电机驱动滚珠丝杠的推杆做推拉运动，以肩关节为例，受到推杆的推拉，肩关节连接件作绕肩胛骨末端关节轴的旋转运动，同时肩关节连接件另一端与股骨紧固，股骨和肩关节连接件便一起绕肩胛骨转动，膝关节的运动方式与肩关节类似。肩关节和膝关节的转动运动合成后，便形成了腿机构前后的运动。

Claims

1.一种四足仿生机器人腿机构，包括肩胛骨（Ⅰ）、肩关节（Ⅱ）、股骨（Ⅲ）、膝关节（Ⅳ）、胫骨（Ⅴ）、被动踝关节（Ⅵ）、脚掌（Ⅶ）及驱动模块（Ⅷ）其特征在于：

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：所述的驱动模块（Ⅷ）包括驱动电机（1），开槽圆柱头螺钉（2），滚珠丝杠（3），螺母（4），推杆（5），电机座（6）和六角头螺栓（7）；所述驱动电机（1）通过开槽圆柱头螺钉（2）与电机座（6）紧固，且所述电机座（6）通过六角头螺栓（7）固定到肩胛骨（Ⅰ）或股骨（Ⅲ）侧板上，从而固定整个驱动模块（Ⅷ）；丝杠（3）与螺母（4）组成一个螺旋副，通过丝杠（3）的旋转运动，驱动螺母（4）沿直线方向前后运动，且所述螺母（4）和推杆（5）固联，螺母（4）的前后运动带动了推杆实现关节部位的运动。

3.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：所述的肩关节（Ⅱ）包括深沟球轴承（8），弹性挡圈（9），关节连接件（10），肩关节Ⅰ轴（11），六角头螺栓（12），肩关节Ⅱ轴（13），弹性挡圈（14）和深沟球轴承（15）；所述推杆（5）末端周向套于深沟球轴承（8）外圈上，深沟球轴承（8）外圈通过关节连接件（10）的伸出环紧固，内圈通过弹性挡圈（9）紧固；肩关节Ⅰ轴（11）两端螺纹与关节连接件（10）紧固，关节连接件（10）通过六角头螺栓（12）与股骨（Ⅲ）紧固，当推杆（5）推动肩关节Ⅰ轴（11）运动时，便可实现关节连接件（10）和股骨（Ⅲ）同步运动；同时，肩胛骨（Ⅰ）和关节连接件（10）组成一个旋转副，实现关节连接件（10）和股骨（Ⅲ）绕肩胛骨（Ⅰ）的转动；深沟球轴承（15）和深沟球轴承（8）的内外圈固定方式类似，肩关节Ⅱ轴（13）和肩关节Ⅰ轴（11）固定方式类似。

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：所述胫骨（Ⅴ）、被动踝关节（Ⅵ）、脚掌（Ⅶ）包括开槽圆柱头螺钉（16），末端盖板（17），膝关节连接件（18），轴套（19），圆柱螺旋压缩弹簧（20），胫骨轴（21），球铰（22），脚掌（23）和传感器（24）；所述开槽圆柱头螺钉（16）将末端盖板（17）和胫骨轴（21）紧固，圆柱螺旋压缩弹簧（20）绕在胫骨轴（21）上，两端分别套于两个轴套（19）上；两个轴套（19）分别支撑膝关节连接件（18）下面和胫骨轴（18）凸肩上面，当膝关节连接件（18）向下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧（20）被压缩；球铰（22）一端通过螺纹连接和胫骨轴（21）紧固，另一端球体置于脚掌（23）的球腔中，形成一个球铰，即被动踝关节，脚底固定力传感器（24）。