CN103612681A

CN103612681A - 一种仿生机械腿

Info

Publication number: CN103612681A
Application number: CN201310600741.9A
Authority: CN
Inventors: 孙容磊; 聂华; 于汇洋; 秦国华; 郭朝科
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-23
Filing date: 2013-11-23
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-23
Also published as: CN103612681B

Abstract

本发明公开了一种仿生机械腿，包括机身、髋关节运动机构、膝关节运动机构、联动关节运动机构、踝关节运动机构。髋关节运动机构包括髋关节电机、髋关节曲柄摇杆机构、齿轮传动机构和大腿，膝关节运动机构包括膝关节电机、膝关节曲柄摇杆机构、链轮传动机构和中腿，髋关节电机和膝关节电机分别安装在机身上并输出同向转动，通过各自的曲柄摇杆机构将电机的同向转动转换为连续摆动，再通过齿轮传动机构和链轮传动机构分别带动大腿和中腿的前后摆动。该机械腿降低了腿部的质量和转动惯量，避免其高速运动中电机的正反转，增加腿部运动的工作空间，减小了其在高速运动过程中与地面碰撞产生的能量损失。

Description

一种仿生机械腿

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，更具体地，涉及一种能实现快速奔跑的仿生机械腿。

背景技术

仿生机器人是近年来最活跃的研究领域之一，按照运动方式不同，仿生机器人可以分为轮式、履带式和足式机器人等。相对于轮式和履带式机器人，足式机器人具有很好的环境适应性，能在坑洼、烁石、草地、崎岖山地等复杂环境下的运动，可以帮助人们在危险环境下完成救援和探险任务。军事上，足式机器人既可以完成战场物质搬运，也可以携带军用侦查、作战装备协助士兵作战。因此，仿生足式机器人的设计与开发具有广阔的应用前景。

仿生足式机器人主要分为两足、四足和六足机器人。其中四足机器人静态稳定性优于二足，且机构的冗余和复杂程度比六足要简单很多。2000年以来，国内外涌现了大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken。其中最具有代表性的是波士顿动力公司开发的BigDog，他不仅可以实现多种运动步态，还具有很强的环境适应能力和抗干扰的能力。但是，上述机器人都偏向于低速的运动，重点研究的是机器人的稳定性和环境适应性。近些年，仿生足式机器人开始向高速运动的方向发展，研究和开发一种具有快速奔跑能力的机器人是现在和未来机器人行业的一个重点和难点问题。美国波士顿动力公司率先利用液压驱动器研发了WildCat、LS3等多种具有快速运动能力的足式机器人。但液压驱动的机器人的各关节耦合性强，体积大，同时也会产生较大的噪音。

电机驱动虽然没有液压驱动高功率密度比，但是通过合理的设计和改进当前足式机器人的腿部的机械结构和传动方式，同样可以实现足式机器人的快速运动。目前，传统电机驱动的足式机器人具有以下的缺点，电机布置在机器人的腿部的各个关节上，导致腿部质量和转动惯量较大；电机直接驱动腿部关节转动，需要电机正反转，来回加减速，降低电机的工作效率；足端没有设置合理的储能和缓冲机构，降低了机器人运动过程中能量的利用率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种仿生机械腿，其目的在于对传统电机驱动的机械腿进行改进，以降低腿部的质量和转动惯量，避免机械腿高速运动中电机的正反转，增加腿部运动的工作空间，同时减小高速运动过程中与地面碰撞产生的能量损失。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种仿生机械腿，包括机身、髋关节运动机构、膝关节运动机构、联动关节运动机构、踝关节运动机构，髋关节运动机构和膝关节运动机构分别固定在机身上，髋关节运动机构和膝关节运动机构带动联动关节运动机构运动，踝关节运动机构在联动关节运动机构的作用下被动运动，

髋关节运动机构包括依次相接的髋关节电机、髋关节曲柄摇杆机构、齿轮传动机构和大腿；髋关节电机安装在机身上，其作为大腿驱动机构输出同向转动，髋关节曲柄摇杆机构将同向转动转换为连续摆动，进而通过齿轮传动机构带动大腿完成前后摆动；

膝关节运动机构包括依次相接的膝关节电机、膝关节曲柄摇杆机构、链轮传动机构和中腿；膝关节电机安装在机身上，其作为中腿驱动机构输出同向运动，膝关节曲柄摇杆机构将同向运动转换为连续摆动，进而通过链轮传动机构带动中腿完成前后摆动。

在本发明的仿生机械腿中，所述髋关节曲柄摇杆机构包括第一曲柄、第一连杆、第一摆杆、第一曲柄连杆轴和第一摆杆连杆轴，第一曲柄一端固定在髋关节电机的轴上，另一端通过第一曲柄连杆轴与第一连杆一端连接，第一连杆另一端通过第一摆杆连杆轴与第一摆杆一端连接，第一摆杆另一端固定在齿轮传动机构上，髋关节曲柄摇杆机构通过第一曲柄、第一连杆、第一摆杆将髋关节电机的转动传递到齿轮传动机构。

在本发明的仿生机械腿中，所述齿轮传动机构包括齿轮轴、主动齿轮和从动齿轮，齿轮轴一端通过轴承与固定在机身上的轴套配合，齿轮轴的另一端与主动齿轮连接，主动齿轮与固定在大腿上的从动齿轮相互啮合，所述主动齿轮与从动齿轮的啮合传动比为1，主动齿轮和从动齿轮为圆柱斜齿轮。

在本发明的仿生机械腿中，所述齿轮轴末端还安装有用于测量齿轮轴转动角度的髋关节电位计。

在本发明的仿生机械腿中，所述膝关节曲柄摇杆机构包括第二曲柄、第二连杆、第二摆杆、第二曲柄连杆轴和第二摆杆连杆轴，第二曲柄一端固定在膝关节电机的轴上，另一端通过第二摆杆连杆轴与第二连杆一端连接，第二连杆另一端通过第二摆杆连杆轴与第二摆杆一端连接，第二摆杆另一端固定在链轮传动机构上，膝关节曲柄摇杆机构通过第二曲柄、第二连杆、第二摆杆将膝关节电机的转动传递到链轮传动机构。

在本发明的仿生机械腿中，所述链轮传动机构包括主轴、主动链轮、从动链轮、链条、链轮张紧机构和膝关节轴，主轴一端通过轴承与固定在大腿上的轴承套配合，主轴另一端与主动链轮连接，从动链轮固定在膝关节轴上，主动链轮和从动链轮通过链条实现链传动，固定在中腿上的膝关节轴通过轴承与固定在大腿上的轴承套配合，固定在大腿上的链轮张紧机构通过轴承将链条压紧。

在本发明的仿生机械腿中，所述主轴末端还安装有用于测量主轴转动角度的膝关节电位计，所述膝关节电位计外圈通过电位计连杆和髋关节电位计外圈固定，以保证电位计外圈与机身的相对位置不变。

在本发明的仿生机械腿中，所述链轮张紧机构包括张紧轴承、张紧轴、张紧卡簧和张紧板，所述张紧轴通过螺母固定在张紧板上，张紧轴承通过张紧卡簧固定在张紧轴上，链轮张紧机构通过张紧轴承压紧链条实现主动链轮和从动链轮稳定的链传动，所述主动链轮与从动链轮的传动比为1。

在本发明的仿生机械腿中，所述联动关节运动机构包括平行连杆、小腿、连杆大腿轴、连杆小腿轴和小腿轴，平行连杆一端与固定在大腿上的连杆大腿轴连接，另一端与固定在小腿上的连杆小腿轴连接；小腿连接在小腿轴上，小腿轴通过轴承与固定在中腿末端的轴承套配合，联动关节机构通过大腿和中腿的运动带动平行连杆的运动，实现小腿的前后摆动。

在本发明的仿生机械腿中，所述踝关节运动机构包括脚、脚轴、脚步限位挡板、脚步韧带固定结构、弹性韧带和小腿韧带固定结构，脚通过脚轴连接在小腿末端，脚步限位挡板固定在脚上；弹性韧带一端固定在脚上，弹性韧带另一端固定在小腿上，踝关节运动机构实现在弹性韧带的作用下脚和小腿的被动运动。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：将所有驱动电机置于机身上，通过齿轮、链轮传动带动髋关节、膝关节的运动，减轻了腿部质量和转动惯量；将曲柄摇杆机构的曲柄和电机相连，将电机的连续转动变成了摇杆的前后摆动，从而避免了电机的正反转，提高电机的工作效率；在不改变主动自由度的前提下，添加平行连杆实现小腿关节和髋关节、膝关节联动，增加足式机器人腿部长度，扩大了末端的工作空间；踝关节处采用韧带和被动关节相结合的结构，降低高速运动过程中机器人和地面碰撞产生的能量损失，改善小腿内部的应力分布，进一步减小腿部质量和转动惯量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明仿生机械腿的整体结构示意图；

图2是本发明图1中曲柄摇杆机构局部示意图；

图3是本发明图1中张紧机构示意图；

图4是本发明图1的剖视基准图；

图5是本发明图4中主轴和齿轮轴的A-A局部剖视图；

图6是本发明图4中连杆大腿轴的B-B局部剖视图；

图7是本发明图4中连杆小腿轴的C-C局部剖视图；

图8是本发明图4中小腿轴的D-D局部剖视图；

图9是本发明图4中膝关节轴的E-E局部剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如附图1-9所示，本发明一较佳实施例中仿生机械腿包括机身35、髋关节运动机构、膝关节运动机构、联动关节运动机构和踝关节运动机构。

髋关节运动机构包括髋关节电机1、髋关节电机法兰2、髋关节电位计34、髋关节曲柄摇杆机构3、齿轮轴5、主动齿轮6、从动齿轮7、大腿8，其中齿轮轴5、主动齿轮6、从动齿轮7构成齿轮传动机构。

膝关节运动机构包括膝关节电机31、膝关节电机法兰30、膝关节曲柄摇杆机构28、主轴25、膝关节电位计32、主动链轮26、从动链轮20、链条24、链轮张紧机构23、膝关节轴21、中腿19，其中主轴25、主动链轮26、从动链轮20、链条24、链轮张紧机构23、膝关节轴21构成链轮传动机构。

联动关节机构包括平行连杆9、小腿18、连杆大腿轴22、连杆小腿轴10、小腿轴12。

踝关节运动机构包括脚16、脚轴15、脚部限位挡板14、脚部韧带固定结构17、弹性韧带13、小腿韧带固定结构11。

髋关节曲柄摇杆机构3由第一曲柄57、第一连杆55、第一摆杆49、第一曲柄连杆轴53、第一摆杆连杆轴52组成。

膝关节曲柄摇杆机构28由第二曲柄38、第二连杆40、第二摆杆46、第二曲柄连杆轴42、第二摆杆连杆轴43组成。

链轮张紧机构23包括张紧板62、张紧轴承64、张紧轴66、张紧卡簧65。

齿轮轴5包括轴67、法兰68、轴承座69、主动齿轮压片73、螺钉74、轴承70、轴承挡圈71、轴承72。

主轴25包括轴84、法兰83、轴承座82、轴承81、轴承挡圈80、轴承79、主轴加强套78、轴承77、轴承76、轴承座75。

连杆大腿轴22包括轴90、连杆垫片89、轴承88、轴承挡圈87、垫片86、卡簧85。

连杆小腿轴10包括轴96、轴垫片95、轴承94、轴承挡圈93、垫片92、卡簧91。

小腿轴12包括轴99、轴承座97、轴承98、轴承100、小腿轴承座101。

膝关节轴21包括轴103、轴承座104、轴承105、轴承107、轴承座108、键102、键106。

髋关节电机1通过法兰2和三个双头螺柱4固定在机身35的侧面；髋关节曲柄摇杆机构3的第一曲柄57一端通过键58和紧定螺钉59固定在髋关节电机轴上；第一曲柄57另一端通过第一曲柄连杆轴53与第一连杆55一端连接，垫片56位于第一曲柄57和第一连杆55之间，第一曲柄连杆轴53末端用卡簧54固定；第一连杆55另一端通过第一连杆摆杆轴52与第一摆杆49一端连接，垫片51位于第一连杆55和第一摆杆49之间，第一摆杆连杆轴52末端用卡簧50固定；第一摆杆49另一端通过螺钉48与轴67一端固定；轴67中部通过轴承70、72和轴承挡圈71与轴承座69配合，轴承座69通过螺钉固定在机身35上；法兰68通过螺钉固定在轴承座69外侧，用于限定轴承的轴向位移；主动齿轮6通过齿轮键、主动齿轮压片73和螺钉74固定在轴67末端，与通过螺钉固定在大腿8上的从动齿轮7啮合；大腿8可绕主轴25转动；髋关节电位计34内圈通过紧定螺钉60固定在轴67末端，用于测量齿轮轴5转动的角度。当髋关节电机1转动时，髋关节电机轴通过第一曲柄57、第一连杆55、第一摆杆49带动轴67转动，轴67通过主动齿轮6、从动齿轮7带动大腿8绕轴84前后摆动。

膝关节电机31通过法兰30和三个双头螺柱27固定在机身35的侧面；膝关节曲柄摇杆机构28的第二曲柄38一端通过键37和紧定螺钉36固定在膝关节电机轴上；第二曲柄38另一端通过第二曲柄连杆轴42与第二连杆40连接，垫片39位于第二曲柄38和第二连杆40之间，第二曲柄连杆轴42末端用卡簧41固定；第二连杆40另一端通过第二连杆摆杆轴43与第二摆杆46一端连接，垫片44位于第二连杆40和第二摆杆46之间，第二摆杆连杆轴末端用卡簧45固定；第二摆杆46另一端通过螺钉47与轴84一端固定；轴84中部通过螺钉与主轴加强套78固定；主轴加强套78通过轴承79、81和轴承挡圈80与轴承座82配合，轴承座82通过螺钉固定在机身35上；法兰83通过螺钉固定在轴承座82外侧，用于限定轴承的轴向位移；轴84通过轴承76、77与轴承座75和从动齿轮7配合；轴承座75通过四个螺钉固定在大腿8上；主动链轮26通过键和紧定螺钉固定在轴84末端；主动链轮26通过链条24与通过键和紧定螺钉固定在轴103上的从动链轮20实现链传动；中腿轴通过轴承105、107与轴承座104、108配合，轴承座通过螺钉固定在大腿8侧面；中腿19通过键106与轴103连接；膝关节电位计32内圈通过紧定螺钉60固定在轴84末端，用于测量主轴转动的角度。当膝关节电机31转动时，膝关节电机轴通过第二曲柄38、第二连杆40、第二摆杆46带动轴84转动，轴84通过主动链轮26、链条24和从动链轮20带动中腿19绕轴103前后摆动。

链轮张紧机构23的张紧板62通过两个螺钉固定在大腿8上，张紧轴66通过螺母63固定在张紧板62末端；张紧轴承64与张紧轴66连接，张紧轴66末端用卡簧65固定，用于限制张紧轴承64轴向位移。通过调节张紧板62使张紧轴承64外圈压紧链条24，减小链传动的传动误差。

电位计连杆33一端通过螺钉与髋关节电位计34外圈固定，另一端通过螺钉与膝关节电位计32外圈固定，保证机械腿在运动过程中髋关节电位计外圈和膝关节电位计外圈相对于机身固定不动。

平行连杆9一端通过轴承88、轴承挡圈87与轴90连接，另一端通过轴承94和轴承挡圈93与轴96连接；轴90连接在大腿8中部，轴96连接在小腿18末端；垫片89位于平行连杆9与大腿8之间，垫片95位于平行连杆9和连接在轴96上的小腿韧带固定结构11之间；小腿韧带固定结构11位于小腿18两侧；卡簧85、91分别固定在轴90、96末端，通过垫片86、92限定平行连杆9的轴向位移；小腿18连接在轴99上；轴99通过轴承98、100与固定在中腿19两侧的轴承座97、101配合。联动关节运动机构在大腿8和中腿19运动时，通过平行连杆9实现了小腿18的前后摆动。

脚轴15通过两个卡簧固定在小腿18末端，脚16连接在脚轴15上且能够绕轴自由转动；脚部韧带固定结构17通过两个螺钉固定在脚16的末端；脚部限位挡板14通过两个螺钉固定在脚16上，用于限制脚16的摆动范围；弹性韧带13一端固定在脚部韧带固定结构17上，另一端固定在小腿韧带固定结构11上，弹性韧带13选用尼龙材料。机械腿的踝关节采用被动关节和韧带相结合的结构，有效地缓冲了脚与地面撞击产生的冲击力，增加了腿部韧性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种仿生机械腿，包括机身（35）、髋关节运动机构、膝关节运动机构、联动关节运动机构、踝关节运动机构，髋关节运动机构和膝关节运动机构分别固定在机身（35）上，髋关节运动机构和膝关节运动机构带动联动关节运动机构运动，踝关节运动机构在联动关节运动机构的作用下被动运动，其特征在于，

髋关节运动机构包括依次相接的髋关节电机（1）、髋关节曲柄摇杆机构（3）、齿轮传动机构和大腿（8）；髋关节电机（1）安装在机身（35）上，其作为大腿驱动机构输出同向转动，髋关节曲柄摇杆机构（3）将同向转动转换为连续摆动，进而通过齿轮传动机构带动大腿（8）完成前后摆动；

膝关节运动机构包括依次相接的膝关节电机（31）、膝关节曲柄摇杆机构（28）、链轮传动机构和中腿（19）；膝关节电机（31）安装在机身（35）上，其作为中腿驱动机构输出同向运动，膝关节曲柄摇杆机构（28）将同向运动转换为连续摆动，进而通过链轮传动机构带动中腿（19）完成前后摆动。

2.如权利要求1所述的仿生机械腿，其特征在于，所述髋关节曲柄摇杆机构包括第一曲柄（57）、第一连杆（55）、第一摆杆（49）、第一曲柄连杆轴（53）和第一摆杆连杆轴（52），第一曲柄（57）一端固定在髋关节电机（1）的轴上，另一端通过第一曲柄连杆轴（53）与第一连杆（55）一端连接，第一连杆（55）另一端通过第一摆杆连杆轴（52）与第一摆杆（49）一端连接，第一摆杆（49）另一端固定在齿轮传动机构上，髋关节曲柄摇杆机构（3）通过第一曲柄（57）、第一连杆（55）、第一摆杆（49）将髋关节电机（1）的转动传递到齿轮传动机构。

3.如权利要求1或2所述的仿生机械腿，其特征在于，所述齿轮传动机构包括齿轮轴（5）、主动齿轮（6）和从动齿轮（7），齿轮轴（5）一端通过轴承与固定在机身（35）上的轴套配合，齿轮轴（5）的另一端与主动齿轮（6）连接，主动齿轮（6）与固定在大腿（8）上的从动齿轮（7）相互啮合，所述主动齿轮（6）与从动齿所述齿轮轴（5）末端还安装有用于测量齿轮轴（5）转动角度的髋关节电位计（34）。轮（7）的啮合传动比为1，主动齿轮（6）和从动齿轮（7）为圆柱斜齿轮。

4.如权利要求3所述的仿生机械腿，其特征在于，所述齿轮轴（5）末端还安装有用于测量齿轮轴（5）转动角度的髋关节电位计（34）。

5.如权利要求1或2所述的仿生机械腿，其特征在于，所述膝关节曲柄摇杆机构（28）包括第二曲柄（38）、第二连杆（40）、第二摆杆（46）、第二曲柄连杆轴（42）和第二摆杆连杆轴（43），第二曲柄（38）一端固定在膝关节电机（31）的轴上，另一端通过第二摆杆连杆轴（43）与第二连杆（40）一端连接，第二连杆（40）另一端通过第二摆杆连杆轴（43）与第二摆杆（46）一端连接，第二摆杆（46）另一端固定在链轮传动机构上，膝关节曲柄摇杆机构（28）通过第二曲柄（38）、第二连杆（40）、第二摆杆（46）将膝关节电机（31）的转动传递到链轮传动机构。

6.如权利要求1或2所述的仿生机械腿，其特征在于，所述链轮传动机构包括主轴（25）、主动链轮（26）、从动链轮（20）、链条（24）、链轮张紧机构（23）和膝关节轴（21），主轴（25）一端通过轴承与固定在大腿（8）上的轴承套配合，主轴（25）另一端与主动链轮（26）连接，从动链轮（20）固定在膝关节轴上（21），主动链轮（26）和从动链轮（20）通过链条实现链传动，固定在中腿（19）上的膝关节轴（21）通过轴承与固定在大腿（8）上的轴承套配合，固定在大腿（8）上的链轮张紧机构（23）通过轴承将链条（24）压紧。

7.如权利要求6所述的仿生机械腿，其特征在于，所述主轴（25）末端还安装有用于测量主轴（25）转动角度的膝关节电位计（32），所述膝关节电位计（32）外圈通过电位计连杆（32）和髋关节电位计（34）外圈固定，以保证电位计外圈与机身（35）的相对位置不变。

8.如权利要求6所述的仿生机械腿，其特征在于，所述链轮张紧机构（23）包括张紧轴承（64）、张紧轴（66）、张紧卡簧（65）和张紧板（62），所述张紧轴（66）通过螺母（63）固定在张紧板（62）上，张紧轴承（64）通过张紧卡簧（65）固定在张紧轴（66）上，链轮张紧机构通过张紧轴承（64）压紧链条实现主动链轮（26）和从动链轮（20）稳定的链传动，所述主动链轮（26）与从动链轮（20）的传动比为1。

9.如权利要求1或2所述的仿生机械腿，其特征在于，所述联动关节运动机构包括平行连杆（9）、小腿（18）、连杆大腿轴（22）、连杆小腿轴（10）和小腿轴（12），平行连杆（9）一端与固定在大腿（8）上的连杆大腿轴（22）连接，另一端与固定在小腿（18）上的连杆小腿轴（10）连接；小腿（18）连接在小腿轴（12）上，小腿轴（12）通过轴承与固定在中腿（19）末端的轴承套配合，联动关节机构通过大腿（8）和中腿（19）的运动带动平行连杆（9）的运动，实现小腿（18）的前后摆动。

10.如权利要求1或2所述的仿生机械腿，其特征在于，所述踝关节运动机构包括脚（16）、脚轴（15）、脚步限位挡板（14）、脚步韧带固定结构（17）、弹性韧带（13）和小腿韧带固定结构（11），脚（16）通过脚轴（15）连接在小腿（18）末端，脚步限位挡板（14）固定在脚（16）上；弹性韧带（13）一端固定在脚（16）上，弹性韧带（13）另一端固定在小腿（18）上，踝关节运动机构实现在弹性韧带（13）的作用下脚（16）和小腿（18）的被动运动。