CN103950481A - 机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构，其中，机械关节，包括：第一支架，为由直杆部和弯折部组成的折线形杆件，所述直杆部与所述弯折部的交汇处设有第一转轴，所述弯折部的自由端设有第一销轴；第二支架，呈直杆状，下端通过所述第一转轴与所述第一支架铰接连接，上部设有第二销轴；第一液压缸，活塞端通过所述第一销轴与所述弯折部的自由端铰接连接，缸体尾部通过所述第二销轴与所述第二支架铰接连接。本发明中，通过足部减震装置、小腿关节和大腿关节相互配合实现机器人机体的前后和上下平稳运动，通过足部减震装置和髋关节相互作用实现机器人机体的左右平稳运动。

Description

机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构

技术领域

本发明涉及四足机器人，具体涉及机械关节及仿生机械恐龙的腿部结构。

背景技术

机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它综合了机械、微电子与计算机、自动控制、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，是机电一体化技术的典型载体。大型四足仿生机械恐龙是四足步行机器人的一种重要应用，广泛应用于娱乐、影视等领域。

众所周知，仿生机械恐龙的各种动作都是通过各个关节的运动实现的。其中，仿生机械恐龙最基本的动作是行走动作，行走动作的实现主要是通过腿部关节结构实现的。

但是，现有机械恐龙的腿部结构中的机械关节存在以下一些缺陷：

(1)结构笨重。现有的机械关节一般采用箱式结构，重量较大，因此需要选用大功率驱动电机，自重较重、成本较高。

(2)安全性差。由于大型四足仿生机械恐龙的整体重量较大，因此，腿部结构中的机械关节多采用齿轮传动以提高驱动力。但是，齿轮传动不具有自锁性，在运动过程中，容易出现倒转等不稳定因素。

(3)采用现有腿部结构的机械恐龙稳定性较差。对于大型四足仿生机械恐龙而言，行走的稳定性控制是非常重要的，现有的控制方法是通过调整腿部姿态控制整体重心位于立足点所围区域内，但是，这种方式的调整难度较大，稳定性较差。

(4)采用电机驱动方式。我们现在研究的大型四足仿生机械恐龙一般关节转动较慢，只有10r/min左右，而且在行走过程中要求关节保持一定的速度，并能进行位置、速度控制。但是这种驱动方式转速较高，减速困难；而且转矩较小，需要大转矩的时侯对应花费的成本也就会很高。

有鉴于此，需要对大型四足仿生机械恐龙的腿部结构进行优化设计，使其具有结构简单，重量轻，并且具有三个自由度，从而可以使机械恐龙通过左、右侧倾来进一步调整重心，提高大型四足仿生机械恐龙行走的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决大型四足仿生机械恐龙行走时转速控制不够灵活，而且稳定性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种机械关节，包括：

第一支架，为由直杆部和弯折部组成的折线形杆件，所述直杆部与所述弯折部的交汇处设有第一转轴，所述弯折部的自由端设有第一销轴；

第二支架，呈直杆状，下端通过所述第一转轴与所述第一支架铰接连接，上部设有第二销轴；

第一液压缸，活塞端通过所述第一销轴与所述弯折部的自由端铰接连接，缸体尾部通过所述第二销轴与所述第二支架铰接连接。

本发明还提供了一种仿生机械恐龙的腿部结构，包括依次连接的髋关节、大腿关节、小腿关节和足部减震装置，所述小腿关节采用如上述机械关节，小腿关节转轴轴线与大腿关节转轴轴线平行，大腿关节转轴轴线与髋关节转轴轴线垂直，所述第一转轴作为所述小腿关节转轴。

在上述方案中，所述足部减震装置通过小腿连接件设置在所述小腿关节的下端，所述足部减震装置包括设置在所述小腿连接件上的弹簧支撑件，带有连接杆的一体式脚掌插装在所述弹簧支撑件的自由端，并通过限位螺母固定；一弹簧套装在所述一体式脚掌的连接杆上，其一端抵至半球形脚掌部位，另一端套装在所述弹簧支撑件上，且所述弹簧支撑件的外表面上设有用于调节所述弹簧松紧程度的预紧力调节螺母。

在上述方案中，所述弹簧支撑件通过卡装或者螺纹连接的方式设置在所述小腿连接件上。

在上述方案中，所述大腿关节包括：

第二转轴，所述第二支架的两端分别设有第一、第二连接座，所述第一、第二连接座的侧壁上设有第一、第二贯穿通孔，所述第一、第二贯穿通孔的轴线相互平行，所述第一转轴穿装在所述第一贯穿通孔内与所述第一支架铰接连接，所述第二转轴作为所述大腿关节转轴，穿装在所述第二贯穿通孔内；

第二液压缸，缸体尾部与仿生机械恐龙的躯干铰接，活塞端通过第三销轴与所述第二支架铰接。

在上述方案中，所述髋关节包括：

第三支架，具有一个四棱柱状的第一支架主体，所述第一支架主体的两端分别设有第三、第四连接座，所述第三连接座和所述第四连接座上分别设有贯穿其侧壁的第三、第四贯穿通孔，所述第三、第四贯穿通孔的轴线相互垂直；所述第二转轴穿装在所述第三贯穿通孔内与所述第二支架铰接连接，第三转轴作为所述髋关节转轴，穿装在所述第四贯穿通孔内与仿生机械恐龙的躯干铰接连接；

第三液压缸，缸体尾部与仿生机械恐龙的躯干铰接，活塞端通过第四销轴转动设置在所述第三支架的下端。

在上述方案中，所述第一支架主体的侧壁上分别设有贯通的矩形通孔。

在上述方案中，所述髋关节转轴、所述大腿关节转轴和所述小腿关节转轴上分别对应设有用于感应其对应转轴转动速度的旋转电位器。

本发明提供的仿生机械恐龙的腿部结构(仿生机械恐龙的机械腿)，采用了开链式机构，具有三个自由度，关节驱动方式为液压驱动，由于液压系统能够实现无级调速，因此在液压缸上不再需要减速机构。液压系统在驱动关节运动时，液压缸相当于动物关节上的肌肉组织，通过液压缸拉伸与收缩(相当于肌肉的张紧与放松)来驱动关节的转动。采用这种驱动方式，体积小、重量轻，还可以实现无极调速；同时在行走时换向也比较容易。在本装置中，液压缸与两个相对运动的零件相连，使得液压缸与两个运动部件(即第一支架和第二支架)形成一个三角形，通过液压缸的伸长与收缩实现两个相对运动部件绕着他们的转轴中心相对运动。

本发明中，通过足部减震装置、小腿关节和大腿关节相互配合实现机器人机体的前后和上下平稳运动，通过足部减震装置和髋关节相互作用实现机器人机体的左右平稳运动。

附图说明

图1为本发明中机械关节(即小腿关节)的结构示意图；

图2为本发明中小腿关节的第一支架的结构示意图。

图3为本发明中仿生机械恐龙的腿部结构示意图；

图4为本发明中足部减震装置的结构示意图；

图5为本发明中图4的分解示意图；

图6为本发明中髋关节的第三支架的结构示意图；

图7为本发明中大腿关节的第二支架的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的机械关节具有结构简单、紧凑，体积小，重量轻等优点，而且该机械关节具有三个自由度，非常适合应用于大型四足仿生机械恐龙。

下面结合附图对本发明作出详细的说明。

如图1至图2所示，本发明提供了一种机械关节，包括：第一支架1、第二支架2和第一液压缸3，其中：

第一支架1，为由直杆部11和弯折部12组成的折线形杆件，直杆部11与弯折部12的交汇处设有第一转轴13，弯折部12的自由端设有第一销轴14；

第二支架2，呈直杆状，下端通过第一转轴13与第一支架1铰接连接，上部设有第二销轴21；

第一液压缸3，活塞端通过第一销轴14与弯折部12的自由端铰接连接，缸体尾部通过第二销轴21与第二支架2铰接连接。

结合图3所示，本发明还提供了一种仿生机械恐龙的腿部结构，包括依次连接的髋关节、大腿关节、小腿关节和足部减震装置4，小腿关节采用上述机械关节，小腿关节转轴轴线与大腿关节转轴轴线平行，大腿关节转轴轴线与髋关节转轴轴线垂直，第一转轴13作为小腿关节转轴。通过小腿关节的第一液压缸3的伸长与收缩实现小腿关节的前后上下平稳运动。

在仿生机械恐龙的腿部结构中，小腿部分一般是比较长的，故而采用本装置中小腿关节第一支架的折线形设计，这样，可以将第一液压缸活塞端直接连接在第一支架靠近第一转轴的端部位置，使得小腿关节在活动过程中第一液压缸伸长、收缩的尺寸较小，降低了液压缸的成本，而且也提供了更大的驱动力矩。

结合图4至图5所示，足部减震装置4通过小腿连接件41设置在小腿关节的下端，足部减震装置4包括设置在小腿连接件41上的弹簧支撑件42，带有连接杆的一体式脚掌43插装在弹簧支撑件42的自由端，并通过限位螺母44固定；一弹簧45套装在一体式脚掌43的连接杆46上，其一端抵至半球形脚掌部位，另一端套装在弹簧支撑件42上，且弹簧支撑件42的外表面上设有用于调节弹簧松紧程度的预紧力调节螺母47。

弹簧支撑件42通过卡装或者螺纹连接的方式设置在小腿连接件41上。

结合图7所示，大腿关节包括：

第二转轴，第二支架2的两端分别设有第一连接座22、第二连接座23，第一、第二连接座的侧壁上设有第一贯穿通孔24、第二贯穿通孔25，第一、第二贯穿通孔的轴线相互平行，第一转轴13穿装在第一贯穿通孔24内与第一支架1铰接连接，第二转轴26作为大腿关节转轴，穿装在第二贯穿通孔25内；

第二液压缸5，缸体尾部与仿生机械恐龙的躯干铰接，活塞端通过第三销轴51与第二支架2铰接。通过大腿关节的第二液压缸5的伸长与收缩实现大腿关节的前后上下平稳运动。

结合图6所示，髋关节包括：

第三支架6，具有一个四棱柱状的第一支架主体，第一支架主体的两端分别设有第三连接座61、第四连接座62，第三连接座61和第四连接座62上分别设有贯穿其侧壁的第三贯穿通孔63、第四贯穿通孔64，第三、第四贯穿通孔的轴线相互垂直；第二转轴26穿装在第三贯穿通孔63内与第二支架2铰接连接，第三转轴65作为髋关节转轴，穿装在第四贯穿通孔64内与仿生机械恐龙的躯干铰接连接；

第三液压缸7，缸体尾部与仿生机械恐龙的躯干铰接，活塞端通过第四销轴转动设置在第三支架6的下端。通过髋关节的第三液压缸7的伸长与收缩实现髋关节的左右平稳运动。

第一支架主体的侧壁上分别设有贯通的矩形通孔66。既满足了使用要求，又可以大大减轻髋关节的重量。

髋关节转轴、大腿关节转轴和小腿关节转轴上分别对应设有用于感应其对应转轴转动速度的旋转电位器。

本发明提供的仿生机械恐龙的腿部结构(仿生机械恐龙的机械腿)，采用了开链式机构，具有三个自由度，关节驱动方式为液压驱动，由于液压系统能够实现无级调速，因此在液压缸上不再需要减速机构。液压系统在驱动关节运动时，液压缸相当于动物关节上的肌肉组织，通过液压缸拉伸与收缩(相当于肌肉的张紧与放松)来驱动关节的转动。采用这种驱动方式，体积小、重量轻，还可以实现无极调速；同时在行走时换向也比较容易。在本装置中，液压缸与两个相对运动的零件相连，使得液压缸与两个运动部件(即第一支架和第二支架)形成一个三角形，通过液压缸的伸长与收缩实现两个相对运动部件绕着他们的转轴中心相对运动。

由于关节的运动是一个低速大扭矩的运动，因此在润滑上采用滑动轴承加脂润滑方式。仿生机械恐龙的结构选择密度小强度大的材料，如铝合金、镁铝合金等。

在本发明中，液压系统以液压油作为工作介质，电机或者内燃机带动液压泵将常压状态的液压油加压成高压油，然后高压油推动液压执行元件(液压缸)运动，油压降低，回到油箱，液压泵再将液压油加压，如此循环，实现液压系统的连续工作。

本发明中，因其足底会与地面产生撞击，从而对整个机械结构产生冲击，为减小冲击，提高运动的可靠性和稳定性，通过足部减震装置实现减震功能；在此装置中，将小腿连接件插入小腿关节的第二支架下端，然后与小腿关节焊接连接。另外，对于足部减震装置的设计要求是当仿生机械恐龙静止时，腿部长度不发生变化，在此足部减震装置中主要依靠其中的弹簧来吸收其冲击力。

本发明中，通过足部减震装置、小腿关节和大腿关节相互配合实现机器人机体的前后和上下平稳运动，通过足部减震装置和髋关节相互作用实现机器人机体的左右平稳运动。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.机械关节，其特征在于，包括：

第一支架，为由直杆部和弯折部组成的折线形杆件，所述直杆部与所述弯折部的交汇处设有第一转轴，所述弯折部的自由端设有第一销轴；

第二支架，呈直杆状，下端通过所述第一转轴与所述第一支架铰接连接，上部设有第二销轴；

第一液压缸，活塞端通过所述第一销轴与所述弯折部的自由端铰接连接，缸体尾部通过所述第二销轴与所述第二支架铰接连接。

2.仿生机械恐龙的腿部结构，包括依次连接的髋关节、大腿关节、小腿关节和足部减震装置，其特征在于，所述小腿关节采用如权利要求1所述的机械关节，小腿关节转轴轴线与大腿关节转轴轴线平行，大腿关节转轴轴线与髋关节转轴轴线垂直，所述第一转轴作为所述小腿关节转轴。

3.如权利要求2所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，所述足部减震装置通过小腿连接件设置在所述小腿关节的下端，所述足部减震装置包括设置在所述小腿连接件上的弹簧支撑件，带有连接杆的一体式脚掌插装在所述弹簧支撑件的自由端，并通过限位螺母固定；一弹簧套装在所述一体式脚掌的连接杆上，其一端抵至半球形脚掌部位，另一端套装在所述弹簧支撑件上，且所述弹簧支撑件的外表面上设有用于调节所述弹簧松紧程度的预紧力调节螺母。

4.如权利要求3所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，所述弹簧支撑件通过卡装或者螺纹连接的方式设置在所述小腿连接件上。

5.如权利要求2所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，所述大腿关节包括：

第二转轴，所述第二支架的两端分别设有第一、第二连接座，所述第一、第二连接座的侧壁上设有第一、第二贯穿通孔，所述第一、第二贯穿通孔的轴线相互平行，所述第一转轴穿装在所述第一贯穿通孔内与所述第一支架铰接连接，所述第二转轴作为所述大腿关节转轴，穿装在所述第二贯穿通孔内；

第二液压缸，缸体尾部与仿生机械恐龙的躯干铰接，活塞端通过第三销轴与所述第二支架铰接。

6.如权利要求2所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，所述髋关节包括：

第三支架，具有一个四棱柱状的第一支架主体，所述第一支架主体的两端分别设有第三、第四连接座，所述第三连接座和所述第四连接座上分别设有贯穿其侧壁的第三、第四贯穿通孔，所述第三、第四贯穿通孔的轴线相互垂直；所述第二转轴穿装在所述第三贯穿通孔内与所述第二支架铰接连接，第三转轴作为所述髋关节转轴，穿装在所述第四贯穿通孔内与仿生机械恐龙的躯干铰接连接；

第三液压缸，缸体尾部与仿生机械恐龙的躯干铰接，活塞端通过第四销轴转动设置在所述第三支架的下端。

7.如权利要求6所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，所述第一支架主体的侧壁上分别设有贯通的矩形通孔。

8.如权利要求2所述的仿生机械恐龙的腿部结构，其特征在于，所述髋关节转轴、所述大腿关节转轴和所述小腿关节转轴上分别对应设有用于感应其对应转轴转动速度的旋转电位器。