CN105752196A - 一种仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人，包括依次连接的腰部组件、髋关节组件、大腿组件、小腿组件、踝关节组件和脚掌组件，所述髋关节组件、大腿组件、小腿组件和踝关节组件包括架体和连接在架体上的驱动组件，驱动组件包括依次连接的电机、主动带轮、从动带轮和谐波减速器，所述电机和谐波减速器固定连接在所述架体上，所述大腿组件通过谐波减速器和/或转轴分别与所述髋关节组件和小腿组件连接。本发明提供的仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人减少了整个机构的零件数量，便于安装，降低了安装产生的机械误差，并在架体内部设计了筋板和加强筋，有效的保证的各组件的结构强度和刚度。

Description

一种仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人。

背景技术

模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状，如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。而仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。从机器人技术和人工智能的研究现状来看，要完全实现高智能，高灵活性的仿人机器人还有很长的路要走，而且，人类对自身也没有彻底地了解，这些都限制了仿人机器人的发展。

目前仿人机器人作为机器人技术领域的研究热点，一直被国内外各高校和研究所作为机器人技术研究的突破口。但是，由于大多数仿人机器人的双腿结构采用多块铝合金板搭接的结构形式，其存在着结构强度差、组装零件数量多、有安装机械误差等诸多缺陷，这些缺陷会造成进行步态仿真实验时，在使用同一仿真实验数据的情况下，每次实验所得到的仿人机器人实际步态数据均不相同，这会导致最终调出的步态数据不具有可复现性，无法有效的完成步态仿真实验。

由此可见，能否针对现有技术中的不足，针对仿人机器人的双腿结构做进一步改进，以解决上述技术问题，实现仿人机器人实际步态数据均匀，步态数据重复性好，有效实现步态仿真，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人，本发明的腿部机构强度好、组装零件数量少、能够有效减小安装产生的机械误差的双腿结构。

为了达到上述技术效果，本发明包括以下技术方案：

一种仿人机器人腿部机构，包括依次连接的髋关节组件、大腿组件、小腿组件、踝关节组件和脚掌组件，所述髋关节组件、大腿组件、小腿组件和踝关节组件包括架体和连接在架体上的驱动组件，所述驱动组件包括依次连接的电机、主动带轮、从动带轮和谐波减速器，所述电机和谐波减速器固定连接在所述架体上，所述大腿组件通过谐波减速器和/或转轴分别与所述髋关节组件和小腿组件连接。本发明各结构设计合理，各关节组件能够实现灵活运动，结构强度高，在进行仿人行走时，有效完成步态仿真。

进一步的，所述髋关节组件上连接有腰部组件，所述腰部组件包括架体I及依次连接的电机I、主动带轮I、从动带轮I和谐波减速器I，所述电机I、从动带轮和谐波减速器I固定连接在所述架体I上。

进一步的，所述电机I与主动带轮I之间、从动带轮I与谐波减速器I之间均呈竖直连接，所述主动带轮I与所述从动带轮I位于同一水平面，且通过传动带I连接。

进一步的，所述髋关节组件上固定连接有谐波减速器连接件，所述髋关节组件通过谐波减速器连接件与所述腰部组件的谐波减速器连接。

髋关节组件与腰部组件连接方式和结构设计合理，有效通过电机的启动控制所述腰部组件相对大腿组件的转动，使得连接本发明腿部机构的机器人能够实现根据接收的指令使上半身在0～360°角度范围中任意的角度值做旋转，实现更灵活运动。

进一步的，所述髋关节组件的架体为十字形架体I，所述十字形架体I上固定连接有髋关节U型件，所述电机固定连接在所述髋关节U型件上，所述十字形架体I的一个端部与所述大腿组件上谐波减速器的柔轮固定连接，相对的另一个端部与所述大腿组件的架体转动连接。

通过在髋关节组件的结构中，以十字形架体I和髋关节U型件进行结构连接和设计，采用一体化设计方案，有效减少了零件数量，降低了安装机械误差；增加了筋板和加强筋，提高了零件的强度和刚度，使整体结构更加稳定。易于大腿组件和腰部组件的各结构设计。

进一步的，所述大腿组件上的驱动组件数量为两个，大腿组件上的两个所述谐波减速器分别固定连接在大腿组件的架体的两个端部。

为了实现大腿组件的灵活运动，分别在大腿上设置两个驱动组件，来分别控制大腿组件与髋关节组件的相对运动以及小腿组件与踝关节组件的相对运动，协调性更小，仿人效果更好。

进一步的，所述小腿组件上的驱动组件数量为一个，所述小腿组件通过谐波减速器和转轴与所述踝关节组件连接。小腿组件与踝关节组件能够实现相对运动，本发明小腿组件和大腿组件的结构设计灵活，也可根据研究的需要来调换替代使用，提高每个组件的使用效率。

进一步的，所述小腿组件上与大腿组件连接的一端设置有U形件，所述U形件的一个支段与所述大腿组件的谐波减速器连接，另一个支段通过转轴与所述大腿组件连接。

通过连接U形件，实现小腿组件与大腿组件之间更灵活的运动，操作方便，使大腿组件与小腿组件的连接强度更好，有效减少安装机械误差。

进一步的，所述踝关节组件还包括固定连接在踝关节组件的架体上的十字形架体II，所述踝关节组件的架体和电机固定连接，所述十字形架体II的一个端部与所述小腿组件上谐波减速器的柔轮固定连接，相对的另一个端部与所述小腿组件的架体转动连接。

通过在髋关节组件的结构中，以十字形架体II进行结构连接和设计，采用一体化设计方案，有效减少了零件数量，降低了安装机械误差；增加了筋板和加强筋，提高了零件的强度和刚度，使整体结构更加稳定。易于小腿组件的各结构设计。

进一步的，所述的脚掌组件包括依次连接的脚掌主件、橡胶垫和脚掌底板，所述脚掌主件与踝关节组件的架体固定连接。

脚掌组件的结构设计，能够更好的为腿部机构提供稳固的支撑作用，在进行行走时，使得两条腿平衡度更好。

一种机器人，包括上体机构和与所述上体机构连接的腿部机构，所述腿部机构为上述的仿人机器人腿部机构。

采用本发明自主研究的机器人腿部机构，使仿人机器人在仿真实验室运动更灵活，易于操控，弥补了现有的仿人机器人存在在仿真实验时步态数据复现性低的问题。

采用上述技术方案，包括以下有益效果：本发明提供的一种仿人机器人腿部机构及连接有该机构的机器人，在于针对现有仿人机器人双腿髋关节结构的缺陷和不足，提出一种仿人机器人双腿髋关节的机构形式，其内部主要支撑件采用一体化结构设计，将电机、谐波减速器的安装件融为一体，减少了整个机构的零件数量，便于安装，降低了安装产生的机械误差，并在主支撑件内部设计了筋板和加强筋，有效的保证的零件的结构强度和刚度。

附图说明

图1为本发明仿人机器人腿部机构结构示意图；

图2为本发明腰部组件结构示意图；

图3为本发明髋关节组件结构示意图；

图4为本发明大腿组件结构示意图；

图5为本发明小腿组件结构示意图；

图6为本发明踝关节组件结构示意图；

图7为本发明脚掌组件结构示意图；

图中，

1、腰部组件；11架体I；12、电机I；13、主动带轮I；14、从动带轮I；15、谐波减速器I；2、髋关节组件；21、架体II；22、电机II、23、主动带轮II；24、从动带轮II；25、谐波减速器II；26、谐波减速器连接件；27、髋关节U型件；3、大腿组件；31、架体III；32、电机III；33、主动带轮III；34、从动带轮III；35、谐波减速器III；4、小腿组件；41、架体IV；42、电机IV；43、主动带轮IV；44、从动带轮IV；45、谐波减速器IV；46、U形件；5、踝关节组件；51、架体V、52、电机V；53、主动带轮V；54、从动带轮V；55、谐波减速器V；56、十字形架体II；6、脚掌组件；61、脚掌主件；62、橡胶垫；63、脚掌底板。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本实施例提供一种仿人机器人腿部机构，如图1所示，包括依次连接的髋关节组件2、大腿组件3、小腿组件4、踝关节组件5和脚掌组件6，所述髋关节组件、大腿组件、小腿组件和踝关节组件包括架体和连接在架体上的驱动组件，所述驱动组件包括依次连接的电机、主动带轮、从动带轮和谐波减速器，所述电机和谐波减速器固定连接在所述架体上，所述大腿组件通过谐波减速器和/或转轴分别与所述髋关节组件和小腿组件连接。

所述髋关节组件的一端与大腿组件通过谐波减速器的钢轮和柔轮进行连接，另一端通过轴和轴承与大腿组件连接；大腿组件与小腿组件通过谐波减速器的钢轮和柔轮以及轴和轴承进行连接；小腿组件与踝关节组件通过小腿组件的谐波减速器的钢轮和柔轮以及轴和轴承进行连接；踝关节组件与脚掌组件通过螺钉进行固定连接。

所述电机通过顶丝固定连接有主动带动轮，主动带动轮通过垫片和卡簧与所述主动带轮固定连接，从动带轮通过垫片和卡簧连接有从动带轮轴，所述从动带轮轴通过顶丝与所述谐波减速器固定连接。

如图2～7所示，具体的可分为，所述髋关节组件2包括架体II21、电机II22、主动带轮II23、从动带轮II24和谐波减速器II25；

所述大腿组件3包括架体III31、电机III32、主动带轮III33、从动带轮III34和谐波减速器III35；

所述小腿组件4包括架体IV41、电机IV42、主动带轮IV43、从动带轮IV44和谐波减速器IV45；

所述踝关节组件5包括架体V51、电机V52、主动带轮V53、从动带轮V54和谐波减速器V55；

在本实施例中进一步的，如图2所示，所述髋关节组件上连接有腰部组件1，所述腰部组件1包括架体I11及依次连接的电机I12、主动带轮I13、从动带轮I14和谐波减速器I15，所述电机I、从动带轮和谐波减速器I固定连接在所述架体I上。

所述腰部组件与髋关节组件通过髋关节组件的谐波减速器的钢轮和柔轮使用螺钉进行固定连接。

所述架体I包括上顶板和下支撑板，述的电机I和上顶板通过螺钉进行固定连接，上顶板和下支撑板通过螺钉进行固定连接，下支撑板和谐波减速器I通过螺钉进行固定连接。

在本实施例中，进一步的，所述电机I与主动带轮I之间、从动带轮I与谐波减速器I之间均呈竖直连接，所述主动带轮I与所述从动带轮I位于同一水平面，且通过传动带I连接。

当需要腿部组件与腰部组件做相对转动时，启动电机I，电机I带动主动带轮I，进一步的带动从动带轮I，所述从动带轮I带动谐波减速器I转动。

在本实施例中，进一步的，如图3所示，所述髋关节组件上固定连接有谐波减速器连接件26，所述髋关节组件通过谐波减速器连接件与所述腰部组件的谐波减速器15连接。

在本实施例中，进一步的，如图3所示，所述髋关节组件的架体II为十字形架体I，所述十字形架体I上固定连接有髋关节U型件27，所述电机II固定连接在所述髋关节U型件上，所述十字形架体I的一个端部与所述大腿组件上谐波减速器III的柔轮固定连接，相对的另一个端部与所述大腿组件的架体III转动连接。

髋关节U型件通过螺钉进行固定在十字形架体I上，十字形架体I通过轴承和轴与髋关节U型件连接，通过螺钉与谐波减速器固定连接，谐波减速器和髋关节U型件通过螺钉进行固定连接。所述腰部组件的电机在运行时，输出动力至主动带轮，主动带轮通过传动带将动力传输至从动带轮，所述从动带轮带动所述谐波减速器运动，控制所述腰部组件相对大腿组件转动，使得连接本发明腿部机构的机器人能够实现上半身在0～360°角度范围中任意的角度值做旋转。

在本实施例中，进一步的，如图4所示，所述大腿组件上的驱动组件数量为两个，大腿组件上的两个所述谐波减速器III分别固定连接在所述架体的两个端部。

本发明的仿人机器人，包括两个对称设置的大腿组件和小腿组件，每个大腿组件的两个谐波减速器III和大腿组件的架体III通过螺钉进行固定连接，两个从动带轮III和两个谐波减速器III通过轴和键进行连接，两个电机III和大腿组件的架体III通过螺钉进行固定连接，两个主动带轮III分别于两个电机III通过轴和键进行连接，每个主动带轮III与对应的从动带轮III通过传动带连接。

在本实施例中，进一步的，如图5所示，所述小腿组件上的驱动组件数量为一个，所述小腿组件通过谐波减速器IV和转轴与所述踝关节组件5连接。

小腿组件的电机IV和架体IV通过螺钉进行固定连接，主动带轮IV和电机IV通过轴和键进行连接，谐波减速器IV和架体IV通过螺钉进行固定连接，从动带轮IV和谐波减速器IV通过轴和键进行连接。

当腿部进行运动时，通过控制大腿组件上的两个电机III，以及小腿组件上的一个电机IV进行转动，进一步带动相连接的主动带轮和从动带轮运动，在从动带轮的带动下进一步控制大腿组件、小腿组件和脚掌组件相互配合，进行行走。

在本实施例中，进一步的，所述小腿组件上与大腿组件连接的一端设置有U形件46，所述U形件的一个支段与所述大腿组件的谐波减速器连接III，另一个支段通过转轴与所述大腿组件连接。

大腿组件与小腿组件间U形件的设置，通过谐波减速器III和转轴连接，能够有效实现大腿组件与小腿组件的有效转动。

在本实施例中，进一步的，如图6所示，所述踝关节组件还包括固定连接在踝关节组件的架体V51上的十字形架体II56，所述踝关节组件的架体V51和电机V固定连接，所述十字形架体II56的一个端部与所述小腿组件上谐波减速器IV的柔轮固定连接，相对的另一个端部与所述小腿组件的架体IV转动连接。

所述十字形架体I和十字形架体II均包括十字形支架、固定连接在十字形支架四个端部的连接件，通过连接件，实现髋关节组件与大腿组件的连接。

踝关节组件的十字形架体II与谐波减速器V通过螺钉进行固定连接，十字形架体II与从动带轮V和谐波减速器V通过轴和键进行连接，从动带轮V和谐波减速器V通过轴和键进行连接，谐波减速器V和踝关节组件的架体V通过螺钉进行固定连接，架体V和电机V通过螺钉进行固定连接，主动带轮V和电机V通过轴承和轴进行连接。

在本实施例中，进一步的，如图7所示，所述的脚掌组件包括依次连接的脚掌主件61、橡胶垫62和脚掌底板63，所述脚掌主件与踝关节组件的架体V51固定连接。

脚掌组件的结构设计，能够更好的为腿部机构提供稳固的支撑作用，在进行行走时，使得两条腿平衡度更加。橡胶垫和脚掌主件通过胶黏剂进行粘合，脚掌底板的层数为两层，两层所述脚掌底板通过胶黏剂进行粘合。

本实施例提供一种机器人，包括上体机构和与所述上体机构连接的腿部机构，所述腿部机构为上述实施例的仿人机器人腿部机构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人机器人腿部机构，包括依次连接的髋关节组件(2)、大腿组件(3)、小腿组件(4)、踝关节组件(5)和脚掌组件(6)，其特征在于，所述髋关节组件、大腿组件、小腿组件和踝关节组件包括架体和连接在架体上的驱动组件，所述驱动组件包括依次连接的电机、主动带轮、从动带轮和谐波减速器，所述电机和谐波减速器固定连接在所述架体上，所述大腿组件通过谐波减速器和/或转轴分别与所述髋关节组件和小腿组件连接。

2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述髋关节组件上连接有腰部组件(1)，所述腰部组件包括架体I(11)，还包括依次连接的电机I(12)、主动带轮I(13)、从动带轮I(14)和谐波减速器I(15)，所述电机I、从动带轮和谐波减速器I固定连接在所述架体I上。

3.根据权利要求2所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述电机I与主动带轮I之间、从动带轮I与谐波减速器I之间均呈竖直连接，所述主动带轮I与所述从动带轮I位于同一水平面，且通过传动带I连接。

4.根据权利要求2所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述髋关节组件上固定连接有谐波减速器连接件(26)，所述髋关节组件通过谐波减速器连接件与所述腰部组件的谐波减速器连接。

5.根据权利要求1所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述髋关节组件的架体为十字形架体I，所述十字形架体I上固定连接有髋关节U型件(27)，所述电机固定连接在所述髋关节U型件上，所述十字形架体I的一个端部与所述大腿组件上谐波减速器的柔轮固定连接，相对的另一个端部与所述大腿组件的架体转动连接。

6.根据权利要求1所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述大腿组件上的驱动组件数量为两个，大腿组件上的两个所述谐波减速器分别固定连接在大腿组件的架体的两个端部；所述小腿组件上的驱动组件数量为一个，所述小腿组件通过谐波减速器和转轴与所述踝关节组件连接。

7.根据权利要求1所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述小腿组件上与大腿组件连接的一端设置有U形件(46)，所述U形件的一个支段与所述大腿组件的谐波减速器连接，另一个支段通过转轴与所述大腿组件连接。

8.根据权利要求1所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述踝关节组件还包括固定连接在踝关节组件的架体上的十字形架体II(56)，所述踝关节组件的架体和电机固定连接，所述十字形架体II的一个端部与所述小腿组件上谐波减速器的柔轮固定连接，相对的另一个端部与所述小腿组件的架体转动连接。

9.根据权利要求1所述的一种仿人机器人腿部机构，其特征在于，所述的脚掌组件包括依次连接的脚掌主件(61)、橡胶垫(62)和脚掌底板(63)，所述脚掌主件与踝关节组件的架体固定连接。

10.一种机器人，包括上体机构和与所述上体机构连接的腿部机构，其特征在于，所述腿部机构为权利要求1～9任一项所述的仿人机器人腿部机构。