CN106005092A - 串并联混合的仿人足球机器人腿部机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆、膝关节、两个小腿连杆、踝关节和脚板，髋关节的布置为传统的串联形式，但其髋关节U形架的短跨距设计可以使髋关节刚度更强。膝关节处具有四连杆结构，膝关节四连杆结构可以提高膝盖处的刚度，提高行走稳定性。同时，四连杆结构还提供了膝关节拉簧的布置空间。踝关节处具有并联结构，踝关节的并联结构可以实现踝关节两个驱动单元的同时功率输出，在提升刚度的同时，也大大减少了小腿的惯量，减轻了膝关节驱动单元和髋关节驱动单元的负载。从而实现了轻量、快速、有力、稳定的目标。踝关节后部的拉簧具有重力补偿和储能的作用。

Description

串并联混合的仿人足球机器人腿部机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构。

背景技术

近些年来，小型足球机器人小型足球仿人机器人(kid-size)由于其开发难度较低，成本相对较低，拟人性进一步增强，越来越受到社会各界的关注。每年举行的RoboCup(机器人世界杯足球锦标赛)中，小型足球仿人机器人越来越受到关注。

在小型足球机器人实际研究中，腿部的构型和质量分布对机器人的运动能力有较大影响。通过研究新型串并混联腿，有助于提升现有仿人机器人的运动性能，包括：在多自由度复合关节处引入并联机构，使肢体末端运动更加灵活、平滑连续；肢体协调及姿态变换能力得到进一步改善；在形态、结构和运动功能上最大程度接近人的实际状态。并联构型特点是以独立并联机构为肢体。像其中髋关节为两自由度并联球铰链机构与一个单自由度机构串联，踝关节为两自由度并联球铰链机构，膝为一个单自由度俯仰串联机构。这种结构刚度较大，使肢体承载能力增大、运动稳定性提高。

如申请公布号为CN 205022730 U的专利文献公开的一种人形机器人的腿形改良结构，是提供人形机器人腿部结构做多点连结架撑，达到机器人架撑稳固省力的结构改良设计，主要将人形机械人下架具组成的两侧腿形架构，依平行杆相互组接，其中中段连结处设以电机锁固定定位，构成一膝关节状，配合平行连杆上端及与脚板连结底端，分别以伺服电机马达做不同轴向的转控连结，构成类似腿部的曲弧转控操作，通过平行连杆的组装，使机器人架撑定位时马达的出力，可收到省力安全且稳固确实的人形安全操控目的。该申请提供的人形机器人腿形改良结构能够实现省力安全且稳固的目的，但是其运动性能低，对机器人的行走速度有很大的限制。且腿部惯量太大，不利于长时间行走情况。在长时间的行走下，惯量太大会导致机器人能量损耗过高的问题发生。

申请公布号为CN 201423657 Y的专利文献公开的一种机器人腿机构，包括基座和运动平台，基座通过传动机构与运动平台连接；传动机构包括固定在基座上的电机和与电机连接的运动单元；运动单元包括能使机器人腿机构向后摆动的第一运动单元和使运动平台下压或上提的第二运动单元；第一运动单元包括一顶端固定在基座上的支撑杆，与第一电机连接第一丝杆机构和一与运动平台铰接的第一定长杆；第一定长杆包括直杆部分和向外凸出的凸块部分，支撑杆的与直杆部分铰接，第一丝杆机构与凸块部分铰接；第二单元包括与第二电机连接的第二丝杆机构和与运动平台铰接的第二定长杆，第二丝杆机构与第二定长杆铰接。该实用新型具有结构简单，承载能力强，体积较小，加工和装配工艺性好的优点。该申请提供的机器人腿部机构承载能力强，但是由于其没有膝关节，运动性能有一定的限制。该结构的机器人会存在行走较慢的情况。

申请公布号为CN 1833829A的专利文献公开了一种具有双球形髋关节机构和7自由度腿部的仿人机器人下肢结构，其中髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节3个自由度。髋关节采用双球型机构，即六个旋转轴交于一点，这样在膝关节和踝关节不动作的时候，使仿人型机器人在不增加关节的情况下实现腰部功能。踝关节添加一个旋转的自由度，可以使仿人机器人的腿部实现更加丰富的动作。该申请提供的机器人下肢机构机器人腿部动作确实会更加灵活。但是其有7个自由度，踝关节增加1个自由度后，腿部惯量比原来大的多，其运动能力会进一步受限。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，解决了现有技术腿部机构惯量过大、刚性不足的问题。

本发明采取的技术方案如下：一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆、膝关节、两个小腿连杆、踝关节和脚板，其特征在于，所述踝关节包括两个踝关节驱动单元、两个双杆端球轴承连杆、两个踝关节驱动连杆、两个后部脚板固定块、两个踝关节拉簧、万向节、第一踝关节紧固块、第二踝关节紧固块、轴承、两个踝关节旋转轴、两个踝关节被动连杆、两个前部脚板固定块；其中，所述小腿连杆的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元，两个踝关节驱动单元的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块和第二踝关节紧固块相连，两个踝关节驱动单元的背部转轴之间通过轴承相连；所述踝关节驱动单元的输出轴与踝关节驱动连杆的一端固定连接，踝关节驱动连杆的另一端与踝关节旋转轴的外端部固定连接；所述踝关节被动连杆的一端与踝关节旋转轴的内端部固定连接，踝关节被动连杆的另一端与套设在轴承上；所述双杆端球轴承连杆的一端套设在踝关节旋转轴上，与踝关节旋转轴铰接，双杆端球轴承连杆的另一端与脚板固定块铰接，后部脚板固定块固定安装在脚板的脚跟部位；所述万向节的一端与第一踝关节驱动单元的底部相连，万向节的另一端与脚板的中部固定连接；所述前部脚板固定块安装在脚板的脚掌部位，所述踝关节拉簧的一端与前部脚板固定块相连，另一端与小腿连杆相连。

进一步地，还包括踝关节套筒和万向节连接件；所述踝关节套筒套设在踝关节旋转轴上，用于双杆端球轴承连杆在踝关节旋转轴上的定位，即踝关节套筒设置在双杆端球轴承连杆和踝关节被动连杆之间，或者踝关节套筒设置在双杆端球轴承连杆和踝关节驱动连杆之间；所述万向节的一端通过万向节连接件与第一踝关节驱动单元的底部相连。

进一步地，所述膝关节包括膝关节驱动连杆、膝关节驱动单元、第二传动轴、膝关节被动连杆、膝关节拉伸弹簧、第一转动轴；所述大腿连杆的下部与小腿连杆的上部通过膝盖旋转轴铰接；所述膝关节驱动单元固定安装在大腿连杆的下部，所述膝关节驱动连杆的一端与膝关节驱动单元的输出轴固定连接，膝关节驱动连杆的另一端与第一转动轴铰接；所述膝关节被动连杆的一端套设在第一转动轴，与第一转动轴铰接，膝关节被动连杆的另一端套设在第二转动轴，与第二转动轴铰接；所述第二转动轴固定在小腿连杆的中部；所述膝关节拉伸弹簧的一端勾住第一转动轴，另一单勾住膝盖旋转轴。

进一步地，所述小腿连杆、膝关节被动连杆、膝关节驱动连杆、大腿连杆构成稳定的四连杆机构。

进一步地，所述髋关节包括：U形架、旋转法兰、第一髋关节加固板、髋关节俯仰驱动单元、第二髋关节加固板、髋关节滚动驱动单元、法兰安装板；所述髋关节俯仰驱动单元的输出轴与大腿连杆的上部铰接，所述第一髋关节加固板和所述第二髋关节加固板固定连接在髋关节俯仰驱动单元的左右两侧，所述旋转法兰的底座固定安装在U形架的一边，旋转法兰的转轴与法兰安装板固定连接，法兰安装板固定连接在第一髋关节加固板上；所述髋关节滚动驱动单元固定在第二髋关节加固板上，所述髋关节滚动驱动单元的输出轴与U形架的另一边固定连接。

进一步地，所述髋关节俯仰驱动单元、髋关节滚动驱动单元、膝关节驱动单元、踝关节驱动单元均可以是舵机或者电机加减速器的单元整体。

进一步地，初始状态时，膝关节拉簧和踝关节拉簧均处于被拉伸状态。

本发明的有益效果是：踝关节部分使用更小的双舵机同时输出功率，更加有效地使用舵机，同时提高了舵机安装位置，进一步减小了小腿的转动惯量。同时后部的拉伸弹簧可以帮助储能和省力，进一步使腿部机构达到节能、快速、有力的效果。踝关节使用的并联结构也使得踝关节结构刚度更大，有利于机器人的稳定行走。膝关节使用的四连杆结构增强了膝盖的刚度。其中安放的拉伸弹簧有利于减轻行走时膝关节舵机的负载，从而起到了节能的效果。其中连杆的特殊弧形适应了运动范围的要求。髋关节的短跨距设计增强了腿部刚度，有利于行走的稳定性。

附图说明

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的侧视图；

图3是本发明实施例的正视图；

图4是本发明实施例的俯视图；

图5为图4在踝关节处的剖视图；

图中：U形架1、旋转法兰2、第一髋关节加固板3、髋关节俯仰驱动单元4、第二髋关节加固板5、大腿连杆6、髋关节滚动驱动单元7、膝关节驱动连杆8、膝关节驱动单元9、第二传动轴10、膝关节被动连杆11、膝关节拉伸弹簧12、第一转动轴13、小腿连杆14、踝关节驱动单元15、踝关节套筒16、双杆端球轴承连杆17、踝关节驱动连杆18、后部脚板固定块19、踝关节拉簧20、万向节21、万向节连接件22、第一踝关节紧固块23、第二踝关节紧固块24、轴承25、法兰安装板26、膝盖旋转轴27、踝关节旋转轴28、踝关节被动连杆29、前部脚板固定块30、脚板31。

具体实施方式

如图1～5所示，本发明串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、大腿连杆6、膝关节、小腿连杆14、踝关节和脚板31，

所述髋关节包括：U形架1、旋转法兰2、第一髋关节加固板3、髋关节俯仰驱动单元4、第二髋关节加固板5、髋关节滚动驱动单元7、法兰安装板26；所述U形架1与机身上驱动腿部机构的偏航方向自由度的驱动单元相连；所述髋关节俯仰驱动单元4的输出轴与大腿连杆6的上部铰接，所述第一髋关节加固板3和所述第二髋关节加固板5固定连接在髋关节俯仰驱动单元4的左右两侧，所述旋转法兰2的底座固定安装在U形架1的一边，旋转法兰2的转轴与法兰安装板26固定连接，法兰安装板26固定连接在第一髋关节加固板3上；所述髋关节滚动驱动单元7固定在第二髋关节加固板5上，所述髋关节滚动驱动单元7的输出轴与U形架1的另一边固定连接；

所述膝关节包括：膝关节驱动连杆8、膝关节驱动单元9、第二传动轴10、膝关节被动连杆11、膝关节拉伸弹簧12、第一转动轴13、小腿连杆14；所述大腿连杆6的下部与小腿连杆14的上部通过膝盖旋转轴27铰接；所述膝关节驱动单元9固定安装在大腿连杆6的下部，所述膝关节驱动连杆8的一端与膝关节驱动单元9的输出轴固定连接，膝关节驱动连杆8的另一端与第一转动轴13铰接；所述膝关节被动连杆11的一端套设在第一转动轴13，与第一转动轴13铰接，膝关节被动连杆11的另一端套设在第二转动轴31，与第二转动轴31铰接；所述第二转动轴31固定在小腿连杆14的中部；所述膝关节拉伸弹簧12的一端勾住第一转动轴13，另一单勾住膝盖旋转轴27；

所述踝关节包括两个踝关节驱动单元15、两个双杆端球轴承连杆17、两个踝关节驱动连杆18、两个后部脚板固定块19、两个踝关节拉簧20、万向节21、第一踝关节紧固块23、第二踝关节紧固块24、轴承25、两个踝关节旋转轴28、两个踝关节被动连杆29、两个前部脚板固定块30；其中，所述小腿连杆14的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元15，两个踝关节驱动单元15的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块23和第二踝关节紧固块24相连，两个踝关节驱动单元15的背部转轴之间通过轴承25相连；所述踝关节驱动单元15的输出轴与踝关节驱动连杆18的一端固定连接，踝关节驱动连杆18的另一端与踝关节旋转轴28的外端部固定连接；所述踝关节被动连杆29的一端与踝关节旋转轴28的内端部固定连接，踝关节被动连杆29的另一端与套设在轴承25上；所述双杆端球轴承连杆17的一端套设在踝关节旋转轴28上，与踝关节旋转轴28铰接，双杆端球轴承连杆17的另一端与脚板固定块19铰接，后部脚板固定块19固定安装在脚板31的脚跟部位；所述踝关节套筒16套设在踝关节旋转轴28上，用于双杆端球轴承连杆17在踝关节旋转轴28上的定位，即踝关节套筒16设置在双杆端球轴承连杆17和踝关节被动连杆29之间，或者踝关节套筒16设置在双杆端球轴承连杆17和踝关节驱动连杆18之间；所述万向节21的一端通过万向节连接件22与第一踝关节驱动单元15的底部相连，万向节21的另一端与脚板31的中部固定连接；所述前部脚板固定块30安装在脚板31的脚掌部位，所述踝关节拉簧20的一端与前部脚板固定块30相连，另一端与小腿连杆14相连。

所述髋关节俯仰驱动单元4、髋关节滚动驱动单元7、膝关节驱动单元9、踝关节驱动单元15均可以是舵机或者电机加减速器的单元整体。

所述小腿连杆14、膝关节被动连杆11、膝关节驱动连杆8、大腿连杆6构成稳定的四连杆机构。

本发明的工作过程如下：

初始状态时，膝关节拉簧12与踝关节拉簧20均处于被拉伸状态。当髋关节俯仰驱动单元4工作时，大腿连杆6作俯仰方向运动，从而引起大腿的前后摆动。当髋关节滚动单元7工作时，大腿连杆6作滚动方向运动，从而引起大腿的左右摆动。当膝关节驱动单元9工作时，膝关节驱动连杆8转动。由于小腿连杆14、膝关节被动连杆11、膝关节驱动连杆8、大腿连杆6构成稳定的四边形四连杆机构，膝关节驱动连杆8一转动，膝关节四连杆即打开，膝盖实现弯曲，四边形的其中一对角线距离增加，膝关节拉伸弹簧12被拉伸，从而实现储能、省力的作用。踝关节的两个自由度由两个踝关节驱动单元15共同驱动作用实现，其传动结构为并联结构，任一自由度的运动由两个驱动单元共同驱动。当两个踝关节驱动单元15作同向运动时，踝关节驱动连杆18、双杆端球轴承连杆17、脚板31、万向节21及其连接件构成四边形连杆发生同向变形，脚板21实现俯仰运动。当两个踝关节驱动单元15作反向运动时，踝关节驱动连杆18、双杆端球轴承连杆17、脚板31、万向节21及其连接件构成四边形连杆发生反向变形。同时，由于受到万向节21的约束，反向变形表示给踝关节滚动方向带来一个力矩，所以踝关节可以实现滚动方向的运动。当踝关节有较大的俯仰角度时，后侧的踝关节弹簧20被拉伸，机构可以实现储能和省力的作用。

本发明的膝关节处的四连杆结构可以提高膝盖处的刚度，提高了行走稳定性。同时，四连杆结构还提供了膝关节拉簧的布置空间。踝关节的并联结构可以实现踝关节两个驱动单元的同时功率输出，在提升刚度的同时，也大大减少了小腿的惯量，减轻了膝关节驱动单元9、髋关节俯仰驱动单元4和髋关节滚动驱动单元7的负载。从而实现了轻量、快速、有力、稳定的目标。踝关节后部的拉簧具有重力补偿和储能的作用。

Claims (10)

1.一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆(6)、膝关节、两个小腿连杆(14)、踝关节和脚板(31)，其特征在于，所述踝关节包括两个踝关节驱动单元(15)、两个双杆端球轴承连杆(17)、两个踝关节驱动连杆(18)、两个后部脚板固定块(19)、两个踝关节拉簧(20)、万向节(21)、第一踝关节紧固块(23)、第二踝关节紧固块(24)、轴承(25)、两个踝关节旋转轴(28)、两个踝关节被动连杆(29)、两个前部脚板固定块(30)等；其中，所述小腿连杆(14)的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元(15)，两个踝关节驱动单元(15)的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块(23)和第二踝关节紧固块(24)相连，两个踝关节驱动单元(15)的背部转轴之间通过轴承(25)相连；所述踝关节驱动单元(15)的输出轴与踝关节驱动连杆(18)的一端固定连接，踝关节驱动连杆(18)的另一端与踝关节旋转轴(28)的外端部固定连接；所述踝关节被动连杆(29)的一端与踝关节旋转轴(28)的内端部固定连接，踝关节被动连杆(29)的另一端与套设在轴承(25)上；所述双杆端球轴承连杆(17)的一端套设在踝关节旋转轴(28)上，与踝关节旋转轴(28)铰接，双杆端球轴承连杆(17)的另一端与脚板固定块(19)铰接，后部脚板固定块(19)固定安装在脚板(31)的脚跟部位；所述万向节(21)的一端与第一踝关节驱动单元(15)的底部相连，万向节(21)的另一端与脚板(31)的中部固定连接；所述前部脚板固定块(30)安装在脚板(31)的脚掌部位，所述踝关节拉簧(20)的一端与前部脚板固定块(30)相连，另一端与小腿连杆(14)相连。

2.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，还包括踝关节套筒(16)和万向节连接件(22)；所述踝关节套筒(16)套设在踝关节旋转轴(28)上，用于双杆端球轴承连杆(17)在踝关节旋转轴(28)上的定位，即踝关节套筒(16)设置在双杆端球轴承连杆(17)和踝关节被动连杆(29)之间，或者踝关节套筒(16)设置在双杆端球轴承连杆(17)和踝关节驱动连杆(18)之间；所述万向节(21)的一端通过万向节连接件(22)与第一踝关节驱动单元(15)的底部相连。

3.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述膝关节包括膝关节驱动连杆(8)、膝关节驱动单元(9)、第二传动轴(10)、膝关节被动连杆(11)、膝关节拉伸弹簧(12)、第一转动轴(13)；所述大腿连杆(6)的下部与小腿连杆(14)的上部通过膝盖旋转轴(27)铰接；所述膝关节驱动单元(9)固定安装在大腿连杆(6)的下部，所述膝关节驱动连杆(8)的一端与膝关节驱动单元(9)的输出轴固定连接，膝关节驱动连杆(8)的另一端与第一转动轴(13)铰接；所述膝关节被动连杆(11)的一端套设在第一转动轴(13)，与第一转动轴(13)铰接，膝关节被动连杆(11)的另一端套设在第二转动轴(31)，与第二转动轴(31)铰接；所述第二转动轴(31)固定在小腿连杆(14)的中部；所述膝关节拉伸弹簧(12)的一端勾住第一转动轴(13)，另一单勾住膝盖旋转轴(27)。

4.根据权利要求3所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述小腿连杆(14)、膝关节被动连杆(11)、膝关节驱动连杆(8)、大腿连杆(6)构成四连杆机构。

5.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述髋关节包括：U形架(1)、旋转法兰(2)、第一髋关节加固板(3)、髋关节俯仰驱动单元(4)、第二髋关节加固板(5)、髋关节滚动驱动单元(7)、法兰安装板(26)；所述髋关节俯仰驱动单元(4)的输出轴与大腿连杆(6)的上部铰接，所述第一髋关节加固板(3)和所述第二髋关节加固板(5)固定连接在髋关节俯仰驱动单元(4)的左右两侧，所述旋转法兰(2)的底座固定安装在U形架(1)的一边，旋转法兰(2)的转轴与法兰安装板(26)固定连接，法兰安装板(26)固定连接在第一髋关节加固板(3)上；所述髋关节滚动驱动单元(7)固定在第二髋关节加固板(5)上，所述髋关节滚动驱动单元(7)的输出轴与U形架(1)的另一边固定连接。

6.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述踝关节驱动单元(15)可以是舵机或者电机加减速器的单元整体。

7.根据权利要求3所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述膝关节驱动单元(9)可以是舵机或者电机加减速器的单元整体。

8.根据权利要求5所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述髋关节俯仰驱动单元(4)和髋关节滚动驱动单元(7)均可以是舵机或者电机加减速器的单元整体。

9.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，初始状态时，踝关节拉簧(20)处于被拉伸状态。

10.根据权利要求3所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，初始状态时，膝关节拉簧(12)处于被拉伸状态。