CN106184460B - 一种模块化仿生机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化仿生机械腿，包括基节、股节、胫节和足端、基节关节连接件、股节关节连接件、胫节关节连接件；其中基节设置于机器人主体上且沿连接点周向旋转，基节关节连接件设置于基节末端且沿垂直于基节旋转轴的轴旋转，股节设置于基节关节连接件末端且沿垂直于基节和基节关节连接件旋转轴的轴旋转，股节关节连接件设置于股节末端且沿平行于基节关节连接件旋转轴的轴旋转，胫节固定于股节关节连接件末端，胫节关节连接件设置于胫节末端且沿平行于基节关节连接件旋转轴的轴旋转，足端固定于胫节关节连接件末端。本发明可以在满足基本行走要求的基础上，增加机器人的行走灵活性以及对于复杂路况的适应性。

Description

一种模块化仿生机械腿

技术领域

本发明涉及一种机器人技术，特别是一种模块化仿生机械腿。

背景技术

生活在自然界中的生物，如果不是人或它的天敌去影响它们，是很自由自在的。无论在陆地、在空中、在水上水里，没有它们不能去的地方，它们的工作生活依赖的是它们自己。但人类就不一样，城市里的人方便一些，生活设施齐全，工作设备由老板提供，工作生活比较稳定自由。广大农民，三农中生产生活的人们，生产生活要受自然环境、生产工具的影响，生产生活都要借助设备，没有生活生产设施有的连生存都成问题。还不如水中的鱼虾，空中飞的，地上走的。有些人什么也做不了，下雪，结冰更没有办法了，尽管有人有车，但轮子要打滑，过不了沟，过不了埂。不像自然界的动物们，房自己挖，路任意去走，不行还可以飞。所以很多的农民为了生存，每年都要外出打工，年前回家年后又去，他们的生活生产还不如有些动物自由自在，因为没有生活生产工具，不能自给自足不能适应当地的自然条件。

仿生肢就是仿照某种生物在生存环境中所拥有的肢的功能而研制的机械肢。现有的足式步行机器人的每条机械腿拥有至少三个自由度以保证其实现基本的行走步态，3自由度机械腿存在行走灵活性差，路况适应性低的缺陷，但是自由度多了又带来结构设计和驱动控制方面的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化仿生机械腿，可以在满足基本行走要求的基础上，增加机器人的行走灵活性以及对于复杂路况的适应性。

一种模块化仿生机械腿，包括基节、股节、胫节和足端、基节关节连接件、股节关节连接件、胫节关节连接件；其中基节设置于机器人主体上且沿连接点周向旋转，基节关节连接件设置于基节末端且沿垂直于基节旋转轴的轴旋转，股节设置于基节关节连接件末端且绕与股节自身轴向平行的旋转轴旋转，并且该旋转轴与基节关节连接件旋转轴垂直相交，股节关节连接件设置于股节末端且沿平行于基节关节连接件旋转轴的轴旋转，胫节固定于股节关节连接件末端，胫节关节连接件设置于胫节末端且沿平行于基节关节连接件旋转轴的轴旋转，足端固定于胫节关节连接件末端；基节、基节关节连接件、股节三者旋转轴相交于一点。

本发明和现有技术相比，具有以下优点，(1)机械腿与步行机器人躯干连接处并不只是用一个简单的转动副，整个机械腿也不是只有满足基本行走要求的3个自由度。本发明的5自由度机械腿结合仿生学：动物腿与躯干的连接处应该是一个全方位的运动，可等效成机械传动的球副，但是考虑到球副不能直接主动驱动，本发明把球副等效成机械腿基节输出的两个转动副和股节输出中旋转轴线与其轴向平行的转动副，三者旋转轴线交于一点，这样一来配合剩余的两个转动副，机械腿既能实现摆动、抬起放下运动，又能够实现腿在基节之后部份的橫滚运动，从而可以全方位的调整足端着地的角度以适应不同的路况。(2)模块化的设计理念减少了机械腿自由度增加带来的结构复杂性，提高了机器人结构的紧凑性。同时针对不同的工作需求，模块化的机械腿可以配合安装在各种外形的机器人躯干上，机械腿数量也可以相应的增加到六条、八条。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明应用于有外壳机器人上的结构示意图。

图2是本发明应用于无外壳的机器人结构示意图。

图3是机械腿基节与机器人连接处放大示意图。

图4(a)是机械腿基节内部结构立体示意图。

图4(b)是机械腿基节结构局部剖视示意图。

图5是基节与股节连接示意图。

图6是股节内部结构局部剖视示意图。

图7是胫节内部结构局部剖视示意图

图8是股节、胫节和足端连接示意图。

具体实施方式

一种模块化仿生步行机器人，一种模块化仿生机械腿，包括基节6、股节7、胫节8和足端9、基节关节连接件10、股节关节连接件11、胫节关节连接件12；其中基节6设置于机器人主体上且沿连接点周向旋转，基节关节连接件10设置于基节6末端且沿垂直于基节6旋转轴的轴旋转，股节7设置于基节关节连接件10末端且绕与股节7自身轴向平行的旋转轴旋转，并且该旋转轴与基节关节连接件旋转轴垂直相交，股节关节连接件11设置于股节7末端且沿平行于基节关节连接件10旋转轴的轴旋转，胫节8固定于股节关节连接件11末端，胫节关节连接件12设置于胫节8末端且沿平行于基节关节连接件10旋转轴的轴旋转，足端9固定于胫节关节连接件12末端；其中基节6、基节关节连接件10、股节7的旋转轴相交于一点。

结合图1、2、3，模块化仿生步行机器人应用于机器人的一种场景，该机器人包括机械腿1、躯干基板2、电路板控制装置3、躯干骨架4和外壳5。机械腿1通过和躯干骨架4的直接连接，使得4条仿生机械腿对称分布在机器人躯干两侧，外壳5有两个，前后分别固定在躯干基板2上。外壳5通过躯干基板2两侧螺钉固定在躯干基板2上，电路板控制装置3设置于躯干基板2上，用于提供安装外部器件的接口。

结合图4，整条仿生机械腿是通过基节6与躯干连接，基节6包括基节外壳6-1和两个基节子模块。基节子模块I包括子基节第一电机23、基节第一电机法兰15、基节第一减速器13、基节第一减速器安装法兰14，具体连接方式如下：基节第一电机23和基节第一电机法兰15相连接，基节第一减速器13和基节第一减速器安装法兰14连接，最后基节第一电机法兰15通过螺钉固定到基节第一减速器安装法兰14上，使之成为一个模块整体。子模块II由基节第二电机231、基节第二电机法兰22、基节90度转向器21、基节第二减速器18、基节第二减速器安装法兰17，具体连接方式如下：基节第二电机231与基节第二电机法兰22连接后，再与基节90度转向器21输入端相连接，基节第二电机输出轴与基节90度转向器安装法兰24中的输入端为抱紧连接方式，基节第二减速器18与基节第二减速器安装法兰17相连接后，其输入端与基节90度转向器21输出端相连接。通过第一结构连接件19、第二结构连接件20分别与基节第二减速器安装法兰17、基节90度转向器21连接，通过第三结构连接件16分别与基节第二减速器安装法兰17、基节第一电机法兰15连接，使两个基节子模块连接成一个整体，成为一个大的模块，然后该模块基节第一减速器安装法兰14两侧的螺钉连接到基节外壳6-1上，形成机械腿的基节6。

所述基节关节连接件10和股节关节连接件11包括两条基节关节连接件侧壁和连接侧壁的基节关节连接件底壁；其中第一基节关节连接件侧壁与第二减速器18输出端固定连接，第二基节关节连接件侧壁与基节6转动连接。所述基节外壳6-1于基节第二减速器18和基节90度转向器21处分别设置通孔，所述基节关节连接件10的第一基节关节连接件侧壁于通孔处与第二减速器18输出端连接，所述基节关节连接件10的第二基节关节连接件侧壁上设置结构支撑件25，结构支撑件25设置于基节外壳6-1位于基节90度转向器21处的通孔内且通过轴承与基节外壳27连接。

结合图3、图4、图5，基节6共有两个输出端，其中一个输出为基节第一减速器13的输出端，该输出端与躯干骨架4连接，使得整条机械腿绕垂直于躯干基板2平面的轴线转动。另一个输出为基节第二减速器18的输出端，该输出通过基节第二减速器输出法兰26分别与基节第二减速器18、基节关节连接件10连接，基节关节连接件10与股节7连接，来驱动股节7做旋转轴线与其轴向垂直的俯仰运动，结构支撑件25起到给基节关节连接件10旋转时提供支撑的作用，两者之间装有滚动轴承。

结合图5、图6、图8，股节7的结构与基节6相同，仅存在尺寸和构件型号差异，所以股节7也有两个子模块输出端，其中一个输出端为股节第一减速器27，通过股节第一减速器输出法兰28连接到基节关节连接件10底壁上，使得股节7既可以做旋转轴线与自身轴向平行的转动，又可以在基节关节连接件10的带动下与之一起做俯仰运动；另一个输出端则为股节第二减速器29，通过将股节第二减速器输出法兰30分别与股节第二减速器29、股节关节连接件11相连接，股节关节连接件11和胫节8连接，使得胫节8在该输出端驱动下做俯仰运动，其旋转轴线于胫节8轴向垂直。

股节关节连接件11均包括两条侧壁和连接侧壁的底壁；其中第一股节关节连接件侧壁与第二减速器输出端固定连接，第二股节关节连接件侧壁与股节7转动连接。所述股节7外壳于股节第二减速器和股节90度转向器处分别设置通孔，所述第一股节关节连接件侧壁于通孔处与股节第二减速器输出端连接，所述第二股节关节连接件侧壁上设置结构支撑件，结构支撑件设置于股节外壳位于股节90度转向器处的通孔内且通过轴承与股节外壳连接。

结合图7、图8，胫节8包括胫节外壳33、胫节关节连接件12和内部一个胫节子模块，该子模块结构原理和基节6中的子模块II相同，仅存在构件尺寸和型号差异。该胫节子模块通过胫节减速器安装法兰32固定在胫节外壳33上。由之前的描述可知胫节8只有一个输出，该输出端为胫节减速器27，并且将胫节减速器输出法兰31分别与胫节减速器27、胫节关节连接件12相连接，胫节关节连接件12与足端9相连接，使得胫节8的输出驱动足端9做俯仰运动，其旋转轴线与足端9的轴向垂直。

本发明所采用电机为maxon直流电机，型号RE35，所用减速器为HarmonicDrive谐波齿轮减速器CSG系列。

Claims (7)

1.一种模块化仿生机械腿，其特征在于，包括基节(6)、股节(7)、胫节(8)和足端(9)、基节关节连接件(10)、股节关节连接件(11)、胫节关节连接件(12)；其中

基节(6)设置于机器人主体上且沿连接点周向旋转，

基节关节连接件(10)设置于基节(6)末端且沿垂直于基节(6)旋转轴的轴旋转，

股节(7)设置于基节关节连接件(10)末端且绕与股节(7)自身轴向平行的旋转轴旋转，并且该旋转轴与基节关节连接件旋转轴垂直相交，

股节关节连接件(11)设置于股节(7)末端且沿平行于基节关节连接件(10)旋转轴的轴旋转，

胫节(8)固定于股节关节连接件(11)末端，

胫节关节连接件(12)设置于胫节(8)末端且沿平行于基节关节连接件(10)旋转轴的轴旋转，

足端(9)固定于胫节关节连接件(12)末端；

基节(6)、基节关节连接件(10)、股节(7)的旋转轴相交于一点。

2.根据权利要求1所述的模块化仿生机械腿，其特征在于，所述基节(6)和股节(7)均包括外壳、第一减速器、第一电机、第二减速器、90度转向器、第二电机；其中

外壳用于承载第一减速器、第一电机、第二减速器、90度转向器、第二电机，

基节(6)的第一减速器的输出法兰端固定于机器人主体上，

股节(7)的第一减速器的输出端通过股节第一减速器输出法兰端固定于基节关节连接件(10)上，

第一电机输出端与第一减速器输入端连接且提供工作电压，

基节90度转向器输出端与基节第二减速器输入端连接，

基节第二电机输出端与基节90度转向器输入端连接且提供工作电压。

3.根据权利要求2所述的模块化仿生机械腿，其特征在于，所述基节关节连接件(10)和股节关节连接件(11)均包括两条侧壁和连接侧壁的底壁；其中

第一侧壁与第二减速器输出端固定连接，

基节关节连接件(10)的第二侧壁与基节(6)转动连接，

股节关节连接件(11)的第二侧壁与股节(7)转动连接。

4.根据权利要求3所述的模块化仿生机械腿，其特征在于，所述外壳于第二减速器和基节90度转向器处分别设置通孔，所述基节关节连接件(10)和股节关节连接件(11)的第一侧壁于通孔处与第二减速器输出端连接，所述基节关节连接件(10)和股节关节连接件(11)的第二侧壁上设置结构支撑件，结构支撑件设置于外壳位于90度转向器处的通孔内且通过轴承与外壳连接。

5.根据权利要求4所述的模块化仿生机械腿，其特征在于，结构支撑件与基节90度转向器之间设置弹片。

6.根据权利要求1所述的模块化仿生机械腿，其特征在于，所述胫节(8)包括胫节外壳(33)、胫节减速器(27)；其中胫节减速器(27)通过法兰固定于胫节外壳(33)内。

7.根据权利要求6所述的模块化仿生机械腿，其特征在于，胫节关节连接件(12)包括两条胫节关节连接件侧壁和连接胫节关节连接件侧壁的胫节关节连接件底壁；其中

第二胫节关节连接件侧壁与胫节减速器(27)输出端通过法兰固定连接，

第一胫节关节连接件侧壁上设置胫节关节连接件结构支撑件，

胫节外壳(33)外壁上设置与胫节关节连接件结构支撑件匹配的通孔，

胫节关节连接件结构支撑件设置于胫节外壳(33)的通孔内且通过轴承连接。