CN106627831B - 一种四足机器人单腿机构 - Google Patents
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Abstract
一种四足机器人单腿机构，它涉及机器人创新应用领域。本发明为解决现有四足机器人腿部机构关节质量大、运动范围小、驱动能力不足的问题。一种四足机器人单腿机构包括髋关节机构、股关节机构、大腿、膝关节机构和小腿，髋关节机构的上端与机身连接，髋关节机构的下端与上端通过髋关节驱动组件和髋关节传动机构实现相对转动，股关节机构设置在髋关节机构的下端，大腿的上端与股关节轴连接，股关节轴通过股关节驱动组件和股关节传动机构实现转动，大腿的下端通过膝关节轴与小腿的上端连接，膝关节轴通过膝关节驱动组件和跨轴传动机构实现转动，小腿的下端设有三维传感器。本发明用于四足机器人。
Description
技术领域
本发明涉及机器人创新应用领域，具体涉及一种四足机器人单腿机构。
背景技术
四足机器人采用仿生设计方法，利用四条仿生腿的交替运动实现行走，是未来机器人领域的重要发展方向，在行星探测、救援运输、核能维修等方面具有的广阔的应用前景。单腿系统机构对于四足机器人的运动能力具有重要影响。
传统的四足机器人腿部机构面临着关节质量大、运动范围小、驱动能力不足等问题，严重制约了四足机器人的行走能力和工程化运用。腿部机构的灵活性和反应的快速性是评价单腿系统性能的重要指标，同时为适应复杂地貌和恶劣环境，四足机器人单腿系统关节必须拥有大的活动空间和输出转矩，以及实时测量反馈装置。而现有的四足机器人腿部机构均不具备以上功能。
发明内容
本发明为了解决现有四足机器人腿部机构关节质量大、运动范围小、驱动能力不足的问题，进而提出一种四足机器人单腿机构。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种四足机器人单腿机构包括髋关节机构、股关节机构、大腿、膝关节机构和小腿，髋关节机构的上端与机身连接，髋关节机构包括髋关节驱动组件和髋关节传动机构，髋关节机构的下端与上端通过髋关节驱动组件和髋关节传动机构实现相对转动，股关节机构设置在髋关节机构的下端，股关节机构包括股关节轴、股关节驱动组件和股关节传动机构，大腿的上端与股关节轴连接，股关节轴通过股关节驱动组件和股关节传动机构实现转动，膝关节机构包括膝关节轴、膝关节驱动组件和跨轴传动机构，大腿的下端通过膝关节轴与小腿的上端连接，膝关节轴通过膝关节驱动组件和跨轴传动机构实现转动，小腿的下端设有三维传感器，股关节驱动组件和膝关节驱动组件均设置在髋关节机构中。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1、本发明提供了一套能够提供高载荷、大范围运动、轻质、动力学参数(关节转速、足端力)易于精确测量、能够实行三自由度运动的机器人腿部机构；
2、本发明通过将驱动部件(电动机、减速器)的安装位置上移，降低腿部的重量和转动惯量，增大关节的活动范围和输出力矩；
3、本发明利用同步带(轮)的跨轴传动机构，使髋关节的动力输出在不产生运动干涉的情况下传递到膝关节，传动比准确，效率高；
4、本发明利用腿骨自身螺栓连接结构实现同步带的预紧调节，避免外加预紧轮，简化机构，增加其可靠性；
5、本发明中腿骨采用中空结构，减轻机构重量，并且可以用来布线。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中髋关节机构的结构示意图；
图3是图2的后侧示意图；
图4是本发明中髋关节机构上端的主视图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明中髋关节机构下端的俯视图；
图7是图6中去掉上壳9后其余构件的结构示意图；
图8是图6的仰视图；
图9是本发明中大腿的结构示意图；
图10是本发明中小腿的结构示意图；
图11是图10的剖视图；
图12是本发明中跨轴传动机构的结构示意图；
图13是本发明中髋关节驱动组件1、股关节驱动组件17和膝关节驱动组件15的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图13说明本实施方式，本实施方式所述一种四足机器人单腿机构包括髋关节机构、股关节机构、大腿、膝关节机构和小腿，髋关节机构的上端与机身2连接，髋关节机构包括髋关节驱动组件1和髋关节传动机构，髋关节机构的下端与上端通过髋关节驱动组件1和髋关节传动机构实现相对转动，股关节机构设置在髋关节机构的下端，股关节机构包括股关节轴26、股关节驱动组件17和股关节传动机构，大腿的上端与股关节轴26连接，股关节轴26通过股关节驱动组件17和股关节传动机构实现转动，膝关节机构包括膝关节轴37、膝关节驱动组件15和跨轴传动机构，大腿的下端通过膝关节轴37与小腿的上端连接，膝关节轴37通过膝关节驱动组件15和跨轴传动机构实现转动，小腿的下端设有三维力传感器38，股关节驱动组件17和膝关节驱动组件15均设置在髋关节机构中。
本实施方式中使用足端三维力传感器38，实时测量足端与地面的接触力，将三维接触力信息作为反馈信号，可以实现电动机在转动过程中的转矩控制。
本发明中机械腿的转动关节和腿骨，均采用轻质铝合金作为关节和腿骨材料，腿骨采用中空结构，减轻机构重量，并且可以用来布线，利用同步带和滚动轴承实现跨轴传动，其驱动系统采用空芯杯电机51和行星轮减速器52相配合的驱动电机组件，使用伺服驱动器，具有功率密度大、体积小、响应迅速等优点。
具体实施方式二：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述髋关节机构还包括外壳体7、转轴19和两个髋关节连接板5，髋关节传动机构包括主动齿轮3和从动齿轮4，两个髋关节连接板5的上端分别与机身2固接，外壳体7设置在两个髋关节连接板5之间，转轴19水平插装在外壳体7的中部，髋关节驱动组件1设置在外壳体7的上端，其中一个髋关节连接板5的外侧设有主动齿轮3和从动齿轮4，主动齿轮3与髋关节驱动组件1固接，转轴19的两端分别延伸到髋关节连接板5的外侧，从动齿轮4与转轴9的一端固接，主动齿轮3与从动齿轮4相啮合。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中所述外壳体7包括上壳9和下壳16，上壳9设置在下壳16的上端，上壳9与下壳16之间通过四个连接螺钉10固接。所述髋关节连接板5的上端通过连接螺栓6与机身2固接。所述主动齿轮3通过紧定螺钉8与髋关节驱动组件1固接。
具体实施方式三：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述转轴19的两端分别各设有一个深沟球轴承18和一组紧固螺钉13，每组紧固螺钉13沿圆周方向设置在转轴19的外侧，转轴19通过紧固螺钉13与外壳体7固接，转轴19通过深沟球轴承18与髋关节连接板5转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1、图3和图6至图9说明本实施方式，本实施方式所述股关节机构还包括股关节连接板20，股关节传动机构包括股关节主动带轮12和股关节从动带轮27，股关节连接板20固接在外壳体7的下端面上，股关节轴26水平插装在股关节连接板20的两端，股关节轴26的轴线方向与转轴19的轴线方向垂直设置，股关节驱动组件17设置在外壳体7内，股关节主动带轮12设置在外壳体7的一侧，股关节主动带轮12与股关节驱动组件17固接，股关节从动带轮27设置在股关节连接板20的外侧，股关节从动带轮27与股关节轴26的一端固接，股关节主动带轮12与股关节从动带轮27通过股关节传动带49连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二或三相同。
本实施方式中所述股关节从动带轮27通过股关节键28与股关节轴26固接，股关节从动带轮27的外侧设有从动带轮轴端挡圈29，从动带轮轴端挡圈29通过从动带轮固定螺钉30与股关节轴26的端面固接。
具体实施方式五：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述股关节轴26的两端分别各设有一个股关节凸缘轴承25，股关节轴26通过股关节凸缘轴承25与股关节连接板20转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式所述大腿包括股骨32、定位板33和两个股骨锁紧螺母31，股骨32的上端垂直旋装在股关节轴26的中部，股骨32的下端垂直旋装在定位板33的中部，股骨32的上下两端分别各旋装有一个股骨锁紧螺母31，股骨锁紧螺母31分别设置在股关节轴26的下端和定位板33的上端。其它组成和连接方式与具体实施方式二、三或五相同。
本实施方式中股骨锁紧螺母31防止股骨32的两端发生松动。
具体实施方式七：结合图1和图6至图12说明本实施方式，本实施方式所述膝关节机构还包括膝关节连接板35，膝关节传动机构包括膝关节主动带轮11、膝关节过渡带轮24、膝关节从动带轮41、一级传动带47和二级传动带48，膝关节连接板35固接在定位板33的下端，膝关节轴37水平插装在膝关节连接板35的两端，膝关节轴37的轴线方向与股关节轴26的轴线方向平行设置，膝关节驱动组件15设置在外壳体7内，膝关节主动带轮11设置在外壳体7的另一侧，膝关节主动带轮11与膝关节驱动组件15固接，膝关节过渡带轮24设置在股关节连接板20的外侧，膝关节过渡带轮24套装在股关节轴26的另一端，且膝关节过渡带轮24与股关节轴26转动连接，膝关节从动带轮41设置在膝关节连接板35的外侧，膝关节从动带轮41与膝关节轴37的一端固接，膝关节主动带轮11与膝关节过渡带轮24通过一级传动带47连接，膝关节过渡带轮24与膝关节从动带轮41通过二级传动带48连接。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。
本实施方式中所述膝关节过渡带轮24的外侧设有过渡轮轴端挡圈22，过渡带轮轴端挡圈22通过过渡带轮固定螺钉23与股关节轴26的端面固接。所述膝关节从动带轮41通过膝关节键42与膝关节轴37固接，膝关节从动带轮41的外侧设有膝关节轴端挡圈40，膝关节轴端挡圈40通过膝关节固定螺钉39与膝关节轴37的端面固接。所述膝关节连接板35通过四个紧定螺栓34与定位板33固接。
具体实施方式八：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式所述膝关节过渡带轮24与股关节轴26之间设有一组过渡带轮凸缘轴承21，膝关节过渡带轮24通过过渡带轮凸缘轴承21与股关节轴26转动连接，膝关节轴37的两端分别各设有一个膝关节凸缘轴承36，膝关节轴37通过膝关节凸缘轴承36与膝关节连接板35转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1、图10和图11说明本实施方式，本实施方式所述小腿包括膝骨44、足端连接板45和两个膝骨锁紧螺母43，膝骨44的上端垂直旋装在膝关节轴37的中部，膝骨44的下端垂直旋装在足端连接板45的中部，膝骨44的上下两端分别各旋装有一个膝骨锁紧螺母43，膝骨锁紧螺母43分别设置在膝关节轴37的下端和足端连接板45的上端。其它组成和连接方式与具体实施方式七或八相同。
本实施方式中所述三维力传感器38通过四个紧固螺栓46与足端连接板45固接。膝骨锁紧螺母43防止膝骨44的两端发生松动。
具体实施方式十：结合图1至图8和图13说明本实施方式，本实施方式所述髋关节驱动组件1、股关节驱动组件17和膝关节驱动组件15均分别包括编码器50、空心杯电机51和减速器52，编码器50与空心杯电机51连接，减速器52设置在空心杯电机51的输出端，三维力传感器38与编码器50连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、五、七或八相同。
其中髋关节驱动组件1中减速器52的输出端与主动齿轮3连接，股关节驱动组件17中减速器52的输出端与股关节主动带轮12连接，膝关节驱动组件15中减速器52的输出端与膝关节主动带轮11连接。
本实施方式中使用高精度的三维力传感器38和编码器50作为测量装置，高能量密度的空芯杯电机51作为动力装置。
本发明中主动齿轮3、从动齿轮4是模数为1的圆柱直齿轮，齿数分别为23和37。膝关节主动带轮11通过一级传动带47带动膝关节过渡带轮24转动，传动比为2，膝关节过渡带轮24通过二级传动带48带动膝关节从动带轮41转动，传动比为1。股关节主动带轮12通过股关节传动带49带动股关节从动带轮27转动，传动比为2。膝关节主动带轮11、膝关节过渡带轮24、膝关节从动带轮41、股关节主动带轮12和股关节从动带轮27均为S2M规格的圆弧形同步带，其中膝关节主动带轮11和股关节主动带轮12的齿数为20，膝关节从动带轮41、股关节主动带轮12和股关节从动带轮27的齿数均为40。
三维力传感器38的型号为OMD-30-SE-100，额定力为100N，测量精度为0.05％Fs。编码器50的型号为TS20B，分辨率为2000P/R，空芯杯电机51的型号为CBL2040-2416F，额定转速14785RPM，额定转矩为7.89mNm，减速器52为三级行星轮减速器，减速比为121，连续输出扭矩1.2Nm，瞬时输出扭矩为1.8Nm。
工作原理
1、髋关节设计：髋关节是机器人腿与机身连接的关节，由上髋和下髋组成，上髋固定于机身，下髋相对于上髋转动。上髋内部安装有髋关节驱动部件。下髋内部安装有两套驱动部件，分别通过同步带驱动股关节和膝关节。
2、大腿设计：大腿上接髋关节，下接小腿，由股关节和大腿骨及防松装置组成。股关节使大腿产生相对于髋关节的转动，由同步带驱动。大腿骨是中空的螺杆，两端由螺纹连接，防松螺母预紧。
3、小腿设计：小腿上接大腿，下接地面，由膝关节、小腿骨、防松装置、及足组成。膝关节使小腿产生相对于大腿的转动，由同步带驱动。小腿骨是中空的螺杆，两端由螺纹连接，防松螺母预紧。足与地面接触，为三维力传感器。
4、跨轴传动机构：采用两套同步带传动装置，髋关节内部电动机的动力经过股关节传递至膝关节。股关节上安装的过渡同步带轮装置是该机构的主要部分，同步带轮通过滚动轴承与股关节轴相连，其转动与股关节的转动互不影响。
5、驱动系统：驱动系统采用空芯杯电机和行星轮减速器相配合的电机组件，使用伺服驱动器，具有功率密度大、体积小、响应迅速等优点。
Claims (7)
1.一种四足机器人单腿机构，它包括髋关节机构、股关节机构、大腿、膝关节机构和小腿；髋关节机构还包括外壳体(7)、转轴(19)和两个髋关节连接板(5)，髋关节传动机构包括主动齿轮(3)和从动齿轮(4)；所述转轴(19)的两端分别各设有一个深沟球轴承(18)和一组紧固螺钉(13)；大腿包括股骨(32)、定位板(33)和两个股骨锁紧螺母(31)，其特征在于：所述膝关节机构还包括膝关节连接板(35)，膝关节传动机构包括膝关节主动带轮(11)、膝关节过渡带轮(24)、膝关节从动带轮(41)、一级传动带(47)和二级传动带(48)，髋关节机构的上端与机身(2)连接，髋关节机构包括髋关节驱动组件(1)和髋关节传动机构，髋关节机构的下端与上端通过髋关节驱动组件(1)和髋关节传动机构实现相对转动，股关节机构设置在髋关节机构的下端，股关节机构包括股关节轴(26)、股关节驱动组件(17)和股关节传动机构，大腿的上端与股关节轴(26)连接，股关节轴(26)通过股关节驱动组件(17)和股关节传动机构实现转动，膝关节机构包括膝关节轴(37)、膝关节驱动组件(15)和跨轴传动机构，大腿的下端通过膝关节轴(37)与小腿的上端连接，膝关节轴(37)通过膝关节驱动组件(15)和跨轴传动机构实现转动，小腿的下端设有三维力传感器(38)，股关节驱动组件(17)和膝关节驱动组件(15)均设置在髋关节机构中；两个髋关节连接板(5)的上端分别与机身(2)固接，外壳体(7)设置在两个髋关节连接板(5)之间，转轴(19)水平插装在外壳体(7)的中部，髋关节驱动组件(1)设置在外壳体(7)的上端，其中一个髋关节连接板(5)的外侧设有主动齿轮(3)和从动齿轮(4)，主动齿轮(3)与髋关节驱动组件(1)固接，转轴(19)的两端分别延伸到髋关节连接板(5)的外侧，从动齿轮(4)与转轴(9)的一端固接，主动齿轮(3)与从动齿轮(4)相啮合；每组紧固螺钉(13)沿圆周方向设置在转轴(19)的外侧，转轴(19)通过紧固螺钉(13)与外壳体(7)固接，转轴(19)通过深沟球轴承(18)与髋关节连接板(5)转动连接；股骨(32)的上端垂直旋装在股关节轴(26)的中部，股骨(32)的下端垂直旋装在定位板(33)的中部，股骨(32)的上下两端分别各旋装有一个股骨锁紧螺母(31)，股骨锁紧螺母(31)分别设置在股关节轴(26)的下端和定位板(33)的上端；膝关节连接板(35)固接在定位板(33)的下端，膝关节轴(37)水平插装在膝关节连接板(35)的两端，膝关节轴(37)的轴线方向与股关节轴(26)的轴线方向平行设置，膝关节驱动组件(15)设置在外壳体(7)内，膝关节主动带轮(11)设置在外壳体(7)的另一侧，膝关节主动带轮(11)与膝关节驱动组件(15)固接，膝关节过渡带轮(24)设置在股关节连接板(20)的外侧，膝关节过渡带轮(24)套装在股关节轴(26)的另一端，且膝关节过渡带轮(24)与股关节轴(26)转动连接，膝关节从动带轮(41)设置在膝关节连接板(35)的外侧，膝关节从动带轮(41)与膝关节轴(37)的一端固接，膝关节主动带轮(11)与膝关节过渡带轮(24)通过一级传动带(47)连接，膝关节过渡带轮(24)与膝关节从动带轮(41)通过二级传动带(48)连接。
2.根据权利要求1所述一种四足机器人单腿机构，其特征在于：所述股关节机构还包括股关节连接板(20)，股关节传动机构包括股关节主动带轮(12)和股关节从动带轮(27)，股关节连接板(20)固接在外壳体(7)的下端面上，股关节轴(26)水平插装在股关节连接板(20)的两端，股关节轴(26)的轴线方向与转轴(19)的轴线方向垂直设置，股关节驱动组件(17)设置在外壳体(7)内，股关节主动带轮(12)设置在外壳体(7)的一侧，股关节主动带轮(12)与股关节驱动组件(17)固接，股关节从动带轮(27)设置在股关节连接板(20)的外侧，股关节从动带轮(27)与股关节轴(26)的一端固接，股关节主动带轮(12)与股关节从动带轮(27)通过股关节传动带(49)连接。
3.根据权利要求2所述一种四足机器人单腿机构，其特征在于：所述股关节轴(26)的两端分别各设有一个股关节凸缘轴承(25)，股关节轴(26)通过股关节凸缘轴承(25)与股关节连接板(20)转动连接。
4.根据权利要求3所述一种四足机器人单腿机构，其特征在于：所述膝关节机构还包括膝关节连接板(35)，膝关节传动机构包括膝关节主动带轮(11)、膝关节过渡带轮(24)、膝关节从动带轮(41)、一级传动带(47)和二级传动带(48)，膝关节连接板(35)固接在定位板(33)的下端，膝关节轴(37)水平插装在膝关节连接板(35)的两端，膝关节轴(37)的轴线方向与股关节轴(26)的轴线方向平行设置，膝关节驱动组件(15)设置在外壳体(7)内，膝关节主动带轮(11)设置在外壳体(7)的另一侧，膝关节主动带轮(11)与膝关节驱动组件(15)固接，膝关节过渡带轮(24)设置在股关节连接板(20)的外侧，膝关节过渡带轮(24)套装在股关节轴(26)的另一端，且膝关节过渡带轮(24)与股关节轴(26)转动连接，膝关节从动带轮(41)设置在膝关节连接板(35)的外侧，膝关节从动带轮(41)与膝关节轴(37)的一端固接，膝关节主动带轮(11)与膝关节过渡带轮(24)通过一级传动带(47)连接，膝关节过渡带轮(24)与膝关节从动带轮(41)通过二级传动带(48)连接。
5.根据权利要求4所述一种四足机器人单腿机构，其特征在于：所述膝关节过渡带轮(24)与股关节轴(26)之间设有一组过渡带轮凸缘轴承(21)，膝关节过渡带轮(24)通过过渡带轮凸缘轴承(21)与股关节轴(26)转动连接，膝关节轴(37)的两端分别各设有一个膝关节凸缘轴承(36)，膝关节轴(37)通过膝关节凸缘轴承(36)与膝关节连接板(35)转动连接。
6.根据权利要求4或5所述一种四足机器人单腿机构，其特征在于：所述小腿包括膝骨(44)、足端连接板(45)和两个膝骨锁紧螺母(43)，膝骨(44)的上端垂直旋装在膝关节轴(37)的中部，膝骨(44)的下端垂直旋装在足端连接板(45)的中部，膝骨(44)的上下两端分别各旋装有一个膝骨锁紧螺母(43)，膝骨锁紧螺母(43)分别设置在膝关节轴(37)的下端和足端连接板(45)的上端。
7.根据权利要求6所述一种四足机器人单腿机构，其特征在于：所述髋关节驱动组件(1)、股关节驱动组件(17)和膝关节驱动组件(15)均分别包括编码器(50)、空心杯电机(51)和减速器(52)，编码器(50)与空心杯电机(51)连接，减速器(52)设置在空心杯电机(51)的输出端，三维力传感器(38)与编码器(50)连接。
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