CN106741280A - 一种含有直线关节的双足机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有直线关节的双足机器人行走机构，包括腰部机构，所述腰部机构两侧均设置一腿部机构，两个腿部机构均通过髋关节与腰部机构连接，腿部机构底部与足部机构连接；所述腿部机构包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动，两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转带动腿部本体实现交替迈腿动作。将双足机器人的大腿、膝关节、小腿整合为一个完整的直线关节，具有机构简单，易于维护，能量消耗低及负重能力强的特点。

Description

一种含有直线关节的双足机器人行走机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种含有直线关节的双足机器人行走机构。

背景技术

双足机器人可以完成人类基本的运动功能，是与人类最接近的一种机器人。对双足机器人动态行走机制的研究可使我们更深刻理解人类活动的本质，有助于生物医学和体育运动科学的发展。

目前比较成功的双足机器人有美国波士顿动力公司的“petman”、“Atlas”，法国Aldebaran Robotics公司的“NAO”机器人,日本本田公司的“ASIMO”机器人等。2004年中国专利文献CN1474737A公开了日本技研株式会社设计的双足步行机器人，该机器人很好的模拟了人体结构，在行走方式上可实现高度的拟人化，该专利引领了后续很长一段时间双足机器人的系统结构。中国专利文献CN102582714A公开了一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，该专利的特点在于采用液压提供动力，因而在负重能力上具有明显优势。中国专利文献CN101121424A公开了一种多自由度的双足机器人下肢机构。中国专利文献CN101229826A同样公开了一种双足机器人的下肢机构，其特点在于采用平行四连杆机构实现了机器人大小腿的机构设计。

上述产品与发明所设计的双足机器人都模拟了人的腿部结构，即有明显的大腿、膝关节、小腿，该种方式在结构上具有一定的仿生性，但双足机器人在行走时支撑腿都有一定的屈膝动作，仿佛人采用扎马步或扎弓步的方式行走，这种运动方式要求关节作动器需持续输出较大扭力来维持机体姿态，因而较人行走时支撑腿靠腿部骨骼提供支撑力的直腿行走方式要耗费更大的能量。且这种双足机器人在行走时需要对腿部结构的大腿、膝关节、小腿等以及机器人腰部结构都进行控制，且多个部件关节间需要达到一定的配合关系才能保证机器人正确行走，控制方式复杂不容易操作。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种含有直线关节的双足机器人行走机构，将双足机器人的大腿、膝关节、小腿整合为一个完整的直线关节，具有机构简单，易于维护，能量消耗低及负重能力强的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种含有直线关节的双足机器人行走机构，包括腰部机构，所述腰部机构两侧均设置一腿部机构，两个腿部机构均通过髋关节与腰部机构连接，腿部机构底部与足部机构连接；所述腿部机构包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动，两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转带动腿部本体实现交替迈腿动作。

所述主动部为丝杠，所述从动部为带丝孔的滑块。

优选的，所述滑块还通过直线轴承与直线导轨相配合，直线导轨与丝杠相互平行。

所述丝杠和直线导轨均固定于支撑架上，所述支撑架与腿部本体的外壳固定连接。

优选的，所述直线导轨设置两条，两条直线导轨与丝杠相互配合呈等腰三角形。

或者，所述主动部为齿轮，所述从动部为齿条。

或者，所述主动部为液压元件，所述从动部为滑座。

所述腿部本体底部设置旋转关节，所述旋转关节与足部机构连接，控制足部机构俯仰角度。

所述旋转关节包括横向设置的动力装置，动力装置通过腿足连接件与足部机构连接，动力装置带动腿足连接件前后摆动进而调整足部机构的俯仰角度。

所述足部机构包括与腿足连接件相连的连接块，所述连接块底部与足底板相固定连接。

两个所述腿部机构沿腰部机构对称设置，所述髋关节包括与腰部机构固定连接的纵向旋转动力装置，所述纵向旋转动力装置通过连杆与横向旋转动力装置连接，纵向旋转动力装置运转带动腿部本体侧向摆动。

优选的，所述腰部机构上部设置承重平台。

本发明的有益效果为：

本发明的行走机构，在腰部机构两侧设置腿部机构，腿部机构内设置直线关节，腰部机构不动，直线关节运作带动腿部机构上下移动实现抬腿，通过控制两侧的腿部机构的横向旋转动力装置使腿部机构交替前后摆动，再与直线关节的运转配合，使机器人实现行走；行走时由直线运动代替了现有机器人屈膝迈腿等动作，直立行走消耗能量更少，机器人整体更为轻盈，控制方式更为简单，可以更为高效的实现行走，且对行走环境的适应性更强。

本发明中在腿部本体底部设置旋转关节，可以带动足部机构调整俯仰角度，进而实现了足部机构的迈步动作，在行走时在较小的抬升高度下就可以行走。

本发明中在腰部机构上连接纵向旋转动力装置，纵向旋转动力装置带动腿部本体侧向摆动，进而实现左右移动。

本发明在腰部机构上部设置承重平台，在不需要安装躯干时可将负重置于腰部平台上，实现双足机器人的负重运输功能。

附图说明

图1为本发明的双足机器人行走机构的整体示意图；

图2为本发明提供的双足机器人单腿机构拆分示意图；

图中，1 腰部机构，2 腿部机构，3 足部机构，4 外壳，5 侧向旋转电机，6 连杆，7前后向旋转电机，8 连接件，9 滑块，10 直线轴承，11 减速电机，12 支撑架，13 直线导轨，14 丝杠，15 减速电机，16 腿足连接件，17 连接块，18 足底板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种双足步行机器人行走机构，包括腰部机构1、腿部机构2和足部机构3，腿部机构2和足部机构3对称置于腰部机构1两侧。

腰部机构1用于连接双足机器人躯干与腿部机构2，腰部机构1上部可以设置承重平台，在不需要安装躯干时可将负重置于腰部平台上，实现双足机器人的负重运输功能，同时机器人的控制系统集成在腰部机构1。

腿部机构2包括腿部本体，腿部本体内配合设置直线关节，直线关节包括主动部和从动部，从动部通过连接件8与横向旋转动力装置(即前后向旋转电机7)连接，主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，前后向旋转电机7运转带动腿部本体前后向摆动，两个腿部机构的前后向旋转电机7交替运转带动腿部本体实现交替迈腿动作。

两个腿部机构2沿腰部机构1对称设置，腰部机构1与腿部机构2通过髋关节相连，各侧分别通过两套减速电机带动腿部做相对于身体前后方向及侧方向的摆动运动。髋关节包括与腰部机构1固定连接的纵向旋转动力装置(即侧向旋转电机5)，前后向旋转电机7与通过连杆6与侧向旋转电机5连接，侧向旋转电机5运转带动腿部本体侧向摆动。其中侧向旋转电机5机体与机器人腰部机构1固连，其旋转轴通过连杆6与前后向旋转电机7机体相连。前后向旋转电机7的输出轴则通过连接件8与腿部直线关节滑块9相连。

主动部可以为丝杠，从动部为带丝孔的滑块。

或者，主动部可以为齿轮，从动部为齿条。

或者，主动部可以为液压元件，从动部为滑座。

本实施例中以丝杠和滑块为例进行描述，如图2所示，腿部机构2由调节机器人腿运动的直线关节与控制足部俯仰角度的旋转关节组成。

直线关节包含减速电机11、两根直线导轨13、直线轴承10、丝杠14、滑块9、支撑架12与外壳4，其中减速电机11、直线导轨13与丝杠14固定在支撑架12上。滑块9与直线轴承10固连，直线轴承10穿过直线导轨13，滑块9丝孔则与丝杠14配合。直线关节减速电机11输出轴与丝杠14相连，带动丝杠14做旋转运动。两根直线导轨13与丝杠14平行安装，其安装端面呈等腰三角形。支撑架12通过螺丝与外壳4相连。在减速电机11运转时，丝杠14带动滑块9上下移动，由滑块9通过前后向旋转电机7、连杆6、侧向旋转电机5与机器人腰部机构1固定，由于机器人腿部重量更轻，该机器人腿与机器人腰部连接后，机器人腰部重量更大，机器人腰部不动，从而使得腿部本体上下移动实现抬腿动作。

控制足部俯仰角度的旋转关节包括横向设置的动力装置(即减速电机15)与腿足连接件16，减速电机15机体固定在外壳4上，其输出轴则与腿足连接件16相连。腿足连接件16是连接机器人腿部机构2与足部机构3的部件，其上端连接减速电机15，下端则与足部机构3相连。

足部机构3包括与腿足连接件16相连的连接块17，连接块17底部与足底板18相固定连接。

本发明机器人行走机构的运作过程为：

侧向旋转电机5运转，通过连杆6、前后向旋转电机7、连接件8传递到腿部机构2，带动腿部机构2相对于身体侧向摆动，完成左右移动；前后向旋转电机7运转，通过连接件8传递到腿部机构2，带动腿部机构2相对于身体前后向摆动，完成迈腿动作；减速电机15运转，通过腿足连接件16传递到足部机构3，调整足部机构3前后俯仰角度，模拟人足行走时的迈步动作；减速电机11运转，通过丝杠14传递给腿部直线关节滑块9，带动腿部直线关节滑块9上下运动，由于腰部不动，从而使得腿部本体实现上下移动完成抬腿动作。控制系统控制前后向旋转电机7、减速电机11、减速电机15运转，使机器人完成单腿迈腿行走。两个腿部机构2的前后向旋转电机7交替运转带动腿部本体实现交替迈腿动作。

在行走时，控制系统控制两个腿部机构的前后向旋转电机7、减速电机11、减速电机15交替运转，使机器人完成交替迈腿，从而实现向前行走，控制系统控制两个腿部机构的侧向旋转电机5交替运转，实现机器人左右移动行走。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种含有直线关节的双足机器人行走机构，其特征是，包括腰部机构，所述腰部机构两侧均设置一腿部机构，两个腿部机构均通过髋关节与腰部机构连接，腿部机构底部与足部机构连接；所述腿部机构包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动，两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转带动腿部本体实现交替迈腿动作。

2.如权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述主动部为丝杠，所述从动部为带丝孔的滑块。

3.如权利要求2所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述滑块还通过直线轴承与直线导轨相配合，直线导轨与丝杠相互平行。

4.如权利要求3所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述丝杠和直线导轨均固定于支撑架上，所述支撑架与腿部本体的外壳固定连接。

5.如权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述主动部为齿轮，所述从动部为齿条；或者，所述主动部为液压元件，所述从动部为滑座。

6.如权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述腿部本体底部设置旋转关节，所述旋转关节与足部机构连接，控制足部机构俯仰角度。

7.如权利要求6所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述旋转关节包括横向设置的动力装置，动力装置通过腿足连接件与足部机构连接，动力装置带动腿足连接件前后摆动进而调整足部机构的俯仰角度。

8.如权利要求1或6所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述足部机构包括与腿足连接件相连的连接块，所述连接块底部与足底板相固定连接。

9.如权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征是，两个所述腿部机构沿腰部机构对称设置，所述髋关节包括与腰部机构固定连接的纵向旋转动力装置，所述纵向旋转动力装置通过连杆与横向旋转动力装置连接，纵向旋转动力装置运转带动腿部本体侧向摆动。

10.如权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征是，所述腰部机构上部设置承重平台。