CN107128394A - 一种仿生四足机器人腿机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仿生四足机器人腿机构。包括髋关节传动模块，膝关节传动模块，小腿模块和足端模块。本发明机器人腿结构中，髋关节传动模块通过电机连接减速器直接驱动髋关节运动，该方案传动效率高。膝关节传动模块通过电机带动滚珠丝杠机构运动，并进而带动四连杆机构运动以驱动膝关节运动，该方案传动摩擦小，传动效率高。小腿模块的采用质量轻巧的塑性材料构成外壳，采用碳纤维管作为内部骨架，既保证了小腿模块的强度和刚度，又提供了碰撞缓冲保护。足端模块中配置有力传感器和弹性原件，能够有效地感知触地状态，并缓冲足端与地面的碰撞。

Description

一种仿生四足机器人腿机构
技术领域
本发明涉及一种足式机器人腿机构，特别是一种仿生四足机器人腿机构。
背景技术
足式运动具有优越的地形适应能力，是目前移动平台方向的研究热点。借鉴仿生学原理中肌骨模型搭建四足机器人的机械系统，是四足机器人机械系统设计的有效方法，例如美国波士顿动力公司的大狗系列机器人和麻省理工学院的猎豹系列机器人。
专利CN 103407514B公开了一种四足仿生机器人腿，该机器人腿机构由机体支架、大腿支架、小腿连接杆、小腿连接板、关节盘限位块、小腿支撑座和小腿套筒等刚性结构，以及关节盘和关节盘液压缸轴刚柔调制机构，以及脚掌等柔性结构组成。动力驱动装置采用液压驱动。由于在刚性结构的基础上设置了柔性环节弹簧用来缓冲吸震，关节盘与关节盘限位块的配合仿人体膝关节组织，实现了小腿的灵活运动以及上台阶和跳跃等运动。但是液压驱动的机器人噪音大，控制精度差，关节的活动角度小，控制难度高。
专利CN 103448828B公开了一种四足仿生机器人腿机构，该机器人腿机构包括肩胛骨、肩关节、股骨(或大腿)、膝关节、胫骨(或小腿)、被动踝关节、脚掌及驱动模块。所述四足仿生机器人膝关节连接股骨和胫骨；所述被动踝关节连接胫骨和脚掌。该发明采用滚珠丝杠驱动关节具有传动效率高和传动精度高的特点，并在踝关节处配置弹性原件起到缓冲减震作用，但整体机构没有很好地封装性，足端没有感知触地状态的元件。
由此可见目前的技术还存在不足之处。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种仿生四足机器人腿机构，髋关节采用具有高力矩密度的电机和减速器驱动，保证机器人正常运行所需的电机驱动力矩，膝关节采用高速静音的滚珠丝杆传动以及四连杆机构传动，传动精度高，传动效率高。在小腿和脚踝处采用弹性原件，以减少碰撞带来的损失，足端配置力传感器以感知触地情况。在整体结构设计方面，保证传动系统良好的封装性，以有效地避免杂物落入传动系统中影响系统运行。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种仿生四足机器人腿机构，包括髋关节传动模块(I)，膝关节传动模块(II)，小腿模块(III)和足端模块(IV)，其特征在于：髋关节传动模块(I)连接膝关节传动模块(II)，小腿模块(III)连接膝关节模块(II)和足端模块(IV)。髋关节传动模块(I)控制机器人腿部的髋关节外展内收和髋关节的屈曲延长，膝关节传动模块(II)控制膝关节的屈曲延长。
髋关节传动模块(I-1)包括两个电机端盖(I-1-1和I-2-1)、两个电机外壳(I-1-2和I-2-2)、两个行星减速器外壳(I-1-3和I-2-3)、两个关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)、两个关节连接组件(I-1-5和I-2-5)、两个永磁同步电机(I-1-6和I-2-6)、两个联轴器(I-1-7和I-2-7)、两个行星减速器(I-1-8和I-2-8)。其中，电机端盖(I-1-1)、电机外壳(I-1-2)、行星减速器外壳(I-1-3)、关节连接组件外壳(I-1-4)、关节连接组件(I-1-5)、永磁同步电机(I-1-6)、联轴器(I-1-7)和行星减速器(I-1-8)从属于髋关节外展内收模块(I-1)；电机端盖(I-2-1)、电机外壳(I-2-2)、行星减速器外壳(I-2-3)、关节连接组件外壳(I-2-4)、关节连接组件(I-2-5)、永磁同步电机(I-2-6)、联轴器(I-2-7)和行星减速器(I-2-8)从属于髋关节屈伸延长模块(I-2)。髋关节外展内收模块(I-1)和髋关节屈伸延长模块(I-2)除了两个关节连接组件(I-1-5和I-2-5)具有不同结构，其它器件完全相同。髋关节外展内收模块(I-1)和髋关节屈伸延长模块(I-2)的关节轴线相交且垂直，连接方式相同且都是：电机(I-1-6或I-2-6)的一端通过电机端盖(I-1-1或I-2-1)固连在电机外壳(I-1-2或I-2-2)上，电机外壳(I-1-2或I-2-2)与行星减速器外壳(I-1-3和I-2-3)和关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)连接形成一个整体，支撑和保护内部传动，使结构具有良好的封装性，电机(I-1-6或I-2-6)的另一端具有动力输出作用，通过与之相连的联轴器(I-1-7或I-2-7)将动力传递给行星减速器(I-1-8或I-2-8)，并继续传递给关节连接组件(I-1-5或I-2-5)。髋关节外展内收模块(I-1)的关节连接组件(I-1-5)与髋关节屈伸延长模块(I-2)中的行星减速器外壳(I-2-3)固连。髋关节屈伸延长模块(I-2)的关节连接组件(I-2-5)与膝关节传动模块(II)的电机外壳(II-2)固连，关节连接组件(I-1-5或I-2-5)与关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)之间通过一对背靠背角接触球轴承连接，达到可相对转动并且可以使关节连接组件(I-1-5或I-2-5)承载轴向载荷的目的。
膝关节传动模块(II)包括电机端盖(II-1)、电机外壳(II-2)、大腿外壳(II-3)、膝关节外壳(II-4)、永磁同步电机(II-5)、滚珠丝杆(II-6)、三个直线拉杆(II-7)、膝关节轴(II-8)、膝关节组件(II-9)、两个销轴(II-10和II-12)、拉杆(II-11)、拉杆端盖(II-13)、支撑组件(II-14)、丝杆螺母(II-15)、轴承座(II-16)、联轴器(II-17)。电机(II-5)的一端通过电机端盖(II-1)固连在电机外壳(II-2)上，电机外壳(II-2)、大腿外壳(II-3)和膝关节外壳(II-4)连接构成一个整体，支撑和保护内部传动，使结构具有良好的封装性。电机(II-5)的另一端则是动力输出，通过联轴器(II-17)传递给滚珠丝杆(II-6)带动丝杆螺母(II-15)的上下运动，丝杠螺母(II-15)、三个直线拉杆(II-7)和拉杆端盖(II-13)固连成一个整体作为四连杆的主动杆，拉杆(II-11)和与小腿模块(III)固连的膝关节组件(II-9)作为活动杆，膝关节外壳(II-4)和膝关节轴(II-8)固连作为固定杆，形成四连杆机构，主动杆沿着大腿外壳的轴线的上下运动通过拉杆的带动转换成膝关节的屈曲延长运动。拉杆(II-11)和销轴(II-10和II-12)之间安装有自润滑轴承，膝关节轴(II-8)和膝关节组件(II-9)之间装有深沟球轴承，使四连杆机构的转动更顺畅。滚珠丝杆(II-6)的两端分别装有一个面对面的角接触球轴承，使滚珠丝杆能够承受足够强的径向载荷且保证转动顺畅。
小腿模块(III)包括小腿骨架(III-1)和小腿外壳(III-2)。小腿骨架(III-1)由多根碳纤维管构成，以保证小腿具有足够的刚度和强度。
足端模块(IV)包括脚踝连接件(IV-1)、橡胶保护件外壳(IV-2)、外壳密封件(IV-3)、两个螺栓杆(IV-4)、足端外壳件(IV-5)、足端填充件(IV-6)、足端橡胶缓冲件(IV-7)、足端传感器(IV-8)和橡胶保护件(IV-9)。环形的足端橡胶缓冲件(IV-7)套于足端填充件(IV-6)上，足端填充件(IV-6)与足端外壳件(IV-5)固连，足端传感器(IV-8)的两端分别固连在足端外壳件(IV-5)和脚踝连接件(IV-1)上，橡胶保护件外壳(IV-9)和脚踝连接件(IV-1)固连，外壳密封件(IV-3)和足端外壳件(IV-5)固连，橡胶保护件(IV-9)置于橡胶保护件外壳(IV-2)、脚踝连接件(IV-1)和外壳密封件(IV-3)所形成的腔内，两个螺栓杆(IV-4)固连在足端外壳件(IV-5)上，脚踝连接件(IV-1)上的卡扣(IV-1-1)扣于螺栓杆(IV-4)上。足端橡胶缓冲件(IV-7)用于降低足端与地面的碰撞力大小，橡胶保护件(IV-9)和卡扣(IV-1-1)用于保护足端传感器。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1、机器人腿机构传动结构紧凑，关节运动角度大，运动噪音小。并具有高驱动力矩，高传动效率和高运动精度的特点。
2、在脚踝部位安装有力传感器感知触地状态，脚踝处结构设计方案为其提供了两种保护机制，一种是当传感器负载时，橡胶保护件起缓冲作用以减小对力传感器本体的冲击，另一种是当负载超过临界值时，卡扣分流并承受大部分负载以保护力传感器。
3、足端模块和小腿模块的结构设计方案保证了结构强度，提升了结构刚度，减轻了小腿重量，有利于膝关节的高性能运动实现。足端多种弹性原件的设计方案有效降低了足端与地面碰撞时的冲击和能量损失。
4、膝关节传动模块和髋关节传动模块的外壳设计使传动系统具有良好的密封性，既避免杂物落入传动系统影响系统运行，又保证了美观。
5、采用模块化设计，使整机系统具有良好的可维护性，并有助于降低生产制造成本。
附图说明
图1是本发明一种仿生四足机器人腿机构示意图
图2是本发明一种仿生四足机器人腿机构髋关节传动模块图
图3是本发明一种仿生四足机器人腿机构髋关节传动模块内部传动结构图
图4是本发明一种仿生四足机器人腿机构膝关节传动模块图
图5是本发明一种仿生四足机器人腿机构膝关节传动模块内部传动结构图
图6是本发明一种仿生四足机器人腿机构小腿模块图
图7是本发明一种仿生四足机器人腿机构足端模块图
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一：
如图1所示，一种仿生四足机器人腿机构，包括髋关节传动模块(I)，膝关节传动模块(II)，小腿模块(III)和足端模块(IV)，其特征在于：髋关节传动模块(I)连接膝关节传动模块(II)，小腿模块(III)连接膝关节模块(II)和足端模块(IV)。髋关节传动模块(I)控制机器人腿部的髋关节外展内收和髋关节的屈曲延长，膝关节传动模块(II)控制膝关节的屈曲延长。
如图2和3所示，髋关节传动模块(I-1)包括两个电机端盖(I-1-1和I-2-1)、两个电机外壳(I-1-2和I-2-2)、两个行星减速器外壳(I-1-3和I-2-3)、两个关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)、两个关节连接组件(I-1-5和I-2-5)、两个永磁同步电机(I-1-6和I-2-6)、两个联轴器(I-1-7和I-2-7)、两个行星减速器(I-1-8和I-2-8)。其中，电机端盖(I-1-1)、电机外壳(I-1-2)、行星减速器外壳(I-1-3)、关节连接组件外壳(I-1-4)、关节连接组件(I-1-5)、永磁同步电机(I-1-6)、联轴器(I-1-7)和行星减速器(I-1-8)从属于髋关节外展内收模块(I-1)；电机端盖(I-2-1)、电机外壳(I-2-2)、行星减速器外壳(I-2-3)、关节连接组件外壳(I-2-4)、关节连接组件(I-2-5)、永磁同步电机(I-2-6)、联轴器(I-2-7)和行星减速器(I-2-8)从属于髋关节屈伸延长模块(I-2)。髋关节外展内收模块(I-1)和髋关节屈伸延长模块(I-2)除了两个关节连接组件(I-1-5和I-2-5)具有不同结构，其它器件完全相同。髋关节外展内收模块(I-1)和髋关节屈伸延长模块(I-2)的关节轴线相交且垂直，连接方式相同且都是：电机(I-1-6或I-2-6)的一端通过电机端盖(I-1-1或I-2-1)固连在电机外壳(I-1-2或I-2-2)上，电机外壳(I-1-2或I-2-2)与行星减速器外壳(I-1-3和I-2-3)和关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)连接形成一个整体，支撑和保护内部传动，使结构具有良好的封装性，电机(I-1-6或I-2-6)的另一端具有动力输出作用，通过与之相连的联轴器(I-1-7或I-2-7)将动力传递给行星减速器(I-1-8或I-2-8)，并继续传递给关节连接组件(I-1-5或I-2-5)。髋关节外展内收模块(I-1)的关节连接组件(I-1-5)与髋关节屈伸延长模块(I-2)中的行星减速器外壳(I-2-3)固连。髋关节屈伸延长模块(I-2)的关节连接组件(I-2-5)与膝关节传动模块(II)的电机外壳(II-2)固连，关节连接组件(I-1-5或I-2-5)与关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)之间通过一对背靠背角接触球轴承连接，达到可相对转动并且可以使关节连接组件(I-1-5或I-2-5)承载轴向载荷的目的。
如图4和5所示，膝关节传动模块(II)包括电机端盖(II-1)、电机外壳(II-2)、大腿外壳(II-3)、膝关节外壳(II-4)、永磁同步电机(II-5)、滚珠丝杆(II-6)、三个直线拉杆(II-7)、膝关节轴(II-8)、膝关节组件(II-9)、两个销轴(II-10和II-12)、拉杆(II-11)、拉杆端盖(II-13)、支撑组件(II-14)、丝杆螺母(II-15)、轴承座(II-16)、联轴器(II-17)。电机(II-5)的一端通过电机端盖(II-1)固连在电机外壳(II-2)上，电机外壳(II-2)、大腿外壳(II-3)和膝关节外壳(II-4)连接构成一个整体，支撑和保护内部传动，使结构具有良好的封装性。电机(II-5)的另一端则是动力输出，通过联轴器(II-17)传递给滚珠丝杆(II-6)带动丝杆螺母(II-15)的上下运动，丝杠螺母(II-15)、三个直线拉杆(II-7)和拉杆端盖(II-13)固连成一个整体作为四连杆的主动杆，拉杆(II-11)和与小腿模块(III)固连的膝关节组件(II-9)作为活动杆，膝关节外壳(II-4)和膝关节轴(II-8)固连作为固定杆，形成四连杆机构，主动杆沿着大腿外壳的轴线的上下运动通过拉杆的带动转换成膝关节的屈曲延长运动。拉杆(II-11)和销轴(II-10和II-12)之间安装有自润滑轴承，膝关节轴(II-8)和膝关节组件(II-9)之间装有深沟球轴承，使四连杆机构的转动更顺畅。滚珠丝杆(II-6)的两端分别装有一个面对面的角接触球轴承，使滚珠丝杆能够承受足够强的径向载荷且保证转动顺畅。
如图6所示，小腿模块(III)包括小腿骨架(III-1)和小腿外壳(III-2)。小腿骨架(III-1)由多根碳纤维管构成，以保证小腿具有足够的刚度和强度。
如图7所示，足端模块(IV)包括脚踝连接件(IV-1)、橡胶保护件外壳(IV-2)、外壳密封件(IV-3)、两个螺栓杆(IV-4)、足端外壳件(IV-5)、足端填充件(IV-6)、足端橡胶缓冲件(IV-7)、足端传感器(IV-8)和橡胶保护件(IV-9)。环形的足端橡胶缓冲件(IV-7)套于足端填充件(IV-6)上，足端填充件(IV-6)与足端外壳件(IV-5)固连，足端传感器(IV-8)的两端分别固连在足端外壳件(IV-5)和脚踝连接件(IV-1)上，橡胶保护件外壳(IV-9)和脚踝连接件(IV-1)固连，外壳密封件(IV-3)和足端外壳件(IV-5)固连，橡胶保护件(IV-9)置于橡胶保护件外壳(IV-2)、脚踝连接件(IV-1)和外壳密封件(IV-3)所形成的腔内，两个螺栓杆(IV-4)固连在足端外壳件(IV-5)上，脚踝连接件(IV-1)上的卡扣(IV-1-1)扣于螺栓杆(IV-4)上。足端橡胶缓冲件(IV-7)用于降低足端与地面的碰撞力大小，橡胶保护件(IV-9)和卡扣(IV-1-1)用于保护足端传感器。
在本发明中，轴承、螺栓、螺母、定位套筒、卡簧，垫片和限位销这些标准配件没有指出，但在实际腿的整体结构设计过程中，均有添加到相应位置。

Claims (5)

1.一种仿生四足机器人腿机构，包括髋关节传动模块(I)，膝关节传动模块(II)，小腿模块(III)和足端模块(IV)，其特征在于：髋关节传动模块(I)连接膝关节传动模块(II)，小腿模块(III)连接膝关节模块(II)和足端模块(IV)。髋关节传动模块(I)控制机器人腿部的髋关节外展内收和髋关节的屈曲延长，膝关节传动模块(II)控制膝关节的屈曲延长。
2.根据权利要求1所述的一种仿生四足机器人腿机构，其特征在于：髋关节传动模块(I-1)包括两个电机端盖(I-1-1和I-2-1)、两个电机外壳(I-1-2和I-2-2)、两个行星减速器外壳(I-1-3和I-2-3)、两个关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)、两个关节连接组件(I-1-5和I-2-5)、两个永磁同步电机(I-1-6和I-2-6)、两个联轴器(I-1-7和I-2-7)、两个行星减速器(I-1-8和I-2-8)。其中，电机端盖(I-1-1)、电机外壳(I-1-2)、行星减速器外壳(I-1-3)、关节连接组件外壳(I-1-4)、关节连接组件(I-1-5)、永磁同步电机(I-1-6)、联轴器(I-1-7)和行星减速器(I-1-8)从属于髋关节外展内收模块(I-1)；电机端盖(I-2-1)、电机外壳(I-2-2)、行星减速器外壳(I-2-3)、关节连接组件外壳(I-2-4)、关节连接组件(I-2-5)、永磁同步电机(I-2-6)、联轴器(I-2-7)和行星减速器(I-2-8)从属于髋关节屈伸延长模块(I-2)。髋关节外展内收模块(I-1)和髋关节屈伸延长模块(I-2)除了两个关节连接组件(I-1-5和I-2-5)具有不同结构，其它器件完全相同。髋关节外展内收模块(I-1)和髋关节屈伸延长模块(I-2)的关节轴线相交且垂直，连接方式相同且都是：电机(I-1-6或I-2-6)的一端通过电机端盖(I-1-1或I-2-1)固连在电机外壳(I-1-2或I-2-2)上，电机外壳(I-1-2或I-2-2)与行星减速器外壳(I-1-3和I-2-3)和关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)连接形成一个整体，支撑和保护内部传动，使结构具有良好的封装性，电机(I-1-6或I-2-6)的另一端具有动力输出作用，通过与之相连的联轴器(I-1-7或I-2-7)将动力传递给行星减速器(I-1-8或I-2-8)，并继续传递给关节连接组件(I-1-5或I-2-5)。髋关节外展内收模块(I-1)的关节连接组件(I-1-5)与髋关节屈伸延长模块(I-2)中的行星减速器外壳(I-2-3)固连。髋关节屈伸延长模块(I-2)的关节连接组件(I-2-5)与膝关节传动模块(II)的电机外壳(II-2)固连，关节连接组件(I-1-5或I-2-5)与关节连接组件外壳(I-1-4和I-2-4)之间通过一对背靠背角接触球轴承连接，达到可相对转动并且可以使关节连接组件(I-1-5或I-2-5)承载轴向载荷的目的。
3.根据权利要求1所述的一种仿生四足机器人腿机构，其特征在于：膝关节传动模块(II)包括电机端盖(II-1)、电机外壳(II-2)、大腿外壳(II-3)、膝关节外壳(II-4)、永磁同步电机(II-5)、滚珠丝杆(II-6)、三个直线拉杆(II-7)、膝关节轴(II-8)、膝关节组件(II-9)、两个销轴(II-10和II-12)、拉杆(II-11)、拉杆端盖(II-13)、支撑组件(II-14)、丝杆螺母(II-15)、轴承座(II-16)、联轴器(II-17)。电机(II-5)的一端通过电机端盖(II-1)固连在电机外壳(II-2)上，电机外壳(II-2)、大腿外壳(II-3)和膝关节外壳(II-4)连接构成一个整体，支撑和保护内部传动，使结构具有良好的封装性。电机(II-5)的另一端则是动力输出，通过联轴器(II-17)传递给滚珠丝杆(II-6)带动丝杆螺母(II-15)的上下运动，丝杠螺母(II-15)、三个直线拉杆(II-7)和拉杆端盖(II-13)固连成一个整体作为四连杆的主动杆，拉杆(II-11)和与小腿模块(III)固连的膝关节组件(II-9)作为活动杆，膝关节外壳(II-4)和膝关节轴(II-8)固连作为固定杆，形成四连杆机构，主动杆沿着大腿外壳的轴线的上下运动通过拉杆的带动转换成膝关节的屈曲延长运动。拉杆(II-11)和销轴(II-10和II-12)之间安装有自润滑轴承，膝关节轴(II-8)和膝关节组件(II-9)之间装有深沟球轴承，使四连杆机构的转动更顺畅。滚珠丝杆(II-6)的两端分别装有一个面对面的角接触球轴承，使滚珠丝杆能够承受足够强的径向载荷且保证转动顺畅。
4.根据权利要求1所述的一种仿生四足机器人腿机构，其特征在于：小腿模块(III)包括小腿骨架(III-1)和小腿外壳(III-2)。小腿骨架(III-1)由多根碳纤维管构成，以保证小腿具有足够的刚度和强度。
5.根据权利要求1所述的一种仿生四足机器人腿机构，其特征在于：足端模块(IV)包括脚踝连接件(IV-1)、橡胶保护件外壳(IV-2)、外壳密封件(IV-3)、两个螺栓杆(IV-4)、足端外壳件(IV-5)、足端填充件(IV-6)、足端橡胶缓冲件(IV-7)、足端传感器(IV-8)和橡胶保护件(IV-9)。环形的足端橡胶缓冲件(IV-7)套于足端填充件(IV-6)上，足端填充件(IV-6)与足端外壳件(IV-5)固连，足端传感器(IV-8)的两端分别固连在足端外壳件(IV-5)和脚踝连接件(IV-1)上，橡胶保护件外壳(IV-9)和脚踝连接件(IV-1)固连，外壳密封件(IV-3)和足端外壳件(IV-5)固连，橡胶保护件(IV-9)置于橡胶保护件外壳(IV-2)、脚踝连接件(IV-1)和外壳密封件(IV-3)所形成的腔内，两个螺栓杆(IV-4)固连在足端外壳件(IV-5)上，脚踝连接件(IV-1)上的卡扣(IV-1-1)扣于螺栓杆(IV-4)上。足端橡胶缓冲件(IV-7)用于降低足端与地面的碰撞力大小，橡胶保护件(IV-9)和卡扣(IV-1-1)用于保护足端传感器。
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