CN107187512A - 拟人双足步行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拟人双足步行机器人，包括躯干机构以及固定连接在所述躯干机构底部的两组腿部行走装置组件；每组所述腿部行走装置组件包括自上而下依次设置的髋关节驱动机构、腿部驱动装置、脚掌行走装置；本发明提供的拟人双足步行机器人，其弥补了传统串联机器人以及传统并联机器人的技术不足，兼顾了两者的技术优势。本发明提供的拟人双足步行机器人，其具有模拟运动动作多样，模拟性能强、可靠性强，结构设计合理且实用性强等诸多方面的技术优势。
Description
技术领域
本发明涉及机器人装备技术领域，尤其涉及一种拟人双足步行机器人。
背景技术
众所周知，机器人是自动执行工作的机器装置。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。随着人们生活水平的提高，我们的日常生活也越来越依靠机械人帮助我们完成一些工作，例如：加工车间的机器人、执行航拍任务的机器人以及模拟人体复杂动作的拟人机器人等；
拟人机器人作为工业制造领域的高端产品之一，对于工业智能化进程起着非常重要的作用。
拟人机器人具有广泛的应用领域，它不仅可以在有毒、粉尘等恶劣环境下进行代人作业，而且在医疗领域，也可以协助医生进行手术，同时帮助残疾病人有效的康复，另外在娱乐和人工服务等领域也屡见不鲜。拟人机器人相比其他机器人有着如下明显的优势：首先相对轮式或履带式移动机器人，双足步行拟人机器人具有更灵活的运动能力，能够适应各种复杂的地面环境，具有更强的逾越障碍能力；而相对普通机器人，拟人机器人具有更智能化，能够更好地实现人机交互能力。
腿部作为拟人机器人的重要组成部分，其结构设计的好坏直接影响着整个拟人机器人的运动性能。到目前为止，关于拟人机器人腿部设计的相关文献及专利主要是针对关节构型、驱动装置等两个方面进行改进优化的。在关节构型方面，从国内外研究的比较成熟的拟人机器人来看，大多数的机器人腿部都是采用串联构型；例如美国波士顿动力公司的Atlas机器人、日本本田公司的Asimo机器人、北京理工大学的“汇童”机器人、国防科技大学的“先行者”机器人等，但是由于串联机构固有的缺陷，上述拟人机器人依然存在传动精度低、刚度小、承载能力小等不足。另外虽然也有采用并联构型的，如日本早稻田大学的“WL-16”机器人，但是由于并联机构工作空间小，使得机器人灵活性受到限制。在驱动装置方面，目前大多数机器人都采用直流电机驱动，并由谐波减速器和同步齿形带传动来实现关节旋转，如Asimo机器人，也有采用液压驱动的，如Atlas机器人，然而上述两种驱动方式都存在制造成本高、重量大、控制复杂等问题。
传统的拟人机器人其在人体脚掌关节模拟存在技术不足，传统的拟人机器人其一般都只有简单的脚掌结构，其无法实现模拟类似人体脚掌关节在三维空间内实现复杂的扭转、自由转向等动作，因此传统的拟人机器人其在人体脚掌部分模拟方面仍然存在技术缺陷；
传统的拟人机器人其髋关节模拟存在技术不足，其一般都没有安装髋关节驱动机构，因此其无法模拟类似人体髋关节在三维空间内实现复杂的扭转、自由转向等动作，因此传统的拟人机器人其在人体髋关节模拟方面仍然存在技术缺陷；
综上所述，传统拟人机器人各个关节机构都在技术缺陷，同时其各个机构装置也无法执行协调的相互联动动作，无法实现整体拟人机器人的高质量仿真动作和技术功能。
因此，如何克服传统拟人机器人的上述技术缺陷是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拟人双足步行机器人，以解决上述问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种拟人双足步行机器人，包括躯干机构以及固定连接在所述躯干机构底部的两组腿部行走装置组件；两组所述腿部行走装置组件用于模拟人体双腿行走动作；
每组所述腿部行走装置组件包括自上而下依次设置的髋关节驱动机构、腿部驱动装置、脚掌行走装置；所述髋关节驱动机构、所述腿部驱动装置、所述脚掌行走装置按照顺序两两连接；
其中，所述髋关节驱动机构包括动平台、三组连杆驱动组件、静平台；所述静平台固定连接在所述躯干机构的底部；
每组所述连杆驱动组件包括第一连杆、第二连杆、髋部驱动电机；三组所述髋部驱动电机沿着所述静平台的周向方向上间隔固定连接在所述静平台的底部；每组所述髋部驱动电机的输出轴连接在对应的所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端与对应的所述第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述动平台铰接；且三组所述第一连杆沿着所述动平台顶部的周向方向上间隔排列分布；
其中，所述腿部驱动装置包括大腿驱动装置、膝关节运动机构和小腿驱动装置；所述大腿驱动装置包括大腿支撑板和一组大腿驱动机构；所述大腿驱动机构固定连接于所述大腿支撑板上；所述小腿驱动装置包括小腿支撑板和两组小腿驱动机构；两组所述小腿驱动机构固定连接于所述小腿支撑板两侧；
所述膝关节运动机构设置在所述大腿支撑板与所述小腿支撑板之间；且所述膝关节运动机构作为所述大腿支撑板通过与所述小腿支撑板之间铰接点，形成相对转动配合关系；所述大腿驱动机构用于推动所述小腿支撑板沿着所述铰接点产生摆动动作；
其中，所述脚掌行走装置包括脚掌机构和踝关节运动机构；所述脚掌机构自一端至另一端包括前脚掌部、脚板部以及后脚跟部；且所述脚板部为平面结构；所述前脚掌部与所述脚板部的连接端为平面结构，所述前脚掌部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；所述后脚跟部与所述脚板部的的连接端为平面结构，所述后脚跟部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；且所述脚板部与所述前脚掌部之间通过第一柔性铰链连接；所述脚板部与所述后脚跟部之间通过第二柔性铰链连接；两组所述小腿驱动机构用于通过所述踝关节运动机构带动所述脚掌机构实施三维自由转向动作。
优选的，作为一种可实施方案；所述第一连杆为圆弧形连杆，且所述第二连杆为圆弧形连杆；
且所述动平台的顶部沿着所述动平台圆向向外侧分别间隔设置有三个第一安装槽，且所述第一安装槽内设置有连接轴；所述第二连杆上均设置有第二安装槽，且所述第二安装槽内设置有连接轴；
每组所述连杆驱动组件结构中的所述第一连杆的头端均对应转动配合在所述第一安装槽内的连接轴上；每组所述连杆驱动组件结构中的所述第一连杆的尾端均对应转动配合在所述第二安装槽内的连接轴上。
优选的，作为一种可实施方案；所述髋关节驱动机构还包括电机安装座；所述电机安装座沿着所述静平台的周向方向上均匀间隔分布设置。
优选的，作为一种可实施方案；所述大腿驱动机构包括沿着所述大腿支撑板自上而下依次顺序排布的第一直线驱动电机、第一电机支架、第一联轴器、第一固定端轴承座、第一丝杠螺母、第一推杆、第一轴承座、第一支撑端轴承座和第一滚珠丝杠、转动连杆；
其中，所述第一电机支架固定连接在大腿支撑板上；所述第一直线驱动电机固定连接于第一电机支架，并通过第一联轴器驱动第一滚珠丝杠转动；所述第一固定端轴承座和所述第一支撑端轴承座内均安装有轴承；所述第一滚珠丝杠的两端分别伸入在所述第一固定端轴承座和所述第一支撑端轴承座的轴承内孔并转动配合；所述第一滚珠丝杠与所述第一丝杠螺母配合构成滚珠丝杠运动副；所述第一推杆的一端固定连接于所述第一丝杠螺母上，所述第一推杆的另一端伸入所述第一轴承座内滑动配合，并通过所述转动连杆与所述小腿支撑板连接；
所述转动连杆的头端与所述第一推杆转动配合，且所述转动连杆的尾端与所述小腿支撑板转动配合。
优选的，作为一种可实施方案；所述小腿驱动机构包括沿着所述小腿支撑板自上而下依次顺序排布的第二直线驱动电机、第二电机支架、第二联轴器、第二固定端轴承座、第二丝杠螺母、第二推杆、第二轴承座、第二支撑端轴承座和第二滚珠丝杠、固定连杆；
其中，所述第二电机支架固定连接在小腿支撑板上；所述第二直线驱动电机固定连接于第二电机支架，并通过第二联轴器驱动第二滚珠丝杠转动；所述第二固定端轴承座和所述第二支撑端轴承座内均安装有轴承；所述第二滚珠丝杠的两端分别伸入在所述第二固定端轴承座和所述第二支撑端轴承座的轴承内孔并转动配合；所述第二滚珠丝杠与所述第二丝杠螺母配合构成滚珠丝杠运动副；所述第二推杆的一端固定连接于所述第二丝杠螺母上，所述第二推杆的另一端伸入所述第二轴承座内滑动配合，并通过所述固定连杆与所述脚掌行走装置连接；
所述固定连杆的头端与所述第二推杆固定连接，且所述固定连杆的尾端与所述脚掌行走装置固定连接。
优选的，作为一种可实施方案；所述踝关节运动机构包括球铰和虎克铰；其中，所述固定连杆的两端通过所述球铰分别连接在第二推杆以及所述脚板部之间；且所述小腿支撑板通过所述虎克铰与所述脚板部连接。
优选的，作为一种可实施方案；所述第一柔性铰链的最大形变量大于所述第二柔性铰链的最大形变量。
优选的，作为一种可实施方案；所述大腿支撑板和所述小腿支撑板的表面上均设置有镂空结构。
优选的，作为一种可实施方案；所述镂空结构为腰型孔；且所述大腿支撑板上的所述腰型孔的排布方向沿着所述大腿支撑板延伸方向设置；且所述小腿支撑板上的所述腰型孔的排布方向沿着所述小腿支撑板延伸方向设置。
优选的，作为一种可实施方案；所述拟人双足步行机器人还包括控制器；所述控制器分布与所述髋关节驱动机构上的髋部驱动电机、所述腿部驱动装置上的第一直线驱动电机和第二直线驱动电机电连接。
与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：
本发明提供的一种拟人双足步行机器人，分析本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的主要结构构造可知：上述拟人双足步行机器人主要由躯干机构以及固定连接在所述躯干机构底部的两组腿部行走装置组件构成；
在具体结构中，每组所述腿部行走装置组件包括自上而下依次设置的髋关节驱动机构、腿部驱动装置、脚掌行走装置三大组成结构；所述髋关节驱动机构、所述腿部驱动装置、所述脚掌行走装置按照顺序两两连接实现机械联动；
其中，所述髋关节驱动机构包括动平台、三组连杆驱动组件、静平台；所述静平台固定连接在所述躯干机构的底部；
每组所述连杆驱动组件包括第一连杆、第二连杆、髋部驱动电机；三组所述髋部驱动电机沿着所述静平台的周向方向上间隔固定连接在所述静平台的底部；每组所述髋部驱动电机的输出轴连接在对应的所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端与对应的所述第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述动平台铰接；且三组所述第一连杆沿着所述动平台顶部的周向方向上间隔排列分布；
其中，所述腿部驱动装置包括大腿驱动装置、膝关节运动机构和小腿驱动装置；所述大腿驱动装置包括大腿支撑板和一组大腿驱动机构；所述大腿驱动机构固定连接于所述大腿支撑板上；所述小腿驱动装置包括小腿支撑板和两组小腿驱动机构；两组所述小腿驱动机构固定连接于所述小腿支撑板两侧；
所述膝关节运动机构设置在所述大腿支撑板与所述小腿支撑板之间，且所述膝关节运动机构作为所述大腿支撑板通过与所述小腿支撑板之间铰接点，形成相对转动配合关系；所述大腿驱动机构用于推动所述小腿支撑板沿着所述铰接点产生摆动动作；两组所述小腿驱动机构用于合力驱动带动所述脚掌行走装置沿着所述小腿支撑板的延伸方向上实现转动摆动动作；
其中，所述脚掌行走装置包括脚掌机构和踝关节运动机构；所述脚掌机构自一端至另一端包括前脚掌部、脚板部以及后脚跟部；且所述脚板部为平面结构；所述前脚掌部与所述脚板部的连接端为平面结构，所述前脚掌部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；所述后脚跟部与所述脚板部的的连接端为平面结构，所述后脚跟部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；且所述脚板部与所述前脚掌部之间通过第一柔性铰链连接；所述脚板部与所述后脚跟部之间通过第二柔性铰链连接；两组所述小腿驱动机构通过所述踝关节运动机构带动所述脚掌机构实施三维自由转向动作。
在髋关节驱动机构的结构中，主要就是通过三组连杆驱动组件实现由静平台到动平台的驱动动作；每组连杆驱动组件包括第一连杆、第二连杆、髋部驱动电机；在每组连杆驱动组件运动过程中，髋部驱动电机对第二连杆实施动力输出，然后通过第二连杆带动第一连杆实现复杂转动等动作；同时在三组连杆驱动组件共同作用下，进而可带动动平台实现复杂的多样的转动动作，最终实现带动腿部驱动装置提供驱动助力作用以及转向动力作用；其中，髋关节驱动机构是驱动腿部驱动装置的主要动力输出装置，通过髋关节驱动机构提供一个动作(即该转动动作可模仿人体大腿向前迈进的动作(即摆动动作)以及向周围各个方向转向的动作)；很显然，上述髋关节驱动机构是具有三自由的球面并联机构。
在腿部驱动装置的结构中；所述腿部驱动装置包括大腿驱动装置、膝关节运动机构和小腿驱动装置；所述大腿驱动装置包括大腿支撑板和一组大腿驱动机构；所述小腿驱动装置包括小腿支撑板和两组小腿驱动机构；两组所述小腿驱动机构固定连接于所述小腿支撑板两侧；所述大腿驱动机构用于推动所述小腿支撑板沿着所述铰接点产生摆动动作；两组所述小腿驱动机构用于合力驱动带动所述脚掌行走装置沿着所述小腿支撑板的延伸方向上实现转动摆动动作；上述腿部驱动装置主要采用了串联机构；同时膝关节运动机构是具有单自由度的平面连杆机构，可将大腿驱动装置产生的驱动运动转化为小腿驱动装置的旋转运动；其中，大腿驱动装置是驱动小腿驱动装置转动运动主要动力输出装置，通过大腿驱动装置提供一个动作(即该转动动作可模仿人体小腿向前迈进的动作(即摆动动作))；同时小腿驱动装置带动其下部的其他附属装置(即小腿支撑板和两组小腿驱动机构以及脚掌行走装置等)一起向前迈进；同时两组所述小腿驱动机构是驱动脚掌行走装置的主要动力输出装置，通过两组所述小腿驱动机构用于合力驱动带动所述脚掌行走装置沿着所述小腿支撑板的延伸方向上实现转动摆动动作(即实现模拟人体小腿以及脚向前迈进的动作)；这样一来，通过腿部驱动装置即可完成对人体下肢模拟运动动作。
在脚掌行走装置结构中；所述脚掌行走装置包括脚掌机构和踝关节运动机构；所述脚掌机构自一端至另一端包括前脚掌部、脚板部以及后脚跟部；且所述脚板部为平面结构；所述前脚掌部与所述脚板部的连接端为平面结构，所述前脚掌部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；所述后脚跟部与所述脚板部的的连接端为平面结构，所述后脚跟部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；且所述脚板部与所述前脚掌部之间通过第一柔性铰链连接；所述脚板部与所述后脚跟部之间通过第二柔性铰链连接；两组所述小腿驱动机构通过所述踝关节运动机构带动所述脚掌机构实施三维自由转向动作。脚掌行走装置其具有灵活的运动能力。
综上，本发明提供的拟人双足步行机器人，其弥补了传统串联机器人以及传统并联机器人的技术不足，兼顾了两者的技术优势。本发明提供的拟人双足步行机器人，其具有模拟运动动作多样，模拟性能强、可靠性强，结构设计合理且实用性强等诸多方面的技术优势；因此，总的来说，本发明提供的拟人双足步行机器人是一种高质量、模拟能力强、动作执行精度高的机器人系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的总装配结构示意图；
图2为图1的本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的一个局部结构示意图；
图3为图1的本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的另一个局部结构示意图；
图4为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的再一个局部结构示意图；
图5为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人中的髋关节驱动机构结构示意图；
图6为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人中的大腿驱动机构结构示意图；
图7为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人中的小腿驱动机构结构示意图；
图8为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人中的脚掌行走装置结构示意图；
图9为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人中的膝关节运动机构的机构运动简图；
图10为本发明实施例提供的拟人双足步行机器人中的踝关节运动机构的机构运动简图；
标号：
100-躯干机构；
200-髋关节驱动机构；211-动平台；212-第一连杆；213-第二连杆；214-髋部驱动电机；215-静平台；216-电机安装座；
300-腿部驱动装置；310-大腿驱动装置；311-大腿支撑板；312-大腿驱动机构；3121-第一直线驱动电机；3122-第一电机支架；3123-第一联轴器；3124-第一固定端轴承座；3125-第一丝杠螺母；3126-第一推杆；3127-第一轴承座；3128-第一支撑端轴承座；3129-第一滚珠丝杠；3130-转动连杆；320-膝关节运动机构；330-小腿驱动装置；331-小腿支撑板；332-小腿驱动机构；3321-第二直线驱动电机；3322-第二电机支架；3323-第二联轴器；3324-第二固定端轴承座；3325-第二丝杠螺母；3326-第二推杆；3327-第二轴承座；3328-第二支撑端轴承座；3329-第二滚珠丝杠；3330-固定连杆；
400-脚掌行走装置；410-脚掌机构；411-前脚掌部；412-脚板部；413-后脚跟部；414-第一柔性铰链；415-第二柔性铰链；420-踝关节运动机构；421-球铰；422-虎克铰。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1、图2、图3、图4，本发明实施例提供的一种拟人双足步行机器人，包括躯干机构100以及固定连接在所述躯干机构100底部的两组腿部行走装置组件；两组所述腿部行走装置组件用于模拟人体双腿行走动作；
每组所述腿部行走装置组件包括自上而下依次设置的髋关节驱动机构200、腿部驱动装置300、脚掌行走装置400；所述髋关节驱动机构200、所述腿部驱动装置300、所述脚掌行走装置400按照顺序两两连接；
其中，另参见图5，所述髋关节驱动机构200包括动平台211、三组连杆驱动组件、静平台215；所述静平台215固定连接在所述躯干机构的底部；
每组所述连杆驱动组件包括第一连杆212、第二连杆213、髋部驱动电机214；三组所述髋部驱动电机214沿着所述静平台215的周向方向上间隔固定连接在所述静平台215的底部；每组所述髋部驱动电机214的输出轴连接在对应的所述第二连杆213的一端，所述第二连杆213的另一端与对应的所述第一连杆212的一端铰接，所述第一连杆212的另一端与所述动平台211铰接；且三组所述第一连杆212沿着所述动平台211顶部的周向方向上间隔排列分布；
其中，所述腿部驱动装置300包括大腿驱动装置310、膝关节运动机构320和小腿驱动装置330；所述大腿驱动装置310包括大腿支撑板311和一组大腿驱动机构312(另参见图6)；所述大腿驱动机构312固定连接于所述大腿支撑板311上；所述小腿驱动装置330包括小腿支撑板331和两组小腿驱动机构332(另参见图7)；两组所述小腿驱动机构332固定连接于所述小腿支撑板331两侧；
所述膝关节运动机构320设置在所述大腿支撑板311与所述小腿支撑板331之间，且所述膝关节运动机构320作为所述大腿支撑板311通过与所述小腿支撑板331之间铰接点，形成相对转动配合关系；所述大腿驱动机构312用于推动所述小腿支撑板331沿着所述铰接点产生摆动动作；很显然，两组所述小腿驱动机构332合力驱动带动所述脚掌行走装置400转动摆动动作；
其中，所述脚掌行走装置400(另参见图8)包括脚掌机构410和踝关节运动机构420；所述脚掌机构410自一端至另一端包括前脚掌部411、脚板部412以及后脚跟部413；且所述脚板部412为平面结构；所述前脚掌部411与所述脚板部412的连接端为平面结构，所述前脚掌部411的远离连接端的另一端为圆弧面结构；所述后脚跟部413与所述脚板部412的的连接端为平面结构，所述后脚跟部413的远离连接端的另一端为圆弧面结构；且所述脚板部412与所述前脚掌部411之间通过第一柔性铰链414连接；所述脚板部412与所述后脚跟部413之间通过第二柔性铰链415连接；即两组所述小腿驱动机构332通过所述踝关节运动机构420带动所述脚掌机构410实施三维自由转向动作。
分析本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的主要结构可知：
在髋关节驱动机构的结构中，主要就是通过三组连杆驱动组件实现由静平台到动平台的驱动动作；每组连杆驱动组件包括第一连杆212、第二连杆213、髋部驱动电机214；在每组连杆驱动组件运动过程中，髋部驱动电机214对第二连杆213实施动力输出，然后通过第二连杆213带动第一连杆212实现复杂转动等动作；同时在三组连杆驱动组件共同作用下，进而可带动动平台实现复杂的多样的转动动作，最终实现带动腿部驱动装置300提供驱动助力作用以及转向动力作用；其中，髋关节驱动机构是驱动腿部驱动装置的主要动力输出装置，通过髋关节驱动机构提供一个动作(即该转动动作可模仿人体大腿向前迈进的动作(即摆动动作)以及向周围各个方向转向的动作)；很显然，上述髋关节驱动机构是具有三自由的球面并联机构。
在腿部驱动装置300的结构中；所述腿部驱动装置300包括大腿驱动装置310、膝关节运动机构320和小腿驱动装置330；所述大腿驱动装置包括大腿支撑板和一组大腿驱动机构；所述小腿驱动装置包括小腿支撑板和两组小腿驱动机构；两组所述小腿驱动机构固定连接于所述小腿支撑板两侧；所述大腿驱动机构用于推动所述小腿支撑板沿着所述铰接点产生摆动动作；两组所述小腿驱动机构用于合力驱动带动所述脚掌行走装置400沿着所述小腿支撑板的延伸方向上实现转动摆动动作；上述腿部驱动装置300主要采用了串联机构；同时膝关节运动机构是具有单自由度的平面连杆机构，可将大腿驱动装置产生的驱动运动转化为小腿驱动装置的旋转运动；其中，大腿驱动装置是驱动小腿驱动装置转动运动主要动力输出装置，通过大腿驱动装置提供一个动作(即该转动动作可模仿人体小腿向前迈进的动作(即摆动动作))；同时小腿驱动装置带动其下部的其他附属装置(即小腿支撑板和两组小腿驱动机构以及脚掌行走装置等)一起向前迈进；同时两组所述小腿驱动机构是驱动脚掌行走装置的主要动力输出装置，通过两组所述小腿驱动机构用于合力驱动带动所述脚掌行走装置400沿着所述小腿支撑板的延伸方向上实现转动摆动动作(即实现模拟人体小腿以及脚向前迈进的动作)；这样一来，通过腿部驱动装置300即可完成对人体下肢模拟运动动作。
在脚掌行走装置400结构中；所述脚掌行走装置400包括脚掌机构410和踝关节运动机构420；所述脚掌机构410自一端至另一端包括前脚掌部411、脚板部412以及后脚跟部413；且所述脚板部412为平面结构；所述前脚掌部411与所述脚板部412的连接端为平面结构，所述前脚掌部411的远离连接端的另一端为圆弧面结构；所述后脚跟部413与所述脚板部412的的连接端为平面结构，所述后脚跟部413的远离连接端的另一端为圆弧面结构；且所述脚板部412与所述前脚掌部411之间通过第一柔性铰链414连接；所述脚板部与所述后脚跟部之间通过第二柔性铰链415连接；两组所述小腿驱动机构通过所述踝关节运动机构带动所述脚掌机构实施三维自由转向动作。脚掌行走装置400其具有灵活的运动能力。
综上，本发明提供的拟人双足步行机器人，其弥补了传统串联机器人以及传统并联机器人的技术不足，兼顾了两者的技术优势。本发明提供的拟人双足步行机器人，其具有模拟运动动作多样，模拟性能强、可靠性强，结构设计合理且实用性强等诸多方面的技术优势；因此，总的来说，本发明提供的拟人双足步行机器人是一种高质量、模拟能力强、动作执行精度高的机器人系统。
需要说明的是，并联机器人机构是由运动副和构件按一定的方式连接而成的闭环机构。本发明实施例提供的拟人双足步行机器人设计新颖、合理，其既采用串联机器人机构也采用了并联机器人机构。本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其根据人体下半身的运动特点，模拟设计了机器人各个并联机构或是串联机构的自由度、运动副的类型。根据支链的类型与并联机构的类型的关系进行巧妙设计，其涉及的并联机构的类型有平面二自由度、平面三自由度(其也可以根据需要选择其他形式的并联机构，例如：球面三自由度等)以及其他的简单运动副或是复合运动副；对此本发明实施例不再一一赘述。
下面对本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的具体结构以及具体技术效果做一下详细说明：
在髋关节驱动机构结构中；所述第一连杆212为圆弧形连杆，且所述第二连杆213为圆弧形连杆；
且所述动平台211的顶部沿着所述动平台211圆向向外侧分别间隔设置有三个第一安装槽，且所述第一安装槽内设置有连接轴；所述第二连杆213上均设置有第二安装槽，且所述第二安装槽内设置有连接轴；
每组所述连杆驱动组件结构中的所述第一连杆212的头端均对应转动配合在所述第一安装槽内的连接轴上；每组所述连杆驱动组件结构中的所述第一连杆212的尾端均对应转动配合在所述第二安装槽内的连接轴上。
在髋关节驱动机构结构中；所述髋关节驱动机构200还包括电机安装座216；所述电机安装座216沿着所述静平台215的周向方向上均匀间隔分布设置。
需要说明的是，上述髋关节驱动机构，其主要侧重保护采用髋关节驱动机构实现三维空间内的复杂动作，该机械动作通过动平台、三组连杆驱动组件(即每组连杆驱动组件包括第一连杆、第二连杆、髋部驱动电机)以及静平台和机座等机械构造构成；通过上述机械构造实现相应的技术动作，主要包括实现三维空间内自由的角度转向适应。
在大腿驱动装置结构中；另参见图6，所述大腿驱动机构312包括沿着所述大腿支撑板自上而下依次顺序排布的第一直线驱动电机3121、第一电机支架3122、第一联轴器3123、第一固定端轴承座3124、第一丝杠螺母3125、第一推杆3126、第一轴承座3127、第一支撑端轴承座3128和第一滚珠丝杠3129、转动连杆3130；
其中，所述第一电机支架3122固定连接在大腿支撑板上；所述第一直线驱动电机3121固定连接于第一电机支架3122，并通过第一联轴器3123驱动第一滚珠丝杠3129转动；所述第一固定端轴承座3124和所述第一支撑端轴承座3128内均安装有轴承；所述第一滚珠丝杠3129的两端分别伸入在所述第一固定端轴承座3124和所述第一支撑端轴承座3128的轴承内孔并转动配合；所述第一滚珠丝杠3129与所述第一丝杠螺母3125配合构成滚珠丝杠运动副；所述第一推杆3126的一端固定连接于所述第一丝杠螺母3125上，所述第一推杆3126的另一端伸入所述第一轴承座3127内滑动配合，并通过所述转动连杆3130与所述小腿支撑板连接；
所述转动连杆3130的头端与所述第一推杆3126转动配合，且所述转动连杆3130的尾端与所述小腿支撑板转动配合。
需要说明的是，有关滚珠丝杠副；滚珠丝杠副又名滚珠丝杆副、滚珠螺杆副。是由丝杠及螺母二个配套组成的。滚珠丝杠副是目前传动机械中精度最高也是最常用的传动装置。滚珠丝杆副是在丝杠与螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。本发明实施例中的滚珠丝杠副可以驱动第一推杆3126实现上下往复运动。
需要说明的是，如图9所示，膝关节运动机构是具有单自由度的平面连杆机构，可将第一直线驱动装置产生的直线运动转化为小腿驱动装置的旋转运动，具体工作方式为：当第一直线驱动装置向下(或向上)运动时，转动连杆3130会绕逆时针(顺时针)方向转动，从而带动小腿驱动装置沿逆时针(顺时针)方向转动。
在小腿驱动装置结构中；另参见图7，所述小腿驱动机构332包括沿着所述小腿支撑板自上而下依次顺序排布的第二直线驱动电机3321、第二电机支架3322、第二联轴器3323、第二固定端轴承座3324、第二丝杠螺母3325、第二推杆3326、第二轴承座3327、第二支撑端轴承座3328和第二滚珠丝杠3329、固定连杆3330；
其中，所述第二电机支架3322固定连接在小腿支撑板上；所述第二直线驱动电机3321固定连接于第二电机支架3322，并通过第二联轴器3323驱动第二滚珠丝杠3329转动；所述第二固定端轴承座3324和所述第二支撑端轴承座3328内均安装有轴承；所述第二滚珠丝杠3329的两端分别伸入在所述第二固定端轴承座3324和所述第二支撑端轴承座3328的轴承内孔并转动配合；所述第二滚珠丝杠3329与所述第二丝杠螺母3325配合构成滚珠丝杠运动副；所述第二推杆3326的一端固定连接于所述第二丝杠螺母3325上，所述第二推杆3326的另一端伸入所述第二轴承座3327内滑动配合，并通过所述固定连杆3330与所述脚掌行走装置连接；
所述固定连杆3330的头端与所述第二推杆3326固定连接，且所述固定连杆3330的尾端与所述脚掌行走装置固定连接。
在踝关节运动机构结构中；所述踝关节运动机构420包括球铰421和虎克铰422；其中，所述固定连杆的两端通过所述球铰421分别连接在第二推杆以及所述脚板部之间；且所述小腿支撑板通过所述虎克铰422与所述脚板部连接。
需要说明的是，如图10所示，所述踝关节运动机构是具有空间二自由度并联机构，可将第二直线驱动装置产生的直线运动转化为脚板部的旋转运动，具体工作方式为：当第二直线驱动装置同时沿Z轴正方向(负方向)运动时，通过球铰和虎克铰将运动传递给脚板部，并使脚板部绕X轴正向(反向)转动；当第二直线驱动装置沿Z轴正方向(负方向)运动时，通过球铰和虎克铰将运动传递给脚板部，并使脚板部绕Y轴正向(反向)转动。
关于虎克铰需要说明的是，虎克铰是轴线通过同一点的两个转动副的组合,该铰链允许构件有两个相对转动的自由度。因其具有两个独立转角范围较大、间隙小；该虎克铰可以很好的适应安装在本发明实施例提供的拟人双足步行机器人的结构上，该踝关节运动机构应用在并联机器人的构型结构。
优选的，作为一种可实施方案；所述第一柔性铰链414的最大形变量大于所述第二柔性铰链415的最大形变量。
需要说明的是，在脚掌机构上设计了前脚掌部、脚板部和后脚跟部，并采用柔性铰链连接，能够较好地达到减缓地面冲击力的作用；与此同时为更好的模拟出人体脚掌部分的姿态，可以将第一柔性铰链414的最大形变量设计更大一些，所述第二柔性铰链415的最大形变量可以相对较小一些，因为人体行走时前脚掌部的弯曲形变量大于后脚跟的弯曲形变量；这样的模拟效果更为显著和逼真。
上述设计，能够确保机器人的柔性、安全性、灵活性以及保证脚掌机构灵敏操作以及提升其对地面路况的适应性。
在具体结构中，所述大腿支撑板和所述小腿支撑板的表面上均设置有镂空结构。所述镂空结构为腰型孔；且所述大腿支撑板上的所述腰型孔的排布方向沿着所述大腿支撑板延伸方向设置；且所述小腿支撑板上的所述腰型孔的排布方向沿着所述小腿支撑板延伸方向设置。
需要说明的是，大腿支撑板和所述小腿支撑板的表面上均设置有镂空结构，上述设计具有突出的技术效果；一方面镂空结构可以有利于维持大腿支撑板和小腿支撑板受力的平衡，另一方面镂空结构可以有利于大腿支撑板和小腿支撑板减轻重量，减少驱动结构对其输出的负载。
所述拟人双足步行机器人还包括控制器；所述控制器分布与所述髋关节驱动机构200上的髋部驱动电机214、所述腿部驱动装置300上的第一直线驱动电机3121和第二直线驱动电机3321电连接。
需要说明的是，上述控制器可以实现对各个驱动机构的控制，最终通过各个驱动机构上的电机最终执行相应的模拟动作。
本发明实施例提供的拟人双足步行机器人具有如下方面的技术优势：
一、本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其主要由躯干机构和两组腿部行走装置组件结构部分构成，每组所述腿部行走装置组件包括自上而下依次设置的髋关节驱动机构、腿部驱动装置、脚掌行走装置；上述结构其每个结构装置部分都具有特殊的结构设计，且具体结构装置之间连接、布局等都具有巧妙的设计；因此，本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其设计更为合理，系统架构更加新颖、功能更加完善。
二、本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其通过采用串并混联构型，不仅能够实现灵活的步行运动，而且结构简单紧凑、承载能力强，很大程度上弥补了并联机器人及串联机器人结构和性能上的不足。
三、本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其髋关节驱动机构采用了具有三自由的球面并联机构设计；其腿部驱动装置，主要采用电机带动滚珠丝杠的驱动方式，生产成本低、加工及装配工艺良好，且控制简单；脚掌行走装置结构中，其采用了踝关节运动机构(踝关节运动机构是具有空间二自由度并联机构)；同时其在脚板部两侧上设计了前脚掌部和后脚跟部，并采用柔性铰链连接，能够较好地达到减缓地面冲击力的作用。
四、本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其通过髋关节驱动机构、腿部驱动装置、脚掌行走装置等多种机构装置协同作用，可以模拟复杂的人体下半身运动，尤其模拟关节功能更为显著，其整体同步性更强，可模拟动作以及过程更加复杂化。
五、本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，提供一种整体结构重量轻、传动控制简单、外观及功能上都很好的达到拟人效果的串并混联的拟人双足步行机器人。
六、本发明实施例提供的拟人双足步行机器人，其结构安全性强、可靠性高、结构功能更为完善。
基于以上诸多显著的技术优势，本发明提供的拟人双足步行机器人必将带来良好的市场前景和经济效益。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种拟人双足步行机器人，其特征在于，包括躯干机构以及固定连接在所述躯干机构底部的两组腿部行走装置组件；两组所述腿部行走装置组件用于模拟人体双腿行走动作；
每组所述腿部行走装置组件包括自上而下依次设置的髋关节驱动机构、腿部驱动装置、脚掌行走装置；所述髋关节驱动机构、所述腿部驱动装置、所述脚掌行走装置按照顺序两两连接；
其中，所述髋关节驱动机构包括动平台、三组连杆驱动组件、静平台；所述静平台固定连接在所述躯干机构的底部；
每组所述连杆驱动组件包括第一连杆、第二连杆、髋部驱动电机；三组所述髋部驱动电机沿着所述静平台的周向方向上间隔固定连接在所述静平台的底部；每组所述髋部驱动电机的输出轴连接在对应的所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端与对应的所述第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述动平台铰接；且三组所述第一连杆沿着所述动平台顶部的周向方向上间隔排列分布；
其中，所述腿部驱动装置包括大腿驱动装置、膝关节运动机构和小腿驱动装置；所述大腿驱动装置包括大腿支撑板和一组大腿驱动机构；所述大腿驱动机构固定连接于所述大腿支撑板上；所述小腿驱动装置包括小腿支撑板和两组小腿驱动机构；两组所述小腿驱动机构固定连接于所述小腿支撑板两侧；
所述膝关节运动机构设置在所述大腿支撑板与所述小腿支撑板之间；且所述膝关节运动机构作为所述大腿支撑板通过与所述小腿支撑板之间铰接点，形成相对转动配合关系；所述大腿驱动机构用于推动所述小腿支撑板沿着所述铰接点产生摆动动作；
其中，所述脚掌行走装置包括脚掌机构和踝关节运动机构；所述脚掌机构自一端至另一端包括前脚掌部、脚板部以及后脚跟部；且所述脚板部为平面结构；所述前脚掌部与所述脚板部的连接端为平面结构，所述前脚掌部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；所述后脚跟部与所述脚板部的的连接端为平面结构，所述后脚跟部的远离连接端的另一端为圆弧面结构；且所述脚板部与所述前脚掌部之间通过第一柔性铰链连接；所述脚板部与所述后脚跟部之间通过第二柔性铰链连接；两组所述小腿驱动机构用于通过所述踝关节运动机构带动所述脚掌机构实施三维自由转向动作。
2.如权利要求1所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述第一连杆为圆弧形连杆，且所述第二连杆为圆弧形连杆；
且所述动平台的顶部沿着所述动平台圆向向外侧分别间隔设置有三个第一安装槽，且所述第一安装槽内设置有连接轴；所述第二连杆上均设置有第二安装槽，且所述第二安装槽内设置有连接轴；
每组所述连杆驱动组件结构中的所述第一连杆的头端均对应转动配合在所述第一安装槽内的连接轴上；每组所述连杆驱动组件结构中的所述第一连杆的尾端均对应转动配合在所述第二安装槽内的连接轴上。
3.如权利要求2所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述髋关节驱动机构还包括电机安装座；所述电机安装座沿着所述静平台的周向方向上均匀间隔分布设置。
4.如权利要求1所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述大腿驱动机构包括沿着所述大腿支撑板自上而下依次顺序排布的第一直线驱动电机、第一电机支架、第一联轴器、第一固定端轴承座、第一丝杠螺母、第一推杆、第一轴承座、第一支撑端轴承座和第一滚珠丝杠、转动连杆；
其中，所述第一电机支架固定连接在大腿支撑板上；所述第一直线驱动电机固定连接于第一电机支架，并通过第一联轴器驱动第一滚珠丝杠转动；所述第一固定端轴承座和所述第一支撑端轴承座内均安装有轴承；所述第一滚珠丝杠的两端分别伸入在所述第一固定端轴承座和所述第一支撑端轴承座的轴承内孔并转动配合；所述第一滚珠丝杠与所述第一丝杠螺母配合构成滚珠丝杠运动副；所述第一推杆的一端固定连接于所述第一丝杠螺母上，所述第一推杆的另一端伸入所述第一轴承座内滑动配合，并通过所述转动连杆与所述小腿支撑板连接；
所述转动连杆的头端与所述第一推杆转动配合，且所述转动连杆的尾端与所述小腿支撑板转动配合。
5.如权利要求4所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述小腿驱动机构包括沿着所述小腿支撑板自上而下依次顺序排布的第二直线驱动电机、第二电机支架、第二联轴器、第二固定端轴承座、第二丝杠螺母、第二推杆、第二轴承座、第二支撑端轴承座和第二滚珠丝杠、固定连杆；
其中，所述第二电机支架固定连接在小腿支撑板上；所述第二直线驱动电机固定连接于第二电机支架，并通过第二联轴器驱动第二滚珠丝杠转动；所述第二固定端轴承座和所述第二支撑端轴承座内均安装有轴承；所述第二滚珠丝杠的两端分别伸入在所述第二固定端轴承座和所述第二支撑端轴承座的轴承内孔并转动配合；所述第二滚珠丝杠与所述第二丝杠螺母配合构成滚珠丝杠运动副；所述第二推杆的一端固定连接于所述第二丝杠螺母上，所述第二推杆的另一端伸入所述第二轴承座内滑动配合，并通过所述固定连杆与所述脚掌行走装置连接；
所述固定连杆的头端与所述第二推杆固定连接，且所述固定连杆的尾端与所述脚掌行走装置固定连接。
6.如权利要求5所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述踝关节运动机构包括球铰和虎克铰；
其中，所述固定连杆的两端通过所述球铰分别连接在第二推杆以及所述脚板部之间；且所述小腿支撑板通过所述虎克铰与所述脚板部连接。
7.如权利要求1所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述第一柔性铰链的最大形变量大于所述第二柔性铰链的最大形变量。
8.如权利要求1所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述大腿支撑板和所述小腿支撑板的表面上均设置有镂空结构。
9.如权利要求8所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述镂空结构为腰型孔；且所述大腿支撑板上的所述腰型孔的排布方向沿着所述大腿支撑板延伸方向设置；且所述小腿支撑板上的所述腰型孔的排布方向沿着所述小腿支撑板延伸方向设置。
10.如权利要求1所述的拟人双足步行机器人，其特征在于，
所述拟人双足步行机器人还包括控制器；所述控制器分布与所述髋关节驱动机构上的髋部驱动电机、所述腿部驱动装置上的第一直线驱动电机和第二直线驱动电机电连接。
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