CN107651041B - 一种电动四足机器人的单腿结构 - Google Patents

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Abstract

一种电动四足机器人的单腿结构，包括髋关节、膝关节、大腿连杆、小腿连杆和脚部，髋关节又包括第一髋关节和第二髋关节；第二髋关节与第一髋关节的动力输出端连接；膝关节通过大腿连杆与第一髋关节的动力输出端连接，膝关节与第二髋关节刚性连接，第二髋关节的动力输出端与膝关节的动力输入端通过传动机构连接，小腿固定连接在膝关节的动力输出端，脚部连接在小腿上。该结构保证了大腿和小腿的低质量和低转动惯量，具有较好的运动性能，结构简单紧凑，保证了单腿的膝关节和髋关节具有良好的逆向驱动特性，可用于组装可弹跳、高负载自重比的电动四足机器人。

Description

一种电动四足机器人的单腿结构
技术领域
本发明涉及一种用于电动四足机器人的单腿结构，属于机器人技术领域。
背景技术
在地形多变的自然环境中，腿足式机器人可以更好的适应地形变化，对复杂地形具有较高的通过性，相较于轮式或履带式机器人具有一定的优越性。腿足式机器人是一个具有较高吸引力的研究领域，在工业、地形勘探、军事国防等领域具有广阔的应用前景。
当前的腿足式机器人研究，为了提高机器人的负载自重比，多是采用液压驱动系统。如山东大学研制的SCalf四足机器人，美国Boston Dynamics公司研制的BigDog等，均是采用液压驱动系统。后期Boston Dynamics公司研制了电动四足机器人SpotMini，但是由于电机的力矩容量等限制，当前的电动腿足式机器人的动态性能表现一般，仍然具有较大的提高空间。
研制电动腿足式机器人，比较精简的结构就是将驱动电机放置在关节部位。腿足式机器人关节的体积、重量、输出力矩和运动精度，是其整体性能的主要决定因素。当前的机器人关节，通常采用输出力矩较小的无刷直流电机。为了获得较大的输出力矩，通常需要配置具有较大减速比的RV减速器或者谐波减速器。然而，大减速比传动系统的逆向驱动效果较差，使机器人对环境的力感知能力较差，不适用于组建腿足式机器人。
中国专利文献CN 104942822A公开了《一种空间机器人的两自由度关节》，通过两关节驱动组件、关节传动组件，实现关节两自由度的运动，通过调节两个电机的转速和转角，实现关节俯仰、旋转、两者合成的三种运动方式。但是，该装置采用多级行星齿轮减速箱和锥齿轮传动，传动机构较为复杂，关节尺寸和重量较大。
发明内容
本发明的目的是面向当前腿足式机器人的需求，针对现有腿足式机器人的不足，提供一种动态性好、输出扭矩大、结构简单紧凑、逆向驱动性能好且具有高动态特性的电动四足机器人的单腿结构。
本发明的电动四足机器人的单腿结构，采用如下技术方案：
该电动四足机器人的单腿结构，包括髋关节、膝关节、大腿连杆、小腿连杆和脚部，髋关节又包括第一髋关节和第二髋关节；第二髋关节与第一髋关节的动力输出端连接；膝关节通过大腿连杆与第一髋关节的动力输出端连接，膝关节与第二髋关节刚性连接，第二髋关节的动力输出端与膝关节的动力输入端通过传动机构连接，小腿连接在膝关节的动力输出端，脚部连接在小腿上。
所述第一髋关节，包括第一驱动电机、第一关节主轴、第一传动箱和第一关节输出轴；第一驱动电机的定子内置有霍尔传感器，第一驱动电机的转子与第一关节主轴连接，第一关节主轴安装在第一驱动电机壳体上，第一驱动电机壳体上安装有第一编码器，第一编码器的磁头连接轴嵌套在第一关节主轴的内孔中；第一传动箱连接在第一驱动电机壳体上，第一传动箱内安装有行星减速器和第一关节输出轴，行星减速器的输入轴与第一关节主轴连接，第一关节输出轴与行星减速器的行星架输出端连接。
所述第二髋关节，包括第二驱动电机和第二关节主轴，第二驱动电机定子内置有霍尔传感器，第二驱动电机转子与第二关节主轴连接，第二关节主轴安装在第二驱动电机壳体上，第二关节主轴通过传动机构与膝关节中的输入主轴连接，第二驱动电机壳体上安装有第二编码器，第二编码器的磁头连接轴嵌套在第二关节主轴的内孔中，第二驱动电机壳体上设置有连接杆，该连接杆与第一关节输出轴连接。
所述膝关节，包括膝关节输出传动箱、膝关节输入传动箱、膝关节输出轴连杆、膝关节支承连杆和输入主轴，膝关节输出传动箱与膝关节输入传动箱连接，膝关节输出传动箱内安装有行星减速器和膝关节输出轴连杆，膝关节输出轴连杆与行星减速器连接，膝关节输入传动箱内安装有输入主轴，输入主轴与行星减速器连接，输入主轴与第二髋关节中的第二关节主轴通过传动机构连接，膝关节输出轴连杆上连接有膝关节支承连杆。
上述电动四足机器人的单腿运行时，第一髋关节中的第一驱动电机根据其编码器的伺服控制信号旋转，并通过行星减速器带动动力输出端(第一关节输出轴)运转，进而带动第二髋关节、大腿连杆、膝关节总成和小腿相对于第一髋关转动。第二髋关节中的第二驱动电机根据其编码器的伺服控制信号旋转，并带动膝关节的动力输入端(输入转轴)转动，进而通过行星减速器带动膝关节的动力输出端(输出轴连杆)转动，从而实现了小腿相对于大腿的转动。
本发明采用高扭矩输出的无框直驱力矩电机，并利用单级行星减速器，通过采用同步带传动，将髋关节和膝关节的驱动电机均放置于髋关节部位，保证了大腿和小腿的低质量和低转动惯量，从而使该单腿结构具有较好的运动性能。具有以下特点：
1.充分利用无框直驱力矩电机输出扭矩大、结构简单紧凑等优点，保证了单腿的膝关节和髋关节具有良好的逆向驱动特性，可用于组装具有弹跳等高动态特性的腿足式机器人。
2.紧凑型高关节扭矩的单腿结构，可用于组建可弹跳、高负载自重比的电动四足机器人。
附图说明
图1是本发明电动四足机器人的单腿结构的整体外观示意图。
图2是本发明中髋关节第一关节电机箱的剖视图。
图3是本发明中髋关节第一关节传动箱的剖视图。
图4是本发明中髋关节第二关节的剖视图。
图5是本发明中膝关节及同步带外观示意图。
图6是本发明中膝关节的剖视图。
图中：1.第一驱动电机壳体，2.第一编码器，3.输出法兰，4.髋关节第二驱动电机壳体，5.连接杆，6.同步带，7.大腿连杆，8.膝关节输出传动箱，9.膝关节输入传动箱，10输出轴连杆，11.小腿连杆，12.脚部，13.壳体盖，14.第一驱动电机定子，15.第一驱动电机转子，16.端盖，17.第一编码器磁头，18.磁头连接轴，19.滚珠轴承，20.第一关节主轴，21.第一髋关节传动箱，22.行星减速器，23.交叉滚子轴承，24.第一关节输出轴，25.第二编码器，26.第二编码器磁头，27.磁头连接轴，28.滚珠轴承，29.第二关节主轴，30.第二驱动电机转子，31.第二驱动电机定子，32.端盖，33.壳体盖，34.输出带轮，35.支承连杆，36.交叉滚子轴承，37.行星减速器，38.交叉滚子轴承，39.膝关节输入主轴，40.输入带轮，41.滚珠轴承。
具体实施方式
本发明的电动四足机器人单腿结构包含髋关节Ⅰ和膝关节Ⅱ、大腿连杆、小腿连杆和脚部。髋关节又包括第一髋关节和第二髋关节。
如图1所示，第二髋关节与第一髋关节的动力输出端连接，具体是第一髋关节中的第一关节输出轴24通过其上的输出法兰3与第二髋关节中的连接杆5连接。膝关节Ⅱ通过大腿连杆7与第一髋关节中的动力输出端连接，具体是膝关节中的膝关节输出传动箱8通过大腿连杆7与第一髋关节中的第一关节输出轴24上的输出法兰3连接。膝关节Ⅱ与第二髋关节刚性连接，具体是第二髋关节上的连接杆5与膝关节输入传动箱9连接；同时，第二髋关节的动力输出端与膝关节Ⅱ的动力输入端通过传动机构连接，传动机构采用同步带传动，具体是第二髋关节中的第二关节主轴29上的输出带轮34与膝关节Ⅱ中输入主轴39上的输入带轮40之间连接同步带6，实现动力传动。小腿11固定连接在膝关节Ⅱ中的输出轴连杆10上，脚部12连接在小腿11上。
如图2和图3，第一髋关节包括第一驱动电机、第一关节主轴20、第一编码器2、第一传动箱21和第一关节输出轴24。第一驱动电机由第一驱动电机壳体1、第一驱动电机定子14和第一驱动电机转子15。第一驱动电机定子14通过壳体盖13压紧在第一驱动电机壳体1内，定子14内置有霍尔传感器。第一驱动电机转子15嵌套在第一关节主轴20上，并通过端盖16压紧。第一关节主轴20通过两个滚珠轴承19两端支承于第一驱动电机壳体1和壳体盖13的轴承座上。第一驱动电机壳体1的侧面通过螺钉安装有第一编码器2，第一编码器2的磁头连接轴18嵌套在第一关节主轴20的内孔中，磁头连接轴18上安装有磁头17。第一传动箱21通过螺钉与壳体盖13刚性连接。第一传动箱21内安装有行星减速器22。行星减速器22的输入轴与第一关节主轴20连接，实现动力传动。第一传动箱21内通过交叉滚子轴承23安装有第一关节输出轴24，第一关节输出轴24的锯齿轴与行星减速器22的行星架输出端锯齿孔配合，实现动力传动。第一关节输出轴24的端面上安装有输出法兰3。
如图1和图4所示，第二髋关节包括第二驱动电机、第二关节主轴29和第二编码器25。第二驱动电机由第二驱动电机壳体4、第二驱动电机定子31和第二驱动电机转子30。第二驱动电机定子31通过壳体盖33压紧在第二驱动电机壳体4内，定子31内置有霍尔传感器。第二驱动电机转子30嵌套在第二关节主轴29上，并通过端盖32压紧。第二关节主轴29通过两个滚珠轴承28两端支承于第二驱动电机壳体4和壳体盖33的轴承座上。第二关节主轴29上安装有输出带轮34。第二驱动电机壳体4的侧面通过螺钉安装有第二编码器25，第二编码器25的磁头连接轴27嵌套在第二关节主轴29的内孔中，磁头连接轴27上安装有磁头26。第二驱动电机壳体盖33的侧面设置有连接杆5。
如图1、图5和图6所示，膝关节Ⅱ包括膝关节输出传动箱8、膝关节输入传动箱9、膝关节输出轴连杆10、膝关节支承连杆35、行星减速器37、输入主轴39和输入带轮40。膝关节输入传动箱9与膝关节输出传动箱8连接，膝关节输出传动箱8内安装有行星减速器37。膝关节输出传动箱8内通过第一交叉滚子轴承36安装有输出轴连杆10，输出轴连杆10的锯齿轴与行星减速器37的行星架输出端锯齿孔配合，实现动力传动。膝关节输入传动箱9内通过第二交叉滚子轴承38安装有输入主轴39，输入主轴39的锯齿孔与行星减速器37的输入轴配合，实现动力传动。输入主轴39上安装有输入带轮40，输入带轮40与输出带轮34之间连接同步带6。输出轴连杆10上连接有支承连杆35，支承连杆35通过滚珠轴承41支承于膝关节输入传动箱9。支承连杆35用于固定连接小腿11。
上述电动四足机器人单腿的工作过程如下所述。
第一髋关节中的第一驱动电机转子15根据第一编码器2的伺服控制信号旋转，通过第一关节主轴20输出到行星减速器22的输入轴上。通过行星减速器22减速之后，由行星架输出减速后的转动至第一关节输出轴24及输出法兰3上。由于输出法兰3和第二髋关节之间刚性连接，从而带动第二髋关节、大腿连杆7、膝关节总成和小腿11相对于第一髋关节转动。第二髋关节中的第二驱动电机转子30根据第二编码器25的伺服控制信号旋转，通过第二关节主轴29输出到输出带轮34转动。输出带轮34通过同步带6将运动传递到输入带轮40，带动输入主轴39转动。通过行星减速器37减速之后，由行星架输出转动带动输出轴连杆10转动。由于输出轴连杆10与支承连杆35刚性连接并与小腿11连接，从而实现了小腿相对于大腿的转动。

Claims (1)

1.一种电动四足机器人的单腿结构，包括髋关节、膝关节、大腿连杆、小腿连杆和脚部，其特征是：髋关节又包括第一髋关节和第二髋关节，第一髋关节和第一髋关节的驱动电机转子根据编码器的伺服控制信号旋转；第二髋关节与第一髋关节的动力输出端连接；膝关节通过大腿连杆与第一髋关节的动力输出端连接，膝关节与第二髋关节刚性连接，第二髋关节的动力输出端与膝关节的动力输入端通过传动机构连接，小腿固定连接于单腿膝关节的动力输出端，脚部直接连接在小腿上；
所述第一髋关节，包括第一驱动电机、第一关节主轴、第一传动箱和第一关节输出轴，第一驱动电机的定子内置有霍尔传感器，第一驱动电机的转子与第一关节主轴连接，第一关节主轴安装在第一驱动电机壳体上，第一驱动电机壳体上安装有第一编码器，第一编码器的磁头连接轴嵌套在第一关节主轴的内孔中；第一传动箱连接在第一驱动电机壳体上，第一传动箱内安装有行星减速器和第一关节输出轴，行星减速器的输入轴与第一关节主轴连接，第一关节输出轴与行星减速器的行星架输出端连接；
所述第二髋关节，包括第二驱动电机和第二关节主轴，第二驱动电机定子内置有霍尔传感器，第二驱动电机转子与第二关节主轴连接，第二关节主轴安装在第二驱动电机壳体上，第二关节主轴通过传动机构与膝关节中的输入主轴连接，第二驱动电机壳体上安装有第二编码器，第二编码器的磁头连接轴嵌套在第二关节主轴的内孔中，第二驱动电机壳体上设置有连接杆，该连接杆与第一关节输出轴连接；
所述膝关节，包括膝关节输出传动箱、膝关节输入传动箱、膝关节输出轴连杆、膝关节支承连杆和输入主轴，膝关节输出传动箱与膝关节输入传动箱连接，膝关节输出传动箱内安装有行星减速器和膝关节输出轴连杆，膝关节输出轴连杆与行星减速器连接，膝关节输入传动箱内安装有输入主轴，输入主轴与行星减速器连接，输入主轴与第二髋关节中的第二关节主轴通过传动机构连接，膝关节输出轴连杆上连接有膝关节支承连杆；
上述电动四足机器人的单腿运行时，第一髋关节中的第一驱动电机根据其编码器的伺服控制信号旋转，并通过行星减速器带动动力输出端运转，进而带动第二髋关节、大腿连杆、膝关节总成和小腿相对于第一髋关转动，第二髋关节中的第二驱动电机根据其编码器的伺服控制信号旋转，并带动膝关节的动力输入端转动，进而通过行星减速器带动膝关节的动力输出端转动，从而实现了小腿相对于大腿的转动。
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