CN108082325A - 一种液压驱动的双足机器人下肢机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，具体涉及一种液压驱动的双足机器人下肢机构，包括躯干、左腿和右腿，左腿包括足部、踝关节组件、小腿、膝关节组件、大腿以及髋关节组件，大腿与躯干和小腿连接，小腿与足部铰接，髋关节组件包括悬臂、髋关节俯仰液压驱动单元和髋关节侧向液压驱动单元，髋关节侧向液压驱动单元与悬臂和躯干连接，髋关节俯仰液压驱动单元与悬臂和大腿连接；膝关节组件中的膝关节液压驱动单元分别与大腿和小腿连接，踝关节组件包括两个并排设置的踝关节液压驱动单元，踝关节液压驱动单元的一端与小腿的主体铰接，另一端与足部铰接，本发明可以解决现有技术中电机驱动机器人运动速度慢、爆发力不足以及难以适应复杂地形的问题。

Description

一种液压驱动的双足机器人下肢机构

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种液压驱动的双足机器人下肢机构。

背景技术

双足机器人相比于履带式机器人，更加灵活，能够适应各种各样的地形，关节自由度更高。

目前双足机器人多采用伺服电机进行驱动，采用谐波减速器进行降速增扭，但由于伺服电机高速小扭力的特性，使得电机驱动类双足机器人的运动速度较慢，爆发力不足，负载能力有限，难以适应复杂的地形，无法满足机器人大负载、快速运动的设计要求。

从仿生学角度来看，液压驱动是当前模拟人体肌肉驱动的最好方式，从机械特性角度看，液压驱动的输出力大，比功率高，抗干扰能力强，能适应恶劣的野外环境，用液压作为机器人的驱动方式能够弥补电机的不足，增强机器人关节的输出力，从而增强其负载能力，提高对环境的适应性，而且液压系统刚度大，响应快，可以提高机器人运动的快速性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液压驱动的双足机器人下肢机构，以解决现有技术中电机驱动机器人运动速度慢、爆发力不足以及难以适应复杂地形的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种液压驱动的双足机器人下肢机构，包括躯干、左腿和右腿，所述左腿和右腿的结构相同且对称安装在躯干的下方，所述左腿包括足部、踝关节组件、小腿、膝关节组件、大腿以及髋关节组件，大腿的上端通过髋关节组件与躯干连接，大腿的下端与小腿的上端铰接，小腿的下端与足部铰接，所述髋关节组件包括悬臂、髋关节俯仰液压驱动单元和髋关节侧向液压驱动单元，所述髋关节侧向液压驱动单元的一端与悬臂连接，所述髋关节侧向液压驱动单元的另一端通过连接件与躯干连接，所述悬臂通过第一连杆机构与髋关节俯仰液压驱动单元的一端连接，所述髋关节俯仰液压驱动单元的另一端与大腿的主体铰接；所述膝关节组件包括膝关节液压驱动单元，所述膝关节液压驱动单元通过第二连杆机构分别与大腿和小腿连接，所述踝关节组件包括两个并排设置的踝关节液压驱动单元，所述踝关节液压驱动单元的一端与小腿的主体铰接，所述踝关节液压驱动单元的另一端与足部铰接。

优选的，所述髋关节组件还包括髋关节旋转液压驱动单元，所述髋关节旋转液压驱动单元安装于所述躯干的上方，所述髋关节旋转液压驱动单元的一端与躯干上的安装座连接，所述髋关节旋转液压驱动单元的另一端与所述连接件铰接。

优选的，所述连接件为连接座和旋转轴的组合体，所述连接座位于躯干的上方，所述旋转轴竖直穿过躯干与悬臂铰接。

优选的，所述髋关节俯仰液压驱动单元、髋关节侧向液压驱动单元、膝关节液压驱动单元和髋关节旋转液压驱动单元均由相同的液压驱动单元组成，所述液压驱动单元由液压杆和液压缸组成，所述液压驱动单元附带伺服阀、进油管和出油管。

优选的，所述踝关节组件还包括一个十字节构件，所述十字节构件的固定端安装在足部上表面的支座上，所述十字节构件的活动端与小腿连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用液压驱动，机器人速度快而且爆发力强，而且本发明提供的机器人负载能力强，可以适应多种复杂的环境，另外在脚踝关节处通过十字节构件和两缸并行排布方式将两缸的直线运动耦合在一起，使脚掌可以同时俯仰与侧摆，可以节省空间，更接近人体结构，在膝关节处，第二连杆机构与大腿和小腿形成一个四连杆机构，该种布置可以节省液压缸行程，使用较小的液压缸即可实现膝关节的摆动，使机器人整体看起来轻盈不笨拙，在髋关节处采用悬臂结构，通过悬臂连接大腿主体和机器人躯干，也起到了节省空间的作用，同时使机器人下肢在有限的空间内具有三个方向同时运动的能力。

附图说明

图1为本发明的部分结构示意图；

图2为本发明的另一视角部分结构示意图；

图3为本发明中髋关节组件的结构示意图；

图4为本发明中膝关节组件的结构示意图。

图中：1躯干、101安装座、102连接件，2大腿，3小腿，4足部、401十字节构件，5悬臂，6第一连杆机构，7第二连杆机构，8髋关节俯仰液压驱动单元，9髋关节侧向液压驱动单元，10髋关节旋转液压驱动单元，11膝关节液压驱动单元，12踝关节液压驱动单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种液压驱动的双足机器人下肢机构，包括躯干1、左腿和右腿，左腿和右腿的结构相同且对称安装在躯干1的下方，左腿包括足部4、踝关节组件、小腿3、膝关节组件、大腿2以及髋关节组件，大腿2的上端通过髋关节组件与躯干1连接，大腿2的下端与小腿3的上端铰接，小腿3的下端与足部4铰接，髋关节组件包括悬臂5、髋关节俯仰液压驱动单元8和髋关节侧向液压驱动单元9，髋关节侧向液压驱动单元9的一端与悬臂5连接，髋关节侧向液压驱动单元9的另一端通过连接件102与躯干1连接，悬臂5通过第一连杆机构6与髋关节俯仰液压驱动单元8的一端连接，髋关节俯仰液压驱动单元8的另一端与大腿2的主体铰接；膝关节组件包括膝关节液压驱动单元11，膝关节液压驱动单元11通过第二连杆机构7分别与大腿2和小腿3连接，踝关节组件包括两个并排设置的踝关节液压驱动单元12，踝关节液压驱动单元12的一端与小腿3的主体铰接，踝关节液压驱动单元12的另一端与足部4铰接。

进一步的，髋关节组件还包括髋关节旋转液压驱动单元10，髋关节旋转液压驱动单元10安装于躯干1的上方，髋关节旋转液压驱动单元10的一端与躯干1上的安装座101连接，髋关节旋转液压驱动单元10的另一端与连接件102铰接。

进一步的，连接件102为连接座和旋转轴的组合体，连接座位于躯干1的上方，旋转轴竖直穿过躯干1与悬臂5铰接。

本发明中，每条腿的髋关节具有三个方向运动的能力，即可以前后摆动、左右摆动以及沿着旋转轴旋转，具体的，前后摆动：悬臂5通过第一连杆机构6与髋关节俯仰液压驱动单元8的一端连接，髋关节俯仰液压驱动单元8的另一端与大腿2的主体铰接，髋关节俯仰液压驱动单元8伸缩实现髋关节的前后摆动，第一连杆结构的上杆、第一连杆机构6的下杆、大腿2和悬臂5组成一个四连杆机构，可以节省髋关节俯仰液压驱动单元8中液压缸的行程，在本发明中，髋关节俯仰液压驱动单元8中液压缸使用小型的液压缸即可实现髋关节的前后摆动，节省成本的同时也使机器人髋关节摆动的更快；左右摆动：髋关节侧向液压驱动单元9竖直安装，髋关节侧向液压驱动单元9的一端与悬臂5连接，髋关节侧向液压驱动单元9的另一端与连接座连接，髋关节侧向液压驱动单元9的伸缩实现髋关节左右摆动；沿着旋转轴旋转：髋关节旋转液压驱动单元10安装于躯干1的上方，髋关节旋转液压驱动单元10的一端与躯干1上的安装座101连接，髋关节旋转液压驱动单元10的另一端与连接座铰接，连接座与旋转轴上下一体式组成连接件102，旋转轴竖直穿过躯干1与悬臂5铰接，髋关节旋转液压驱动单元10的伸缩即可实现髋关节沿着该旋转轴旋转，在本发明中，髋关节的三个方向运动方向的能力都通过同一个悬臂5来实现，无需安装多个连接件102，简化了机器人的机构，节省了安装空间。

在本发明中，每条腿的膝关节可以前后摆动，具体的，膝关节液压驱动单元11通过第二连杆机构7分别与大腿2和小腿3连接，第二连杆机构7的上杆、第二连杆机构7的下杆、大腿2和小腿3组成本发明中另一个四连杆机构，可以节省膝关节液压驱动单元11中液压缸的行程，在本发明中，膝关节液压驱动单元11中的液压缸使用小型的液压缸即可实现膝关节的前后摆动，节省成本的同时也使机器人的膝关节摆动的更快。

在本发明中，每条腿的踝关节可以前后摆动以及左右摆动，具体的，踝关节组件包括两个并排设置的踝关节液压驱动单元12，踝关节液压驱动单元12的一端与小腿3的主体铰接，踝关节液压驱动单元12的另一端与足部4铰接，踝关节组件还包括一个十字节构件401，十字节构件401的固定端安装在足部4上表面的支座上，十字节构件401的活动端与小腿3连接，通过十字节构件401和两个两缸并行的排布方式将两个踝关节液压驱动单元12的直线运动耦合一起，使踝关节可以前后摆动以及左右摆动。

进一步的，髋关节俯仰液压驱动单元8、髋关节侧向液压驱动单元9、膝关节液压驱动单元11和髋关节旋转液压驱动单元10均由相同的液压驱动单元组成，液压驱动单元由液压杆和液压缸组成，液压驱动单元附带伺服阀、进油管和出油管。

工作原理：在一定油压的驱动下，机器人可以稳定行走。首先是起步阶段，双足支撑之后开始运动，身体向右侧倾斜，等重心转移到右脚上时，右脚单脚支撑，左脚抬起，向前迈出并且落地，随后是周期性直线行走，双脚支撑，身体从右侧倾斜状态过渡到左侧倾斜状态，重心转移到左脚上，左脚单脚支撑，右脚抬起，向前迈出并且落地，然后是双脚周期性的运动，实现机器人的稳定行走。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种液压驱动的双足机器人下肢机构，包括躯干(1)、左腿和右腿，所述左腿和右腿的结构相同且对称安装在躯干(1)的下方，所述左腿包括足部(4)、踝关节组件、小腿(3)、膝关节组件、大腿(2)以及髋关节组件，大腿(2)的上端通过髋关节组件与躯干(1)连接，大腿(2)的下端与小腿(3)的上端铰接，小腿(3)的下端与足部(4)铰接，其特征在于：所述髋关节组件包括悬臂(5)、髋关节俯仰液压驱动单元(8)和髋关节侧向液压驱动单元(9)，所述髋关节侧向液压驱动单元(9)的一端与悬臂(5)连接，所述髋关节侧向液压驱动单元(9)的另一端通过连接件(102)与躯干(1)连接，所述悬臂(5)通过第一连杆机构(6)与髋关节俯仰液压驱动单元(8)的一端连接，所述髋关节俯仰液压驱动单元(8)的另一端与大腿(2)的主体铰接；所述膝关节组件包括膝关节液压驱动单元(11)，所述膝关节液压驱动单元(11)通过第二连杆机构(7)分别与大腿(2)和小腿(3)连接，所述踝关节组件包括两个并排设置的踝关节液压驱动单元(12)，所述踝关节液压驱动单元(12)的一端与小腿(3)的主体铰接，所述踝关节液压驱动单元(12)的另一端与足部(4)铰接。

2.根据权利要求1所述的一种液压驱动的双足机器人下肢机构，其特征在于：所述髋关节组件还包括髋关节旋转液压驱动单元(10)，所述髋关节旋转液压驱动单元(10)安装于所述躯干(1)的上方，所述髋关节旋转液压驱动单元(10)的一端与躯干(1)上的安装座(101)连接，所述髋关节旋转液压驱动单元(10)的另一端与所述连接件(102)铰接。

3.根据权利要求2所述的一种液压驱动的双足机器人下肢机构，其特征在于：所述连接件(102)为连接座和旋转轴的组合体，所述连接座位于躯干(1)的上方，所述旋转轴竖直穿过躯干(1)与悬臂(5)铰接。

4.根据权利要求2所述的一种液压驱动的双足机器人下肢机构，其特征在于：所述髋关节俯仰液压驱动单元(8)、髋关节侧向液压驱动单元(9)、膝关节液压驱动单元(11)和髋关节旋转液压驱动单元(10)均由相同的液压驱动单元组成，所述液压驱动单元由液压杆和液压缸组成，所述液压驱动单元附带伺服阀、进油管和出油管。

5.根据权利要求1所述的一种液压驱动的双足机器人下肢机构，其特征在于：所述踝关节组件还包括一个十字节构件(401)，所述十字节构件(401)的固定端安装在足部(4)上表面的支座上，所述十字节构件(401)的活动端与小腿(3)连接。