CN108583724A - 一种便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿 - Google Patents

Abstract

一种便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，包括大腿、小腿和弹性足，还设有连接架、液压动力系统、控制装置，所述连接架、大腿、小腿和弹性足依次通过关节相连，连接方式为铰接；所述连接架用于将所述仿生机械腿与仿生机器人固定连接或拆卸；所述液压动力系统设于所述大腿和/或小腿的腿体内；所述控制装置设于所述大腿和/或小腿和/或连接架的框架内，并与液压动力系统电连接。本发明控制系统结构简单，安装、拆卸方便，工作可靠，动作柔和，关节扭矩大，承载能力高，充电效率高，对外部能源依赖性较小。

Description

一种便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿

技术领域

本发明涉及仿生机器人，尤其是涉及一种仿生机器人的便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿。

背景技术

现有技术中，相对轮式、履带式移动机器人，足式机器人运动时只需离散的点接触地面，可跨越较大的障碍，对复杂地形适应能力更强，且足式仿生机器人的腿部可具有多个自由度，使运动灵活性和表演性大大增强，可通过调节支撑腿角度和弹性足落点位置保持身体平衡，不易倾翻，稳定性高。未来，足式仿生机器人将在生活服务、管道检修、抗洪救灾、影视表演、安保及军事等方面具有更为广阔的应用前景。

对于足式仿生机器人的关键部件——仿生机械腿，国内外的研究成果丰富，种类很多，大体可以分为以下三类。

第一类，采用“伺服电机+减速机”驱动关节回转运动的仿生机械腿。如CN200520077114.2公开了一种能够产生多种变形和大幅度变形的两足机器人，通过六个伺服电机、两个直流电机、减速机、支架、上板和上盖的相互连接组成的一种机械结构来驱动腿部运动；CN 201220166860.9公开的一种电子机器人，以髋伺服机、腿伺服机、脚踝伺服机等伺服电机来实现腿部摆动或转动运动，可执行跳舞、扭腰、步行和多种复杂运动；CN201110142086.8公开了一种十二足机器人，以主伺服电机、活动伺服电机、旋转伺服电机驱动腿部关节运动；这类仿生机械腿存在以下不足：一是仅适应轻型或轻载机器人，其普遍采用的是小型或轻型的伺服电机及减速机，导致关节扭矩小，无法应用于大型或重载型仿生机器人；二是这些仿生腿上无自身动力，动力集中在机器人主体框架上，需通过电缆输送至仿生腿上；三是其整体式集中电源的存在充电时间长、充电效率低的问题；四是易因连接电缆磨损而瘫痪，五是这些机械腿和主体框架上的动力相连，安装维护大多不便。

第二类，是采用机械传动技术的仿生机械腿。如CN201710429571.0公开的种双足行走机器人多关节腿部结构，包括脚板运动机构、脚踝关节运动机构、腿部关节运动机构，采用驱动电机、主动连杆、传动连杆、关节轴等零部件实现腿部运动； CN201710536920.9公开了一种腿部移动机构及四足机器人，其腿部机构主要为迈步机构，迈步机构包括迈步驱动电机、曲柄、关节连杆、大腿连杆、小腿连杆和足；这类连杆机械传动的仿生腿带有特定缺陷：一是多数采用单动力驱动机械机构运动，自由度少，运动模式单一，仅适合特定路面，无法适应崎岖复杂地形；二是仅适应轻型或轻载机器人，其普遍采用的是小型机械结构来传递动力，导致关节扭矩小，无法应用于大型或重载型仿生机器人；三是这些仿生腿上无自身动力，动力集中在机器人主体框架上，多数采用集中电池供电，充电效率低；四是需通过机械结构把动力输送至仿生腿上，结构复杂，极不方便拆装维护；五是机械传动零部件多，可靠性差，极易因机械传动失效而导致仿生机器人瘫痪。

第三类，是采用液压动力驱动的仿生机械腿。如CN201510644743.7公开的一种四足机器人，采用电动伺服液压源驱动系统驱动仿生机械腿关节运动；CN201010153671.3公开了一种四足步行机器人液压驱动系统，主要采用布置在机器人主体上的液压动力装置驱动腿部伺服油缸总成运动实现移动。这些机器人的仿生腿虽解决了关节扭矩小的问题，适合大型多足机器人，但仍存在如下问题：其一，动力源集中在主体框架上，需由机器人主体框架上的液压动力系统提供各个仿生腿的关节液压动力，极易因连接线缆或液压管道磨损而瘫痪；其二，是动力集中于机器人主体上，充电效率低；其三，仿生腿及其中布置的连接线缆和/或液压管道与机器人主体框架须直接相连接，极不方便拆装维护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的拆装维护极不便、关节扭矩小，结构复杂，充电效率低的缺陷，提供一种安装拆卸方便、关节扭矩大，结构较简单，工作可靠性高、充电效率高的便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，包括大腿、小腿和弹性足，其特征在于，还设有连接架、液压动力系统、控制装置，所述连接架、大腿、小腿和弹性足依次通过关节相连，连接方式为铰接；所述连接架用于将所述仿生机械腿与仿生机器人固定连接或拆卸；所述液压动力系统设于所述大腿和/或小腿的腿体内；所述控制装置设于所述大腿和/或小腿和/或连接架的框架内，并与液压动力系统电连接。

进一步，所述关节为三维关节、二维关节C、二维关节D，所述三维关节主要包括铰接销A、铰接销B、关节油缸A、关节架、关节油缸B、油缸销，关节架的两端分别与连接架、大腿通过铰接销A、铰接销B以非平行交错式铰接；关节油缸A的两端分别通过油缸销与连接架、三维关节架连接，关节油缸B的两端分别通过油缸销与三维关节架、大腿连接；通过三维关节可实现大腿相对于连接架三维空间摆动；所述二维关节C主要包括铰接销C、关节油缸C、油缸销,所述二维关节D主要包括铰接销D、关节油缸D、油缸销,其中大腿和小腿、小腿和弹性足之间分别通过铰接销C、铰接销D铰接相连，并通过关节油缸C、关节油缸D驱动，实现小腿相对大腿、弹性足相对小腿在二维平面内摆动。

进一步，所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架设有螺栓孔和/或插销孔和/或卡槽；所述大腿、小腿和关节为具有空腔的框架构件，所述大腿、小腿中设有液压管路，所述关节中设有液压接口，所述液压管路的一端与所述液压接口相连。

进一步，所述关节油缸为伺服液压直线油缸，所述驱动电机为直流电机，所述液压泵为齿轮泵和/或柱塞泵，所述微型油箱为金属材质油箱和/或带弹性橡胶壳体的油箱，所述液压电磁阀组可采用集成电磁阀和/或多个三位四通电磁阀组成，所述电池组可采用一组或多组可充电的锂电池组和/或固态电池组和/或石墨烯电池组。

进一步，其特征在于，所述控制装置包括控制器、充电口和电插件；所述控制器设在所述大腿和/或小腿，用于控制所述关节的运动；所述充电口设在所述弹性足和/或所述连接架和/或大腿和/或小腿，通过有线或无线感应方式对所述电池组充电；所述电插件的一端与所述控制器连接，另一端通过有线或无线与仿生机器人主体连接，用于实现所述仿生机械腿与所述仿生机器人主体之间的通讯。

进一步，所述控制器为二级控制器，用于执行仿生机器人主体的指令信号。

进一步，所述控制装置还包括辅助传感器，所述辅助传感器为压力传感器、应力传感器、油温传感器、超声波传感器、激光传感器中的一种或多种。

进一步，其特征在于，所述液压动力系统还包括冷却装置和/或发电装置，所述冷却装置为冷却扇和/或冷却片，用对于所述驱动电机和所述微型油箱进行冷却；所述发电装置为温差发电片、太阳能板或太阳能薄膜片，所述温差发电片设置在所述微型油箱上，所述太阳能板或太阳能薄膜片设于大腿、小腿外壁上。

进一步，所述连接架、三维关节、大腿、小腿和弹性足的铰接处设有角度传感器，用于实时反馈摆动角度给所述控制装置。

进一步，所述连接架、三维关节、大腿、小腿和弹性足的铰接处还设有多连杆结构，用于实现所述三维关节更大的摆动角度。

与现有各类仿生机械腿比较，本发明便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿具体有如下有益效果：采用便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿结构，仅需快装连接架及电插件就可实现和仿生机器人主体固连及通讯，无需大量液压管路和电气线路的连接，结构简单，安装和拆卸方便；同时管线磨损故障大幅降低，整机可靠性提高；各个仿生腿的关节动作可实现分级式控制器控制，相对于集中在仿生机器人主体上的集成控制，可大幅降低控制系统的复杂程度；采用高扭矩的液压回转油缸驱动仿生机械腿关节摆动，相对伺服电机+减速机方式驱动关节摆动，动作比较柔和，关节扭矩大，承载能力高，可满足大型足式机器人抗冲击能力和复杂地形运动能力的需求；用液压油缸+多连杆回转油缸驱动方式，摆动角度可以达到270度，大幅超过液压直线油缸关节最大摆动角度不超过180度的限制；在每条仿生机械腿上设置分布式电池组和充电口，无需大量电气线路连接到主体上，即提高可靠性，又提高充电效率；同时每个仿生腿上设置的温压发电片等，可对所在的仿生机械腿上电池组进行充电、减少外部能量需求。

附图说明

图1 为本发明实施例1的三维结构示意图；

图2 为本发明实施例1的结构示意图；

图3 为本发明实施例2的三维结构示意图；

图4 为本发明实施例2的结构示意图；

图5 为本发明实施例3的三维结构示意图；

图6 为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参照图1、图2，本实施例便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，具有4自由度；主要包括连接架1、三维关节2、大腿3、二维关节C、小腿4、二维关节D、弹性足5、液压动力系统7、控制装置6、铰接销A、铰接销B；连接架1通过三维关节2和大腿3铰接；大腿3通过二维关节C和小腿4铰接；小腿4通过二维关节D和弹性足5铰接；连接架1用于将所述仿生机械腿与仿生机器人固定连接或拆卸；液压动力系统7固定在大腿3和小腿4的腿体内，通过液压管路分别与三维关节2、二维关节C、二维关节D的液压接口相连，控制装置6固定在三维关节2内并与液压动力系统7电连接。

所述三维关节2主要包含关节架201、填充体202、铰接销轴A 203、关节油缸A 204、油缸销205、油缸销206、铰接销轴B 207、关节油缸B 208、油缸销Ⅲ209、油缸销Ⅳ210；关节架201的两端分别通过铰接销轴A 203、铰接销轴B 207和连接架1、大腿3以非平行交错式铰接，关节油缸A 204的两端分别通过油缸销205、油缸销206和连接架1、三维关节架201铰接，关节油缸B 208的两端分别通过油缸销Ⅲ209、油缸销Ⅳ210和三维关节架201、大腿3铰接，三维关节2可实现大腿3相对连接架1三维空间摆动；所述的二维关节C主要包含铰接销轴C01、关节油缸C02、油缸销C03、油缸销C04,可实现小腿4和大腿3之间关节的二维平面摆动；所述的二维关节D主要包含铰接销轴D01、关节油缸D02、油缸销D03、油缸销D04,可实现弹性足、小腿之间关节的二维平面摆动。

所述的连接架1设有插销孔101，用于将多个带自主分布动力的三关节仿生腿，快速插销方式连接固定在仿生机器人主体框架上。所述的大腿3、小腿4为铝合金制成具有空腔的异形框架构件，方便腿节空腔内部布置液压动力系统7、控制装置6，并在剩余的空腔内填充浮力材料303、浮力材料403；弹性足5采用减缓运动中振动冲击的弹性合金材料制成。

所述的液压动力系统7主要包含驱动电机701、液压泵702、微型油箱703、液压电磁阀组704和电池组705；驱动电机701、液压泵702、微型油箱703依次连接并固定在大腿3的腔体内，液压电磁阀组704和液压泵702通过管路相连；电池组705和驱动电机701电连接，液压电磁阀组704固定在大腿3内，电池组705固定在小腿4内，液压动力系统7通过液压动力驱动关节油缸伸缩和锁止，实现对大腿3、小腿4、弹性足5相对运动和停止。所述的控制装置6主要包含控制器601、充电口602、电插件603；控制器601固定在关节架201框体内，用于控制仿生腿的3个关节精确运动；充电口602布置在弹性足5上，用于对仿生腿内部的电池组充电，电插件603布置在连接架1上，用于和仿生机器人主体通讯。

所述的关节油缸A204、关节油缸B208、关节油缸C02、关节油缸D02采用伺服液压直线油缸，实现关节大扭矩摆动，同时实时反馈油缸伸缩长度到控制器601上，来判断关节摆动相对位置。所述驱动电机701优选直流电机，所述液压泵702采用齿轮泵，所述微型油箱703采用弹性橡胶壳体油箱，所述液压电磁阀组704采用集成电磁阀。所述电池组705采用一组可充电的锂电池组。

实施例2

参照图3、图4，本实施例便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，具有4个自由度，与实施例1的主要区别在于：连接架1设置螺栓安装孔102和仿生机器人主体连接；大腿3、小腿4采用钛合金制成具有空腔的圆形构件，其中大腿3、小腿4上设置有太阳能薄膜件I 304、太阳能薄膜件404用于发电；弹性足5采用蹄型且设置有橡胶减振构件501、压电构件502，可实现减振同时利用行走振动冲击进行发电；控制器601布置在大腿3内，采用无线蓝牙发射器603替代电插件和主体连接，采用无线充电口602对仿生腿电池充电；液压电磁阀704固定在小腿4上；关节油缸A 204、关节油缸B 208、关节油缸C02、关节油缸 D02采用普通液压油缸，关节油缸上设置转角传感器211、转角传感器212、转角传感器C05、转角传感器D05来实时反馈关节摆动角度。

实施例3

参照图5、图6，本实施例便装式带自主分布动力多关节仿生机械腿，具有4个自由度，与实施例1的主要区别在于：连接架1设置有卡槽及固定销孔103和仿生机器人主体连接；大腿3、小腿4采用铝合金制成具有空腔的方形构件；弹性足5采用蹄型，且设置有板簧式吸振减振材料501；控制器601布置在大腿3内；液压电磁阀704固定在小腿4上；关节油缸A204、关节油缸B208、关节油缸C02、关节油缸D02采用普通油缸，并通过转角传感器I211、转角传感器212、转角传感器C05、转角传感器D05来实时反馈关节摆动角度;关节上设置有多连杆机构，通过关节油缸A204、关节油缸B208、关节油缸C02、关节油缸D02驱动撑杆件213、撑杆件214、撑杆件C06、撑杆件C07、撑杆件D06、撑杆件D07运动，扩大关节摆动角度，实现更加灵活运动。

本发明便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿自带控制装置和液压动力系统，可以自主控制每条仿生机械腿独立运动；每条仿生机械腿整体通过连接架1可以快速地和仿生机器人主体框架固定连接，在需维修拆卸保养、更换时，亦可实现快速拆除，方便维修、更换。在仿生机器人运动过程中，仿生腿的控制器601根据仿生机器人主体上控制指令，计算确定关节油缸A204、关节油缸B208、关节油缸C02、关节油缸D02的运动参数和运动轨迹；然后驱动电机701在电池组705提供动力支持下，驱动液压泵702抽取微型油箱703中液压油；液压油经过液压电磁阀组704、液压管路进入关节油缸A204、关节油缸B208、关节油缸C02、关节油缸D02，实现仿生腿在三维空间内大扭矩运动；同时控制器601根据伺服油缸上电信号来调整液压电磁阀组704的通断，实现对关节油缸A204、关节油缸B208、关节油缸C02、关节油缸D02的伸缩和锁止。

以上对本发明的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，包括大腿、小腿和弹性足，其特征在于，还设有连接架、液压动力系统、控制装置，所述连接架、大腿、小腿和弹性足依次通过关节相连，连接方式为铰接；所述连接架用于将所述仿生机械腿与仿生机器人固定连接或拆卸；所述液压动力系统设于所述大腿和/或小腿的腿体内；所述控制装置设于所述大腿和/或小腿和/或连接架的框架内，并与液压动力系统电连接。

2.如权利要求1所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述关节为三维关节、二维关节C、二维关节D，所述三维关节主要包括铰接销A、铰接销B、关节油缸A、关节架、关节油缸B、油缸销，关节架的两端分别与连接架、大腿通过铰接销A、铰接销B以非平行交错式铰接；关节油缸A的两端分别通过油缸销与连接架、三维关节架连接，关节油缸B的两端分别通过油缸销与三维关节架、大腿连接；通过三维关节可实现大腿相对于连接架三维空间摆动；所述二维关节C主要包括铰接销C、关节油缸C、油缸销,所述二维关节D主要包括铰接销D、关节油缸D、油缸销,其中大腿和小腿、小腿和弹性足之间分别通过铰接销C、铰接销D铰接相连，并通过关节油缸C、关节油缸D驱动，实现小腿相对大腿、弹性足相对小腿在二维平面内摆动。

3.如权利要求2所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架设有螺栓孔和/或插销孔和/或卡槽；所述大腿、小腿和关节为具有空腔的框架构件，所述大腿、小腿中设有液压管路，所述关节中设有液压接口，所述液压管路的一端与所述液压接口相连。

4.如权利要求1-3之一所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述液压动力系统包括驱动电机、液压泵、微型油箱、液压电磁阀组和电池组；所述驱动电机、液压泵、微型油箱依次连接，并固定在所述大腿和/或小腿内；所述液压电磁阀组与所述液压泵通过所述液压管路连接，所述电池组与所述驱动电机相连，所述液压电磁阀组与所述电池组设在所述大腿和/或小腿和/或弹性足，所述液压动力系统驱动所述关节正转、反转、锁止，实现所述连接架、大腿、小腿和弹性足的相对运动或停止。

5.如权利要求2或3所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述关节油缸为伺服液压直线油缸，所述驱动电机为直流电机，所述液压泵为齿轮泵和/或柱塞泵，所述微型油箱为金属材质油箱和/或带弹性橡胶壳体的油箱，所述液压电磁阀组可采用集成电磁阀和/或多个三位四通电磁阀组成，所述电池组可采用一组或多组可充电的锂电池组和/或固态电池组和/或石墨烯电池组。

6.如权利要求4或5所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述控制装置包括控制器、充电口和电插件；所述控制器设在所述大腿和/或小腿，用于控制所述关节的运动；所述充电口设在所述弹性足和/或所述连接架和/或大腿和/或小腿，通过有线或无线感应方式对所述电池组充电；所述电插件的一端与所述控制器连接，另一端通过有线或无线与仿生机器人主体连接，用于实现所述仿生机械腿与所述仿生机器人主体之间的通讯。

7.如权利要求6所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述控制装置还包括辅助传感器，所述辅助传感器为压力传感器、应力传感器、油温传感器、超声波传感器、激光传感器中的一种或多种。

8.如权利要求7所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述液压动力系统还包括冷却装置和/或发电装置，所述冷却装置为冷却扇和/或冷却片，用对于所述驱动电机和所述微型油箱进行冷却；所述发电装置为温差发电片、太阳能板或太阳能薄膜片，所述温差发电片设置在所述微型油箱上，所述太阳能板或太阳能薄膜片设于大腿、小腿外壁上。

9.如权利要求1-8之一所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架、三维关节、大腿、小腿和弹性足的铰接处设有角度传感器，用于实时反馈摆动角度给所述控制装置。

10.如权利要求1-9之一所述便装式带自主分布动力的三关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架、三维关节、大腿、小腿和弹性足的铰接处还设有多连杆结构，用于实现所述三维关节更大的摆动角度。