CN108583725A - 一种便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿 - Google Patents
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Abstract
一种便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，包括大腿、小腿、足部，还设有连接架、自锁关节、动力电池组和控制装置，连接架、大腿、小腿和足部依次通过自锁关节相连；通过连接架将仿生机械腿与仿生机器人固定连接或拆卸，所述动力电池组用于给所述仿生机械腿提供动力驱动，所述控制装置用于控制所述仿生机械腿的运动。本发明通过设置连接架，可实现与仿生机器人主体快速固连、拆卸或更换，通过自锁关节，可实现仿生机械腿的摆动或锁止；通过设置动力电池组，可实现仿生机械腿的自主动力供应，操作控制简单，充电效率高，适用范围广。
Description
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可自锁带自主分布动力的仿生机械腿。
背景技术
现有技术中，具备多自由度机械腿的足式仿生机器人活动矫健，动作灵活，颇具表演“才能”，可跨越较大的障碍（如沟、坎），具有极强的凸凹地形适应能力和运行稳定性，因而成为各国科技工作者的研发热点。
对于仿生机器人的关键部件——仿生机械腿，国内外的研究成果相当丰富，种类很多。
其中主要的技术方案是，采用“伺服电机+减速机+制动器”驱动关节回转运动和制动。如CN201510456807.0公开了一种机器人方案，设置有下部臂、上部臂、驱动器、以及制动器；上部臂被下部臂支承，制动器安装在驱动器的输出轴而对驱动器进行制动；CN201510861034.4公开了一种可实现小型化的机器人，主要设置第 1 臂、第 2 臂、制动机构、驱动装置，第1臂设置成可围绕第1轴进行摆动。第2臂可围绕第2轴进行摆动地连结于第1臂。制动机构在第1臂上设置于根端部与顶端部之间且对第2臂进行制动。这些仿生机械腿方案为了精确控制机器人关节回转位置，均采用制动器对关节进行制动和锁止；但这类仿生腿技术存在以下缺陷：其一，执行元器件多，每个关节同时需驱动器和制动器2个执行元器件；其二，控制元器件多，安装麻烦，同时控制程序和控制线路复杂；其三，制动器制动启动到关节摩擦锁止之间存在时间差，导致位置控制精度低；其四，仅适应轻型或轻载机器人，在大型足式机器人上，用制动器无法确保关节锁死，存在滑移风险；其五，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，极易因连接线缆磨损而瘫痪；其六，其整体式集中电源的存在充电时间长、充电效率低的问题；其七，这些机械腿和主体框架上的动力相连，安装维护大多不方便。
另外，采用机械传动的仿生机械腿，如CN 201510404058.7公开的足式机器人的腿部结构，采用链条、链轮、多连杆机构实现腿部运动；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；这些机器人的仿生机械腿存在如下问题：一是动力源集中在主体框架上，需由机器人主体框架上的动力系统提供各个仿生腿的关节动力，极易因连接线缆或液压管道磨损而瘫痪；二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；三是仿生腿及其中布置的连接线缆或/和液压管道以及机械构件与机器人主体框架内元器件须直接相连接，极不方便拆装维护；四是驱动电机或直线油缸等驱动器和关节运动呈非线性关系，导致控制系统复杂。
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方便，结构复杂，不可独立充电和不能适用大型机器人自锁关节的缺陷，提供一种安装拆卸方便，结构简单，工作可靠，可独立充电和能适用大型、小型机器人自锁关节的便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，包括大腿、小腿和足部，还设有连接架、自锁关节、动力电池组和控制装置，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过所述自锁关节相连；所述连接架用于将所述仿生机械腿与仿生机器人主体固定连接或拆卸；所述动力电池组设在所述大腿和/或小腿和/或足部；所述控制装置设在所述大腿和/或小腿和/或连接架和/或足部，所述控制装置分别与所述动力电池组、自锁关节电连接。
进一步，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，所述空腔用于设置所述动力电池组和/或控制装置。
进一步，所述自锁关节为三维自锁关节和/或二维自锁关节，所述三维自锁关节包括蜗轮蜗杆减速机、驱动马达和关节架，所述三维自锁关节的蜗轮蜗杆减速机和驱动马达均为两组，两组所述驱动马达分别固定在所述蜗轮蜗杆减速机的动力输入端，两组所述蜗轮蜗杆减速机分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使所述三维自锁关节实现三维空间的摆动或锁止。
进一步，所述二维自锁关节包括蜗轮蜗杆减速机和驱动马达，所述驱动马达固定在所述蜗轮蜗杆减速机的动力输入端，使所述二维自锁关节实现二维平面的摆动或锁止。
进一步，所述控制装置包括控制器、充电口、电插件；所述控制器设在所述连接架和/或大腿和/或小腿，用于控制所述自锁关节的运动；所述充电口设在所述足部和/或所述连接架和/或大腿和/或小腿，用于对所述动力电池组充电；所述电插件的一端与所述控制器连接，另一端与仿生机器人主体连接，用于通过有线或无线连接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，所述控制器还可为二级控制器，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，所述大腿、小腿为轻质高强合金和/或钛材料制成；所述足部还可设置弹性合金材料构件、弹性储能材料构件、压电材料构件中的一种或多种。
进一步地，所述蜗轮蜗杆减速机为带自锁的蜗轮蜗杆减速机，用于实现大减速比增扭及自锁和定位。
进一步，所述蜗轮蜗杆减速机还包括角度传感器，用于实时传递所述自锁关节的信号到所述控制装置。
进一步，所述驱动马达为带编码器的伺服电机；所述动力电池组为一组或多组锂电池组和/或固态电池组和/石墨烯电池组；所述动力电池组与所述驱动马达电连接。
进一步，所述大腿、小腿可为圆形、方形或异形；所述大腿、小腿的空腔还可设置浮力材料；所述大腿、小腿和自锁关节还可设置加强筋和/或防护材料；所述大腿、小腿外表面还可设置太阳能发电板和/或太阳能薄膜；所述足部可为足状、蹄状或异形状；所述足部还可设置弹性构件。
与现有各类仿生机械腿比较，本发明便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿具体有如下有益效果：1、采用便装式可自锁带分布动力的仿生机械腿结构，仅需连接架及电插件就可实现和仿生机器人主体固连和通讯，无需大量液压管路、电气线路连接，结构简单，安装和拆卸方便；同时管线磨损故障大幅降低，整机工作可靠性提高；2、各个仿生腿的关节动作可实现分级式智能控制器控制，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；3、回转关节采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速机进行锁止，无需制动器制动，结构简单可靠，避免关节滑移隐患；4、在每条仿生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太阳能板或薄膜片、温差发电片、压电发电片，可对所在仿生腿上的动力电池组进行充电，减少对外部能源的依赖；5、相对机械连杆类驱动和液压直线油缸方式驱动仿生腿关节摆动的方案，关节摆动角度和驱动器摆动角度呈现线性关系，程序编制简单，方便调试和运行。
附图说明
图1 为本发明实施例1的结构示意图；
图2 为本发明实施例1的三维结构示意图；
图3 为本发明实施例2的结构示意图；
图4 为本发明实施例2的三维结构示意图；
图5 为本发明实施例3的结构示意图；
图6 为本发明实施例3的三维结构示意图。
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，本实施例便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，具有4个自由度，主要包括连接架1、三维自锁关节A、大腿2、二维自锁关节B、小腿3、二维自锁关节C、足部4、动力电池组5、控制装置6；三维自锁关节A固定在连接架1上并和大腿2相连，大腿2通过二维自锁关节B和小腿3相连，小腿3通过二维自锁关节C和足部4相连；动力电池组5固定在大腿2和小腿3的腿体内，分别与三维自锁关节A、二维自锁关节B、二维自锁关节C电连接，控制装置6固定在大腿2框架内，控制装置6分别与动力电池组5、三维自锁关节A、二维自锁关节B、二维自锁关节C电连接。
所述三维自锁关节A主要包括蜗轮蜗杆减速机ⅠA1、驱动马达ⅠA2、关节架A5、蜗轮蜗杆减速机ⅡA3、驱动马达ⅡA4，驱动马达ⅠA2固定在蜗轮蜗杆减速机ⅠA1动力输入端，驱动马达ⅡA4固定在蜗轮蜗杆减速机ⅡA3动力输入端，蜗轮蜗杆减速机ⅠA1、蜗轮蜗杆减速机ⅡA3以90度交错设置固定在关节架的两端，亦使三维自锁关节A实现三维空间摆动或锁止；所述二维自锁关节B主要包括蜗轮蜗杆减速机ⅢB1及固定在其输入端的驱动马达ⅢB2；所述二维自锁关节C主要包括蜗轮蜗杆减速机ⅣC1及固定在其输入端的驱动马达ⅣC2，亦使二维自锁关节B、二维自锁关节C实现行二维平面摆动或锁止。
所述的连接架1设有螺栓安装孔11A，用于将多个带自主分布动力的三关节仿生腿，快速连接固定在仿生机器人主体框架上。所述的大腿2、小腿3采用轻质高强合金制成具有空腔的方形构件，方便内部布置动力电池组5、控制装置6，并用轻质填充材料23对空腔进行填充。所述的足部4上设置有弹性蓄能构件401来减缓运动过程中振动冲击。所述动力电池组5采用两组可充电的锂电池组Ⅰ501、锂电池组Ⅱ502。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固定在大腿2框体内，可根据驱动马达ⅠA02、驱动马达ⅡA05、驱动马达ⅢB02、驱动马达ⅣC02反馈的关节角度信号，来控制仿生腿的3个关节精确运动；充电口602布置在足部4上，用于对仿生腿内部的动力电池组5充电；所述电插件603布置在连接架1上，用于仿生机械腿和和机器人主体上的通讯。所述的蜗轮蜗杆减速机ⅠA1、蜗轮蜗杆减速机ⅡA3、蜗轮蜗杆减速机ⅢB1、蜗轮蜗杆减速机ⅣC1采用带自锁的蜗轮蜗杆减速机，实现大减速比增扭，且方便自锁和定位。所述驱动马达ⅠA2、驱动马达ⅡA4、驱动马达ⅢB2、驱动马达ⅣC2采用带编码器的伺服电机，驱动关节摆动同时可实时传递回转角度给控制器601。
本发明便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿自带控制装置6和动力电池组5，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，在需维修拆卸保养及更换时，亦可实现快速拆除及更换仿生机械腿。在仿生机器人运动过程中，每个仿生腿的控制器601可作为二级控制器，可根据仿生机器人主体上（一级）控制器的控制指令，计算确定各自仿生腿上三维关节A、二维关节B、二维关节C的运动参数和运动轨迹。每条仿生机械腿的驱动马达ⅠA2、驱动马达ⅡA4、驱动马达ⅢB2、驱动马达ⅣC2，在锂电池组Ⅰ501、锂电池组Ⅱ502提供动力支持下，驱动蜗轮蜗杆减速机ⅠA1、蜗轮蜗杆减速机ⅡA3、蜗轮蜗杆减速机ⅢB1、蜗轮蜗杆减速机ⅣC1摆动，实现减速增扭及关节摆动；同时控制器601根据驱动马达ⅠA2、驱动马达ⅡA4、驱动马达ⅢB2、驱动马达ⅣC2上的编码器反馈摆动角度对驱动马达进行正转、反转、停止状态控制。其中在停止状态下，三维自锁关节A、二维自锁关节B、二维自锁关节C在蜗轮蜗杆减速机自锁特点下锁止确保无滑动摆动隐患。
控制装置6还可包含多种辅助传感器，用于提高安装带自主分布动力的三关节仿生腿的仿生机器人整体动作协调性和平稳性。优选压力传感器安装在足部4上，监测足底支撑力情况；优选应力传感器安装在连接架1或/和大腿2或/和小腿3上，监测结构件上应力变化；优选超声波传感器和/或激光测距器安装在足部4或/和大腿2或/和小腿3上，探测障碍物的位置及距离和各腿节之间的距离及状态。
实施例2
参照图3、图4，本实施例便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿与实施例1的主要区别在于：所述的连接架1采用快插销孔11B结构形式；所述的大腿2、小腿3采用钛合金制成具有空腔的圆形构件；大腿2、小腿3上设置有加强筋22、32用于加强结构及固定内部动力电池组5、控制装置6，大腿2、小腿3外表面设置有太阳能薄膜24、太阳能薄膜34用于发电；所述的足部4上设置有压电材料构件402利用振动冲击进行发电；所述的动力电池组5设置一组电池；所述的控制装置6采用无线方式和仿生机器人主体通讯，采用无线充电口602对仿生腿电池充电。
实施例3
参照图5、图6，本实施例便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿与实施例1的主要区别在于：所述的连接架1采用卡槽和固定销孔11C和仿生机器人主体连接及固定；所述的大腿2、小腿3采用铝合金具有空腔的异形构件；大腿2、小腿3还设置有加强筋22，用于加强结构及固定内部动力电池组5、控制装置6；所述的足部4采用足状形式，并设有弹性合金构件来减振缓冲；三维自锁关节A、二维自锁关节B、二维自锁关节C上增加角度传感器ⅠA6、角度传感器ⅡA7、角度传感器ⅢB3、角度传感器ⅣC3来反馈实时传递回转角度，所述的驱动马达ⅠA2、驱动马达ⅡA5、驱动马达ⅢB2、驱动马达ⅣC2采用步进电机，通过采用步进电机+传感器形式来降低制造成本。
本发明便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿自带控制装置6和动力电池组5，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，在需维修拆卸保养及更换时，亦可实现快速拆除及更换仿生机械腿；在仿生机器人运动过程中，每个仿生腿的控制器601可作为二级控制器，可根据仿生机器人主体上（一级）控制器的控制指令，计算确定各自仿生腿上三维关节A、二维关节B、二维关节C的运动参数和运动轨迹。每条仿生机械腿，其驱动马达在动力电池组5提供动力支持下，驱动蜗轮蜗杆减速机摆动，实现减速增扭及关节摆动；同时控制器601根据驱动马达上的编码器或角度传感器反馈摆动角度对驱动马达进行正转、反转、停止状态控制；其中在停止状态下，三维自锁关节A、二维自锁关节B、二维自锁关节C在蜗轮蜗杆减速机自锁特点下锁止确保无滑动摆动隐患。且仿生腿上设置的太阳能发电板/薄膜或温压发电装置以及压电装置，可以实现对动力电池组5充电，降低对外部电源的依赖性。
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 (12)
1.一种便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，包括大腿、小腿和足部，其特征在于，还设有连接架、自锁关节、动力电池组和控制装置，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过自锁关节相连；所述连接架用于将所述仿生机械腿与仿生机器人主体固定连接或拆卸；所述动力电池组设在所述大腿和/或小腿和/或足部；所述控制装置设在大腿和/或小腿和/或连接架和/或足部，所述控制装置分别与所述动力电池组、自锁关节电连接。
2.如权利要求1所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，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，所述空腔用于设置所述动力电池组和/或控制装置。
3.如权利要求1或2所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述自锁关节为三维自锁关节和/或二维自锁关节，所述三维自锁关节包括蜗轮蜗杆减速机、驱动马达和关节架，所述三维自锁关节的蜗轮蜗杆减速机和驱动马达均为两组，两组所述驱动马达分别固定在所述蜗轮蜗杆减速机的动力输入端，两组所述蜗轮蜗杆减速机分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使所述三维自锁关节实现三维空间的摆动或锁止。
4.如权利要求3所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述二维自锁关节包括蜗轮蜗杆减速机和驱动马达，所述驱动马达固定在所述蜗轮蜗杆减速机的动力输入端，使所述二维自锁关节实现二维平面的摆动或锁止。
5.如权利要求1-4之一所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，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连接架和/或大腿和/或小腿，用于控制所述自锁关节的运动，所述充电口设在所述足部和/或所述连接架和/或大腿和/或小腿，用于对所述动力电池组充电；所述电插件的一端与所述控制器连接，另一端与仿生机器人主体连接，通过有线或无线连接实现所述仿生机械腿与所述仿生机器人主体之间的通讯。
6.如权利要求5所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，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。
7.如权利要求5所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，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1-6之一所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述大腿、小腿为轻质高强合金和/或钛材料制成；所述足部还设有弹性合金材料构件、弹性储能材料构件、压电材料构件中的一种或多种。
9.如权利要求3或4所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述蜗轮蜗杆减速机为带自锁的蜗轮蜗杆减速机，用于实现大减速比增扭及自锁和定位。
10.如权利要求9所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述蜗轮蜗杆减速机还包括角度传感器，用于实时传递所述自锁关节的信号到控制装置。
11.如权利要求3或4所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述驱动马达为带编码器的伺服电机；所述动力电池组为一组或多组锂电池组和/或固态电池组和/石墨烯电池组；所述动力电池组与所述驱动马达电连接。
12.如权利要求2-11之一所述便装式可自锁带自主分布动力的仿生机械腿，其特征在于，所述大腿、小腿为圆形、方形或异形；所述大腿、小腿的空腔还充填有浮力材料；所述大腿、小腿和自锁关节还设有加强筋和/或防护套；所述大腿、小腿外表面还设有太阳能发电板和/或太阳能薄膜件；所述足部为足状、蹄状或异形状；所述足部还设有弹性构件。
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