CN108639184A - 一种新型仿生关节机械腿 - Google Patents

Abstract

一种新型仿生关节机械腿，包括驱动部分和行走部分，驱动部分由驱动器和支架组成，驱动器为圆柱体结构，横向放置在支架后端开口驱动器支座上，驱动器两端设置有小轮，小轮与大腿一连接；行走部分由大腿一、大腿二、牵连件一、牵连件二以及足部组成，大腿一、大腿二、牵连件二和小腿以相互的连接孔为支点组成曲柄摇杆机构，大腿二、牵连件一、小腿和足部以相互的连接孔为支点组成曲柄摇杆机构。本发明整体性好、传力明确、仿生效果理想、灵活性能优越、轻便、结构简单独特、稳定性高、经济效果好、驱动力需求小、能耗低，应用范围广。对仿生机器人的设计和应用具有理论意义和实用价值，同时提高了社会生产效率，为我国机器人事业发展助力。

Description

一种新型仿生关节机械腿

技术领域

本发明涉及拟人机器人运动控制领域，特别是涉及一种新型仿生关节机械腿。

背景技术

我国机器人产业正处于高速发展期，市场对机器人的需求持续增长，对于机器人的设计尤为迫切，对于仿生机器人的需求更是如此。仿生机器人是仿生学与机构学的完美结合与应用，涉及到力学、机构学、仿生学等诸多学科，以实际应用为目的的第四代机器人，通常包括有拟人机器人、步行机器人等。

仿生机械腿是拟人机器人的重要支撑部分，通过一系列的连杆和相应的运动副组成，实现复杂的运动，进而完成规划的动作，是拟人机器人保持平衡的基础，并且是提高拟人机器人运动速度的关键。长期的科学实验和工程实践结果表明，机械结构中采用仿生机械腿可以取得十分明显的效益，同时也达到了机器与人的完美融合。

目前国内外对仿生机械腿的研究，无论采用串联结构还是并联结构，都有着仿生效果不理想、灵活性能不优越、笨重、驱动力需求大、结构复杂、美观性不高、平衡性能差、行走速度慢的问题。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供一种可模仿人类走路关节运动，平衡性好，利于奔跑的一种新型仿生关节机械腿。

为实现上述目的，提供技术方案如下：

一种新型仿生关节机械腿，包括驱动部分和行走部分，驱动部分由驱动器和支架组成，驱动器为圆柱体结构，横向放置在支架后端开口驱动器支座上，驱动器两端设置有小轮，小轮与大腿一连接；行走部分由大腿一、大腿二、牵连件一、牵连件二以及足部组成，大腿一、大腿二、牵连件二和小腿以相互的连接孔为支点组成曲柄摇杆机构，大腿二、牵连件一、小腿和足部以相互的连接孔为支点组成双摇杆机构。

驱动器轴向贯穿设置有驱动轴，驱动轴贯穿小轮圆心处的小轮内孔与其连接。

小轮还设置有小轮外孔，小轮外孔与大腿一连接做定轴转动。

小腿为三角形结构，三个顶点设置有连接孔。

足部为J形结构。

驱动器支座为带有开口的半圆形结构。

大腿一设置有3个以上连接孔。

大腿二设置有4个以上连接孔。

足部设置有2个以上连接孔。

部件采用镂空结构。

机械腿整体为模拟人类走路关节的双对称结构, 大大增加了其平衡性能, 在功能上能实现膝关节和踝关节的运动，和人类运动原理更加相似；在外观上仿生效果好，具有完整的类似人腿的结构；在部件设计上，采用镂空设计，减少重量节约材料；在部件连接上，采用销轴和轴承的结合大大减少了运动过程中的摩擦，使动作更加连贯省力。支架架起驱动器并与腿部连接，是整个机械腿的主体，相当于人类的腰部，具有连接下肢和承载上肢的作用；驱动器等固定件靠近机械腿腰部，使得腿部运动时能够减少固定件产生的力矩和运动惯性；驱动器通过驱动轴与小轮连接，通过大腿一将小轮和大腿二连接起来，大腿一、大腿二、牵连件二和小腿组成曲柄摇杆机构，大腿二、牵连件一、小腿和足部组成双摇杆机构；驱动器带动小轮做定轴转动，小轮带动大腿一，利用曲柄摇杆机构把旋转运动变成往复运动，进而使大腿二做前后摆动，大腿二与三角形结构的小腿连接，小腿与J型结构的足部连接，利用双摇杆机构作用，使之能承受较大的水平力，而且一个构件运动即可带动其他构件运动，在保证其完成腿部运动的前提下又限制其自由度，使之完成规范运动，对腿部整体结构起到了稳定平衡的作用。整体的串联机构使动作连贯，用较小驱动力获得较大的冲程，达到省力降低能耗的目的。

本发明的有益效果：整体性好、传力明确、仿生效果理想、灵活性能优越、轻便、结构简单独特、稳定性高、经济效果好、驱动力需求小、能耗低，应用范围广。对仿生机器人的设计和应用具有理论意义和实用价值，同时提高了社会生产效率，为我国机器人事业发展助力。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为支架结构示意图；

图3为大腿一结构示意图；

图4为大腿二结构示意图；

图5为足部结构示意图；

图6为小腿结构示意图；

图7为牵连件一结构示意图；

图8为牵连件二结构示意图；

图9为小轮结构示意图；

图中，1、驱动器，2、支架，21、支架孔，22、驱动器支座，3、大腿一，31、大腿一小轮孔，32、大腿一牵引孔，33，大腿一连接孔，4、大腿二，41、大腿二支架孔，42、大腿二连接孔，43、大腿二牵引孔，44、大腿二小腿孔，5、足部，51、足部牵引孔；52、足部小腿孔，61、小腿足部孔，62、小腿牵引孔，63、小腿大腿孔，6、小腿，7、牵连件一，8、牵连件二，9、小轮，91、小轮外孔，92、小轮内孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

如图1和图9所示，驱动器1为圆柱体内部安装有电机和控制板，两端设置有小轮9，小轮9为圆盘状结构，是连接电机与腿部的连接装置，电机通过驱动轴带动小轮9做定轴转动，圆心处的小轮内孔92是连接电机装置的驱动轴，小轮外孔91与大腿一小轮孔31活动连接。

如图2所示，支架2是架起驱动器1和连接大腿二4的装置，后端的半圆形开口驱动器支座22架起放置有驱动器1，支架孔21与大腿二支架孔41活动连接。

如图3所示，大腿一3作为连接小轮9与大腿二4的装置，上段的大腿一小轮孔31与小轮外孔91活动连接，中段的大腿一牵引孔32与牵连件二8一端活动连接，下段的大腿一连接孔33与大腿二连接孔42活动连接。

如图4所示，大腿二4是机械腿重要部件，所连接的部件最多，依次设置有4个连接孔。上段的大腿二支架孔41与支架孔21活动连接，大腿二连接孔42与大腿一连接孔33活动连接，中段的大腿二牵引孔43与牵连件一7一端活动连接，下段的大腿二小腿孔44与小腿大腿孔63活动连接。

如图5所示，足部5采用J形结构，可模拟人脚的能量和吸震区，运动时会根据步幅的阶段(如落地、脚尖离地等)产生能量，足部5弯曲呈C形部分能增加能量的回弹和后蹬的前驱力。J形结构大大增强了机械腿的灵活性和弹跳性，不会出现笨重情况。而且该结构减少了每步的弹起，提高了控制力和效率，使得机械腿更容易被控制，奔跑速度加快；足部5的足部牵引孔51与一7一端活动连接，足部小腿孔52与小腿足部孔61活动连接。

如图6所示，小腿6位于机械腿的下方，需要承受上方大量的重量，所以选择三角形结构，稳固性好，承重大，3个顶点设有三个连接孔， 其中小腿足部孔61与足部小腿孔52活动连接，小腿牵引孔62与牵连件二8一端活动连接，小腿大腿孔63与大腿二小腿孔44活动连接。

如图7和图8所示，牵连件一7两端设有连接孔，分别与足部牵引孔51和大腿二牵引孔43活动连接；牵连件二8两端设有连接孔，分别与大腿一牵引孔32和小腿牵引孔62活动连接。

当机械腿工作时，驱动器中的电机转动，通过驱动轴使小轮9与电机一起转动，并且带动大腿一3随其转动，进而使与大腿一3相连的大腿二4,做前后摆动。这一过程运用了曲柄摇杆机构使旋转运动转换成往复运动，实现了增力功能。大腿二4再带动小腿6，小腿6带动足部5进行一系列连贯运动，从而使机械腿实现步行、跑步等运动。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型仿生关节机械腿，包括驱动部分和行走部分，其特征在于：所述驱动部分由驱动器（1）和支架（2）组成，驱动器（1）为圆柱体结构，横向放置在支架（2）后端开口驱动器支座（22）上，驱动器（1）两端设置有小轮（9），小轮（9）与大腿一（3）连接；所述行走部分由大腿一（3）、大腿二（4）、牵连件一（7）、牵连件二（8）以及足部（5）组成，大腿一（3）、大腿二（4）、牵连件二（8）和小腿（6）以相互的连接孔为支点组成曲柄摇杆机构，大腿二（4）、牵连件一（7）、小腿（6）和足部（5）以相互的连接孔为支点组成双摇杆机构。

2.根据权利要求1所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于驱动器（1）轴向贯穿设置有驱动轴，驱动轴贯穿小轮（9）圆心处的小轮内孔（92）与其连接。

3.根据权利要求1和2所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于小轮（9）还设置有小轮外孔（91），小轮外孔（91）与大腿一（3）连接做定轴转动。

4.根据权利要求1所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于小腿（6）为三角形结构，3个顶点分别设置有连接孔。

5.根据权利要求1所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于足部（5）为J形结构。

6.根据权利要求1所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于驱动器支座（22）为带有开口的半圆形结构。

7.根据权利要求1或3所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于大腿一（3）设置有3个以上连接孔。

8.根据权利要求1所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于大腿二（4）设置有4个以上连接孔。

9.根据权利要求1所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于足部（5）设置有2个以上连接孔。

10.根据权利要求1-6所述的一种新型仿生关节机械腿，其特征在于部件采用镂空结构。