CN109048859A - 一种仿人下肢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人下肢系统，以摆动气缸作为动力元件驱动髋关节、膝关节、踝关节的运动，具有完全模拟人的下肢运动的功能。所述的仿人下肢主要由大腿构件、小腿构件、脚、自润滑球头杆端关节轴承、摆动气缸、带轮以及连接件组成。多根摆动气缸带动并联杆组成的支链在空间组成可以屈伸、收展和环转的髋关节、踝关节，多个摆动气缸通过带轮运动组成可以屈伸的膝关节和可以收展运动的髋关节。本发明以摆动气缸驱动，具有结构紧凑、不易卡死、柔顺性好的特点，可用于教学、展览。

Description

一种仿人下肢系统

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种仿人下肢系统。

背景技术

为了能够让人类从繁重、危险的工作中解放出来，机器人技术在反恐、救灾、工业自动化生产领域得到迅速发展，很大一部分机器人设计理念基于对人本身的功能研究而设计的。由于气动肌肉在特性上与人的肌肉相类似，中国专利201410040899.X设计了气动肌肉混联的仿人下肢，中国专利201510501302.1设计对拉气动肌肉驱动的仿人下肢。中国专利201611119891.8设计了XYZ三个方向垂直交叉电机驱动的仿人下肢，但是存在运动空间小，承载能力差，容易卡死的特点。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种仿人下肢系统，该系统结构紧凑、不易卡死、柔顺性好。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种仿人下肢系统，

一种仿人下肢系统，其特征在于，该系统包括两下肢连接件和对称连接在所述的两下肢连接件一两端的两个下肢；

所述的下肢包括髋关节、大腿部件、小腿部件、踝关节和脚，所述的髋关节包括球形连接件、三个并联的空间结构和气缸固定板；

所述的空间结构包括摆动气缸一、连接杆一、连接杆二、连接杆三、连接杆四、连接杆五，所述的摆动气缸一的转动轴与所述的连接杆一中部固定连接，所述的连接杆二、连接杆四的一端分别固定连接在所述的连接杆一的两端，所述的连接杆二的另一端与所述的连接杆三的一端可转动连接，所述的连接杆三的另一端与所述的球形连接件可转动连接，所述的连接杆四的另一端与所述的连接杆五的一端可转动连接，所述的连接杆五的另一端与所述的球形连接件可转动连接；三个并联的空间结构沿所述的球形连接件的周向交错设置，保证每个空间结构在运动时所述的连接件之间不发生干涉；

所述的摆动气缸一固定在所述的气缸固定板上；

所述的大腿部件包括倒U型大腿构件、摆动气缸二、带轮一、带轮二、带轮三、带轮四、摆动气缸三、摆动气缸四、大小腿连接板，所述的倒U型大腿构件的顶部与所述的气缸固定板固定连接，所述的摆动气缸二、摆动气缸三、摆动气缸四均固定在所述的U型大腿构件一端的内侧，其转动轴伸出所述的倒U型大腿构件分别固定连接所述的带轮一、带轮二、带轮三，所述的带轮四位于所述的带轮一、带轮二、带轮三的下部，所述的带轮一、带轮二、带轮三均通过皮带带动所述的带轮四转动，所述的带轮四的轴穿过所述的倒U型大腿构件与所述的大小腿连接板固定连接。

所述的小腿部件包括U形小腿构件、摆动气缸五、带轮五、小腿固定板、摆动气缸六、带轮六、摆动气缸七、带轮七、带轮八，所述的U形小腿构件与所述的倒U型大腿构件的放置方向相互垂直，所述的小腿固定板位于所述的U形小腿构件的上部的内侧，其与所述的大小腿连接板固定连接，所述的带轮六位于所述的U形小腿构件的上部的外侧面上，所述的带轮六的轴穿过所述的U形小腿构件与所述的小腿固定板固定连接，所述的带轮五、带轮七、带轮八位于所述的带轮六的下部，它们通过轴分别与固定在所述的U形小腿构件内侧的摆动气缸五、摆动气缸六、摆动气缸七固定连接；

所述的踝关节与所述的髋关节结构相同，且所述的踝关节上的气缸固定板与所述的U性小腿构件的下端面固定连接，所述的踝关节上的球形连接件与所述的脚可转动连接。

进一步地，所述的空间结构中，所述的连接杆二的另一端与所述的连接杆三的一端、所述的连接杆三的另一端与所述的球形连接件之间、所述的连接杆四的另一端与所述的连接杆五的一端、所述的连接杆五的另一端与所述的球形连接件之间均通过自润滑球头杆端关节轴承可转动连接。

进一步地，所述的两下肢连接件、倒U型大腿构件和U形小腿构件均为镂空件。

进一步地，所述的摆动气缸均可替换为电机、气动马达或液压马达。

进一步地，所述的带轮四和带轮六均为多层槽带轮。

进一步地，所述的两下肢连接件、球形连接件、连接杆三、连接杆二、连接杆一、连接杆五、连接杆四、气缸固定板、倒U型大腿构件、带轮一、带轮二、带轮三、带轮四、大小腿连接板、大小腿连接杆、U形小腿构件、带轮五、小腿固定板、带轮六、带轮七、带轮八均由铝合金制成。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多个摆动气缸分别驱动并联杆交叉并联，承载力大、运动误差小，同时避免了关节采用电机直角坐标分布驱动关节导致卡死的情形；

2.本发明利用多个摆动气缸带动带轮和绳索驱动关节，保证了关节具有较好的柔顺性和减震功能，保证了关节具有较大的运动范围；

3.本发明髋关节、膝关节、踝关节分别具有3、1、3个自由度，可以形象地模拟人下肢可以实现的各种动作，有助于了解人体结构和人体下肢多组拮抗肌肉在下肢运动中的作用。

附图说明

图1是仿人下肢整体机械结构图；

图2是仿人下肢单腿机械结构图；

图3是髋关节或踝关节机械结构图，其中图3(a)为髋关节或踝关节的线条图，图3(b)为髋关节或踝关节的实体图；

图4是大腿机械结构图；

图5是小腿机械结构图；

图中：下肢一1、两下肢连接件2、下肢二3、髋关节4、大腿部件5、小腿部件6、踝关节7、脚8、球形连接件9、自润滑球头杆端关节轴承二10、连接杆三11、自润滑球头杆端关节轴承一12、连接杆二13、连接杆一14、摆动气缸一15、自润滑球头杆端关节轴承四16、连接杆五17、自润滑球头杆端关节轴承三18、连接杆四19、气缸固定板20、倒U型大腿构件21、摆动气缸二22、带轮一23、带轮二24、带轮三25、带轮四26、摆动气缸三27、摆动气缸四28、大小腿连接板29、大小腿连接杆30、U形小腿构件31、摆动气缸五32、带轮五33、小腿固定板34、摆动气缸六35、带轮六36、摆动气缸七37、带轮七38、带轮八39。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，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。

如图1-5所示，一种仿人下肢系统，其包括两下肢连接件2和对称连接在两下肢连接件一2两端的下肢一1和下肢二3；

下肢一1和下肢二3结构相同，均包括髋关节4、大腿部件5、小腿部件6、踝关节7和脚8，髋关节4包括球形连接件9、三个并联的空间结构和气缸固定板20；

空间结构包括摆动气缸一15、连接杆一14、连接杆二13、自润滑球头杆端关节轴承一12、连接杆三11、自润滑球头杆端关节轴承二10、连接杆四19、自润滑球头杆端关节轴承三18、连接杆五17、自润滑球头杆端关节轴承四16，所述的摆动气缸一15的转动轴与所述的连接杆一14中部固定连接，所述的连接杆二13、连接杆四19的一端分别固定连接在所述的连接杆一14的两端，所述的连接杆二13的另一端通过所述的自润滑球头杆端关节轴承一12与所述的连接杆三11的一端可转动连接，所述的连接杆三11的另一端通过所述的自润滑球头杆端关节轴承二10与所述的球形连接件9可转动连接，所述的连接杆四19的另一端通过所述的自润滑球头杆端关节轴承三18与所述的连接杆五17的一端可转动连接，所述的连接杆五17的另一端通过所述的自润滑球头杆端关节轴承四16与所述的球形连接件9可转动连接；三个并联的空间结构沿所述的球形连接件9的周向交错设置，保证每个空间结构在运动时所述的连接件之间不发生干涉；通过控制三个空间结构钟的摆动气缸带动各连接杆转动，可以保证关节的屈伸、收展和环转。

摆动气缸一15固定在气缸固定板20上；

大腿部件5包括倒U型大腿构件21、摆动气缸二22、带轮一23、带轮二24、带轮三25、带轮四26、摆动气缸三27、摆动气缸四28、大小腿连接板29，所述的倒U型大腿构件21的顶部与所述的气缸固定板20固定连接，所述的摆动气缸二22、摆动气缸三27、摆动气缸四28均固定在所述的U型大腿构件21一端的内侧，其转动轴伸出所述的倒U型大腿构件21分别固定连接所述的带轮一23、带轮二24、带轮三25，所述的带轮四26位于所述的带轮一23、带轮二24、带轮三25的下部，所述的带轮一23、带轮二24、带轮三25均通过皮带带动所述的带轮四26转动，所述的带轮四26的轴穿过所述的倒U型大腿构件21与所述的大小腿连接板29固定连接；带轮一23、带轮二24、带轮三25的安装高度通过螺栓进行调节。

小腿部件包括U形小腿构件31、摆动气缸五32、带轮五33、小腿固定板34、摆动气缸六35、带轮六36、摆动气缸七37、带轮七38、带轮八39，所述的U形小腿构件31与所述的倒U型大腿构件21的放置方向相互垂直，所述的小腿固定板34位于所述的U形小腿构件31的上部的内侧，其通过大小腿连接杆30与所述的大小腿连接板29固定连接，所述的带轮六36位于所述的U形小腿构件31的上部的外侧面上，所述的带轮六36的轴穿过所述的U形小腿构件31与所述的小腿固定板34固定连接，所述的带轮五33、带轮七38、带轮八39位于所述的带轮六36的下部，它们通过轴分别与固定在所述的U形小腿构件31内侧的摆动气缸五32、摆动气缸六35、摆动气缸七37固定连接；

踝关节7与所述的髋关节4结构相同，且所述的踝关节7上的气缸固定板与所述的U性小腿构件31的下端面固定连接，所述的踝关节7上的球形连接件与所述的脚8可转动连接。

通过皮带或绳索驱动带轮四26、带轮六36的带轮数量n不少于3个。

为了减轻重量，所述的两下肢连接件2、倒U型大腿构件21和U性小腿构件31均为镂空件；两下肢连接件2、球形连接件9、连接杆三11、连接杆二13、连接杆一14、连接杆五17、连接杆四19、气缸固定板20、倒U型大腿构件21、带轮一23、带轮二24、带轮三25、带轮四26、大小腿连接板29、大小腿连接杆30、U形小腿构件31、带轮五33、小腿固定板34、带轮六36、带轮七38、带轮八39均由铝合金制成。

作为另一种实施方式，所述的摆动气缸一15、摆动气缸二22、摆动气缸三27、摆动气缸四28、摆动气缸五32、摆动气缸六35可替换为电机、气动马达或液压马达。

优选地，所述的带轮四26、带轮六36是多层槽带轮。

摆动气缸一15来回转动通过支链一(包括连接杆二13、自润滑球头杆端关节轴承一12、连接杆三11、自润滑球头杆端关节轴承二10)以及支链二(包括连接杆四19、自润滑球头杆端关节轴承三18、连接杆五17、自润滑球头杆端关节轴承四16)实现球形连接件9在由连接杆三11、连接杆五17轴线组成的平面内来回摆动，气缸固定板20与倒U型大腿构件21上表面固定连接，因此带动大腿部件5、小腿部件6、踝关节7、脚8在由连接杆三11、连接杆五17轴线组成的平面内来回摆动；髋关节或踝关节另外两个摆动气缸带动其他四个支链在对应的平面内摆动与上述摆动运动类似，通过运动学可以计算髋关节或踝关节屈伸、收展、环转运动给定角度时，各摆动气缸需要摆动的角度。

小腿的屈伸运动由摆动气缸二22、摆动气缸三27、摆动气缸四28分别通过带轮一23、带轮二24、带轮三25带动带轮四26转动，进一步带动大小腿连接板29、大小腿连接杆30、小腿固定板34、小腿部件6、踝关节7、脚8实现。髋关节的收展运动与膝关节的屈伸运动相类似；下肢的整体摆动运动由摆动气缸五32、摆动气缸六35、摆动气缸七37分别通过带轮五33、带轮八39、带轮七38带动带轮六36转动，进一步带动小腿固定板34、大小腿连接杆30、大小腿连接板29、倒U型大腿构件21、小腿部件6、踝关节7、脚8实现。

本发明，通过控制关节各摆动气缸，实现仿人下肢位姿的控制，可以动态形象的模拟人下肢的动作，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他摆动气缸和电机仿人下肢无法比拟的优势。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仿人下肢系统，其特征在于，该系统包括两下肢连接件(2)和对称连接在所述的两下肢连接件一(2)两端的两个下肢；

所述的下肢包括髋关节(4)、大腿部件(5)、小腿部件(6)、踝关节(7)和脚(8)，所述的髋关节(4)包括球形连接件(9)、三个并联的空间结构和气缸固定板(20)；

所述的空间结构包括摆动气缸一(15)、连接杆一(14)、连接杆二(13)、连接杆三(11)、连接杆四(19)、连接杆五(17)，所述的摆动气缸一(15)的转动轴与所述的连接杆一(14)中部固定连接，所述的连接杆二(13)、连接杆四(19)的一端分别固定连接在所述的连接杆一(14)的两端，所述的连接杆二(13)的另一端与所述的连接杆三(11)的一端可转动连接，所述的连接杆三(11)的另一端与所述的球形连接件(9)可转动连接，所述的连接杆四(19)的另一端与所述的连接杆五(17)的一端可转动连接，所述的连接杆五(17)的另一端与所述的球形连接件(9)可转动连接；三个并联的空间结构沿所述的球形连接件(9)的周向交错设置，保证每个空间结构在运动时所述的连接件之间不发生干涉；

所述的摆动气缸一(15)固定在所述的气缸固定板(20)上。

所述的大腿部件(5)包括倒U型大腿构件(21)、摆动气缸二(22)、带轮一(23)、带轮二(24)、带轮三(25)、带轮四(26)、摆动气缸三(27)、摆动气缸四(28)、大小腿连接板(29)，所述的倒U型大腿构件(21)的顶部与所述的气缸固定板(20)固定连接，所述的摆动气缸二(22)、摆动气缸三(27)、摆动气缸四(28)均固定在所述的U型大腿构件(21)一端的内侧，其转动轴伸出所述的倒U型大腿构件(21)分别固定连接所述的带轮一(23)、带轮二(24)、带轮三(25)，所述的带轮四(26)位于所述的带轮一(23)、带轮二(24)、带轮三(25)的下部，所述的带轮一(23)、带轮二(24)、带轮三(25)均通过皮带带动所述的带轮四(26)转动，所述的带轮四(26)的轴穿过所述的倒U型大腿构件(21)与所述的大小腿连接板(29)固定连接。

所述的小腿部件包括U形小腿构件(31)、摆动气缸五(32)、带轮五(33)、小腿固定板(34)、摆动气缸六(35)、带轮六(36)、摆动气缸七(37)、带轮七(38)、带轮八(39)，所述的U形小腿构件(31)与所述的倒U型大腿构件(21)的放置方向相互垂直，所述的小腿固定板(34)位于所述的U形小腿构件(31)的上部的内侧，其与所述的大小腿连接板(29)固定连接，所述的带轮六(36)位于所述的U形小腿构件(31)的上部的外侧面上，所述的带轮六(36)的轴穿过所述的U形小腿构件(31)与所述的小腿固定板(34)固定连接，所述的带轮五(33)、带轮七(38)、带轮八(39)位于所述的带轮六(36)的下部，它们通过轴分别与固定在所述的U形小腿构件(31)内侧的摆动气缸五(32)、摆动气缸六(35)、摆动气缸七(37)固定连接；

所述的踝关节(7)与所述的髋关节(4)结构相同，且所述的踝关节(7)上的气缸固定板与所述的U性小腿构件(31)的下端面固定连接，所述的踝关节(7)上的球形连接件与所述的脚(8)可转动连接。

2.根据权利要求1所述的仿人下肢系统，其特征在于，所述的空间结构中，所述的连接杆二(13)的另一端与所述的连接杆三(11)的一端、所述的连接杆三(11)的另一端与所述的球形连接件(9)之间、所述的连接杆四(19)的另一端与所述的连接杆五(17)的一端、所述的连接杆五(17)的另一端与所述的球形连接件(9)之间均通过自润滑球头杆端关节轴承可转动连接。

3.根据权利要求1所述的仿人下肢系统，其特征在于，所述的两下肢连接件(2)、倒U型大腿构件(21)和U形小腿构件(31)均为镂空件。

4.根据权利要求1所述的仿人下肢系统，其特征在于，所述的摆动气缸均可替换为电机、气动马达或液压马达。

5.根据权利要求1所述的仿人下肢系统，其特征在于，所述的带轮四(26)和带轮六(36)均为多层槽带轮。

6.根据权利要求1所述的仿人下肢系统，其特征在于，所述的两下肢连接件(2)、球形连接件(9)、连接杆三(11)、连接杆二(13)、连接杆一(14)、连接杆五(17)、连接杆四(19)、气缸固定板(20)、倒U型大腿构件(21)、带轮一(23)、带轮二(24)、带轮三(25)、带轮四(26)、大小腿连接板(29)、大小腿连接杆(30)、U形小腿构件(31)、带轮五(33)、小腿固定板(34)、带轮六(36)、带轮七(38)、带轮八(39)均由铝合金制成。