CN109178139A - 一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其包括髋关节和对称设置于所述髋关节两端的左腿和右腿，所述左腿和所述右腿的结构相同，于所述左腿的大腿上设有髋旋转驱动电机，所述髋旋转驱动电机的驱动轴、支撑轴共线，所述驱动轴竖直向上设置，所述支撑轴竖直向下设置，且所述驱动轴和所述支撑轴分别与所述左腿的膝关节连接。本发明设计合理巧妙，更改自由度配置顺序，降低髋旋转驱动电机的物理位置，减少髋旋转驱动电机所承受的拉力，避免交变往复作用力对局部结构的影响，增强结构刚度与可靠性，减少仿人机器人重量，同时髋旋转驱动电机与膝关节采用驱动轴和支撑轴双端连接，保证充足的角度活动范围，不影响腿部的灵活程度。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构。
背景技术
因为现有的小型仿人机器人的本体结构仅能采用简单连接方式，驱动电机的可选范围很小，外形尺寸固定，传动与连接方式单一，所以小型仿人机器人机械结构将受到更多的设计约束。在简单结构连接条件下，一旦局部结构的强度不足时，则易于出现局部结构的损伤且难以加强的问题。当结构件仅单独与驱动轴连接而未与支撑轴连接时，在长时间受到复杂作用力交变作用下，髋关节极易产生连接轴的磨损甚至断裂，进而缩短了小型仿人机器人的使用寿命。为此，现有三种解决方案：其一是消除髋关节旋转自由度，使得髋关节仅有前摆和侧摆的自由度，从而避免结构件与驱动电机的单端连接，此方法以降低仿人机器人腿部灵活度为代价，而增加机器人的可靠性，然而由于欠缺自由度，机器人的旋转步行能力大幅下降，需要借助两脚与地面的磨擦实现，进而造成髋关节力矩增加；其二是在易受损伤处增加滚针轴承，以此增加支撑轴处的承压能力，尽管此方法能够消除部分针对主动轴的弯矩，但由于结构的限制，结构件与滚针轴承处无法增加拉力载荷的承受力，而髋旋转关节在步行期间的频繁抬脚与落脚动作，将出现交互的压力载荷和拉力载荷，因此此方法对局部结构的增强仍然难以很好地解决交变受力造成的结构损伤问题；其三是设计更为复杂的轴承结构，使得拉压载荷及扭转载荷主要由驱动电机外壳承受，而驱动轴则仅提供驱动转矩，这一方式能够完全消除驱动轴处的复杂交变载荷作用，从而达到极高的可靠性，但其结构复杂度大幅度提升，增加了仿人机器人的结构重量，占用了较大的空间，与小型仿人机器人的小型化、轻量化要求相矛盾。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明公开了一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其包括髋关节和对称设置于所述髋关节两端的左腿和右腿，所述左腿和所述右腿的结构相同，于所述左腿的大腿上设有髋旋转驱动电机，所述髋旋转驱动电机的驱动轴、支撑轴共线，所述驱动轴和所述支撑轴的轴线重合，所述驱动轴竖直向上设置，所述支撑轴竖直向下设置，且所述驱动轴和所述支撑轴分别与所述左腿的膝关节连接，降低所述髋旋转驱动电机的物理位置，更改自由度配置顺序，减少所述髋旋转驱动电机所承受的拉力，避免交变往复作用力对局部结构的影响，增强结构刚度与可靠性，降低仿人机器人的重量。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述髋旋转驱动电机与所述大腿固定连接，所述膝关节包括活动设置于所述大腿下方的膝旋转框架，所述髋旋转驱动电机的所述驱动轴与所述膝旋转框架的上端连接，所述髋旋转驱动电机的所述支撑轴与所述膝旋转框架的下端连接，所述髋旋转驱动电机控制所述膝旋转框架旋转，从而实现仿人机器人步行转弯，所述髋旋转驱动电机与所述膝旋转框架采用所述驱动轴和所述支撑轴双端连接，有效地承受压力载荷、拉力载荷及其它复杂的弯扭载荷，从而大幅度地增加髋关节的刚度与可靠性。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述左腿的上端并列设有髋侧摆驱动电机和髋前摆驱动电机，所述髋侧摆驱动电机的驱动轴与所述髋关节连接，所述髋前摆驱动电机的驱动轴与所述大腿连接，所述髋侧摆驱动电机控制所述左腿实现左右摆动，所述髋前摆驱动电机控制所述左腿实现前后摆动。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述髋侧摆驱动电机、所述髋前摆驱动电机和所述髋旋转驱动电机的驱动轴轴线相交于一点，满足仿人机器人髋关节模仿人类髋关节球状关节的特征。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述髋关节包括髋平台和纵向设置于所述髋平台前后两侧的髋关节前支架、髋关节后支架，所述髋侧摆驱动电机的驱动轴与所述髋关节后支架连接，于所述髋前摆驱动电机上设有髋侧摆支架，所述髋侧摆支架与所述髋关节前支架活动连接。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述膝关节还设有膝弯曲驱动电机，所述膝弯曲驱动电机设置于所述膝旋转框架处，所述膝弯曲驱动电机的驱动轴与所述左腿的小腿上端活动连接，所述膝弯曲驱动电机控制所述小腿前后摆动，从而实现所述膝关节弯曲。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述左腿的踝关节并列设有踝侧摆驱动电机和踝前摆驱动电机，所述踝侧摆驱动电机的驱动轴与所述踝关节连接，所述踝前摆驱动电机的驱动轴与所述小腿的下端连接，所述踝侧摆驱动电机控制所述踝关节左右摆动，所述踝前摆驱动电机控制所述踝关节前后摆动。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述踝侧摆驱动电机和所述踝前摆驱动电机的驱动轴轴线相交，满足仿人机器人踝关节模仿人类踝关节球状关节的特征。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述踝关节包括设置于所述踝前摆驱动电机处的踝侧摆支架和水平设置于所述踝侧摆支架处的脚底板，所述踝侧摆驱动电机的驱动轴与所述踝侧摆支架连接。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中所述髋旋转驱动电机的角度活动范围达到±30°，保证髋旋转自由度具有充足的角度活动范围，且不影响腿部的灵活程度。
上述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其中为了达到仿人机器人任意位姿的目标，仿人机器人的腿部采用六自由度关节布置。其中髋关节具有前摆、侧摆和旋转三个自由度，踝关节具有前摆和侧摆两个自由度，膝关节具有一个弯曲自由度。
本发明的有益效果为：本发明设计合理巧妙，更改自由度配置顺序，降低髋旋转驱动电机的物理位置，减少了髋旋转驱动电机所承受的拉力，避免交变往复作用力对局部结构的影响，增强结构刚度与可靠性，降低仿人机器人的重量，同时髋旋转驱动电机与膝关节采用驱动轴和支撑轴双端连接，保证具有充足的角度活动范围，不影响腿部的灵活程度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的结构立体示意图；
图2为本发明的正视示意图；
图3为本发明的左视示意图。
具体实施方式
实施例：参见图1至图3，本实施例提供的一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其包括髋关节和对称设置于所述髋关节两端的左腿和右腿，所述左腿和所述右腿的结构相同，于所述左腿的大腿2上设有髋旋转驱动电机11，所述髋旋转驱动电机11的驱动轴、支撑轴共线，所述驱动轴和所述支撑轴的轴线重合，所述驱动轴竖直向上设置，所述支撑轴竖直向下设置，且所述驱动轴和所述支撑轴分别与所述左腿的膝关节连接，降低所述髋旋转驱动电机11的物理位置，更改自由度配置顺序，减少所述髋旋转驱动电机11所承受的拉力，避免交变往复作用力对局部结构的影响，增强结构刚度与可靠性，降低仿人机器人的重量。
较佳的实施例中，所述髋旋转驱动电机11与所述大腿2固定连接，所述膝关节包括活动设置于所述大腿2下方的膝旋转框架31，所述髋旋转驱动电机11的所述驱动轴与所述膝旋转框架31的上端连接，所述髋旋转驱动电机11的所述支撑轴与所述膝旋转框架31的下端连接，所述髋旋转驱动电机11控制所述膝旋转框架31旋转，从而实现仿人机器人步行转弯，所述髋旋转驱动电机11与所述膝旋转框架31采用所述驱动轴和所述支撑轴双端连接，有效地承受压力载荷、拉力载荷及其它复杂的弯扭载荷，从而大幅度地增加髋关节的刚度与可靠性。
较佳的实施例中，所述左腿的上端并列设有髋侧摆驱动电机12和髋前摆驱动电机13，所述髋侧摆驱动电机12的驱动轴与所述髋关节连接，所述髋前摆驱动电机13的驱动轴与所述大腿2连接，所述髋侧摆驱动电机12控制所述左腿实现左右摆动，所述髋前摆驱动电机13控制所述左腿实现前后摆动。
较佳的实施例中，所述髋侧摆驱动电机12、所述髋前摆驱动电机13和所述髋旋转驱动电机11的驱动轴轴线相交于一点，满足仿人机器人髋关节模仿人类髋关节球状关节的特征。
较佳的实施例中，所述髋关节包括髋平台14和纵向设置于所述髋平台14前后两侧的髋关节前支架15、髋关节后支架16，所述髋侧摆驱动电机12的驱动轴与所述髋关节后支架16连接，于所述髋前摆驱动电机13上设有髋侧摆支架17，所述髋侧摆支架17与所述髋关节前支架15活动连接。
较佳的实施例中，所述膝关节还设有膝弯曲驱动电机32，所述膝弯曲驱动电机32设置于所述膝旋转框架31处，所述膝弯曲驱动电机32的驱动轴与所述左腿的小腿4上端活动连接，所述膝弯曲驱动电机32控制所述小腿4前后摆动，从而实现所述膝关节弯曲。
较佳的实施例中，所述左腿的踝关节并列设有踝侧摆驱动电机51和踝前摆驱动电机52，所述踝侧摆驱动电机51的驱动轴与所述踝关节连接，所述踝前摆驱动电机52的驱动轴与所述小腿4的下端连接，所述踝侧摆驱动电机51控制所述踝关节左右摆动，所述踝前摆驱动电机52控制所述踝关节前后摆动。
较佳的实施例中，所述踝侧摆驱动电机51和所述踝前摆驱动电机52的驱动轴轴线相交，满足仿人机器人踝关节模仿人类踝关节球状关节的特征。
较佳的实施例中，所述踝关节包括设置于所述踝前摆驱动电机52处的踝侧摆支架53和水平设置于所述踝侧摆支架53处的脚底板54，所述踝侧摆驱动电机51的驱动轴与所述踝侧摆支架53连接。
较佳的实施例中，所述髋旋转驱动电机11的角度活动范围达到±30°，保证髋旋转自由度具有充足的角度活动范围，且不影响腿部的灵活程度。
较佳的实施例中，为了达到仿人机器人任意位姿的目标，仿人机器人的腿部采用六自由度关节布置。其中髋关节具有前摆、侧摆和旋转三个自由度，踝关节具有前摆和侧摆两个自由度，膝关节具有一个弯曲自由度。
本发明在工作时，就左腿而言，所述髋前摆驱动电机13工作带动所述左腿前后摆动，从而实现所述髋关节前摆，完成向前方抬脚动作，所述髋侧摆驱动电机12工作带动所述左腿左右摆动，从而实现所述髋关节侧摆，完成向侧方抬脚动作，所述髋旋转驱动电机11工作带动所述膝旋转框架31旋转，从而实现所述髋关节旋转，所述膝弯曲驱动电机32工作带动所述小腿4旋转，从而实现所述膝关节弯曲，所述踝前摆驱动电机52工作带动所述踝关节前后摆动，从而实现所述踝关节前摆，所述踝侧摆驱动电机51工作带动所述踝关节左右摆动，从而实现所述踝关节侧摆，当所述髋前摆驱动电机13驱动所述左腿向上运动时，所述膝弯曲驱动电机32驱动所述膝关节弯曲，完成向前抬脚动作，当所述髋前摆驱动电机13驱动所述左腿向下运动时，所述膝弯曲驱动电机32驱动所述膝关节复原，完成落脚动作，当所述髋旋转驱动电机11驱动所述膝旋转框架31旋转时，并结合抬脚、落脚动作，从而实现步行转弯动作，所述右腿与所述左腿的工作情况相同。
本发明设计合理巧妙，更改自由度配置顺序，降低髋旋转驱动电机的物理位置，减少了髋旋转驱动电机所承受的拉力，避免交变往复作用力对局部结构的影响，增强结构刚度与可靠性，降低仿人机器人的重量，同时髋旋转驱动电机与膝关节采用驱动轴和支撑轴双端连接，保证具有充足的角度活动范围，不影响腿部的灵活程度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术手段和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，其包括髋关节和对称设置于所述髋关节两端的左腿和右腿，所述左腿和所述右腿的结构相同，于所述左腿的大腿上设有髋旋转驱动电机，所述髋旋转驱动电机的驱动轴、支撑轴共线，所述驱动轴竖直向上设置，所述支撑轴竖直向下设置，且所述驱动轴和所述支撑轴分别与所述左腿的膝关节连接。
2.根据权利要求1所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述髋旋转驱动电机与所述大腿固定连接，所述膝关节包括活动设置于所述大腿下方的膝旋转框架，所述髋旋转驱动电机的驱动轴与所述膝旋转框架的上端连接，所述髋旋转驱动电机的支撑轴与所述膝旋转框架的下端连接。
3.根据权利要求2所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述左腿的上端并列设有髋侧摆驱动电机和髋前摆驱动电机，所述髋侧摆驱动电机的驱动轴与所述髋关节连接，所述髋前摆驱动电机的驱动轴与所述大腿连接。
4.根据权利要求3所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述髋侧摆驱动电机、所述髋前摆驱动电机和所述髋旋转驱动电机的驱动轴轴线相交于一点。
5.根据权利要求4所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述髋关节包括髋平台和纵向设置于所述髋平台前后两侧的髋关节前支架、髋关节后支架，所述髋侧摆驱动电机的驱动轴与所述髋关节后支架连接，于所述髋前摆驱动电机上设有髋侧摆支架，所述髋侧摆支架与所述髋关节前支架活动连接。
6.根据权利要求2所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述膝关节还设有膝弯曲驱动电机，所述膝弯曲驱动电机设置于所述膝旋转框架处，所述膝弯曲驱动电机的驱动轴与所述左腿的小腿上端活动连接。
7.根据权利要求6所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述左腿的踝关节并列设有踝侧摆驱动电机和踝前摆驱动电机，所述踝侧摆驱动电机的驱动轴与所述踝关节连接，所述踝前摆驱动电机的驱动轴与所述小腿的下端连接。
8.根据权利要求7所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述踝侧摆驱动电机和所述踝前摆驱动电机的驱动轴轴线相交。
9.根据权利要求8所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述踝关节包括设置于所述踝前摆驱动电机处的踝侧摆支架和水平设置于所述踝侧摆支架处的脚底板，所述踝侧摆驱动电机的驱动轴与所述踝侧摆支架连接。
10.根据权利要求2所述的髋关节增强的小型仿人机器人六自由度腿结构，其特征在于，所述髋旋转驱动电机的角度活动范围达到±30°。
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