CN109484510A - 一种机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人行走机构，其整体结构分为两个部分：髋部和腿部；其中，髋部包括基座和连接座两部分，腿部包括大腿和小腿两部分。而运动控制系统分为四个部分：安装于基座的用于控制大腿旋转的第一传动系统、安装于连接座的用于控制大腿前后摆动的第二传动系统、安装于连接座的用于控制大腿侧向摆动的第三传动系统和安装于连接座的用于控制小腿前后摆动的第四传动系统。由此，该机器人行走机构实现了对于机器人腿部各部分的精细控制，并且多数驱动装置集中布置于基座上，使得整体结构紧凑，能够提高腿部的动态响应性能，而且第一传动系统通过传动结构的优化，仅用一个电机即实现了大腿部的同步转动，可提高效率，且降低成本。

Description

一种机器人行走机构

技术领域

本发明属于机器人结构领域，涉及一种机器人行走机构。

背景技术

足式机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构的智能型机器人，涉及到生物学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高技术产品。现有的双足机器人大部分是在机器人的各个关节上设置电机作为驱动装置，另外设置减速机作为传动机构，从而实现对各个关节的精细化控制。

不过现有的足式机器人结构存在的缺点是整个机器人非常笨重，一旦摔倒易伤及旁人，尤其是在机器人的腿部关节上安装驱动装置这类比较重的装置，使得机器人的腿部的动态响应性能较低，而且机器人的整体结构不够紧凑，工作效率不高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种机器人行走机构，能够降低机器人的腿部质量，从而获得优良的动态追踪性能，并实现机器人的整体结构紧凑和工作高效。

基于此，本发明提出了一种机器人行走机构，其包括髋部和两条腿部，所述髋部包括基座和两个分别与各所述腿部一一对应的连接座，所述两个连接座分别连接于所述基座的底部，所述腿部包括从上而下依次连接的大腿和小腿，所述大腿通过所述连接座与所述基座相连接；

所述基座上设有控制装置和用于控制所述连接座转动的第一传动系统，所述连接座上设有用于控制所述大腿前后摆动的第二传动系统、用于控制所述大腿侧向摆动的第三传动系统和用于控制所述小腿前后摆动的第四传动系统；

所述第一传动系统、所述第二传动系统、所述第三传动系统和所述第四传动系统分别与所述控制装置电连接。

可选的，所述第一传动系统包括第一驱动装置、传动件和两套第一连杆组件，所述两套第一连杆组件分别通过所述传动件与所述第一驱动装置的输出端传动连接，且所述第一连杆组件与所述连接座一一对应相连接，所述第一驱动装置固定安装在所述基座上，所述第一驱动装置与所述控制装置电连接，所述第一驱动装置带动所述第一连杆组件使得所述连接座发生转动。

可选的，所述第一连杆组件包括第一支杆和第二支杆，所述第一支杆的第一端部和所述第二支杆的第一端部相铰接，所述第一支杆的第二端部与所述传动件相连接，所述第二支杆的第二端部与所述连接座相连接。

可选的，所述第二传动系统包括第一同步带轮装置和第二驱动装置，所述第二驱动装置安装于所述连接座上，且所述第二驱动装置与所述控制装置电连接，所述第一同步带轮装置包括第一主动轮和第一从动轮，所述第一主动轮与所述第二驱动装置的输出端相连接，所述第一从动轮与所述大腿相连接，所述第二驱动装置带动所述第一同步带轮装置工作，能够使得所述大腿的前后摆动。

可选的，所述第三传动系统包括第二同步带轮装置和第三驱动装置，所述第三驱动装置安装于所述连接座上，且所述第三驱动装置与所述控制装置电连接，所述第二同步带轮装置包括第二主动轮和第二从动轮，所述第三驱动装置的输出端与所述第二主动轮相连接，所述第二从动轮与所述大腿相连接，所述第二驱动装置带动所述第二同步带轮装置工作，能够实现所述大腿的侧向摆动。

可选的，所述第四传动系统包括第四驱动装置、第三同步带轮装置和第二连杆组件，所述第四驱动装置安装于所述连接座上，所述第三同步带轮装置包括第三主动轮和第三从动轮，所述第四驱动装置的输出端与所述第三主动轮相连接，且所述第四驱动装置与所述控制装置电连接，所述第三从动轮通过所述第二连杆组件与所述小腿相连接，所述第四驱动装置通过所述第三同步带轮装置带动第二连杆组件运动，实现所述小腿的前后摆动。

可选的，所述第二连杆组件包括第三支杆和第四支杆，所述第三支杆的第一端部和所述第四支杆的第一端部相铰接，所述第三支杆的第二端部与所述第三从动轮相连接，所述第四支杆的第二端部与所述小腿部相连接。

可选的，所述连接座内设有第一腔体，所述第三驱动装置和所述第二减速器分别安装于所述第一腔体内，所述第二驱动装置的输出轴与所述第四驱动装置的输出轴相互平行，所述第一同步带轮装置和所述第三同步带轮装置分别位于所述连接座的两侧。

可选的，所述基座内设有第二腔体，所述第二腔体内固定设置有两个与各所述连接座一一对应的轴承，所述基座通过所述轴承与所述连接座相连接。

可选的，所述控制装置包括控制模块、数据处理模块和通信模块，所述数据处理模块和所述通信模块分别与所述控制模块电连接，所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、所述第三驱动装置和所述第四驱动装置分别与所述控制模块电连接。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明的机器人行走机构包括髋部和两条腿部，髋部包括基座和两个分别与各腿部一一对应的连接座，两个连接座分别连接于基座的底部，腿部包括从上而下依次连接的大腿和小腿，大腿通过连接座与基座相连接；基座上设有控制装置和用于控制连接座转动的第一传动系统，连接座上设有用于控制大腿前后摆动的第二传动系统、用于控制大腿侧向摆动的第三传动系统和用于控制小腿前后摆动的第四传动系统；第一传动系统、第二传动系统、第三传动系统和第四传动系统分别与控制装置电连接。控制装置和第一传动系统安装于基座上，第二传动系统、第三传动系统和第四传动系统均安装于连接座上，而连接座连接于基座底部构成髋部结构，总体上使得传动系统和控制系统均集中在髋部，降低腿部的质量，且结构紧凑，工作效率高；此外，由于腿部上几乎没有较重的驱动装置，提升了机器人的腿部的动态响应性能。

附图说明

图1为本发明实施例的一种机器人行走机构的正视结构示意图；

图2为本发明实施例的一种机器人行走机构的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例的一种机器人行走机构的连接座部位的局部结构的正视示意图；

图4为本发明实施例的一种机器人行走机构的连接座部位的局部结构的侧视示意图；

图5为本发明实施例的一种机器人行走机构的右视结构示意图；

图6为本发明实施例的一种机器人行走机构的局部正视结构示意图。

附图标记说明：

1、髋部，11、基座，111、第二腔体，1111、轴承，12、连接座，2、腿部，21、大腿，22、小腿，3、第一传动系统，31、第一驱动装置，32、传动件，33、第一连杆组件，331、第一支杆，332、第二支杆，4、第二传动系统，41、第二驱动装置，42、第一同步带轮装置，421、第一主动轮，422、第一从动轮，43、第一减速器，5、第三传动系统，51、第三驱动装置，52、第二同步带轮装置，521、第二主动轮，522、第二从动轮，53、第二减速器，6、第四传动系统，61、第四驱动装置，62、第三同步带轮装置，621、第三主动轮，622、第三从动轮，63、第二连杆组件，631、第三支杆，632、第四支杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1至图6，本发明的实施例提出的一种传动机构，其包括髋部1和两条腿部2，髋部1包括基座11和两个分别与各腿部2一一对应的连接座12，两个连接座12分别连接于基座11的底部，腿部2包括从上而下依次连接的大腿21和小腿22，大腿21通过连接座12与基座11相连接；基座11上设有控制装置和用于控制连接座12转动的第一传动系统3，连接座12上设有用于控制大腿21前后摆动的第二传动系统4、用于控制大腿21侧向摆动的第三传动系统5和用于控制小腿22前后摆动的第四传动系统6；第一传动系统3、第二传动系统4、第三传动系统5和第四传动系统6分别与控制装置电连接。

基于以上结构，该机器人行走机构包括有髋部1和两条腿部2，髋部1包括基座11和两个连接座12，腿部2包括自上而下依次连接的大腿21和小腿22，两个连接座12分别连接于基座11底部，大腿21的上端与连接座12一一对应相连接；控制装置和第一传动系统3分别安装于基座11上，用于控制大腿21前后摆动的第二传动系统4、用于控制大腿21侧向摆动的第三传动系统5和用于控制小腿22前后摆动的第四传动系统6分别安装于连接座12上，第一传动系统3、第二传动系统4、第三传动系统5和第四传动系统6分别与控制装置电连接，由此通过控制装置来控制第一传动系统3、第二传动系统4、

第三传动系统5和第四传动系统6的工作状态，需要说明的是，第一传动系统3、第二传动系统4、第三传动系统5和第四传动系统6是各自独立工作的。因为连接座12和基座11均属于髋部1，即第一传动系统3、第二传动系统4、第三传动系统5、第四传动系统6和控制装置全部集中设置于髋部1，实现质量向髋部1处的集中，使得机器人行走机构的腿部结构更加轻量化，且总体上结构设计紧凑，工作效率高，进一步的，由于腿部2上几乎没有较重的驱动装置，提升了机器人的腿部2的动态响应性能。

其中，第一传动系统3包括第一驱动装置31、传动件32和两套第一连杆组件33，两套第一连杆组件33分别通过传动件32与第一驱动装置31的输出端传动连接，在本实施例中，传动件32是丝杠，且两套第一连杆组件33与两个连接座12一一对应相连接，第一驱动装置31固定安装在基座11上，第一驱动装置31与控制装置电连接；由此，第一驱动装置31带动传动件32运动，传动件32将旋转运动转化为直线运动分别传递给两套第一连杆组件33，两套第一连杆组件33分别带动各自所对应的连接座12发生转动，两个连接座12再分别带动与其一一对应连接的大腿21转动。值得指出的是，第一传动系统3仅需使用一个第一驱动装置31，由传动件32改变第一驱动装置31动力输出的运动方向并向其两侧的第一连杆组件33分别进行传输，通过两侧的第一连杆组件33的分别带动来实现两个连接座12的轴向转动，在不降低自由度的前提下，能够有效的减少所需使用的驱动装置的数量，降低整体质量，并节约成本。

进一步的，第一连杆组件33包括第一支杆331和第二支杆332，第一支杆331的第一端部和第二支杆332的第一端部相铰接，第一支杆331的第二端部与传动件32相连接，第二支杆332的第二端部与连接座12相连接；由此，传动件32分别带动位于其两侧的第一连杆组件33的第一支杆运动，再通过第一支杆331带动第二支杆332运动，使得连接座12转动，最终实现整条腿部2结构的转动。两套第一连杆组件33通过两个支杆铰接压缩横向空间，从而减少两个腿部2之间的距离，使得结构紧凑。

另外，第二传动系统4包括第二驱动装置41、第一同步带轮装置42和第一减速器43，第二驱动装置41为电机，第二驱动装置41安装于连接座12上，且第二驱动装置41与控制装置电连接，第一同步带轮装置42包括第一主动轮421和第一从动轮422，第一主动轮421与第二驱动装置41的输出端相连接，第一从动轮422与第一减速器43传动连接，第一减速器43与大腿21相连接；控制装置控制第二驱动装置41工作，第二驱动装置41的输出端带动第一同步带轮装置42的第一主动轮421转动，第一主动轮421传递动力到第一从动轮422，第一从动轮422传动到第一减速器43，第一减速器43控制大腿21进行前后摆动。

在本实施例中，第三传动系统5包括第三驱动装置51、第二同步带轮装置52和第二减速器53，第三驱动装置51为电机，第三驱动装置51安装于连接座12上，且第三驱动装置51与控制装置电连接，第二同步带轮装置52包括第二主动轮521和第二从动轮522，第三驱动装置51的输出端与第二主动轮521相连接，第二从动轮522与第二减速器53传动连接，第二减速器53与大腿21相连接；控制装置控制第三驱动装置51工作，第三驱动装置51的输出端带动第二同步带轮装置52的第二主动轮521转动，第二主动轮521传递动力到第二从动轮522，第二从动轮522传动到第二减速器53，第二减速器53控制大腿21进行侧向摆动。

第四传动系统6包括第四驱动装置61、第三同步带轮装置62、第二连杆组件63和第三减速器，第四驱动装置61为电机，第四驱动装置61安装于连接座12上，第三同步带轮装置62包括第三主动轮621和第三从动轮622，第四驱动装置61的输出端与第三主动轮621相连接，使得第四驱动装置61与第三同步带轮装置62传动连接，且第四驱动装置61与控制装置电连接，第三从动轮622与第三减速器传动连接，第三减速器通过第二连杆组件63与小腿22相连接；控制装置控制第四驱动装置61工作，第四驱动装置61的输出端带动第三同步带轮装置62的第三主动轮621转动，第三主动轮621传递动力到第三从动轮622，第三从动轮622传动到第三减速器，第三减速器带动第二连杆组件63转动，第二连杆组件63控制小腿22进行前后摆动。

其中，第二连杆组件63包括第三支杆631和第四支杆632，第三支杆631的第一端部和第四支杆632的第一端部相铰接，第三支杆631的第二端部与第三减速器相连接，第四支杆632的第二端部与小腿22相连接；第三减速器的输出端传递动力给第三支杆631，第三支杆631带动第四支杆632转动，第四支杆632带动小腿22进行前后摆动。第二连杆组件63通过两个支杆铰接避免与大腿21上的结构发生干涉，同时使得结构紧凑。

需要说明的是，在本实施例中，第一减速器43、第二减速器53以及第三减速器均采用的谐波减速器，谐波减速器传动效率高，工作平稳，且质量较低，能够有效的降低整体装置的质量并保证驱动机器人行走运动的质量，但是在其他实施例中，第一减速器43、第二减速器53以及第三减速器的类型并不受本实施例的限制，当可按照实际的需要，选择合适的减速器类型。

参见图1至图4，连接座12内设有第一腔体，第三驱动装置51和第二减速器53分别安装于第一腔体内，第一腔体通过容纳第三驱动装置51和第二减速器53，可以节省外部空间；第二驱动装置41的输出轴与第四驱动装置61的输出轴相互平行，第二驱动装置41和第四驱动装置61的布置方式使得驱动装置相互之间结构紧凑，同时不会发生干涉；第一同步带轮装置42和第三同步带轮装置62分别位于连接座12的两侧，进一步从横向优化布置方式，保证第一同步带轮装置42与第三同步带轮装置62不会在工作中发生碰撞。

此外，基座11内设有第二腔体111，第二腔体111内固定设置有两个与各连接座12一一对应的轴承1111，在本实施例中，轴承1111的数量为两个，基座11通过各轴承1111与各连接座12相连接，轴承1111使得连接座12可以绕轴向旋转，连接座12又进一步带动大腿21进行轴向旋转。

进一步的，控制装置包括控制模块、数据处理模块和通信模块，控制装置通过集中平台大部分的控制电路和通信电路，进一步减少腿部2的质量，提升腿部2的响应性能，同时电路集中设置也利于处理信息和布置散热装置，数据处理模块和通信模块分别与控制模块电连接，第一驱动装置31、第二驱动装置41、第三驱动装置51和第四驱动装置61分别与控制模块电连接，从而通过控制模块控制所有的驱动装置的独立运转。

综上，该机器人行走机构的各传动系统的工作过程为：

第一传动系统3：第一驱动装置31固定安装在基座11上，控制装置控制第一驱动装置31工作，第一驱动装置31带动传动件32运动，传动件32带动第一连杆组件33的第一支杆331转动，第一支杆331带动第一连杆组件33的第二支杆332转动，通过第一连杆组件33使得连接座12发生转动，最后连接座12带动大腿21进行轴向转动。

第二传动系统4：第二驱动装置41安装于连接座12上，控制装置控制第二驱动装置41工作，第二驱动装置41的输出端带动第一同步带轮装置42的第一主动轮421转动，第一主动轮421通过同步带带动第一同步带轮装置42的第一从动轮422转动，第一从动轮422将动力传递给第一减速器43，最后第一减速器43带动大腿21进行前后摆动。

第三传动系统5：第三驱动装置51安装于连接座12的第一腔体112内，控制装置控制第三驱动装置51工作，第三驱动装置51的输出端带动第二同步带轮装置52的第二主动轮521转动，第二主动轮521通过同步带带动第二同步带轮装置52的第二从动轮522转动，第二从动轮522将动力传递给第二减速器53，最后第二减速器53带动大腿21进行侧向摆动。

第四传动系统6：第四驱动装置61安装于连接座12上，控制装置控制第四驱动装置61工作，第三驱动装置61的输出端带动第二同步带轮装置62的第二主动轮621转动，第二主动轮621通过同步带带动第二同步带轮装置62的第二从动轮622转动，第二从动轮622将动力传递给第二连杆组件63的第三支杆631，第三支杆631带动第四支杆632转动，最后第四支杆632带动小腿22进行前后摆动。

由此，该机器人行走机构实现了对于机器人腿部2各部分的精细控制，并且由于第一传动系统3、第二传动系统4、第三传动系统5和第四传动系统6集中布置于髋部1上，使得整体结构紧凑，且可提高腿部2的动态响应性能，而且第一传动系统3通过传动结构的优化，仅用一个电机即实现两条大腿21的同步转动，从而提高效率，且能降低成本。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人行走机构，其特征在于，包括髋部和两条腿部，所述髋部包括基座和两个分别与各所述腿部一一对应的连接座，所述两个连接座分别连接于所述基座的底部，所述腿部包括从上而下依次连接的大腿和小腿，所述大腿通过所述连接座与所述基座相连接；

所述基座上设有控制装置和用于控制所述连接座转动的第一传动系统，所述连接座上设有用于控制所述大腿前后摆动的第二传动系统、用于控制所述大腿侧向摆动的第三传动系统和用于控制所述小腿前后摆动的第四传动系统；

所述第一传动系统、所述第二传动系统、所述第三传动系统和所述第四传动系统分别与所述控制装置电连接。

2.根据权利要求1所述的机器人行走机构，其特征在于，所述第一传动系统包括第一驱动装置、传动件和两套第一连杆组件，所述两套第一连杆组件分别通过所述传动件与所述第一驱动装置的输出端传动连接，且所述第一连杆组件与所述连接座一一对应相连接，所述第一驱动装置固定安装在所述基座上，所述第一驱动装置与所述控制装置电连接，所述第一驱动装置带动所述第一连杆组件使得所述连接座发生转动。

3.根据权利要求2所述的机器人行走机构，其特征在于，所述第一连杆组件包括第一支杆和第二支杆，所述第一支杆的第一端部和所述第二支杆的第一端部相铰接，所述第一支杆的第二端部与所述传动件相连接，所述第二支杆的第二端部与所述连接座相连接。

4.根据权利要求2所述的机器人行走机构，其特征在于，所述第二传动系统包括第一同步带轮装置和第二驱动装置，所述第二驱动装置安装于所述连接座上，且所述第二驱动装置与所述控制装置电连接，所述第一同步带轮装置包括第一主动轮和第一从动轮，所述第一主动轮与所述第二驱动装置的输出端相连接，所述第一从动轮与所述大腿相连接，所述第二驱动装置带动所述第一同步带轮装置工作，能够使得所述大腿的前后摆动。

5.根据权利要求4所述的机器人行走机构，其特征在于，所述第三传动系统包括第二同步带轮装置和第三驱动装置，所述第三驱动装置安装于所述连接座上，且所述第三驱动装置与所述控制装置电连接，所述第二同步带轮装置包括第二主动轮和第二从动轮，所述第三驱动装置的输出端与所述第二主动轮相连接，所述第二从动轮与所述大腿相连接，所述第二驱动装置带动所述第二同步带轮装置工作，能够实现所述大腿的侧向摆动。

6.根据权利要求5所述的机器人行走机构，其特征在于，所述第四传动系统包括第四驱动装置、第三同步带轮装置和第二连杆组件，所述第四驱动装置安装于所述连接座上，所述第三同步带轮装置包括第三主动轮和第三从动轮，所述第四驱动装置的输出端与所述第三主动轮相连接，且所述第四驱动装置与所述控制装置电连接，所述第三从动轮通过所述第二连杆组件与所述小腿相连接，所述第四驱动装置通过所述第三同步带轮装置带动第二连杆组件运动，实现所述小腿的前后摆动。

7.根据权利要求6所述的机器人行走机构，其特征在于，所述第二连杆组件包括第三支杆和第四支杆，所述第三支杆的第一端部和所述第四支杆的第一端部相铰接，所述第三支杆的第二端部与所述第三从动轮相连接，所述第四支杆的第二端部与所述小腿部相连接。

8.根据权利要求4至7任一项所述的机器人行走机构，其特征在于，所述连接座内设有第一腔体，所述第三驱动装置和所述第二减速器分别安装于所述第一腔体内，所述第二驱动装置的输出轴与所述第四驱动装置的输出轴相互平行，所述第一同步带轮装置和所述第三同步带轮装置分别位于所述连接座的两侧。

9.根据权利要求1至7任一项所述的机器人行走机构，其特征在于，所述基座内设有第二腔体，所述第二腔体内固定设置有两个与各所述连接座一一对应的轴承，所述基座通过所述轴承与所述连接座相连接。

10.根据权利要求6或7所述的机器人行走机构，其特征在于，所述控制装置包括控制模块、数据处理模块和通信模块，所述数据处理模块和所述通信模块分别与所述控制模块电连接，所述第一驱动装置、所述第二驱动装置、所述第三驱动装置和所述第四驱动装置分别与所述控制模块电连接。