CN109677500A - 一种足球射门机器人的机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种足球射门机器人的机械腿，包括大腿部分和小腿部分，大腿部分包括第一大腿、第二大腿、第三大腿和支撑底盘，支撑底盘通过丝杆螺母机构可前后平移的安装在行走载体上，第一大腿通过第一关节安装在支撑底盘上，第二大腿通过第一伸缩装置安装在第一大腿前端，第三大腿通过第二关节安装在第二大腿前端，小腿部分包括小腿支架和足部，小腿支架通过第三关节安装在第三大腿前端，足部通过运动关节安装在小腿支架底部，第二关节和第三关节均为调节小腿部分俯仰角度的俯仰关节，通过第一关节、第二关节、第三关节和第一伸缩装置完成小腿部分角度和方位调整。本发明可以模拟人腿动作，使得通过机器人踢足球成为可能。

Description

一种足球射门机器人的机械腿

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种机器人部件，具体涉及一种足球射门机器人的机械腿。是一种基于仿生模仿人腿，以完成多种自由度的灵活的动作，实现球场上多样化的处理球的方式。

背景技术

足球可谓是全球最受欢迎的运动之一。随着机器人技术的不断进步，让机器人也会踢足球不再是天方夜谭。伴随着世界经济的快速发展，科学技术水平的不断提高，在国际上迅速开展起来一种高科技的机器人足球对抗活动，它涉及人工智能、智能控制、机器人、通信、传感等多个领域的前沿研究和技术融合，是连接基础研究与实际应用的中介与桥梁。目前，国际上机器人足球已发展为两大系列，一是由国际机器人足联(FIRA)组织的微型机器人世界杯足球赛(MiroSot)；另一个是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛(RoboCup)。RoboCup和FIRA也都组织了一年一度的比赛和召开学术会议，推动相关学科进展。机器人足球的研究已经在国际人工智能和智能机器人领域产生了非常大的影响。虽然离实现最后的目标还有相当长的路要走，但正如同计算机与人下国际象棋一样，必将对相关的国际研究领域产生巨大的推动作用。在机器人足球比赛蓬勃开展的同时，有关机器人理论研究也取得了长足的进步，并且机器人足球比赛开始逐渐的遍布到所有国家。我国对机器人足球的研究起步比较晚，开始时整体水平不高。我国的科研工作者于1997年才开始涉足机器人足球比赛相关领域的研究与探索。现代机器人足球在国内引起了普遍重视，一些大学纷纷组队并通过各种形式的活动来提高研究水平。目前，我国的机器人足球水平已经有很大的提高，在2008年的FIRA机器人足球世界杯中，中国获得了14项冠军。

当前的足球机器人虽然在足球的基本功如快速移动、传球、射门、甚至相互配合方面已取得了令人惊叹的成就，但是仍然不能完全像人一样实现一些踢球动作。基于上述现状，本着实现模拟运动员踢球动作功能的目的，利用inventor等软件，设计出一款运动灵活、结构紧凑的足球射门机器人。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201720914554.1，该技术公开了一种足球机器人，包括：多功能车架、驱动机构模块、控球机构模块、击球机构模块、控制电路模块，其中，多功能车架由钣金件一体成型，通过钣金件上的螺纹开孔分别将驱动机构模块、控球机构模块、击球机构模块、控制电路模块与其固定。控球机构模块的正前方底部为八字弧形控球导槽，八字弧形控球导槽上部为卷球杆。所述击球机构模块包括电磁推和击球片，击球片安装在控球机构中间，电磁推安装在多功能车架内部。八字弧形控球导槽让卷球杆易于与小球接触，防止小球被足球机器人撞开，在足球内移时控球导槽使小球被卡住并微微抬起，避免在带球运动中足球因与地面摩擦而从足球机器人控球机构中脱落。但其仅能实现简单的带球动作，无法适应多变的球场情况。

中国专利申请号201710806634.X，该技术公开了一种足球机器人，包括底座、通孔、安装板、第一电机、第一主动轮、第二电机、第二主动轮、转轴、保护罩、顶板、推杆、连杆、弹簧、凸轮、第三电机、蓄电池、安装部、LED灯、摄像头和被动轮，且底座顶面安装有安装板，安装板一端安装有第一电机，第一电机一端连接有第一主动轮，安装板另一端安装有第二电机，底座顶面安装有保护罩，保护罩内部设置有推杆，推杆侧面设置有凸轮，凸轮侧面设置有第三电机，保护罩内部设置有蓄电池，安装部侧面安装有LED灯，且装部上方安装有摄像头，该发明结构科学合理，使用安全方便，结构简单，造价低，易于操作。但其结构简单，功能单一，适用性差。

中国专利申请号201410855081.3，该技术公开了一种足球机器人结构；包括底板和支架；所述支架上设有供电部和电路板，所述供电部向电路板供电；所述底板的两侧分别设有两个滚轮，所述机器人结构还设有滚轮电机，所述滚轮电机与电路板连接，所述滚轮电机驱动所述滚轮向前或向后滚动；所述机器人结构设有“L”型的抬升结构，所述抬升结构位于所述底板的正前端，所述机器人结构设有抬升电机，所述抬升电机分别与所述抬升结构和电路板连接，所述抬升结构的下端可向上转动。该实用新型实施例结构设计合理、操作灵活、成本低。但其仅能完成捕获足球一动作，功能单一。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种足球射门机器人的机械腿。在综合考虑到目前足球机器人的应用场景和功能需求后，我们将选题定位在更智能化、能实现更复杂的踢球动作的足球机器人。定机器人需要实现的功能有移动、快速带球、传球、射门。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种足球射门机器人的机械腿，其特征在于：包括大腿部分和小腿部分，大腿部分包括第一大腿、第二大腿、第三大腿和支撑底盘，所述支撑底盘通过丝杆螺母机构可前后平移的安装在行走载体上，所述第一大腿通过第一关节安装在支撑底盘上，第二大腿通过第一伸缩装置安装在第一大腿前端，所述第三大腿通过第二关节安装在第二大腿前端，所述小腿部分包括小腿支架和足部，所述小腿支架通过第三关节安装在第三大腿前端，所述足部通过运动关节安装在小腿支架底部，所述第一关节为调节小腿部分左右方向的摆动关节，第二关节和第三关节均为调节小腿部分俯仰角度的俯仰关节，通过第一关节、第二关节、第三关节和第一伸缩装置完成小腿部分角度和方位调整，通过运动关节完成足部与足球接触姿态调整，通过第二关节和第三关节运动即可完成射门动作。

作为改进，所述第一关节包括行星减速器和第一驱动电机，所述第一驱动电机与行星减速器的输入端相连，所述第一大腿包括两个通过连接板相连的第一侧板，所述连接板与行星减速器的输出端相连，行星减速器安装在支撑底盘上。

作为改进，所述第一伸缩装置包括正反丝杆、伸缩电机、两个丝杆螺母和两个中部铰接相连的剪叉杆，所述正反丝杆通过轴承横向的安装在两个第一侧板之间，其两端螺纹旋向相反，两个丝杆螺母分别安装在正反丝杆的正螺纹端和反螺纹端，两个剪叉杆后端分别铰接在两个丝杆螺母上，所述第二大腿与两个剪叉杆的前端分别通过直线导轨滑块结构相连，所述伸缩电机与正反丝杆轴连接，当伸缩电机驱动正反丝杆转动时，正反丝杆通过两个丝杆螺母带动两个剪叉杆做剪叉运动，从而通过直线导轨滑块结构转换带动第二大腿做伸缩运动。

作为改进，所述第二大腿包括壳体，所述第二关节安装在壳体内，其包括第一转轴、第二转轴和第二关节电机，所述第一转轴中部通过直线导轨滑块结构与两个剪叉杆的前端相连，第一转轴两端固定安装在第二大腿的壳体上，第三大腿通过轴承安装在第一转轴上，并可以绕第一转轴转动，所述第二转轴通过轴承安装在第三大腿上，并且第二转轴与第一转轴之间通过齿轮啮合安装，第二关节电机与第二转轴轴连接，通过第二关节电机驱动第二转轴转动，可以使得第二转轴绕着第一转轴做行星运动，从而使得第三大腿相对于第二大腿绕第一转轴转动。

作为改进，所述第三关节包括第三转轴、三相异步电动机、增速齿轮组、传动轴和第三关节电机，所述第三转轴通过轴承安装在第三大腿前端，所述小腿支架与第三转轴固定相连，三相异步电动机通过电磁离合器与增速齿轮组相连，增速齿轮组与第三转轴通过齿轮啮合相连，所述第三关节电机通过电磁三角离合器与传动轴相连，所述传动轴通过锥齿轮啮合与第三转轴动力传动相连，通过电磁离合器和电磁三角离合器可以使得三相异步电动机和第三关节电机交替驱动第三关节运动，从而实现小腿部分弯曲运动或者足球射门动作。

作为改进，所述运动关节包括球面副和位于小腿支架前后左右四个方向的第二伸缩装置，所述小腿支架下端与足部通过球面副相连，四个第二伸缩装置的本体铰接安装在小腿支架顶部，四个第二伸缩装置底部的伸缩端铰接在足部前后左右四周，通过四个第二伸缩装置的伸缩运动来控制足部绕球面副运动的角度。

作为改进，所述足部包括足根和足尖，所述足根与小腿支架下端通过运动关节相连，足尖通过足部关节安装在足根上，通过足部关节可以调节足尖勾起角度。

作为改进，所述足部关节包括第四转轴和足部电机，所述第四转轴通过轴承安装在足根前端，足尖固定安装在第四转轴上，足部电机安装在足根中空的内部，并且与第四转轴动力传动相连。

作为改进，所述行走载体包括行走底盘和设于行走底盘上的麦克纳姆轮系。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本装置通过模仿人腿部动作，使装置的大小腿部分具有足够多的自由度，可以对脚部的触球部分的方向，位置，速度等特性进行精细准确的调整。以实现多种力度角度的射门方式，理论上可以完成人类可以完成的所有射门方式。本装置腿部由多个电机以及电动推杆分别完成控制驱动，使得动作灵活多样，可以多关节以不同速度力量运动。同时为了防止高速射门时产生的较大应力装置具有由滚珠丝杠及叉架机构驱动的收紧变形装置，使得既可以在较低速度时利用大腿上的关节调整脚部的高度角度，也可以在高速射门时对主要受力部分进行加固，防止出现应力过大的情况。

附图说明

图1是本发明机械腿安装在行走载体上结构示意图；

图2是大腿部分结构示意图；

图3是装置大腿部分内部结构示意图；

图4是小腿部分结构示意图；

图5是小腿部分脚踝部分结构示意图；

附图标记：Ⅰ-大腿部分，Ⅱ-小腿部分，Ⅲ-行走载体，1-第一大腿，2-第二大腿，3-第三大腿，4-支撑底盘，5-丝杆螺母机构，6-第一关节，7-第一伸缩装置，8-第二关节，9-小腿支架，10-足部，11-第三关节，12-运动关节，13-行星减速器，14-第一驱动电机，15-连接板，16-第一侧板，17-正反丝杆，18-伸缩电机，19-丝杆螺母，20-剪叉杆，21-直线导轨滑块结构，22-壳体，23-第一转轴，24-第二转轴，25-第二关节电机，26-第三转轴，27-三相异步电动机，28-增速齿轮组，29-传动轴，30-第三关节电机，31-电磁离合器，32-电磁三角离合器，33-球面副，34-第二伸缩装置，35-足根，36-足尖，37-足部关节，38-第四转轴，39-足部电机，40-行走底盘，41-麦克纳姆轮系。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图所示，一种足球射门机器人的机械腿，包括大腿部分Ⅰ和小腿部分Ⅱ，大腿部分Ⅰ包括第一大腿1、第二大腿2、第三大腿3和支撑底盘4，所述支撑底盘4通过丝杆螺母机构5可前后平移的安装在行走载体Ⅲ上，所述第一大腿1通过第一关节6安装在支撑底盘4上，第二大腿2通过第一伸缩装置7安装在第一大腿1前端，所述第三大腿3通过第二关节8安装在第二大腿2前端，所述小腿部分Ⅱ包括小腿支架9和足部10，所述小腿支架9通过第三关节11安装在第三大腿3前端，所述足部10通过运动关节12安装在小腿支架9底部，所述第一关节6为调节小腿部分Ⅱ方向的摆动关节，第二关节8和第三关节11均为调节小腿部分Ⅱ俯仰角度的俯仰关节，通过第一关节6、第二关节8、第三关节11和第一伸缩装置7完成小腿部分角度和方位调整，通过运动关节12完成足部与足球接触姿态调整，通过第二关节8和第三关节11运动即可完成射门动作。

所述第一关节6包括行星减速器13和第一驱动电机14，所述第一驱动电机14与行星减速器13的输入端相连，所述第一大腿1包括两个通过连接板15相连的第一侧板16，所述连接板15与行星减速器13的输出端相连，行星减速器13安装在支撑底盘4上。

所述第一伸缩装置7包括正反丝杆17、伸缩电机18、两个丝杆螺母19、伸缩电机18和两个中部铰接相连的剪叉杆20，所述正反丝杆17通过轴承横向的安装在两个第一侧板16之间，其两端螺纹旋向相反，两个丝杆螺母19分别安装在正反丝杆17的正螺纹端和反螺纹端，两个剪叉杆20后端分别铰接在两个丝杆螺母19上，所述第二大腿2与两个剪叉杆20的前端分别通过直线导轨滑块结构21相连，所述伸缩电机18与正反丝杆17轴连接，当伸缩电机18驱动正反丝杆17转动时，正反丝杆17通过两个丝杆螺母19带动两个剪叉杆20做剪叉运动，从而通过直线导轨滑块结构21转换带动第二大腿2做伸缩运动。

所述第二大腿2包括壳体22，所述第二关节8安装在壳体22内，其包括第一转轴23、第二转轴24和第二关节电机25，所述第一转轴23中部设有导轨，导轨上设有两个滑块，两个滑块分别与两个剪叉杆20的前端铰接相连，第一转轴23两端固定安装在第二大腿2的壳体22上，第三大腿3通过轴承安装在第一转轴23上，并可以绕第一转轴23转动，所述第二转轴24通过轴承安装在第三大腿3上，并且第二转轴24与第一转轴23之间通过齿轮啮合安装，第二关节电机25与第二转轴24轴连接，第二关节电机25本身固定在壳体22上，通过第二关节电机25驱动第二转轴24转动，可以使得第二转轴24绕着第一转轴23做行星运动，从而使得第三大腿3相对于第二大腿2绕第一转轴23转动。

所述第三关节11包括第三转轴26、三相异步电动机27、增速齿轮组28、传动轴29和第三关节电机30，所述第三转轴26通过轴承安装在第三大腿3前端，所述小腿支架9与第三转轴26固定相连，三相异步电动机27通过皮带与电磁离合器31的输入端相连，电磁离合器31的输出端与增速齿轮组28相连，增速齿轮组28与第三转轴26通过齿轮啮合传动相连，所述第三关节电机30通过电磁三角离合器30与传动轴29相连，所述传动轴29通过锥齿轮啮合与第三转轴26动力传动相连，通过电磁离合器31和电磁三角离合器30可以使得三相异步电动机27和第三关节电机30交替驱动第三关节11运动，从而实现小腿部分Ⅱ弯曲运动或者足球射门动作。

所述运动关节12包括球面副33和位于小腿支架9前后左右四个方向的第二伸缩装置34，所述小腿支架9下端与足部10通过球面副33相连，四个第二伸缩装置34的本体铰接安装在小腿支架9顶部，四个第二伸缩装置34底部的伸缩端铰接在足部10前后左右四周，通过四个第二伸缩装置34的伸缩运动来控制足部10绕球面副33运动的角度，本实施例中第二伸缩装置34为电动推杆，电动推杆控制精确度高，快速易控等特点。

所述足部10包括足根35和足尖36，所述足根与小腿支架9下端通过运动关节12相连，足尖36通过足部关节37安装在足根35上，通过足部关节37可以调节足尖36勾起角度。

所述足部关节37包括第四转轴38和足部电机39，所述第四转轴38通过轴承安装在足根35前端，足尖36固定安装在第四转轴38上，足部电机39安装在足根35中空的内部，并且与第四转轴38动力传动相连。

所述行走载体Ⅲ包括行走底盘40和设于行走底盘40上的麦克纳姆轮系41。

本发明使用流程和方法如下：

通过麦克纳姆轮系41的行走载体Ⅲ可以带动本发明机械腿跟随足球，通过第一关节6转动可以调整大腿部分Ⅰ和小腿部分Ⅱ的左右摆动方向，通过第二关节8和第三关节11关节可以调整小腿部分Ⅱ俯仰角度，通过第一伸缩装置7可以调整大腿部分Ⅰ的伸缩运动，通过运动关节12可以调整足部10的角度，通过第一关节6、第二关节8、第三关节11、第一伸缩装置7和运动关节12可以完成小腿部分角度和方位调整，进行盘球和带球动作，当需要射门时，通过第三关节11关节的三相异步电动机27和第三关节电机30切换，利用功率和扭矩更大，速度更快的三相异步电动机27完成射门动作。

Claims (9)

1.一种足球射门机器人的机械腿，其特征在于：包括大腿部分和小腿部分，大腿部分包括第一大腿、第二大腿、第三大腿和支撑底盘，所述支撑底盘通过丝杆螺母机构可前后平移的安装在行走载体上，所述第一大腿通过第一关节安装在支撑底盘上，第二大腿通过第一伸缩装置安装在第一大腿前端，所述第三大腿通过第二关节安装在第二大腿前端，所述小腿部分包括小腿支架和足部，所述小腿支架通过第三关节安装在第三大腿前端，所述足部通过运动关节安装在小腿支架底部，所述第一关节为调节小腿部分左右方向的摆动关节，第二关节和第三关节均为调节小腿部分俯仰角度的俯仰关节，通过第一关节、第二关节、第三关节和第一伸缩装置完成小腿部分角度和方位调整，通过运动关节完成足部与足球接触姿态调整，通过第二关节和第三关节运动即可完成射门动作。

2.如权利要求1所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述第一关节包括行星减速器和第一驱动电机，所述第一驱动电机与行星减速器的输入端相连，所述第一大腿包括两个通过连接板相连的第一侧板，所述连接板与行星减速器的输出端相连，行星减速器安装在支撑底盘上。

3.如权利要求2所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述第一伸缩装置包括正反丝杆、伸缩电机、两个丝杆螺母和两个中部铰接相连的剪叉杆，所述正反丝杆通过轴承横向的安装在两个第一侧板之间，其两端螺纹旋向相反，两个丝杆螺母分别安装在正反丝杆的正螺纹端和反螺纹端，两个剪叉杆后端分别铰接在两个丝杆螺母上，所述第二大腿与两个剪叉杆的前端分别通过直线导轨滑块结构相连，所述伸缩电机与正反丝杆轴连接，当伸缩电机驱动正反丝杆转动时，正反丝杆通过两个丝杆螺母带动两个剪叉杆做剪叉运动，从而通过直线导轨滑块结构转换带动第二大腿做伸缩运动。

4.如权利要求3所述一种足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述第二大腿包括壳体，所述第二关节安装在壳体内，其包括第一转轴、第二转轴和第二关节电机，所述第一转轴中部通过直线导轨滑块结构与两个剪叉杆的前端相连，第一转轴两端固定安装在第二大腿的壳体上，第三大腿通过轴承安装在第一转轴上，并可以绕第一转轴转动，所述第二转轴通过轴承安装在第三大腿上，并且第二转轴与第一转轴之间通过齿轮啮合安装，第二关节电机与第二转轴轴连接，通过第二关节电机驱动第二转轴转动，可以使得第二转轴绕着第一转轴做行星运动，从而使得第三大腿相对于第二大腿绕第一转轴转动。

5.如权利要求4所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述第三关节包括第三转轴、三相异步电动机、增速齿轮组、传动轴和第三关节电机，所述第三转轴通过轴承安装在第三大腿前端，所述小腿支架与第三转轴固定相连，三相异步电动机通过电磁离合器与增速齿轮组相连，增速齿轮组与第三转轴通过齿轮啮合相连，所述第三关节电机通过电磁三角离合器与传动轴相连，所述传动轴通过锥齿轮啮合与第三转轴动力传动相连，通过电磁离合器和电磁三角离合器可以使得三相异步电动机和第三关节电机交替驱动第三关节运动，从而实现小腿部分弯曲运动或者足球射门动作。

6.如权利要求5所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述运动关节包括球面副和位于小腿支架前后左右四个方向的第二伸缩装置，所述小腿支架下端与足部通过球面副相连，四个第二伸缩装置的本体铰接安装在小腿支架顶部，四个第二伸缩装置底部的伸缩端铰接在足部前后左右四周，通过四个第二伸缩装置的伸缩运动来控制足部绕球面副运动的角度。

7.如权利要求6所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述足部包括足根和足尖，所述足根与小腿支架下端通过运动关节相连，足尖通过足部关节安装在足根上，通过足部关节可以调节足尖勾起角度。

8.如权利要求7所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述足部关节包括第四转轴和足部电机，所述第四转轴通过轴承安装在足根前端，足尖固定安装在第四转轴上，足部电机安装在足根中空的内部，并且与第四转轴动力传动相连。

9.如权利要求1至8任意一项所述的足球射门机器人的机械腿，其特征在于：所述行走载体包括行走底盘和设于行走底盘上的麦克纳姆轮系。