CN109733502B - 一种机器人腿部结构及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种机器人腿部结构，包括与机器人主体连接的支架、驱动机构和腿部机构，所述驱动机构固定在所述支架上，所述腿部机构包括一平行四边形的连杆机构，所述驱动机构所述连杆机构中两条相邻连杆同轴线独立转动，使所述上连杆或者所述下连杆与所述前连杆连接处的转动关节向前弯曲或者向后弯曲，所述前连杆的一端向下延伸形成小腿，小腿的底端设有足部，通过上述方案，使机器人的腿部结构可以完成更多的精细动作，增强了机器人运动时的灵活性。

Description

一种机器人腿部结构及机器人

技术领域

本申请涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人腿部结构和具有该腿部结构的机器人。

背景技术

机器人技术是目前世界各国科研人员公认的高新技术，它集合了机械设计、计算机与信息处理技术、自动化、传感器应用技术和人工智能技术等多门学科的最新研究成果，可以说机器人技术是当之无愧的机电一体化技术的综合体。

目前各国研究的移动式机器人主要包括轮式机器人、足式机器人和履带式机器人。无论哪种形式的机器人都可以平稳的通过波纹比较小的地面，但是当地面波纹比较大的时候，就会使轮式机器人的能量损耗现象加重，尤其需要指出的是轮式机器人在波纹浮动较大且较软的路面上根本无法正常工作。相比之下，履带式的机器人可以在波纹浮动较大且较软的路面上移动，但机动性会降低而且这种机器人的机身也会出现明显的振动使得运动不平稳。现在研制的足式机器人正好弥补了那两种移动机构的缺陷，成为研究热点。研究人员从动物身上得到灵感设计了很多仿生足式机器人。该类机器人对路况要求相对较低，仅需要有足够多的离散立足点就可以实现稳定行走， Boston Dynamics公司研发的SPOTMINI机器狗已经有能力处理一些简单的家务，能上下楼梯，但是，在它上楼梯后，需要调转180度才能继续下楼梯，这是由于它的腿部结构只能朝单一方向弯曲引起的。

发明内容

鉴于目前机器人腿部结构存在的上述不足，本申请提供一种机器人腿部结构，能够向前、后两个方向弯曲，进而实现更多的腿部动作控制。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

一种机器人腿部结构，包括与机器人主体机构连接的支架、驱动机构和腿部机构，所述驱动机构固定在所述支架上，所述腿部机构包括后连杆、上连杆、前连杆和下连杆，所述后连杆、上连杆、前连杆和下连杆依次配合形成连杆机构，且形成的所述连杆机构在与转动轴线垂直的平面内的投影为平行四边形，所述驱动机构与所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆在转动轴线处联动连接，驱动所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述上连杆或者所述下连杆与所述前连杆连接处的转动关节向前弯曲或者向后弯曲，所述前连杆的一端向下延伸形成小腿，小腿的底端设有足部。

所述支架用来与机器人的躯体或者其它机构进行连接，所述驱动机构用来提供动力，所述腿部机构在驱动机构的驱动下，实现多种腿部动作。在本申请中，所述后连杆、上连杆、下连杆和前连杆构成了一个平行四边形的连杆机构，并采用驱动机构对两条相邻的连杆进行独立的控制，即后连杆和上连杆，或者后连杆和下连杆进行独立的控制，不仅使连杆机构中各连杆的转动范围不受限制，而且可以以不同的方向和/或不同的速度独立转动，实现更精细的腿部动作控制。具体的，当驱动机构控制后连杆和与后连杆相邻的连杆的同速同向转动时，可以实现足部的圆周摆动；当驱动机构控制后连杆和与后连杆相邻的连杆以相反的方向运动，或者以同向但不同速度的方式运动时，相邻两个连杆的夹角可以在0度至360度之间变化，进而使腿部结构即可以向前弯曲，又可以向后弯曲，且当相邻两个连杆的夹角等于0度或者180度时，所述连杆在同一直线上，即实现把腿完全伸展或者缩回的动作。在此，对驱动机构的类型不做限定，只要是能够驱动后连杆和与后连杆相邻的任意连杆能够独立转动的所有驱动机构都适用于本申请。

优选的，所述驱动机构包括两台独立转动且转动轴线同轴设置的电机，其中一台所述电机在所述转动轴线处与所述后连杆联动连接，另一台所述电机在所述转动轴线处与所述上连杆或者所述下连杆联动连接。驱动机构采用两台独立且转动轴线同轴设置的电机，使动力的输出轴线、动力的输入轴线以及相邻两连杆的转动轴线重合，提高了能量传动的效率，且由电机可以直接实现速度和方向的灵活控制，具体的，由于电机的转动轴可以实现圆周转动，当控制第一电机和第二电机的同速同向转动时，可以实现足部的圆周摆动；当两个电机以相反的方向运动，或者以同向但不同速度的方式运动时，相邻两个连杆的夹角可以在0度至360度之间变化，进而使腿部结构即可以向前弯曲，又可以向后弯曲，且当相邻两个连杆的夹角等于0 度或者180度时，实现两个电机的转动轴线和所有的关节的转动轴线在与轴线垂直平面上的投影点的连线在同一直线上，即实现把腿完全伸展或者缩回的动作。

优选的，所述电机设置在所述后连杆与所述上连杆的转动轴线处时，所述后连杆与所述上连杆间隔设置且转动轴线重合，或者所述后连杆与所述上连杆转动连接；

或者，所述电机设置在所述后连杆与所述下连杆的转动轴线处时，所述后连杆与所述下连杆间隔设置且转动轴线重合，或者所述后连杆与所述下连杆转动连接。

由于所述电机的输出轴在于所述后连杆和与所述后连杆相邻的连杆联动连接的同时，还可以为所述后连杆和与所述后连杆相邻的连杆提供支撑，故可以将所述后连杆和与所述后连杆相邻的连杆间隔设置，这样可以减少所述后连杆和与所述后连杆相邻的连杆在转动接触面上的摩擦。所述转动连接可以通过现有技术中常见的转动连接方式来实现，例如在所述后连杆和与所述后连杆相邻的连杆之间装上轴承，或者在所述后连杆和与所述后连杆相邻的连杆之间设置环状凹槽和与环状凹槽相配合的凸起来实现转动连接等。

优选的，所述腿部机构还包括至少一根加固连杆，所述前连杆、上连杆、加固连杆和下连杆依次转动连接形成平行四边形，所述加固连杆与所述后连杆同步转动。在实际的应用中，特别是将腿部设计成仿生形状的时候，所述后连杆的长度远小于所述上连杆或者所述下连杆的长度，故设置加固连杆可以使腿部机构更加稳定。

优选的，所述后连杆、上连杆、下连杆、前连杆和加固连杆均可以设置为杆状、管状、板状、壳体状或者仿生形状中的一种，所述杆状的截面为圆形或者多边形，所述管状的截面为圆形或者多边形，所述壳体状的截面为圆形或者多边形。腿部机构中各连杆主要起连接和支撑作用，其的形状和尺寸可以根据机器人的外观进行适应性的设置，且所述后连杆、上连杆、下连杆和前连杆的形状可以设置为相同的类型，也可以设置为不同的类型，本申请所述的壳体形状是指将其中的一条或者多条连杆设置成带有容置空间的形状，使连杆既具备连杆的功能，又能容纳其他连杆或者零件。所述仿生形状是指模拟自然界生物的形状，例如，将本申请中的所述下连杆设计成与自然界的动物下连杆或者骨骼相似的形状。

优选的，所述后连杆、上连杆、下连杆、前连杆和加固连杆的材质为碳纤维、铝合金、钢、镁铝合金、镁合金、钛合金、或者高分子材料中的一种。腿部机构的材质可以根据需要，例如，成本控制、性能控制等进行选用，更优选的，所述后连杆、上连杆、下连杆和前连杆的材质为碳纤维、铝合金和塑料。

优选的，还包括侧摆电机，所述侧摆电机的输出轴与所述支架 联动连接，与机器人主体固定连接，所述侧摆电机的转动能带动支架 、驱动机构和腿部机构在垂直于侧摆电机输出轴的平面内摆动。在支架 上设置侧摆电机，使机器人腿部机构不仅能够前后弯曲，还可以实现侧向控制。

本申请的另外一个目的是提供一种机器人，包括如上所述的机器人腿部结构。

本申请实施的优点：本申请提供了一种机器人腿部结构，包括与机器人主体连接的支架、驱动机构和腿部机构，所述驱动机构固定在所述支架上，所述腿部机构包括后连杆、上连杆、前连杆和下连杆，所述后连杆、上连杆、前连杆和下连杆依次配合形成连杆机构，且形成的所述连杆机构在与转动轴线垂直的平面内的投影为平行四边形，所述驱动机构与所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆在转动轴线处联动连接，驱动所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述上连杆或者所述下连杆与所述前连杆连接处的转动关节向前弯曲或者向后弯曲，所述前连杆的一端向下延伸形成小腿，小腿的底端设有足部，通过上述方案，使机器人的腿部机构可以完成更多的精细动作，增强了机器人运动时的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例所述的一种机器人腿部结构的结构示意图；

图2为本申请实施例所述的一种机器人腿部结构的结构示意图；

图3为本申请实施例所述的一种机器人腿部结构的结构示意图；

图4为本申请实施例所述的一种机器人腿部结构的向前弯曲的结构示意图；

图5为本申请实施例所述的一种机器人腿部结构的向后弯曲的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1至图5所示，一种机器人腿部结构，包括与机器人主体机构连接的支架1、驱动机构2和腿部机构3，所述驱动机构2固定在所述支架1上，所述腿部机构3包括后连杆301、上连杆302、前连杆303和下连杆304，所述后连杆301、上连杆302、前连杆303和下连杆304依次配合形成连杆机构，且形成的所述连杆机构在与转动轴线垂直的平面内的投影为平行四边形，所述驱动机构2与所述后连杆301和与所述后连杆 301相邻的任意连杆在转动轴线处联动连接，驱动所述后连杆 301和与所述后连杆301相邻的任意连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述上连杆302或者所述下连杆304与所述前连杆303 连接处的转动关节向前弯曲或者向后弯曲，所述前连杆303的一端向下延伸形成小腿305，小腿305的底端设有足部306。

为使结构简单，操作更加便捷，在本申请的部分实施例中，如图1至图3所示，所述驱动机构2设置为两台独立转动且转动轴线同轴设置的电机，其中一台所述电机在所述转动轴线处与所述后连杆301联动连接，另一台所述电机在所述转动轴线处与所述上连杆302或者所述下连杆304联动连接。其中，联动连接可以采用现有技术中常用的方式，例如，将转轴与连杆固结，或者通过联轴器连接，所述电机可以采用采用伺服电机；此外，为了方便电机的设置，在本申请的一部分实施例中，所述支架1设置为∩形或者П形，两个所述电机设置在∩形或者П形的开口处且相对设置，并经过调试，使两个所述电机的转动轴线重合。

在本申请的部分实施例中，所述电机可以设置在所述后连杆301与所述上连杆302的转动轴线处；在本申请的另外的部分实施例中，所述电机设置在所述后连杆301与所述下连杆304 的转动轴线处。当设置在所述后连杆301与所述上连杆302的转动轴线处时，所述的腿部机构3的具体结构为：如图1所示，所述上连杆302的一端与驱动机构2通过第一联动关节307联动连接，另一端与所述前连杆303通过第一转动关节308转动连接，所述后连杆301的一端与所述驱动机构2通过第二联动关节309联动连接，另一端与所述下连杆304的一端通过第二转动关节310转动连接，所述下连杆304的另一端与前连杆303 通过第三转动关节311转动连接，所述第一联动关节307和第二联动关节309的转动轴线重合，且所述后连杆301、上连杆 302、前连杆303和下连杆304在与转动轴线垂直的屏幕内的投影为平行四边形，所述前连杆303的下端向下延伸设有小腿 305，小腿305的底端设有足部306。当设置在所述后连杆301 与所述下连杆304的转动轴线处时，如图2或者图3所示，所述下连杆304的一端与驱动机构2通过第三联动关节312联动连接，另一端与所述前连杆303通过第四转动关节313转动连接，所述后连杆301的一端与所述驱动机构2通过第四联动关节314联动连接，另一端与所述上连杆302的一端通过第五转动关节315转动连接，所述上连杆302的另一端与前连杆303 通过第六转动关节316转动连接，所述第三联动关节312和所述第四联动关节314的转动轴线重合，且所述后连杆301、上连杆302、前连杆303和下连杆304的转动关节的连线，在与转动轴线垂直的屏幕内的投影为平行四边形，所述驱动机构2 驱动所述下连杆304和所述后连杆301转动时，使所述下连杆 304和所述后连杆301的绕相同的转动轴线转动，所述前连杆 303的下端向下延伸设有小腿305，小腿305的底端设有足部 306。

在本申请的部分实施例中，与电机连接的转动关节处的结构可以有多种设置方式，具体的，当所述电机设置在所述后连杆301与所述上连杆302的转动轴线处时，所述后连杆301与所述上连杆302间隔设置且转动轴线重合，或者使所述后连杆 301与所述上连杆302通过常规的方式进行转动连接(附图中没有示出)，即第一联动关节307和第二联动关节309可以间隔设置或者转动设置；

所述电机设置在所述后连杆301与所述下连杆304的转动轴线处时，所述后连杆301与所述下连杆304间隔设置且转动轴线重合，或者使所述后连杆301与所述下连杆304通过常规的方式进行转动连接(附图中没有示出)，即第三联动关节312 和第四联动关节314可以间隔设置或者转动设置。

在本申请的部分实施例中，所述腿部机构3还包括至少一根加固连杆317，所述加固连杆317与所述后连杆301所述前连杆303、上连杆302、加固连杆317和下连杆304依次转动连接形成平行四边形，所述加固连杆317与所述后连杆301同步转动，具体的，所述加固连杆317与所述上连杆302转动连接，通过第八转动关节319与所述下连杆304转动连接。

在本申请的实施例中，所述后连杆301、上连杆302、下连杆304、前连杆303和加固连杆317均可以设置为杆状、管状、板状，壳体状或者仿生形状中的一种，所述杆状的截面为圆形或者多边形，所述管状的截面为圆形或者多边形，所述壳体状的截面为圆形或者多边形。腿部机构3中各连杆主要起连接和支撑作用，其的形状和尺寸可以根据机器人的外观进行适应性的设置，且所述后连杆301、上连杆302、下连杆304和前连杆303的形状可以设置为相同的类型，也可以设置为不同的类型，本申请所述仿生形状是指模拟自然界生物的形状，例如，将本申请中的所述下连杆304设计成与自然界的动物下连杆304或者骨骼相似的形状。

在本申请的实施例中，所述后连杆301、上连杆302、下连杆304、前连杆303和加固连杆317的材质为碳纤维、铝合金、钢、镁铝合金、镁合金、钛合金、或者高分子材料中的一种。腿部机构3的材质可以根据需要，例如，成本控制、性能控制等进行选用，更优选的，所述后连杆301、上连杆302、下连杆304和前连杆303的材质为碳纤维、铝合金和塑料。

在本申请的部分实施例中，所述机器人腿部结构还包括侧摆电机，所述侧摆电机的输出轴与所述支架 联动连接，与机器人主体固定连接，所述侧摆电机的转动能带动支架、驱动机构 2和腿部机构3在垂直于侧摆电机输出轴的平面内摆动。在支架 上设置侧摆电机，使机器人腿部结构不仅能够前后弯曲，还可以实现侧向控制。

此外，在本申请的实施例中，还包括机器人，所述机器人包括如上所述的机器人腿部结构。

本申请实施的优点：本申请提供了一种机器人腿部结构，包括与机器人主体连接的支架、驱动机构和腿部机构，所述驱动机构固定在所述支架上，所述腿部机构包括后连杆、上连杆、前连杆和下连杆，所述后连杆、上连杆、前连杆和下连杆依次配合形成连杆机构，且形成的所述连杆机构在与转动轴线垂直的平面内的投影为平行四边形，所述驱动机构与所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆在转动轴线处联动连接，驱动所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述上连杆或者所述下连杆与所述前连杆连接处的转动关节向前弯曲或者向后弯曲，所述前连杆的一端向下延伸形成小腿，小腿的底端设有足部，通过上述方案，使机器人的腿部机构可以完成更多的精细动作，增强了机器人运动时的灵活性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本申请公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种机器人腿部结构，包括与机器人主体连接的支架、驱动机构和腿部机构，所述驱动机构固定在所述支架上，其特征在于：所述腿部机构包括后连杆、上连杆、前连杆和下连杆，所述后连杆、上连杆、前连杆和下连杆依次配合形成连杆机构，且形成的所述连杆机构在与转动轴线垂直的平面内的投影为平行四边形，所述驱动机构与所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆在转动轴线处联动连接，驱动所述后连杆和与所述后连杆相邻的任意连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述上连杆或者所述下连杆与所述前连杆连接处的转动关节向前弯曲或者向后弯曲，所述前连杆的一端向下延伸形成小腿，小腿的底端设有足部。

2.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述驱动机构包括两台独立转动且转动轴线同轴设置的电机，其中一台所述电机在所述转动轴线处与所述后连杆联动连接，另一台所述电机在所述转动轴线处与所述上连杆或者所述下连杆联动连接。

3.根据权利要求2所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述电机设置在所述后连杆与所述上连杆的转动轴线处时，所述后连杆与所述上连杆间隔设置且转动轴线重合，或者所述后连杆与所述上连杆转动连接；

或者，所述电机设置在所述后连杆与所述下连杆的转动轴线处时，所述后连杆与所述下连杆间隔设置且转动轴线重合，或者所述后连杆与所述下连杆转动连接。

4.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述腿部机构还包括至少一根加固连杆，所述前连杆、上连杆、加固连杆和下连杆依次转动连接形成平行四边形，所述加固连杆与所述后连杆同步转动。

5.根据权利要求4所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述后连杆、上连杆、下连杆、前连杆和加固连杆均可以设置为杆状、管状、板状、壳体状或者仿生形状中的一种，所述杆状的截面为圆形或者多边形，所述管状的截面为圆形或者多边形，所述壳体状的截面为圆形或者多边形。

6.根据权利要求4所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述后连杆、上连杆、下连杆、前连杆和加固连杆的材质为铝合金、钢、镁合金、钛合金、或者高分子材料中的一种。

7.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，还包括侧摆电机，所述侧摆电机的输出轴与所述支架联动连接，与机器人主体固定连接，所述侧摆电机的转动能带动支架、驱动机构和腿部机构在垂直于侧摆电机输出轴的平面内摆动。

8.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的机器人腿部结构。

Images