CN109795576B - 一种类人双足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类人双足机器人，其包括含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构和大力矩输出的二自由度类人髋关节结构；大腿结构中设计了轻量化膝关节，将交流伺服电动推杆设计安装在大腿结构中，通过曲柄连杆机构传动实现轻量化膝关节大力矩输出的单自由度运动，调节大腿配重单元可以调整大腿结构的质量、质心及转动惯量，可根据实验需要选取相应的小腿假肢与大腿结构中的膝关节相连；所述的二自由度类人髋关节结构，通过大力矩交流伺服电机、同步带传动、并联二自由度结构实现髋关节的二自由度运动，其上可添加配重用于调节类人双足机器人质量、质心及转动惯量。本发明可以用于进行相关的人体步态研究、下肢机电产品检测与开发等。
Description
技术领域
本发明属于双足机器人领域，具体涉及一种类人双足机器人。
背景技术
双足机器人技术是综合了计算机、现代控制论、人工智能、机构运动学和动力学传感器技术、仿生学等多学科最新研究成果而形成的高新技术，也是当代科学研究中非常活跃、应用日益广泛的领域之一。双足机器人的研究已经经历了一个较长的发展过程，现国内外已有各类双足机器人如日本本田ASIMO机器人、波士顿双足机器人Altas、双足机器人Cassie、清华大学双足机器人THBIP等。
目前大部分双足机器人都存在一个普遍特点，其主要关注点是机器人的平稳运动实现，步态的运动相对较为固定，髋关节和膝关节关节驱动力拒较小，与人体的真实步态运动相比有较大的差别，较难与人体的步态研究相结合。
发明内容
本发明的目的是完善现有双足机器人存在的不足，并提供一种新型的类人双足机器人。该类人双足机器人含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构，大力矩输出的二自由度类人髋关节结构，双足机器人各项参数与人体下肢参数相近，机器人的运动更接近于人体的真实步态运动。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种类人双足机器人，它包括两组对称的子结构，每组子结构中均包括一个含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构和一个大力矩输出的二自由度类人髋关节结构；
每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构由大力矩输出的二自由度类人髋关节结构带动实现沿矢状面与冠状面的二自由度运动；
每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构包括大腿上连接板、交流伺服电动推杆、四根大腿连接杆、大腿下连接板、大腿配重单元、第一膝关节连杆、第二膝关节连杆、第一圆柱销轴、第二圆柱销轴、两个第一深沟球轴承、膝关节连接轴、两个膝关节轴支架固定座和膝关节小腿连接件；大腿上连接板与髋关节连接平台底侧连接固定；交流伺服电动推杆后法兰与大腿上连接板连接固定；四根大腿连杆的一端均与大腿上连接板连接固定，另一端均与大腿下连接板连接固定，由大腿上连接板、四根大腿连接杆、大腿下连接板共同构成大腿的空间结构；所述大腿配重单元至少有两个，安装在大腿连接杆上，且与大腿连接杆构成滑动副，能够沿大腿连接杆上下滑动；第一膝关节连杆一端通过第一圆柱销轴与交流伺服电动推杆连接头铰接；第一膝关节连杆另一端通过第二圆柱销轴与第二膝关节连杆一端铰接；第二膝关节连杆中设有第一深沟球轴承外圈的轴肩，两个第一深沟球轴承分别安装在第二膝关节连杆的两侧；两个膝关节轴支架固定座固定安装在大腿下连接板上，膝关节连接轴固定安装在两个膝关节轴支架固定座上，且第二膝关节连杆中的两个第一深沟球轴承套设于膝关节连接轴上构成转动副；膝关节小腿连接件与第二膝关节连杆固定连接；小腿假肢安装于膝关节小腿连接件下方，在膝关节小腿连接件的带动下摆动。
作为优选，每个所述的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构包括髋关节腰板、第一交流伺服电机、第二交流伺服电机、第一直角减速器、第二直角减速器、第一减速器固定支架、第二减速器固定支架、第一同步带、第一同步带轮、第二同步带轮、第二同步带、第三同步带轮、第四同步带轮、第一髋关节轴、第二髋关节轴、第一髋关节圆柱固定座、第二髋关节圆柱固定座、四个第二深沟球轴承、第一髋关节连杆、第二髋关节连杆、第三髋关节连杆、第四髋关节连杆、两个第三圆柱销轴、两个第四圆柱销轴和髋关节连接平台；所述第一交流伺服电机输出轴插入第一直角减速器，第一交流伺服电机前法兰和第一直角减速器连接；第一直角减速器通过第一减速器固定支架固定于髋关节腰板上，第一直角减速器输出轴穿过第一减速器固定支架后，通过平键与第一同步带轮固定，第一同步带轮与第一直角减速器输出轴锁紧；第一同步带轮、第一同步带和第二同步带轮共同构成同步带传送结构；第二同步带轮安装在第一髋关节轴一侧，第一髋关节轴通过平键与第二同步带轮连接固定，第二同步带轮与第一髋关节轴锁紧；第一髋关节圆柱固定座安装在髋关节腰板矢状面一侧的定位孔上，两个第二深沟球轴承分别安装在第一髋关节圆柱固定座上；第一髋关节连杆一端打有通孔与键槽，与第一髋关节轴通过平键连接；第一髋关节轴依次穿过第二同步带轮、第一个第二深沟球轴承、第一髋关节连杆、第二个第二深沟球轴承；两个第二深沟球轴承用于支撑第一髋关节轴，保证第一髋关节轴轴线与髋关节腰板矢状面始终垂直；第一髋关节连杆另一端与第二髋关节连杆一端通过第三圆柱销轴铰接；第二髋关节连杆另一端与髋关节连接平台通过第四圆柱销轴铰接；所述第二交流伺服电机输出轴插入第二直角减速器，第二交流伺服电机前法兰和第二直角减速器连接；第二直角减速器通过第二减速器固定支架固定于髋关节腰板上，第二直角减速器输出轴穿过第二减速器固定支架后，通过平键与第三同步带轮固定，第三同步带轮与第二直角减速器输出轴锁紧；第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮共同构成同步带传送结构；第四同步带轮安装在第二髋关节轴一侧，第二髋关节轴通过平键与第四同步带轮连接固定，第四同步带轮与第二髋关节轴锁紧；第二髋关节圆柱固定座安装在髋关节腰板冠状面一侧的定位孔上，两个第二深沟球轴承分别安装在第二髋关节圆柱固定座上；第三髋关节连杆一端打有通孔与键槽，与第二髋关节轴通过平键连接；第二髋关节轴依次穿过第四同步带轮、第三个第二深沟球轴承、第三髋关节连杆、第四个第二深沟球轴承；两个第二深沟球轴承用于支撑第二髋关节轴，保证第二髋关节轴轴线与髋关节腰板冠状面始终垂直；第三髋关节连杆另一端与第四髋关节连杆一端通过第三圆柱销轴铰接；第四髋关节连杆另一端与髋关节连接平台通过第四圆柱销轴铰接；髋关节连接平台与所述含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中的大腿上连接板连接固定，实现髋关节连接平台沿矢状面与冠状面的二自由度运动。
作为优选，每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中还包括两个第一轴用弹簧垫圈，分别设于膝关节连接轴上的两个第一深沟球轴承侧部，实现两个第一深沟球轴承的轴向定位。
作为优选，每个所述的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构中还包括六个第二轴用弹簧垫圈和四个孔用弹簧垫圈；其中两个第二轴用弹簧垫圈用于第一髋关节连杆与第一髋关节轴之间的轴向定位；两个孔用弹簧垫圈和一个第二轴用弹簧垫圈用于第一个第二深沟球轴承和第二个第二深沟球轴承的轴向定位；两个第二轴用弹簧垫圈用于第三髋关节连杆与第二髋关节轴之间的轴向定位；两个孔用弹簧垫圈和一个第二轴用弹簧垫圈用于第三个第二深沟球轴承和第四个第二深沟球轴承的轴向定位。
作为优选，每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中，均设有四个大腿配重单元。
作为优选，所述的大腿上连接板上打有通孔与螺纹孔，用于与其他部件安装定位。
作为优选，每块所述的髋关节腰板上开有通孔与螺纹孔，用于与其他部件安装定位。
作为优选，所述的髋关节腰板上附加有用于调节类人双足机器人质量、质心及转动惯量的配重。
作为优选，两组所述的子结构中，两个大力矩输出的二自由度类人髋关节结构以可拆卸形式连接固定。
作为优选，两组所述的子结构沿矢状面镜像对称。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构，充分利用了大腿结构的空间，实现了轻量化膝关节的设计，同时实现了膝关节的大力矩输出，调节大腿配重单元可以调整大腿结构的质量、质心及转动惯量，可以根据需要选取相应的小腿假肢与本大腿结构中的膝关节相连，可以使用该机器人进行相关的人体步态研究、下肢机电产品检测与开发等。
(2)本发明的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构，通过大力矩交流伺服电机、同步带传动、并联二自由度结构实现髋关节的二自由度运动，整体结构设计紧凑，更加接近真实人体髋关节尺寸，其上可添加配重用于调节类人双足机器人质量、质心及转动惯量。
(3)本发明具有扩展功能，可以将类人双足机器人的左右腿拆开，作为下肢外骨骼平台进行实验研究。
附图说明
图1为类人双足机器人结构图；
图2为类人双足机器人含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构；
图3为本发明大腿结构中轻量化大力矩输出膝关节结构的局部视图；
图4为类人双足机器人大力矩输出的二自由度类人髋关节结构；
图5为本发明髋关节结构中同步带传动的局部视图；
图6为本发明髋关节结构中第一髋关节轴安装的局部视图；
图7为大腿结构的质量、质心位置以及转动惯量调整原理图。
图中附图标记为：大腿上连接板1、交流伺服电动推杆2、四根大腿连接杆3、大腿下连接板4、大腿配重单元5、第一膝关节连杆6、第二膝关节连杆7、第一圆柱销轴8、第二圆柱销轴9、第一深沟球轴承10、第一轴用弹簧垫圈11、膝关节连接轴12、膝关节轴支架固定座13、膝关节小腿连接件14、髋关节腰板15、第一交流伺服电机16、第二交流伺服电机17、第一直角减速器18、第二直角减速器19、第一减速器固定支架20、第二减速器固定支架21、第一同步带22、第一同步带轮23、第二同步带轮24、第二同步带25、第三同步带轮26、第四同步带轮27、第一髋关节轴28、第二髋关节轴29、第一髋关节圆柱固定座30、第二髋关节圆柱固定座31、第二深沟球轴承32、第二轴用弹簧垫圈33、孔用弹簧垫圈34、第一髋关节连杆35、第二髋关节连杆36、第三髋关节连杆37、第四髋关节连杆38、第三圆柱销轴39、第四圆柱销轴40、髋关节连接平台41。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个优选实现方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明的一种类人双足机器人，其包括含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构，大力矩输出的二自由度类人髋关节结构。
其中轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构，充分利用了大腿结构的空间，设计了轻量化膝关节，将交流伺服电动推杆设计安装在大腿结构中，通过曲柄连杆机构传动实现轻量化膝关节大力矩输出的单自由度运动，调节大腿配重单元可以调整大腿结构的质量、质心及转动惯量，可根据实验需要选取相应的小腿假肢与大腿结构中的膝关节相连；所述的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构，通过大力矩交流伺服电机、同步带传动、并联二自由度结构实现髋关节的二自由度运动，大力矩输出的二自由度类人髋关节结构设计紧凑，更加接近真实人体髋关节尺寸，其上可添加配重用于调节类人双足机器人质量、质心及转动惯量。本发明的类人双足机器人膝关节具有轻量化、大力矩输出、结构紧凑的特点，髋关节结构可实现大力矩输出的二自由度运动，类人双足机器人的各项参数与人体下肢参数相近，机器人的运动更接近于人体的真实步态运动，可以使用该机器人进行相关的人体步态研究、下肢机电产品检测与开发等。交流伺服电机、交流伺服电动推杆的电机型号需根据其功能要求进行选择。
本发明的类人双足机器人运动可以采用现有的双足机器人控制技术实现，上位机通过给控制单元发送指令，控制交流伺服电机和交流伺服电动推杆。本发明可以根据实验需要在相应位置安装传感器，搭建传感器反馈系统。通过电机编码器，传感器系统反馈的信息检测机器人的实际运动状态，通过上位机控制驱动电机输出，实现类人双足机器人的稳定站立、行走或其他步态运动。当然，上位机、传感器等并非本发明机器人的必要部件，可以根据需要进行选配。
下面介绍本发明的一种最佳实施例的实现方式。实施例中的基本结构与前述一致，下面结合附图描述其部分细节和工作流程。
图1展示了类人双足机器人的总体结构，它主要是包括两组对称的子结构，每组子结构中均包括一个含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构和一个大力矩输出的二自由度类人髋关节结构。每个大腿结构由大力矩输出的二自由度类人髋关节结构带动实现沿矢状面与冠状面的二自由度运动。
本实施例中为了实现双足机器人的自动控制，还设有与上位机相连的控制单元，与膝关节连接安装一种被动储能踝关节的小腿假肢，相应的配重安装在髋关节结构的腰板上，在大腿结构和小腿假肢上可以安装有惯性传感器。
图2、图3分别为类人双足机器人中含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构、大腿结构中轻量化大力矩输出膝关节结构的局部视图。每个大腿结构包括大腿上连接板1、交流伺服电动推杆2、四根大腿连接杆3、大腿下连接板4、大腿配重单元5、第一膝关节连杆6、第二膝关节连杆7、第一圆柱销轴8、第二圆柱销轴9、两个第一深沟球轴承10、两个第一轴用弹簧垫圈11、膝关节连接轴12、两个膝关节轴支架固定座13和膝关节小腿连接件14。大腿上连接板1上打有通孔与螺纹孔用于与其他部件进行安装定位。大腿上连接板1与髋关节连接平台41底侧通过四个螺钉连接固定；交流伺服电动推杆2后法兰与大腿上连接板1通过四个螺钉连接固定；四根大腿连杆3两端均带有外螺纹，一端均与大腿上连接板1连接固定，另一端均与大腿下连接板4连接固定；大腿上连接板1、四根大腿连接杆3、大腿下连接板4共同构成了大腿的空间结构，而膝关节结构容纳于大腿空间结构中。第一膝关节连杆6一端通过第一圆柱销轴8与交流伺服电动推杆2连接头铰接；第一膝关节连杆6另一端通过第二圆柱销轴9与第二膝关节连杆7一端铰接；第二膝关节连杆7中设计有第一深沟球轴承10外圈的轴肩，两个第一深沟球轴承10分别安装在第二膝关节连杆7的两侧。两个膝关节轴支架固定座13固定安装在大腿下连接板4上，膝关节连接轴12固定安装在两个膝关节轴支架固定座13上。从右往左，膝关节连接轴12依次通过一个第一轴用弹簧垫圈11、一个第一深沟球轴承10、另一个第一深沟球轴承10、另一个第一轴用弹簧垫圈11。两个第一轴用弹簧垫圈11用于两个第一深沟球轴承10的轴向定位。由此，第二膝关节连杆7通过两个第一深沟球轴承10套设于膝关节连接轴12上构成转动副。膝关节小腿连接件14通过螺钉与第二膝关节连杆7固定连接。控制交流伺服电动推杆2的伸缩，通过第一膝关节连杆6、第二膝关节连杆7的曲柄连杆机构传动，可以实现膝关节小腿连接件14大力矩输出的单自由度转动。将小腿假肢安装于膝关节小腿连接件14下方，即可在膝关节小腿连接件14的带动下摆动。本例中选取的被动储能踝关节的小腿假肢与膝关节小腿连接件14相连。
另外，在本实施例中，大腿配重单元5至少有两个，安装在大腿连接杆3上，且与大腿连接杆3构成滑动副，能够沿大腿连接杆3上下滑动，通过改变大腿配重单元5的质量与空间位置调整大腿结构的质量、质心位置以及转动惯量，大腿结构的质量、质心位置以及转动惯量调整原理图如图7所示。图中M为类人双足机器人已知的大腿结构的质量，X为已知的大腿结构的质心，J为已知的大腿结构绕点O的转动惯量，m1、m2为要附加的大腿配重单元5的质量，X1、X2为要附加的大腿配重单元5的质心在大腿结构上的位置坐标。如果要使得调整的目标：大腿总质量为MT，质心位置为XT，绕点O的转动惯量为JT。则可以列出以下方程。
M+m1+m2＝MT (1-1)
J+m1X1 2+m2X2 2＝JT (1-3)
只要按照设计的要求取m1、m2为合适的值，则根据(1-2)(1-3)式就可以求得所需要的安装位置X1、X2，即只要使用两块配重单元5，就可以实现对大腿结构质量、质心以及转动惯量的调整。
但考虑本机器人大腿结构的对称性，作为一种优选方案，这里采用四个大腿配重单元5，按图2形式套设于四根大腿连接杆3上。四个大腿配重单元5安装在四根大腿连接杆3上，可以上下滑动，通过改变大腿配重单元5的质量与空间位置调整大腿结构的质量、质心位置以及转动惯量。安装在小腿假肢上的传感器将小腿假肢步态信息反馈给上位机，上位机通过给控制单元发送指令，控制交流伺服电动推杆2的运动，使膝关节实现实验需要达到的单自由度运动。
图4、图5、图6分别为类人双足机器人的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构、髋关节结构中同步带传动的局部视图、髋关节结构中第一髋关节轴安装的局部视图。髋关节腰板15上开有各类通孔与螺纹孔，用于二自由度类人髋关节结构中其他部件的定位安装。在髋关节腰板15上可添加配重用于调节类人双足机器人质量、质心及转动惯量。髋关节结构在矢状面和冠状面的二自由度运动通过交流伺服电机驱动、同步带传动、并联二自由度结构实现。
每个大力矩输出的二自由度类人髋关节结构包括髋关节腰板15、第一交流伺服电机16、第二交流伺服电机17、第一直角减速器18、第二直角减速器19、第一减速器固定支架20、第二减速器固定支架21、第一同步带22、第一同步带轮23、第二同步带轮24、第二同步带25、第三同步带轮26、第四同步带轮27、第一髋关节轴28、第二髋关节轴29、第一髋关节圆柱固定座30、第二髋关节圆柱固定座31、四个第二深沟球轴承32、六个第二轴用弹簧垫圈33、四个孔用弹簧垫圈34、第一髋关节连杆35、第二髋关节连杆36、第三髋关节连杆37、第四髋关节连杆38、两个第三圆柱销轴39、两个第四圆柱销轴40和髋关节连接平台41。
髋关节结构在矢状面的自由度通过如下传动实现：第一交流伺服电机16输出轴插入第一直角减速器18，第一交流伺服电机16前法兰和第一直角减速器18连接；第一直角减速器18通过第一减速器固定支架20固定于髋关节腰板15上，第一直角减速器18输出轴穿过第一减速器固定支架20后，通过平键与第一同步带轮23固定，第一同步带轮23与第一直角减速器18输出轴通过紧固螺钉锁紧。第一同步带轮23、第一同步带22和第二同步带轮24共同构成同步带传送结构。第二同步带轮24安装在第一髋关节轴28右侧，第一髋关节轴28通过平键与第二同步带轮24连接固定，第二同步带轮24与第一髋关节轴28通过紧固螺钉锁紧。第一髋关节圆柱固定座30安装在髋关节腰板15矢状面一侧的定位孔上，两个第二深沟球轴承32、两个孔用弹簧垫圈34分别安装在第一髋关节圆柱固定座30上。第一髋关节连杆35一端打有通孔与键槽，与第一髋关节轴28通过平键连接。从右往左，第一髋关节轴28依次穿过第二同步带轮24、第一个第二深沟球轴承32、第一个孔用弹簧垫圈34、第一个第二轴用弹簧垫圈33、第一髋关节连杆35、第二个第二轴用弹簧垫圈33、第二个孔用弹簧垫圈34、第二个第二深沟球轴承32、第三个第二轴用弹簧垫圈33。其中两个第二深沟球轴承32用于支撑第一髋关节轴28，保证第一髋关节轴28轴线与髋关节腰板15矢状面始终垂直；两个第二轴用弹簧垫圈33用于第一髋关节连杆35与第一髋关节轴28的轴向定位；两个孔用弹簧垫圈34和另一个第二轴用弹簧垫圈33用于两个第二深沟球轴承32的轴向定位。第一髋关节连杆35另一端与第二髋关节连杆36一端通过第三圆柱销轴39铰接；第二髋关节连杆36另一端与髋关节连接平台41通过第四圆柱销轴40铰接。
同样的，髋关节结构在冠状面的自由度通过如下传动实现：第二交流伺服电机17输出轴插入第二直角减速器19，第二交流伺服电机17前法兰和第二直角减速器19连接；第二直角减速器19通过第二减速器固定支架21固定于髋关节腰板15上，第二直角减速器19输出轴穿过第二减速器固定支架21后，通过平键与第三同步带轮26固定，第三同步带轮26与第二直角减速器19输出轴通过紧固螺钉锁紧。第三同步带轮26、第二同步带25和第四同步带轮27共同构成同步带传送结构。第四同步带轮27安装在第二髋关节轴29右侧，第二髋关节轴29通过平键与第四同步带轮27连接固定，第四同步带轮27与第二髋关节轴29通过紧固螺钉锁紧。第二髋关节圆柱固定座31安装在髋关节腰板15冠状面一侧的定位孔上，两个第二深沟球轴承32、两个孔用弹簧垫圈34分别安装在第二髋关节圆柱固定座31上；第三髋关节连杆37一端打有通孔与键槽，与第二髋关节轴29通过平键连接。从右往左，第二髋关节轴29依次穿过第四同步带轮27、第三个第二深沟球轴承32、第三个孔用弹簧垫圈34、第四个第二轴用弹簧垫圈33、第三髋关节连杆37、第五个第二轴用弹簧垫圈33、第四个孔用弹簧垫圈34、第四个第二深沟球轴承32、第六个第二轴用弹簧垫圈33；两个第二深沟球轴承32用于支撑第二髋关节轴29，保证第二髋关节轴29轴线与髋关节腰板15冠状面始终垂直；两个第二轴用弹簧垫圈33用于第三髋关节连杆37与第二髋关节轴29的轴向定位；两个孔用弹簧垫圈34和一个第二轴用弹簧垫圈33用于两个第二深沟球轴承32的轴向定位；第三髋关节连杆37另一端与第四髋关节连杆38一端通过第三圆柱销轴39铰接；第四髋关节连杆38另一端与髋关节连接平台41通过第四圆柱销轴40铰接。髋关节连接平台41具有空间二自由度，与含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中的大腿上连接板1通过四个螺钉连接固定。安装在大腿假肢上的传感器将大腿结构的步态态信息反馈给上位机，上位机通过给控制单元发送指令，控制第一交流伺服电机16、第二交流伺服电机17的运动，实现髋关节连接平台41矢状面与冠状面的二自由度运动，即髋关节实现实验需要达到的二自由度运动。
本发明的类人双足机器人的工作流程是：上位机通过给控制单元发送指令，控制单元可向两个第一交流伺服电机16、两个第二交流伺服电机17、两个交流伺服电动推杆2发送对应信号，控制驱动电机的运动实现机器人髋关节与膝关节的相应运动，通过电机编码器，传感器系统反馈的信息检测机器人的实际运动状态，通过上位机控制驱动电机输出，实现类人双足机器人的稳定站立、行走或其他步态运动。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种类人双足机器人，其特征在于：包括两组对称的子结构，每组子结构中均包括一个含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构和一个大力矩输出的二自由度类人髋关节结构；
每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构由大力矩输出的二自由度类人髋关节结构带动实现沿矢状面与冠状面的二自由度运动；
每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构包括大腿上连接板(1)、交流伺服电动推杆(2)、四根大腿连接杆(3)、大腿下连接板(4)、大腿配重单元(5)、第一膝关节连杆(6)、第二膝关节连杆(7)、第一圆柱销轴(8)、第二圆柱销轴(9)、两个第一深沟球轴承(10)、膝关节连接轴(12)、两个膝关节轴支架固定座(13)和膝关节小腿连接件(14)；大腿上连接板(1)与髋关节连接平台(41)底侧连接固定；交流伺服电动推杆(2)后法兰与大腿上连接板(1)连接固定；四根大腿连接杆(3)的一端均与大腿上连接板(1)连接固定，另一端均与大腿下连接板(4)连接固定，由大腿上连接板(1)、四根大腿连接杆(3)、大腿下连接板(4)共同构成大腿的空间结构；所述大腿配重单元(5)至少有两个，安装在大腿连接杆(3)上，且与大腿连接杆(3)构成滑动副，能够沿大腿连接杆(3)上下滑动；第一膝关节连杆(6)一端通过第一圆柱销轴(8)与交流伺服电动推杆(2)连接头铰接；第一膝关节连杆(6)另一端通过第二圆柱销轴(9)与第二膝关节连杆(7)一端铰接；第二膝关节连杆(7)中设有第一深沟球轴承(10)外圈的轴肩，两个第一深沟球轴承(10)分别安装在第二膝关节连杆(7)的两侧；两个膝关节轴支架固定座(13)固定安装在大腿下连接板(4)上，膝关节连接轴(12)固定安装在两个膝关节轴支架固定座(13)上，且第二膝关节连杆(7)中的两个第一深沟球轴承(10)套设于膝关节连接轴(12)上构成转动副；膝关节小腿连接件(14)与第二膝关节连杆(7)固定连接；小腿假肢安装于膝关节小腿连接件(14)下方，在膝关节小腿连接件(14)的带动下摆动。
2.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：每个所述的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构包括髋关节腰板(15)、第一交流伺服电机(16)、第二交流伺服电机(17)、第一直角减速器(18)、第二直角减速器(19)、第一减速器固定支架(20)、第二减速器固定支架(21)、第一同步带(22)、第一同步带轮(23)、第二同步带轮(24)、第二同步带(25)、第三同步带轮(26)、第四同步带轮(27)、第一髋关节轴(28)、第二髋关节轴(29)、第一髋关节圆柱固定座(30)、第二髋关节圆柱固定座(31)、四个第二深沟球轴承(32)、第一髋关节连杆(35)、第二髋关节连杆(36)、第三髋关节连杆(37)、第四髋关节连杆(38)、两个第三圆柱销轴(39)、两个第四圆柱销轴(40)和髋关节连接平台(41)；所述第一交流伺服电机(16)输出轴插入第一直角减速器(18)，第一交流伺服电机(16)前法兰和第一直角减速器(18)连接；第一直角减速器(18)通过第一减速器固定支架(20)固定于髋关节腰板(15)上，第一直角减速器(18)输出轴穿过第一减速器固定支架(20)后，通过平键与第一同步带轮(23)固定，第一同步带轮(23)与第一直角减速器(18)输出轴锁紧；第一同步带轮(23)、第一同步带(22)和第二同步带轮(24)共同构成同步带传送结构；第二同步带轮(24)安装在第一髋关节轴(28)一侧，第一髋关节轴(28)通过平键与第二同步带轮(24)连接固定，第二同步带轮(24)与第一髋关节轴(28)锁紧；第一髋关节圆柱固定座(30)安装在髋关节腰板(15)矢状面一侧的定位孔上，两个第二深沟球轴承(32)分别安装在第一髋关节圆柱固定座(30)上；第一髋关节连杆(35)一端打有通孔与键槽，与第一髋关节轴(28)通过平键连接；第一髋关节轴(28)依次穿过第二同步带轮(24)、第一个第二深沟球轴承(32)、第一髋关节连杆(35)、第二个第二深沟球轴承(32)；两个第二深沟球轴承(32)用于支撑第一髋关节轴(28)，保证第一髋关节轴(28)轴线与髋关节腰板(15)矢状面始终垂直；第一髋关节连杆(35)另一端与第二髋关节连杆(36)一端通过第三圆柱销轴(39)铰接；第二髋关节连杆(36)另一端与髋关节连接平台(41)通过第四圆柱销轴(40)铰接；
所述第二交流伺服电机(17)输出轴插入第二直角减速器(19)，第二交流伺服电机(17)前法兰和第二直角减速器(19)连接；第二直角减速器(19)通过第二减速器固定支架(21)固定于髋关节腰板(15)上，第二直角减速器(19)输出轴穿过第二减速器固定支架(21)后，通过平键与第三同步带轮(26)固定，第三同步带轮(26)与第二直角减速器(19)输出轴锁紧；第三同步带轮(26)、第二同步带(25)和第四同步带轮(27)共同构成同步带传送结构；第四同步带轮(27)安装在第二髋关节轴(29)一侧，第二髋关节轴(29)通过平键与第四同步带轮(27)连接固定，第四同步带轮(27)与第二髋关节轴(29)锁紧；第二髋关节圆柱固定座(31)安装在髋关节腰板(15)冠状面一侧的定位孔上，两个第二深沟球轴承(32)分别安装在第二髋关节圆柱固定座(31)上；第三髋关节连杆(37)一端打有通孔与键槽，与第二髋关节轴(29)通过平键连接；第二髋关节轴(29)依次穿过第四同步带轮(27)、第三个第二深沟球轴承(32)、第三髋关节连杆(37)、第四个第二深沟球轴承(32)；两个第二深沟球轴承(32)用于支撑第二髋关节轴(29)，保证第二髋关节轴(29)轴线与髋关节腰板(15)冠状面始终垂直；第三髋关节连杆(37)另一端与第四髋关节连杆(38)一端通过第三圆柱销轴(39)铰接；第四髋关节连杆(38)另一端与髋关节连接平台(41)通过第四圆柱销轴(40)铰接；髋关节连接平台(41)与所述含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中的大腿上连接板(1)连接固定，实现髋关节连接平台(41)沿矢状面与冠状面的二自由度运动。
3.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中还包括两个第一轴用弹簧垫圈(11)，分别设于膝关节连接轴(12)上的两个第一深沟球轴承(10)侧部，实现两个第一深沟球轴承(10)的轴向定位。
4.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：每个所述的大力矩输出的二自由度类人髋关节结构中还包括六个第二轴用弹簧垫圈(33)和四个孔用弹簧垫圈(34)；其中两个第二轴用弹簧垫圈(33)用于第一髋关节连杆(35)与第一髋关节轴(28)之间的轴向定位；两个孔用弹簧垫圈(34)和一个第二轴用弹簧垫圈(33)用于第一个第二深沟球轴承(32)和第二个第二深沟球轴承(32)的轴向定位；两个第二轴用弹簧垫圈(33)用于第三髋关节连杆(37)与第二髋关节轴(29)之间的轴向定位；两个孔用弹簧垫圈(34)和一个第二轴用弹簧垫圈(33)用于第三个第二深沟球轴承(32)和第四个第二深沟球轴承(32)的轴向定位。
5.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：每个所述的含轻量化大力矩输出膝关节的大腿结构中，均设有四个大腿配重单元(5)。
6.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：所述的大腿上连接板(1)上打有通孔与螺纹孔，用于与其他部件安装定位。
7.如权利要求2所述的类人双足机器人，其特征在于：每块所述的髋关节腰板(15)上开有通孔与螺纹孔，用于与其他部件安装定位。
8.如权利要求2所述的类人双足机器人，其特征在于：所述的髋关节腰板(15)上附加有用于调节类人双足机器人质量、质心及转动惯量的配重。
9.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：两组所述的子结构中，两个大力矩输出的二自由度类人髋关节结构以可拆卸形式连接固定。
10.如权利要求1所述的类人双足机器人，其特征在于：两组所述的子结构沿矢状面镜像对称。
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