CN109848966A - 单驱仿生机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单驱仿生机械腿，包括机体、大腿连杆、小腿连杆、用于驱动大腿连杆和小腿连杆摆动的行动连杆以及用于为行动连杆提供动力的驱动组件；所述大腿连杆上端与机体通过转动副配合连接，所述大腿连杆下端以及行动连杆下端分别与小腿连杆上端通过转动副配合连接并形成两个转动副，所述驱动组件与行动连杆上端驱动配合用于驱动行动连杆摆动从而驱动大腿连杆和小腿连杆相对摆动实现跨步运动；本发明通过单驱动结构驱动机械腿既能够实现机械腿的高效跨步运动又可以实现步形、平衡的复杂控制，可以更好的应用于泛应用于外骨骼系统、越野运输系统、康复训练系统、义肢、机器人底盘等领域。

Description

单驱仿生机械腿

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种单驱仿生机械腿。

背景技术

仿生机械腿是一种模仿动物腿部运用的机械装置，它可给实现类似腿的支撑运动功能，成为重要的支撑运动平台。可广泛应用于医疗康以及工业生产等众多领域。双足或四足机器人、辅助残疾人行走系统、人体外骨骼系统、康复训练系统、人造腿或者它的组成部分、矫形器械和被动锻炼用器械等都是它的具体应用体现。

目前较为常见的仿生机械腿采用电机或者液压动力分关节控制，通过组合控制实现步形运动，面临控制复杂、能效低、续航差、体积大重量大的缺点。尤其是能效低需要配备较大的动力源导致应用受限。另外还有半助力的仿生机械腿，可以帮助负重，但人为控制需要付出较大的代价，尚未达到大规模应用能力。

因此，为解决以上问题，需要一种单驱仿生机械腿，通过驱动系统结合多连杆结构实现多关节的联动，依赖电力或人工驱动，实现圆周运动与步形运动的转换，保持惯性能量，使系统承载能力接近刚性支撑，提升整个系统的效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种单驱仿生机械腿，通过驱动系统结合多连杆结构实现多关节的联动，依赖电力或人工驱动，实现圆周运动与步形运动的转换，保持惯性能量，使系统承载能力接近刚性支撑，提升整个系统的效率。

本发明的单驱仿生机械腿，包括机体、大腿连杆、小腿连杆、用于驱动大腿连杆和小腿连杆摆动的行动连杆以及用于为行动连杆提供动力的驱动组件；所述大腿连杆上端与机体通过转动副配合连接，所述大腿连杆下端以及行动连杆下端分别与小腿连杆上端通过转动副配合连接并形成两个转动副，所述驱动组件与行动连杆上端驱动配合用于驱动行动连杆摆动从而驱动大腿连杆和小腿连杆相对摆动实现跨步运动。

进一步，所述驱动组件包括转动配合安装于机体上的转动轮副、驱动转动轮副转动的驱动装置，所述行动连杆上端与转动轮副偏心转动配合。

进一步，所述驱动组件还包括摇臂组件，所述摇臂组件两端分别通过转动副配合于机体以及行动连杆上端，所述摇臂组件与行动连杆形成的转动副位于转动轮副与行动连杆形成的转动副上方。

进一步，所述摇臂组件包括与行动连杆上端通过转动副配合的摇臂以及通过转动副配合连接于机体上并使得动力输出端摆动的调节机构，所述调节机构的动力输出端与摇臂自由端相对，所述调节机构动力输出端与摇臂自由端通过单自由度滑动副配合连接并且二者之间具有约束相对滑动的力。

进一步，所述转动轮副包括与机体通过转动副配合的主动齿轮以及从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合形成齿轮副传动，所述行动连杆上端与从动齿轮偏心转动配合，所述主动齿轮与驱动装置传动配合。

进一步，所述单驱仿生机械腿还包括通过转动副配合连接于小腿连杆下端的足部，所述足部与小腿连杆之间设置有跟腱组件，所述跟腱组件包括通过转动副连接于小腿连杆和足部上的两个连接结以及连接于两个连接结之间用于改变两个连接结之间距离的伸缩机构。

进一步，所述小腿连杆下端通过滑动副配合连接有可沿小腿连杆长度方向滑动的伸缩节，所述伸缩节与小腿连杆之间通过缓冲件连接。

进一步，所述行动连杆下端与大腿连杆下端有相对靠近的限位凸块，当大腿连杆与小腿连杆共线时，两个限位凸块相互约束并限制小腿连杆与大腿连杆相对转动而导致的关节外翻。

进一步，所述行动连杆为伸缩式结构。

进一步，所述大腿连杆和小腿连杆均为伸缩式结构。

本发明的有益效果：

本发明本通过一驱动三控制实现机械腿的驱动行走，整个系统通过安装于机体外部的驱动装置驱动实现圆周运动与跨步运动的相互转换，提升系统运行效率；通过摇臂组件、行动连杆和跟腱组件三者的可调节性和协同工作实现对不同工况下的合理响应，在基本驱动步形基础上实现步形的精确控制；

本发明通过摇臂组件对行动连杆的控制、行动连杆伸缩对其长度的控制以及跟腱组件对足部和小腿连杆之间间距的控制实现机械腿步形、步幅以及平衡的高度匹配，三处控制协同配合，在改善机械腿的步形前提下通过足部实现脚掌平衡功能，可适用复杂的路面工况行走，提高了机械腿的稳定性，增大了机械腿的适用范围。

本发明通过转动轮副偏心驱动行动连杆，使得每个机械腿在一个驱动装置的作用下即可实现圆周运动与步形运动的转换，保持惯性能量，使系统承载能力接近刚性支撑，提升整个系统的效率；并且改善了跨步幅度，实现循环驱动和惯性动能保持，提升了装置的续航能力；

本发明控制简单且精确，其动力系统体积小，重量轻；结合多连杆结构使得机械腿结构紧凑、体积小、重量轻，提高了机械腿的活动性能，可以广泛应用于外骨骼系统、越野运输系统、康复训练系统、义肢、机器人底盘等领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为机械腿立体结构示意图；

图2为驱动组件结构示意图；

图3为驱动组件内部结构示意图1；

图4为驱动组件内部结构示意图2；

图5为膝关节结构示意图；

图6为膝关节内部结构示意图；

图7为足部结构示意图；

具体实施方式

图1为机械腿立体结构示意图；图2为驱动组件结构示意图；图3为驱动组件内部结构示意图1；图4为驱动组件内部结构示意图2；图5为膝关节结构示意图；图6为膝关节内部结构示意图；图7为足部结构示意图；

前、后、左、右、上、下方向与面朝机械腿行走方向时对应的前、后、左、右、上、下方向。

如图所示：本实施例的单驱仿生机械腿，包括机体101、大腿连杆102、小腿连杆103、用于驱动大腿连杆和小腿连杆摆动的行动连杆104以及用于为行动连杆提供动力的驱动组件105；所述大腿连杆上端与机体通过转动副配合连接，所述大腿连杆下端以及行动连杆下端分别与小腿连杆上端通过转动副配合连接并形成两个转动副，所述驱动组件与行动连杆上端驱动配合用于驱动行动连杆摆动从而驱动大腿连杆和小腿连杆相对摆动实现跨步运动；行动连杆104组件下端与小腿连杆103上端形成的转动副以及大腿连杆102下端与小腿连杆103上端形成的转动副组成膝关节的一号关节点61和二号关节点62，行动连杆位于大腿连杆后侧，一号关节点61位于二号关节点62下侧，行动连杆与大腿连杆的布置更符合人体工程学，并使得行动连杆对大腿连杆和小腿连杆形成有效驱动；本实施例中通过驱动组件配合多连杆结构即实现了对整个仿生机械腿的驱动，简化了机械腿的结构，降低了机械腿的重量，提高了机械腿的活动性能，提高了续航能力；

本实施例中，所述驱动组件105包括转动配合安装于机体上的转动轮副、驱动转动轮副转动的驱动装置1051，所述行动连杆上端与转动轮副偏心转动配合；驱动装置1051安装于机体上，其可以为液压驱动结构、燃气驱动结构或其他驱动结构，本实施例优选电机驱动，驱动装置1051为双向减速电机，通过双向减速电机驱动转动轮辐转动实现基本步形情况下的动力驱动，在双向减速电机和转动轮辐之间可设置惯性装置，例如飞轮，通过惯性装置实现惯性能量循环利用和保持，提高系统的能效；机体101为两片式结构，通过两个盖体1011扣合而成，两个盖体通过螺钉实现紧固，大腿连杆、形动连杆以及驱动组件设置于两个盖体之间形成的安装腔内，在安装腔内设置有转动配合于两个盖体上的转轴，大腿连杆与转轴转动配合形成与机体的转动副，转动轮副驱动所述行动连杆做复合运动，并带动所述大腿连杆和小腿连杆做往复运动，从而实现驱动装置的转动与仿生机械腿跨步运动的相互转换；本发明通过转动轮副偏心驱动行动连杆，使得每个仿生机械腿在一个驱动装置的作用下即可实现跨步行走，改善了跨步幅度，简化了机械腿的结构，控制简单且精确，其动力系统体积小，重量轻；结合多连杆结构使得仿生机械腿结构紧凑、体积小、重量轻，提高了仿生机械腿活动性能；佩戴方便，适用性高，提升了助力效果，提升了装置的续航能力。

所述驱动组件105还包括摇臂组件，所述摇臂组件两端分别通过转动副配合于机体以及行动连杆上端，所述摇臂组件与行动连杆形成的转动副位于转动轮副与行动连杆形成的转动副上方；行动连杆可以为刚性结构，例如连杆，也可以为直线驱动结构，例如弹簧滑动副或者直线电机，通过摇臂组件的设置提高行动连杆运行的稳定性，提高了多连杆结构的整体一致性，当摇臂组件为刚性结构时，摇臂组件长度不变，通过摇臂组件对行动连杆上端的约束，控制大腿连杆的最大摆幅从而控制机械腿的最大步形，当摇臂组件为直线驱动结构时，摇臂组件的长度可调，通过控制摇臂组件的长度可改变机械腿的步形，实现大腿摆幅与使用场景的匹配，当然，摇臂组件为直线驱动结构时，可通过弹性力对摇臂组件进行约束，此处不再赘述；

本实施例中，所述摇臂组件包括与行动连杆104上端通过转动副配合的摇臂1052以及通过转动副配合连接于机体101上并使得动力输出端可摆动的调节机构1053，所述调节机构的动力输出端与摇臂自由端相对，所述调节机构动力输出端与摇臂自由端通过单自由度滑动副配合连接并且二者之间具有约束相对滑动的力，所述摇臂与行动连杆104形成的转动副位于转动轮副与行动连杆104形成的转动副上方；调节机构1053可以为线性电机或液压缸，调节机构通过转动副安装于两个盖体1011之间，此时的动力输出端为电机或液压缸的输出轴，其输出轴与摇臂1052的自由端配合，控制二者的相对滑动行程，此时的约束力为刚性力，可通过控制此行程改变步形，实现大腿摆幅位置与使用场景的匹配；为简化摇臂组件的结构，本实施例中调节机构动力输出端与摇臂自由端之间优选弹性约束力，如图3所示，调节机构1053为安装于盖体内侧的转块，该转块与摇臂的相对端即为动力输出端，转块与摇臂的相对端之间可滑动穿设有滑动轴1059，通过此滑动轴实现二者的相对单自由度线性约束，两个自由端之间通过圆柱螺旋弹簧连接，通过弹性力作用下改善行动连杆摆角，进而改变步形，通过弹性力的阻尼作用对行动连杆摆动形成缓冲，改善多连杆跨步时的受力，避免刚性碰撞，在摇臂组件、大腿连杆、行动连杆以及小腿连杆的共同约束下，双向减速电机驱动所述行动连杆做复合运动，并带动所述大腿连杆和小腿连杆做往复运动，从而实现驱动装置的转动与仿生机械腿跨步运动的相互转换；

本实施例中，所述转动轮副包括与机体通过转动副配合的主动齿轮1054以及从动齿轮1055，所述主动齿轮与从动齿轮啮合形成齿轮副传动，所述行动连杆上端与从动齿轮偏心转动配合，所述主动齿轮与驱动装置1051传动配合；从动齿轮通过轴承转动配合安装于两个盖体1011之间的转轴上，在两个盖体的内侧壁设置两个内凹的安装盲孔形成轴承安装座，在两个轴承安装座内安装轴承1056，配合两个轴承安装有两个曲柄盘1057，曲柄盘为阶梯状，其小径端与轴承内圈传动配合，从动齿轮安装于两个曲柄盘之间，从动齿轮端面以及其中一个曲柄盘的大径端面上开设有多个紧固孔1058，螺钉安装于此紧固孔内通过螺纹连接将从动齿轮与此曲柄盘固定连接，使得二者成为一体并位于该轴承座内，此曲柄盘也可以作为飞轮即惯性装置使用，两个曲柄盘以及从动齿轮同轴设置，从动齿轮以及曲柄盘上安装有偏心轴，行动连杆与偏心轴转动配合，主动齿轮与从动齿轮安装于同一盖体上，该盖体上设置有安装腔，主动齿轮安装于该安装腔内并与从动齿轮啮合，驱动装置1051即双向减速电机安装于该盖体外部，电机转子与主动齿轮传动配合，电机将动力传递至主动齿轮、从动齿轮、行动连杆104、大腿连杆和小腿连杆，实现行动连杆的摆动实现跨步行走，通过行动连杆的偏心设置改善了行动连杆的摆动幅度，即改善了跨步幅度，调节偏心位置距离从动齿轮中心的距离可调节此幅度，一个电机可实现对整个仿生机械腿的驱动，简化了机械腿的结构，驱动装置少，控制简单且精确，其动力系统体积小，重量轻；

本实施例中，单驱仿生机械腿还包括通过转动副配合连接于小腿连杆下端的足部50，所述脚部50包括与小腿连杆底部通过转动副连接的足部侧围501以及固定连接于足部侧围底部的足底踏板502；小腿与足部侧围铰接处形成踝关节，使用时，足底踏板作为机械腿的支撑面，形成机械腿与地面的高度匹配，提高了机械腿的支撑效果；

本实施例中，所述小腿连杆下端通过滑动副配合连接有可沿小腿连杆长度方向滑动的伸缩节1031，所述伸缩节与小腿连杆之间通过缓冲件连接；如图7所示，伸缩节底部与足部侧围501通过转动副配合连接形成踝关节，伸缩节从其上端面有向下凹陷的伸缩腔，小腿下端穿设与伸缩腔内并通过缓冲间与伸缩腔的底部连接，缓冲件可为弹簧或弹性套筒等弹性连接件，此处不再赘述；通过此结构可使得小腿连杆在竖向方向有一定的形变空间，用以匹配机械腿行走时腿部弯曲造成的间距变化，同时可起到缓冲作用，可在控制或外力作用下改变步形，实现小腿收放位置与使用场景的高度匹配；

本实施例中，所述足部50与小腿连杆之间还设置有跟腱组件，所述跟腱组件包括通过转动副连接于伸缩节和足部上的两个连接结503以及连接于两个连接结之间用于改变两个连接结之间距离的伸缩机构504；由图7所示，在伸缩节侧壁的侧壁上有向外突出的安装块，安装块上通过铰链转动配合安装有连接结，通过安装块为连接结以及伸缩机构的安装提供了让位空间，方便连接结以及伸缩机构的安装，伸缩机构可以为主动驱动件，例如直线电机、液压缸等驱动装置，通过此结构配合机械腿行走实时调节两个连接结之间的距离，本实施例中伸缩机构优选被动驱动件，例如弹簧或弹性垫片等弹性结构，在行走时，小腿连杆与足部的相对转动实现两个连接结之间距离的调节，通过弹性件被动接受间距的变化，对其形成一定的缓冲，本实施例中以圆柱螺旋弹簧为例，两个连接结的相对面可设置向内凹陷的导向槽，圆柱螺旋弹簧的两端分别固定连接于两个导向槽的底部，此结构仿生人体跟腱，实现足底踏板的弹性效果和脚掌平衡功能；

本实施例中，所述行动连杆104下端与大腿连杆102下端有相对靠近的限位凸块106，当大腿连杆与小腿连杆共线时，两个限位凸块相互约束并限制小腿连杆与大腿连杆相对转动而导致的关节外翻；如图6所示，两个限位凸块呈圆弧形结构，限位凸块上开设有安装孔用以与小腿连杆实现转动配合，当大腿连杆与小腿连杆保持一定弯曲角度时，两个限位凸块相互不干涉，当大腿连杆与小腿连杆共线时，两个限位凸块随着二者的转动发生干涉，限制二者的进一步相对转动，防止膝关节外翻，此结构与人体高度匹配，提高了使用舒适度和实用性。

本实施例中，行动连杆104设置为可伸缩式结构，行动连杆的伸缩结构位于行动连杆与小腿连杆形成的转动副以及行动连杆与从动齿轮形成的转动副之间，此伸缩结构可以为手动伸缩结构或电动伸缩结构，当为手动伸缩结构时，行动连杆设置为可相对滑动的两段式结构，通过多个竖向排列连接孔和螺钉实现长度调节，当为电动伸缩结构时，可通过直线驱动机构实现行动连杆的电动长度调节，通过对行动连杆的长度的调节，可调节小腿连杆的摆动幅度，本实施例中优选电动伸缩结构，在行动连杆的下端设置直线电机，通过控制直线电机的运行可实时调节行动连杆的长度，从而实时、准确调节小腿连杆的摆动幅度，从而实时调节小腿的步幅，提高了机械腿的平衡能力和稳定性，以适应不同的路况。

本实施例中，所述大腿连杆102、小腿连杆103以及行动连杆104均设置为可伸缩式结构；如图4所示，大腿连杆102和行动连杆104设置为由两段连杆构成的两段式结构，在两段连杆上分别设置有多个竖向排列的连接孔，两段连杆上不同连接孔之间的匹配实现两段连杆伸缩调整，通过螺钉螺纹连接与相互匹配的连接孔内实现对两段式连杆的固定，小腿连杆的伸缩结构与大腿连杆伸缩结构类似，此处不再赘述，当然，伸缩结构不限于此结构，伸缩结构可设置为电动伸缩杆或其他伸缩结构，此处不再赘述，此结构可依据腿长需求预先调节小腿两难和大腿连杆长度，适配不同高度需求；为兼顾调节小腿连杆的摆动幅度的功能，行动连杆可设置为上、中、下三段式结构，即行动连杆上、中段设置为可伸缩的两段式结构，并通过连接孔和螺钉配合实现长度调节用以适配不同高度需求，在行动连杆中、下段设置为电动伸缩两段式结构，即此处通过线性电机实现伸缩从而调节小腿连杆的摆幅，当然，行动连杆并不限于三段式结构，行动连杆也可设置为两端式结构，通过直线驱动机构实现伸缩，需要调节长度适配不同高度时，通过直线驱动结构实现大幅调节改变长度，在长度匹配后，通过直线电机微调在保证行动连杆整体长度在一定可控范围内实现对小腿连杆的摆幅调节，实现步形的精确控制，通过此结构通过实现适配不同高度也实现对小腿连杆的摆幅控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种单驱仿生机械腿，其特征在于：包括机体、大腿连杆、小腿连杆、用于驱动大腿连杆和小腿连杆摆动的行动连杆以及用于为行动连杆提供动力的驱动组件；所述大腿连杆上端与机体通过转动副配合连接，所述大腿连杆下端以及行动连杆下端分别与小腿连杆上端通过转动副配合连接并形成两个转动副，所述驱动组件与行动连杆上端驱动配合用于驱动行动连杆摆动从而驱动大腿连杆和小腿连杆相对摆动实现跨步运动。

2.根据权利要求1所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述驱动组件包括转动配合安装于机体上的转动轮副、驱动转动轮副转动的驱动装置，所述行动连杆上端与转动轮副偏心转动配合。

3.根据权利要求2所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述驱动组件还包括摇臂组件，所述摇臂组件两端分别通过转动副配合于机体以及行动连杆上端，所述摇臂组件与行动连杆形成的转动副位于转动轮副与行动连杆形成的转动副上方。

4.根据权利要求3所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述摇臂组件包括与行动连杆上端通过转动副配合的摇臂以及通过转动副配合连接于机体上并使得动力输出端摆动的调节机构，所述调节机构的动力输出端与摇臂自由端相对，所述调节机构动力输出端与摇臂自由端通过单自由度滑动副配合连接并且二者之间具有约束相对滑动的力。

5.根据权利要求2所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述转动轮副包括与机体通过转动副配合的主动齿轮以及从动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮啮合形成齿轮副传动，所述行动连杆上端与从动齿轮偏心转动配合，所述主动齿轮与驱动装置传动配合。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：单驱仿生机械腿还包括通过转动副配合连接于小腿连杆下端的足部，所述足部与小腿连杆之间设置有跟腱组件，所述跟腱组件包括通过转动副连接于小腿连杆和足部上的两个连接结以及连接于两个连接结之间用于改变两个连接结之间距离的伸缩机构。

7.根据权利要求6所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述小腿连杆下端通过滑动副配合连接有可沿小腿连杆长度方向滑动的伸缩节，所述伸缩节与小腿连杆之间通过缓冲件连接。

8.根据权利要求1所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述行动连杆下端与大腿连杆下端有相对靠近的限位凸块，当大腿连杆与小腿连杆共线时，两个限位凸块相互约束并限制小腿连杆与大腿连杆相对转动而导致的关节外翻。

9.根据权利要求6所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述行动连杆为伸缩式结构。

10.根据权利要求9所述的单驱仿生机械腿，其特征在于：所述大腿连杆和小腿连杆均为伸缩式结构。