CN110406612A - 机器人腿部结构及机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机器人腿部结构及机器人，包括：支架(1)、驱动机构以及腿部机构；所述驱动机构安装在支架(1)上；所述腿部机构与驱动机构连接。所述腿部机构包括：上连杆(7)、下连杆(8)、中连杆(5)以及小腿驱动杆(6)；所述上连杆(7)、下连杆(8)、中连杆(5)分别与小腿驱动杆(6)转动配合。所述腿部机构还包括：小腿构件(9)与足尖(10)；所述小腿构件(9)向下延伸形成足尖(10)。本发明结构合理，操作方便。通过上述技术方案，使机器人的腿部机构可以完成更多的精细动作，即可以向前弯曲，也可以向后弯曲，增强了机器人运动时的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种机器人腿部结构及机器人。
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。传统的如专利文献CN109747731A所公开的一种机器人及其腿部结构，包括：大腿；枢接于所述大腿的小腿；枢接于所述小腿的脚部；固定于所述大腿的腿部舵机；用于将所述腿部舵机的动力传递至所述大腿以驱动所述大腿前后移动的第一传动机构；在所述大腿向后移动时使所述小腿向后转动而在所述大腿向前移动时使所述小腿向前转动的第二传动机构；以及在所述小腿向后转动时使所述脚部转动抬起而在所述小腿向前转动时使所述脚部转动着地的第三传动机构。
但是传统的机器人腿部结构在结构上仍存在可优化之处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机器人腿部结构及机器人。
根据本发明提供的一种机器人腿部结构，包括：支架1、驱动机构以及腿部机构；
所述驱动机构安装在支架1上；
所述腿部机构与驱动机构连接。
优选地，所述腿部机构包括：上连杆7、下连杆8、中连杆5以及小腿驱动杆6；
所述上连杆7、下连杆8、中连杆5分别与小腿驱动杆6转动配合。
优选地，所述腿部机构还包括：小腿构件9与足尖10；所述小腿构件9向下延伸形成足尖10。
优选地，所述小腿驱动杆6上设置有第一关节23、第二关节24以及第三关节25；
所述第一关节23、第二关节24以及第三关节25的连线形成第一三角形。
优选地，所述小腿构件9上设置有第四关节26，第五关节27以及第六关节28；
所述第四关节26，第五关节27以及第六关节28的连线形成第二三角形。
优选地，所述第一三角形与第二三角形为全等三角形。
优选地，所述驱动机构包括：第一驱动电机2、第二驱动电机3以及第三驱动电机4；
所述第一驱动电机2与支架1连接；
所述第一驱动电机2能够驱动第二驱动电机3转动；
所述第二驱动电机3能够驱动第三驱动电机4转动；
所述第三驱动电机4与中连杆5连接。
优选地，所述小腿构件9与小腿驱动杆6间隔设置；
所述上连杆7通过第二关节24与小腿驱动杆6转动配合；
所述中连杆5通过第一关节23与小腿驱动杆6转动配合；
所述下连杆8通过第三关节25与小腿驱动杆6转动配合。
优选地，所述上连杆7通过第五关节27与小腿构件9转动连接；
所述中连杆5通过第四关节26与小腿构件9转动连接；
所述下连杆8通过第六关节28与小腿构件9转动连接。
根据本发明提供的一种机器人，包括：机器人本体以及权利要求1-9任意一项所述的机器人腿部结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、结构合理，操作方便。
2、通过上述技术方案，使机器人的腿部机构可以完成更多的精细动作，即可以向前弯曲，也可以向后弯曲，增强了机器人运动时的灵活性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一种机器人腿部结构以及腿部结构向前弯曲的结构示意图。
图2为本发明提供的一种机器人腿部结构的连杆在转动过程中的状态图。
图3为本发明提供的一种机器人腿部结构的侧摆电机竖直安装方式结构示意图。
图4为本发明提供的一种机器人腿部结构以及腿部结构向后弯曲的结构示意图。
图5为本发明提供的一种机器人腿部结构的驱动电机与第二关节连接的结构示意图。
图6为本发明提供的一种机器人腿部结构的驱动电机与第三关节连接的结构示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图6所示，根据本发明提供的一种机器人腿部结构，包括：支架1、驱动机构以及腿部机构；所述驱动机构安装在支架1上；所述腿部机构与驱动机构连接；所述腿部机构包括：上连杆7、下连杆8、中连杆5以及小腿驱动杆6；所述上连杆7、下连杆8、中连杆5分别与小腿驱动杆6转动配合；所述腿部机构还包括：小腿构件9与足尖10；所述小腿构件9向下延伸形成足尖10。在优选例中，所述腿部机构为包括上连杆7、下连杆8、中连杆5、小腿驱动杆6、小腿构件9、足尖10的复合连杆机构。在优选例中，所述第一驱动电机与支架连接，驱动转轴与其正交安装的第二驱动电机转动，第二驱动电机驱动转轴与其同轴安装的第三驱动电机的机壳转动，第三驱动电机的机壳和中连杆5固定连接，第三驱动电机的输出转轴在小腿驱动杆的任意关节处与所述腿部机构连接；所述第三驱动电机通过协调驱动第二电机联动运动，驱动所述小腿连杆和与所述中连杆绕同一转动轴线独立转动，使机器人的腿部机构可以完成更多的精细动作，即可以向前弯曲，也可以向后弯曲，增强了机器人运动时的灵活性。在优选例中，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。在优选例中，第一转动关节21为第一驱动电机到第二驱动电机的转动关节；第二转动关节22为第二驱动电机到第三驱动电机的转动关节。
进一步地，所述小腿驱动杆6上设置有第一关节23、第二关节24以及第三关节25；所述第一关节23、第二关节24以及第三关节25的连线形成第一三角形；所述小腿构件9上设置有第四关节26，第五关节27以及第六关节28；所述第四关节26，第五关节27以及第六关节28的连线形成第二三角形；所述第一三角形与第二三角形为全等三角形。所述上连杆7通过第五关节27与小腿构件9转动连接；所述中连杆5通过第四关节26与小腿构件9转动连接；所述下连杆8通过第六关节28与小腿构件9转动连接。
进一步地，所述驱动机构包括：第一驱动电机2、第二驱动电机3以及第三驱动电机4；所述第一驱动电机2与支架1连接；所述第一驱动电机2能够驱动第二驱动电机3转动；所述第二驱动电机3能够驱动第三驱动电机4转动；所述第三驱动电机4与中连杆5连接；所述小腿构件9与小腿驱动杆6间隔设置；所述上连杆7通过第二关节24与小腿驱动杆6转动配合；所述中连杆5通过第一关节23与小腿驱动杆6转动配合；所述下连杆8通过第三关节25与小腿驱动杆6转动配合。在优选例中，第一驱动电机固定在支架1上，第一驱动电机的转轴与第二驱动电机的机壳固定连接，第二驱动电机的电机轴线与第一驱动电机正交布置安装，第二驱动电机的转轴与第三驱动电机机壳固定连接，第三驱动电机的轴线与第二驱动电机的轴线同轴布置安装，第三驱动电机与腿部机构联动连接。
根据本发明提供的一种机器人，包括：机器人本体以及权利要求1-9任意一项所述的机器人腿部结构。
更进一步地，所述驱动机构中第二驱动电机在小腿驱动杆6的任意关节处与所述腿部机构联动连接，驱动所述小腿驱动杆6和与所述小腿驱动杆6相邻的对应的上、中或者下连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述第四关节26、第五关节27和第六关节28向前弯曲或者向后弯曲；所述支架1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，所述腿部机构为一个复合的连杆结构，由所述第一关节23、第二关节24和第三关节25的连线形成三角形和所述第四关节26、第五关节27和第六关节28形成的三角形为两个全等的三角形，使所述第一关节23、第二关节24、第五关节27和第四关节26的连线形成平行四边形，所述第二关节24、第三关节25、第六关节28和第五关节27的连线形成平行四边形。所述驱动机构驱动所述小腿驱动杆6，以及在对应关节处与所述小腿驱动杆6相邻的上、中或者下连杆独立转动，可以完成更多腿部精细动作的控制。在具体的控制过程中，如果驱动机构中第三驱动电机停止转动，只有第二驱动电机转动，可以实现腿部的圆周摆动，如果驱动机构的第二驱动电机停止转动，只有第三驱动电机转动，可以实现小腿构件的关节处向前弯曲或者向后弯曲，当与第三驱动电机固定连接的连杆与小腿构件9的夹角为180度或者0度时，可以实现协同运动体最大的伸展或者收缩，实现将腿伸直或者“勾腿”的动作。
更进一步地，所述驱动机构可以为现有技术中能驱动两个相邻连杆绕同一轴线转动的任意的驱动机构，在本申请的部分实施例中，采用了如下优选结构：如图1至图4所示，所述驱动机构包括两台独立转动且其转动轴同轴线设置的电机，其中一台所述第三驱动电机在所述小腿驱动杆6的第一关节处与所述小腿驱动杆6联动连接，且所述第三驱动电机机壳与第一关节相邻的中连杆5固定连接，所述第二驱动电机3和第三驱动电机4的输出轴在同一轴线上。在优选例中，还包括侧摆驱动电机，侧摆驱动电机和支架固定，所述侧摆驱动电机的转轴轴线和第二驱动电机的轴线正交，第一驱动电机转轴和第二驱动电机连接，控制第二驱动电机、第三驱动电机和腿部机构在垂直于侧摆驱动电机输出轴的平面内摆动。第一驱动电机的回转轴线布置方式可采用水平布置，也可以采用竖直布置的方式，如图3所示。所述侧摆驱动电机的转动能带动机器人腿部机构不仅能够前后弯曲，还可以实现侧向控制。在优选例中，如图5所示，其中一台所述第三驱动电机的转轴在所述第二关节24处与所述小腿驱动杆6联动连接，驱动所述小腿驱动杆6摆动，同时该所述第三驱动电机机壳通过与上连杆7固定连接，由另一台所述第二驱动电机带动旋转，与所述小腿驱动杆6协调摆动，所述中连杆5和所述小腿驱动杆6在所述第一关节23处转动连接，所述下连杆8和所述小腿驱动杆6在所述第三关节25处转动连接。在优选例中，如图6所示，其中一台所述第三驱动电机的转轴在所述第三关节25处与所述小腿驱动杆6联动连接，驱动所述小腿驱动杆6摆动，同时该所述第三驱动电机的机壳通过与下连杆8固定连接，由另一台所述第二驱动电机带动旋转，与所述小腿驱动杆6协调摆动，所述中连杆5和所述小腿驱动杆6在所述第一关节23处转动连接，所述上连杆7和所述小腿驱动杆6在所述第二关节24处转动连接。在优选例中，常用的转动连接方式，例如，通过轴承，销轴，环状凸起和环状凹槽的卡接结构等来实现有效的转动连接。
更进一步地，所述第一关节23与第二关节24之间的距离为D1，所述第三关节25与第一关节23之间的距离D2，在本申请的部分实施例中，所述D1＝D2，所述第一关节23、第二关节24和第三关节25之间的连线构成等腰三角形；在本申请另外的部分实施例中，所述D1≠D2，所述第一关节23、第二关节24和第三关节25之间的连线构成不等要三角形。所述上连杆7、下连杆8、中连杆5、小腿驱动杆6、小腿构件9的形状可以设置为相同，也可以设置为不同，在本申请的部分实施例中，所述上连杆7、下连杆8、中连杆5、小腿驱动杆6、小腿构件9的形状均可以设置为杆状、管状、板状、壳体状或者仿生形状中的一种，其中，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。即具有容置功能，又具有连杆功能。例如，将所述中连杆5设置成与其它连杆不相同的壳体状，能够将其它上、下连杆全部或者部分包覆在壳体状连杆的内部。仿生形状是指模拟自然界生物的形状，例如，腿部形状，骨骼形状等。各连杆主要的作用是连接和支撑，故各连杆的形状和尺寸可以根据机器人造型或者其它方面的需要进行设置，例如，将各连杆全部设置为圆杆状，或者将中连杆5设置为大腿的形状，将中连杆5和小腿构件9转动连接的第四关节26设置为膝盖形状等等，也可以将各连杆进行美感化的设置，例如，所述杆状、管状、板状上可以设置花纹或者镂空形状，将杆状或者管状在长度方向上进行异径化设置等等，此外，各连杆的长度比例也可以根据具体的使用环境进行适应性的调节。最后，各连杆的截面形状也可以进行调节，例如，所述杆状的截面积为圆形或者多边形等，所述管状的截面积为圆形或者多边形等，所述壳体状的截面积为圆形或者多边形等，所述杆状、管状或者壳体状的截面积形状也可以根据造型的需要或者成本的控制等进行适应性的设计，设计成不规则形状。在优选例中，所述上连杆7、下连杆8、中连杆5、小腿驱动杆6、小腿构件9的材质可以相同，也可以不同，其材质可以选用碳纤维、铝合金、钢、镁铝合金、镁合金、钛合金、或者高分子材料中的任意一种，其中，所述高分子材料为塑料或者尼龙等。在上述材料中，所述上连杆7、下连杆8、中连杆5、小腿驱动杆6、小腿构件9的材质最好选用碳纤维、铝合金和塑料。在优选例中，所述驱动机构在小腿驱动杆的任意关节处与所述腿部机构联动连接，驱动所述小腿驱动杆和与所述该关节相邻的连杆绕同一转动轴线独立转动，使所述第四关节、第五关节和第六关节向前弯曲或者向后弯曲；所述小腿构件向下延伸形成小腿，所述小腿的底端设有足部，通过上述技术方案，使机器人的腿部机构可以完成更多的精细动作，即可以向前弯曲，也可以向后弯曲的，增强了机器人运动时的灵活性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种机器人腿部结构，其特征在于，包括：支架(1)、驱动机构以及腿部机构；
所述驱动机构安装在支架(1)上；
所述腿部机构与驱动机构连接。
2.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述腿部机构包括：上连杆(7)、下连杆(8)、中连杆(5)以及小腿驱动杆(6)；
所述上连杆(7)、下连杆(8)、中连杆(5)分别与小腿驱动杆(6)转动配合。
3.根据权利要求2所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述腿部机构还包括：小腿构件(9)与足尖(10)；所述小腿构件(9)向下延伸形成足尖(10)。
4.根据权利要求3所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述小腿驱动杆(6)上设置有第一关节(23)、第二关节(24)以及第三关节(25)；
所述第一关节(23)、第二关节(24)以及第三关节(25)的连线形成第一三角形。
5.根据权利要求4所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述小腿构件(9)上设置有第四关节(26)，第五关节(27)以及第六关节(28)；
所述第四关节(26)，第五关节(27)以及第六关节(28)的连线形成第二三角形。
6.根据权利要求5所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述第一三角形与第二三角形为全等三角形。
7.根据权利要求2所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述驱动机构包括：第一驱动电机(2)、第二驱动电机(3)以及第三驱动电机(4)；
所述第一驱动电机(2)与支架(1)连接；
所述第一驱动电机(2)能够驱动第二驱动电机(3)转动；
所述第二驱动电机(3)能够驱动第三驱动电机(4)转动；
所述第三驱动电机(4)与中连杆(5)连接。
8.根据权利要求5所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述小腿构件(9)与小腿驱动杆(6)间隔设置；
所述上连杆(7)通过第二关节(24)与小腿驱动杆(6)转动配合；
所述中连杆(5)通过第一关节(23)与小腿驱动杆(6)转动配合；
所述下连杆(8)通过第三关节(25)与小腿驱动杆(6)转动配合。
9.根据权利要求5所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述上连杆(7)通过第五关节(27)与小腿构件(9)转动连接；
所述中连杆(5)通过第四关节(26)与小腿构件(9)转动连接；
所述下连杆(8)通过第六关节(28)与小腿构件(9)转动连接。
10.一种机器人，其特征在于，包括：机器人本体以及权利要求1-9任意一项所述的机器人腿部结构。
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