CN110525536A - 一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人。该机器人支腿可以包括髋关节驱动装置、大腿机构、膝关节驱动装置、小腿机构、腿足机构和关节耦合组件。本申请实施例的机器人支腿一方面通过引入仿生跨关节肌腱‑韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；另一方面通过结合第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

Description

一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人

技术领域

本申请涉及机器人相关技术领域，具体地说是涉及一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人。

背景技术

超动态(如跳跃)运动机器人的关键技术是驱动系统可以提供一种高功率密度的输出，同时对控制系统的响应带宽有很高的要求。

目前为了增加机器人关节的输出功率大多采用液压驱动和大减速比的电机驱动，这些元件增加输出功率的同时增加了机器人系统的惯量和摩擦等，同时大的减速比降低了控制系统的响应速度。

液压驱动虽然提高了机器人驱动的功率密度，但是其液压泵噪声和液压缸油漏极大的限制了液压驱动机器人的应用范围。

高减速比的电机驱动系统虽然增加了驱动密度但是大大的降低了控制系统关节的响应速度和关节运动速度，同时增加了系统的惯量、摩擦等参数，降低了机器人的超动态运动能力。

现有的直驱动机器人也面临一个严峻的问题就是长时间静止时的驱动系统发热，导致能量的浪费。例如，采用电机驱动的直驱和准直驱机器人面临一个严重的工程问题就是电机的发热，尤其是在需要机器人长时间运动或者保持静态稳定时会产生大量的热，降低能量利用率，也可能损坏电机驱动系统。

发明内容

针对现有技术之不足，本申请一方面提供了一种机器人支腿。该机器人支腿可以包括髋关节驱动装置、大腿机构、膝关节驱动装置、小腿机构、腿足机构和关节耦合组件。所述髋关节驱动装置与所述大腿机构的上端铰接形成为髋关节，并通过第一减速传动机构传动连接。所述膝关节驱动装置设置于所述大腿机构上。所述小腿机构的上端与所述大腿机构的下端铰接形成为膝关节。并且，所述膝关节驱动装置通过第二减速传动机构与所述小腿机构传动连接。所述腿足机构的中部与所述小腿机构的下端铰接形成为踝关节。并且，在所述腿足机构的上端与所述大腿机构之间设置有弹性连接机构，使得所述大腿机构、所述小腿机构、所述腿足机构和所述弹性连接机构形成为弹性四连杆机构。所述关节耦合组件包括第一拉绳、第一弹性连接件和第二拉绳。在安装状态下，所述第一弹性连接件位于髋关节与膝关节之间。所述第一拉绳的下端与所述第一弹性连接件的上端相连接，所述第一拉绳的上端绕过所述膝关节驱动装置连接在所述髋关节驱动装置。所述第二拉绳的上端与所述第一弹性连接件的下端相连接，所述第二拉绳的下端绕过设置在膝关节处的滑轮连接在所述腿足机构的上端。

本申请的机器人支腿一方面通过引入仿生跨关节肌腱-韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；具体的，通过设置关节耦合组件可以形成跨越髋、膝、踝三关节的弹性耦合运动结构，从而可以使机器人形成静态无电机功率输入的平衡，避免静止状态下电机的发热，即多关节的耦合形成一个静止状态下无电机功率输出的平衡，可以避免长时间静止站立的驱动系统发热现象；另外，各个关节协同耦合可以减轻膝关节对重力的平衡负载，实现更多能量的超动态运动效果，即更多主动关节的耦合提高电驱动系统的整体能量利用效率，可以实现更高更快的超动态运动。本申请的机器人支腿的另一方面通过结合第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

根据本申请的一些优选实施方式，所述第一减速传动机构为带传动机构。所述带传动机构包括设置在所述髋关节驱动装置的输出轴上的第一带轮、设置在所述大腿机构上的第二带轮及连接所述第一带轮和所述第二带轮的传动带。其中，所述第二带轮的直径大于所述第一带轮，使得所述第一带轮、所述第二带轮和所述传动带形成为减速传动机构。

根据本申请的一些优选实施方式，所述第一减速传动机构为齿轮传动机构。所述齿轮传动机构包括设置在所述髋关节驱动装置的输出轴上的第一齿轮和设置在所述大腿机构上并与所述第一齿轮啮合的第二齿轮。其中，所述第二齿轮的直径大于所述第一齿轮，使得所述第一齿轮和所述第二齿轮形成为减速传动机构。

根据本申请的一些优选实施方式，所述第一减速传动机构为链传动机构。所述链传动机构包括设置在所述髋关节驱动装置的输出轴上的第一链轮、设置在所述大腿机构上的第二链轮及连接所述第一链轮和所述第二链轮的传动链。其中，所述第二链轮的直径大于所述第一链轮，使得所述第一链轮、所述第二链轮和所述传动链形成为减速传动机构。

根据本申请的一些优选实施方式，所述第二减速传动机构包括：设置在所述膝关节驱动装置的输出轴上的第一传动轮。设置在所述大腿机构上且直径大于所述第一传动轮的第二传动轮。所述第一传动轮与所述第二传动轮之间传动连接。设置在所述大腿机构上并与所述第二传动轮同轴的第三传动轮。以及设置在所述弹性四连杆机构上的第四传动轮。所述第三传动轮与所述第四传动轮之间传动连接。

根据本申请的一些优选实施方式，所述第三传动轮与所述第四传动轮之间通过传动绳实现传动连接。所述传动绳以“8”字型缠绕的方式连接在所述第三传动轮与所述第四传动轮之间。

根据本申请的一些优选实施方式，所述第一传动轮、所述第二传动轮、所述第三传动轮和所述第四传动轮为带轮、链轮或者齿轮。

根据本申请的一些优选实施方式，在所述腿足机构的下端还设置有防滑脚趾机构。所述防滑脚趾机构包括脚趾主体、前爪趾和后爪趾。在所述脚趾主体的前端设置有限位连接部，两个所述前爪趾以铰接的方式连接在所述限位连接部两侧。所述后爪趾以铰接的方式连接在所述脚趾主体后端，并且在所述后爪趾与所述脚趾主体之间还设置有第二弹性连接件。

根据本申请的一些优选实施方式，所述弹性连接机构包括套筒和导杆。在所述套筒内部上端设置有堵头。在所述套筒顶部设置有铰接座。所述铰接座与所述堵头之间设置有第一密封圈。在安装状态下，所述铰接座通过铰接轴连接在所述大腿机构上。在所述套筒内部下端设置有导杆滑动轴承，并且在所述导杆滑动轴承与所述套筒之间还设置有第二密封圈。在所述堵头与所述导杆滑动轴承之间设置有压簧。所述导杆的一端穿过所述导杆滑动轴承和所述压簧与所述堵头相连接。所述导杆的另一端连接有铰接头。在安装状态下，所述铰接头与所述腿足机构的上端相铰接。

本申请的另一个方面提供了一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人。该基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人包括多个支腿。其中，至少一个支腿为如上任意一项所述的机器人支腿。

与现有技术相比，本申请的机器人支腿具有如下有益效果：

1.本申请的机器人支腿通过引入仿生跨关节肌腱-韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；具体的，通过设置关节耦合组件可以形成跨越髋、膝、踝三关节的弹性耦合运动结构，从而可以使机器人形成静态无电机功率输入的平衡，避免静止状态下电机的发热，即多关节的耦合形成一个静止状态下无电机功率输出的平衡，可以避免长时间静止站立的驱动系统发热现象；另外，各个关节协同耦合可以减轻膝关节对重力的平衡负载，实现更多能量的超动态(如跳跃等)运动效果，即更多主动关节的耦合提高电驱动系统的整体能量利用效率，可以实现更高更快的超动态运动。

2.本申请的机器人支腿通过采用第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是明显的。本申请披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方法、手段和组合的实践或使用得以实现和达到。

附图说明

本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是明显的。本申请披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方法、手段和组合的实践或使用得以实现和达到。

图1、图2是根据本申请的一些实施例所示的机器人的支腿结构示意图；

图3是根据本申请的一些实施例所示的机器人支腿中髋、膝、踝三关节通过关节耦合组件协同耦合的示意图；

图4是根据本申请的一些实施例所示的机器人支腿中大腿机构的结构示意图；

图5、图6是根据本申请的一些实施例所示的机器人支腿中弹性连接机构的结构示意图；

图7、图8是根据本申请的一些实施例所示的机器人支腿中防滑脚趾机构的结构示意图。

附图标记列表

10-髋关节驱动装置，13-髋关节，14-膝关节，15-踝关节，16-弹性四连杆机构，20-大腿机构，210-内腿板，220-外腿板，230-紧固销，240-支撑板，

30-第一减速传动机构，31-第一带轮，32-第二带轮，33-传动带，40-膝关节驱动装置，50-小腿机构，60-第二减速传动机构，61-第一传动轮，62-第二传动轮，63-第三传动轮，64-第四传动轮，65-第二传动带，66-传动绳，70-腿足机构，80-弹性连接机构，810-套筒，820-堵头，830-铰接座，831-第一铰接板，832-第二铰接板，833-底座，834-螺栓，840-第一密封圈，850-压簧，860-导杆滑动轴承，870-导杆，880-第二密封圈，890-铰接头，90-关节耦合组件，91-第一拉绳，92-第一弹性连接件，93-第二拉绳，94-滑轮，100-防滑脚趾机构，1010-脚趾主体，1011-限位连接部，1020-前爪趾，1030-后爪趾，1040-第二弹性连接件，1050-连接轴，1060-固定销，1070-轴套，1080-销轴。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请实施例一方面公开了一种机器人支腿。如图1、图2和图3所示，该机器人支腿可以包括髋关节驱动装置10、大腿机构20、第一减速传动机构30、膝关节驱动装置40、小腿机构50、第二减速传动机构60、腿足机构70和关节耦合组件90。

在一些实施例中，髋关节驱动装置10可以包括髋关节驱动电机和髋关节驱动电机外壳。髋关节驱动电机设置在髋关节驱动电机外壳内。

在一些实施例中，大腿机构20可以包括内腿板210和外腿板220。如图4所示，内腿板210和外腿板220相对设置。内腿板210和外腿板220的下端之间通过紧固销230连接固定并隔开。内腿板210和外腿板220的上端之间可以设置轴承，使内腿板210和外腿板220上端连接固定并隔开。从而使得内腿板210和外腿板220之间隔开形成一安装空间。在一些实施例中，还可以进一步在内腿板210和外腿板220的中部设置支撑板240，使内腿板210和外腿板220中部连接在一起，从而进一步保持内腿板210和外腿板220组合的稳定性。通过将大腿机构20设计为上述结构可以降低腿部的质量和转动惯量。

髋关节驱动装置10与大腿机构20的上端铰接形成为髋关节13。示例性的，在大腿机构20的上端设置有一连接轴，髋关节驱动装置10与连接轴铰接，使得髋关节驱动装置10与大腿机构20之间可以相对转动，从而使在铰接处形成髋关节13。具体的，连接轴可以连接在内腿板210和外腿板220上端的轴承上，并位于支腿内侧。

在一些实施例中，第一减速传动机构30可以采用带传动机构。

示例性的，带传动机构包括设置在髋关节驱动装置10的输出轴上的第一带轮31、设置在大腿机构20上的第二带轮32及连接第一带轮31和第二带轮32的传动带33。其中，第二带轮32的直径大于第一带轮31，使得第一带轮31、第二带轮32和传动带33形成为减速传动机构。

在一些实施例中，第一减速传动机构30可以采用齿轮传动机构。

示例性的，齿轮传动机构包括设置在髋关节驱动装置10的输出轴上的第一齿轮和设置在大腿机构20上并与第一齿轮啮合的第二齿轮。其中，第二齿轮的直径大于第一齿轮，使得第一齿轮和第二齿轮形成为减速传动机构。

在一些实施例中，第一减速传动机构30可以采用链传动机构。

示例性的，链传动机构包括设置在髋关节驱动装置10的输出轴上的第一链轮、设置在大腿机构20上的第二链轮及连接第一链轮和第二链轮的传动链。其中，第二链轮的直径大于第一链轮，使得第一链轮、第二链轮和传动链形成为减速传动机构。

髋关节驱动装置10与大腿机构20之间通过第一减速传动机构30传动连接。示例性的，髋关节驱动装置10与大腿机构20之间通过带传动机构实现的传动连接。具体的，该带传动机构包括设置在髋关节驱动装置10的输出轴上的第一带轮31、设置在大腿机构20上的第二带轮32及连接第一带轮31和第二带轮32的传动带33。其中，第二带轮32的直径大于第一带轮31，使得第一带轮31、第二带轮32和传动带33形成为减速传动机构。

第一减速传动机构30的减速比可以根据实际需要进行设置。例如，可以将第二带轮32的直径与第一带轮31的直径之比设置为4:1，从而使得髋关节驱动装置10与大腿机构20之间可以实现减速比为4的减速效果。

在一些实施例中，膝关节驱动装置40可以包括膝关节驱动电机和膝关节驱动电机外壳。膝关节驱动电机设置在膝关节驱动电机外壳内。

膝关节驱动装置40设置于大腿机构20上。示例性的，膝关节驱动装置40可以设置在大腿机构20的内侧。例如，膝关节驱动装置40可以安装在连接于大腿机构20上端的连接轴上，并位于支腿内侧。

小腿机构50的上端与大腿机构20的下端铰接形成为膝关节14。并且，膝关节驱动装置40通过第二减速传动机构60与小腿机构50传动连接。腿足机构70的中部与小腿机构50的下端铰接形成为踝关节15。

示例性的，小腿机构50和腿足机构70可以呈连杆结构。在安装状态下，小腿机构50的上部与大腿机构20的下端通过销轴连接在一起，连接处形成为可转动的铰接连接结构，从而形成膝关节14。并且，小腿机构50的上端与第二减速传动机构60通过短连杆可转动的相连接。小腿机构50的下端与腿足机构70中部通过铰接结构可转动的相连接，从而形成踝关节15。

在腿足机构70的上端与大腿机构20之间设置有弹性连接机构80，使得大腿机构20、小腿机构50、腿足机构70和弹性连接机构80形成为弹性四连杆机构16。

示例性的，如图5、图6所示，弹性连接机构80可以包括套筒810和导杆870。在套筒810内部上端设置有堵头820。在套筒810顶部设置有铰接座830。铰接座830与堵头820之间设置有第一密封圈840。在套筒810内部下端设置有导杆滑动轴承860，并且在导杆滑动轴承860与套筒810之间还设置有第二密封圈880。在堵头820与导杆滑动轴承860之间设置有压簧850。导杆870的一端穿过导杆滑动轴承860和压簧850与堵头820相连接。导杆870的另一端连接有铰接头890。在安装状态下，铰接座830通过铰接轴可转动的连接在大腿机构20上；铰接头890与腿足机构70的上端可转动的相铰接。从而使得大腿机构20、小腿机构50、腿足机构70和弹性连接机构80形成为弹性四连杆机构16，实现膝踝关节的耦合，进而实现踝关节的被动驱动。

通过采用上述弹性连接机构80，在机器人落地瞬间，导杆870和套筒810发生相对滑动，压簧850被压缩，离地瞬间压簧850恢复原长，期间实现踝关节的被动运动，同时具有减震缓冲的效果。

第二减速传动机构60可以包括：设置在膝关节驱动装置40的输出轴上的第一传动轮61。设置在大腿机构20上且直径大于第一传动轮61的第二传动轮62。设置在大腿机构20上并与第二传动轮62同轴的第三传动轮63。以及设置在弹性四连杆机构9上的第四传动轮64；例如第四传动轮64可以与弹性连接机构80的上端固定连接并可以在大腿机构20转动。

在安装状态下，第一传动轮61与第二传动轮62之间传动连接。并且第一传动轮61的直径小于第二传动轮62的直径。使得第一传动轮61与第二传动轮62之间可以形成第一级减速传动。第三传动轮63与第四传动轮64之间传动连接。并且，第三传动轮63的直径小于第四传动轮64的直径。使得第三传动轮63与第四传动轮64之间可以形成第二级减速传动。

其中，第一级减速传动、第二级减速传动的传动比可以分别根据实际需要进行设置。例如，第一传动轮61与第二传动轮62之间的直径比可以设置为1:2，则可以实现第一传动轮61与第二传动轮62之间的一级减速比为2的减速。第三传动轮63与第四传动轮64之间的直径比也可以设置为1:2，则可以实现第三传动轮63与第四传动轮64之间的二级减速比为2的减速。

在一些实施例中，第一传动轮61、第二传动轮62、第三传动轮63和第四传动轮64可以为带轮、链轮或者齿轮；从而使第一传动轮61、第二传动轮62、第三传动轮63和第四传动轮64之间可以形成带传动、链传动或者齿轮传动。

示例性的，如图4所示，第一传动轮61、第二传动轮62分别位于支腿外侧为带轮。并且，第一传动轮61与第二传动轮62之间的直径比为1:2。第一传动轮61、第二传动轮62之间通过第二传动带65实现第一级减速比为2的减速传动。第三传动轮63和第四传动轮64分别为安装于内腿板210和外腿板220之间的带轮(钢丝轮)。并且第三传动轮63与第四传动轮64之间通过传动绳66(例如钢丝绳)实现传动连接。两股传动绳以“8”字型缠绕的方式连接在第三传动轮63与第四传动轮64之间。从而实现第二级减速比也为2的减速效果。钢丝轮组合的“8”字型传动可以实现减速的同时达到关节主动伸缩运动；另外，同步带和钢丝轮组合的低减速比系统可以增加驱动系统对接触环境的快速响应。

通过上述第二减速传动机构60的减速比各位2的两级减速，可以实现减速比为4的准直驱电机驱动系统；同时，可以实现膝关节的主动伸展和收缩。另外，通过采用上述同步带和钢丝绳的传动方式，可以降低传动的回差，同时保持结构的紧凑性。

关节耦合组件90可以包括第一拉绳91、第一弹性连接件92和第二拉绳93。

在安装状态下，如图1、图2、图3所示，第一弹性连接件92位于髋关节13与膝关节14之间。第一拉绳91的下端与第一弹性连接件92的上端相连接，第一拉绳91的上端绕过膝关节驱动装置40连接在髋关节驱动装置10。第二拉绳93的上端与第一弹性连接件92的下端相连接，第二拉绳93的下端绕过设置在膝关节14处的滑轮94连接在腿足机构70的上端。

具体的，第一拉绳91和第二拉绳93可以采用钢丝绳。第一弹性连接件92可以采用弹簧。

通过采用上述关节耦合组件90，可以实现跨越髋、膝、踝三关节的耦合效果，第一拉绳91上端固定在髋关节驱动电机外壳上，下端绕过膝关节驱动电机外壳与第一弹性连接件92上端连接；第二拉绳93上端与第一弹性连接件92下端连接；第二拉绳93下端通过膝关节处的滑轮94固定在四连杆足部的延长端(腿足机构的上端)。这样膝关节驱动装置作为了髋关节处的滑轮，通过两个滑轮实现髋、膝、踝关节的运动耦合，尤其是引入髋关节驱动电机来协同膝关节的运动，最终实现其超动态运动。

如图3所示，第一拉绳91上端固定在髋关节驱动电机外壳上，膝关节驱动电机外壳充当滑轮的作用，包角的变化就是髋关节角的变化，膝关节转轴处安装有滑轮94，包角的变化就是膝关节角的变化。踝关节的运动受到第一弹性连接件92和弹性连接机构80的耦合，实现踝关节的被动运动。

上述实施例通过在生物双关节协同耦合的基础上，进行生物功能性扩展，利用关节耦合组件实现跨越3关节的弹性耦合；并通过减速传动机构实现膝关节两级减速比为4的准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

本申请实施例一方面通过引入仿生跨关节肌腱-韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；具体的，通过设置关节耦合组件可以形成跨越髋、膝、踝三关节的弹性耦合运动结构，从而可以使机器人形成静态无电机功率输入的平衡，避免静止状态下电机的发热，即多关节的耦合形成一个静止状态下无电机功率输出的平衡，可以避免长时间静止站立的驱动系统发热现象；另外，各个关节协同耦合可以减轻膝关节对重力的平衡负载，实现更多能量的超动态(如跳跃等)运动效果，即更多主动关节的耦合提高电驱动系统的整体能量利用效率，可以实现更高更快的超动态运动。另一方面通过结合第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

机器人在进行超动态运动过程中与地面的接触时间比较短，尤其是在高度的奔跑和跳跃运动过程中，因此需要解决与地面在相对滑动问题。

在一些实施例中，在腿足机构70的下端还设置有防滑脚趾机构100。

如图7、图8所示，防滑脚趾机构100包括脚趾主体1010、前爪趾1020和后爪趾1030。在脚趾主体1010的前端设置有限位连接部1011，两个前爪趾1020以铰接的方式连接在限位连接部1011两侧。后爪趾1030以铰接的方式连接在脚趾主体1010后端，并且在后爪趾1030与脚趾主体1010之间还设置有第二弹性连接件1040。

具体的，本设计通过仿生动物脚趾爪状结构来增加摩擦力。如图7、图8所示，两个呈爪状的前爪趾1020通过连接轴1050可转动的连接在脚趾主体1010前端的限位连接部1011两侧。限位连接部1011呈V型，可以防止前爪趾1020向下或向上过度转动。后爪趾1030通过销轴可转动的连接在脚趾主体1010后端。在脚趾主体1010上设置有固定销1060，后爪趾1030通过第二弹性连接件1040(如钢丝弹簧)与固定销固定连接。从而使得防滑脚趾机构100形成为三段式的结构，其在落地可以产生相对的滑动，也能增加缓冲的作用。

在脚趾主体1010上还设置有连接孔，在连接孔两侧分别设置有轴套，在安装状态下，连接孔通过轴套和连接轴与腿足机构70的下端相铰接。

通过上述设置，可以使防滑脚趾机构100形成为一种仿生动物爪的形态可以实现在触地阶段的防滑效果。

本申请实施例还公开了一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人。该基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人包括多个支腿。其中，至少一个支腿为如上任意一项所描述的机器人支腿。

本申请实施例的机器人通过引入仿生跨关节肌腱-韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；具体的，通过设置关节耦合组件可以形成跨越髋、膝、踝三关节的弹性耦合运动结构，从而可以使机器人形成静态无电机功率输入的平衡，避免静止状态下电机的发热，即多关节的耦合形成一个静止状态下无电机功率输出的平衡，可以避免长时间静止站立的驱动系统发热现象；另外，各个关节协同耦合可以减轻膝关节对重力的平衡负载，实现更多能量的超动态(如跳跃等)运动效果，即更多主动关节的耦合提高电驱动系统的整体能量利用效率，可以实现更高更快的超动态运动。

进一步的，本申请实施例的机器人通过采用第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

进一步的，本申请实施例的机器人具有防滑作用仿猫爪结构足端结构。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种机器人支腿，其特征在于，所述机器人支腿包括：

髋关节驱动装置(10)；

大腿机构(20)；所述髋关节驱动装置(10)与所述大腿机构(20)的上端铰接形成为髋关节(13)，并通过第一减速传动机构(30)传动连接；

膝关节驱动装置(40)；所述膝关节驱动装置(40)设置于所述大腿机构(20)上；

小腿机构(50)；所述小腿机构(50)的上端与所述大腿机构(20)的下端铰接形成为膝关节(14)；并且，所述膝关节驱动装置(40)通过第二减速传动机构(60)与所述小腿机构(50)传动连接；

腿足机构(70)；所述腿足机构(70)的中部与所述小腿机构(50)的下端铰接形成为踝关节(15)；并且，在所述腿足机构(70)的上端与所述大腿机构(20)之间设置有弹性连接机构(80)，使得所述大腿机构(20)、所述小腿机构(50)、所述腿足机构(70)和所述弹性连接机构(80)形成为弹性四连杆机构(16)；

以及

关节耦合组件(90)；所述关节耦合组件(90)包括第一拉绳(91)、第一弹性连接件(92)和第二拉绳(93)；

在安装状态下，所述第一弹性连接件(92)位于髋关节(13)与膝关节(14)之间；所述第一拉绳(91)的下端与所述第一弹性连接件(92)的上端相连接，所述第一拉绳(91)的上端绕过所述膝关节驱动装置(40)连接在所述髋关节驱动装置(10)；所述第二拉绳(93)的上端与所述第一弹性连接件(92)的下端相连接，所述第二拉绳(93)的下端绕过设置在膝关节(14)处的滑轮(94)连接在所述腿足机构(70)的上端。

2.根据权利要求1所述的机器人支腿，其特征在于，所述第一减速传动机构(30)为带传动机构；

所述带传动机构包括设置在所述髋关节驱动装置(10)的输出轴上的第一带轮(31)、设置在所述大腿机构(20)上的第二带轮(32)及连接所述第一带轮(31)和所述第二带轮(32)的传动带(33)；

其中，所述第二带轮(32)的直径大于所述第一带轮(31)，使得所述第一带轮(31)、所述第二带轮(32)和所述传动带(33)形成为减速传动机构。

3.根据权利要求1所述的机器人支腿，其特征在于，所述第一减速传动机构(30)为齿轮传动机构；

所述齿轮传动机构包括设置在所述髋关节驱动装置(10)的输出轴上的第一齿轮和设置在所述大腿机构(20)上并与所述第一齿轮啮合的第二齿轮；

其中，所述第二齿轮的直径大于所述第一齿轮，使得所述第一齿轮和所述第二齿轮形成为减速传动机构。

4.根据权利要求1所述的机器人支腿，其特征在于，所述第一减速传动机构(30)为链传动机构；

所述链传动机构包括设置在所述髋关节驱动装置(10)的输出轴上的第一链轮、设置在所述大腿机构(20)上的第二链轮及连接所述第一链轮和所述第二链轮的传动链；

其中，所述第二链轮的直径大于所述第一链轮，使得所述第一链轮、所述第二链轮和所述传动链形成为减速传动机构。

5.根据权利要求1所述的机器人支腿，其特征在于，所述第二减速传动机构(60)包括：

设置在所述膝关节驱动装置(40)的输出轴上的第一传动轮(61)；

设置在所述大腿机构(20)上且直径大于所述第一传动轮(61)的第二传动轮(62)；所述第一传动轮(61)与所述第二传动轮(62)之间传动连接；

设置在所述大腿机构(20)上并与所述第二传动轮(62)同轴的第三传动轮(63)；

以及

设置在所述弹性四连杆机构(9)上的第四传动轮(64)；所述第三传动轮(63)与所述第四传动轮(64)之间传动连接。

6.根据权利要求5所述的机器人支腿，其特征在于，所述第三传动轮(63)与所述第四传动轮(64)之间通过传动绳(66)实现传动连接；

所述传动绳以“8”字型缠绕的方式连接在所述第三传动轮(63)与所述第四传动轮(64)之间。

7.根据权利要求5所述的机器人支腿，其特征在于，所述第一传动轮(61)、所述第二传动轮(62)、所述第三传动轮(63)和所述第四传动轮(64)为带轮、链轮或者齿轮。

8.根据权利要求1所述的机器人支腿，其特征在于，在所述腿足机构(70)的下端还设置有防滑脚趾机构(100)；

所述防滑脚趾机构(100)包括脚趾主体(1010)、前爪趾(1020)和后爪趾(1030)；

在所述脚趾主体(1010)的前端设置有限位连接部(1011)，两个所述前爪趾(1020)以铰接的方式连接在所述限位连接部(1011)两侧；

所述后爪趾(1030)以铰接的方式连接在所述脚趾主体(1010)后端，并且在所述后爪趾(1030)与所述脚趾主体(1010)之间还设置有第二弹性连接件(1040)。

9.根据权利要求1所述的机器人支腿，其特征在于，所述弹性连接机构(80)包括套筒(810)和导杆(870)；

在所述套筒(810)内部上端设置有堵头(820)；在所述套筒(810)顶部设置有铰接座(830)；所述铰接座(830)与所述堵头(820)之间设置有第一密封圈(840)；在安装状态下，所述铰接座(830)通过铰接轴连接在所述大腿机构(20)上；

在所述套筒(810)内部下端设置有导杆滑动轴承(860)，并且在所述导杆滑动轴承(860)与所述套筒(810)之间还设置有第二密封圈(880)；在所述堵头(820)与所述导杆滑动轴承(860)之间设置有压簧(850)；

所述导杆(870)的一端穿过所述导杆滑动轴承(860)和所述压簧(850)与所述堵头(820)相连接；

所述导杆(870)的另一端连接有铰接头(890)；在安装状态下，所述铰接头(890)与所述腿足机构(70)的上端相铰接。

10.一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人，其特征在于，所述基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人包括多个支腿；

其中，至少一个支腿为如权利要求1至9之一所述的机器人支腿。