CN110979505B - 髋关节结构及类人形机器人 - Google Patents
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Abstract
本申请属于类人形服务机器人技术领域，尤其涉及髋关节结构及类人形机器人。该髋关节结构中，将重量较大的髋转驱动件与髋侧驱动件的安装位置提高到髋关节骨架上，通过髋转驱动件驱动髋关节骨架转动，通过髋侧传动组件将髋侧驱动件的动力传递至大腿部使大腿部运动，这使得整体结构的重量和转动惯量降低，有效提高机器人重心，有效降低髋关节的所需动力。类人形机器人采用上述髋关节结构，髋关节结构转动惯量得到降低，进而有效降小髋关节结构的所需动力。
Description
技术领域
本申请属于类人形服务机器人技术领域，尤其涉及髋关节结构及类人形机器人。
背景技术
在机器人领域，传统的类人形机器人存在重心低、重量大、转动惯量高等难题，减低腿部的惯量对于机器人的控制有很大的帮助，降低惯量也可以降低机器人所需要的扭矩。目前，大部分类人形机器人的髋关节结构采用串联的方式，这样导致髋关节结构重量很重，转动惯量大。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种髋关节结构及类人形机器人，以解决现有类人形机器人中的髋关节结构转动惯量大的技术问题。
本申请实施例提供一种髋关节结构，包括：
髋关节骨架；
大腿部，活动安装于所述髋关节骨架；
髋转驱动件，用于驱动所述髋关节骨架转动；
髋侧驱动件，安装于所述髋关节骨架；以及
髋侧传动组件，用于将所述髋侧驱动件的动力传递至所述大腿部以使所述大腿部运动。
可选地，所述髋转驱动件设于所述髋关节骨架的外部；或者，所述髋转驱动件嵌装于所述髋关节骨架内。
可选地，所述髋转驱动件为转动驱动件，所述髋转驱动件的输出轴与所述髋关节骨架之间连接有髋转减速器，所述髋转减速器的输入轴与所述髋转驱动件的输出轴连接，所述髋转减速器的输出轴固定于所述髋关节骨架。
可选地，所述髋侧驱动件与所述髋侧传动组件的数量均为二；所述髋侧驱动件的壳体固定于所述髋关节骨架，所述髋侧驱动件的输出轴一一对应地连接至所述髋侧传动组件，所述髋侧传动组件的输出端活动连接于所述大腿部；所述大腿部与所述髋关节骨架的连接处、两个所述髋侧传动组件的输出端与所述大腿部的连接处呈三角形三端点分布。
可选地，所述髋侧驱动件为转动驱动件，所述髋侧传动组件包括转动安装于所述髋关节骨架的传动轴、用于将所述髋转驱动件的动力传递至所述传动轴的传动机构、由所述传动轴驱动转动的传动连杆，以及两端分别铰接于所述传动连杆与所述大腿部的连杆轴。
可选地，所述传动机构包括固定于所述髋侧驱动件的输出轴的髋侧小带轮、与所述传动轴同轴固定的髋侧大带轮，以及绕设于所述髋侧小带轮与所述髋侧大带轮以外的髋侧同步带；
或者，所述传动机构为链传动机构。
可选地，所述传动轴与所述传动连杆之间连接有髋侧减速器，所述髋侧减速器的输入轴与所述传动轴连接，所述髋侧减速器的输出轴固定于所述传动连杆。
可选地，两个所述髋侧驱动件设于所述髋关节骨架内，两个所述髋侧驱动件的输出轴背向穿出所述髋关节骨架外；所述传动机构位于所述髋关节骨架的外侧；
所述髋关节骨架开设有安装槽，所述髋侧减速器设于所述安装槽内；
所述髋关节骨架开设有与所述安装槽连通的过孔，所述传动轴穿过所述过孔后连接于所述髋侧减速器的输入轴。
可选地，所述连杆轴与所述传动连杆之间通过关节轴承铰接；
和/或，所述连杆轴与所述大腿部之间通过十字铰链铰接；
和/或，所述髋关节骨架与所述大腿部之间通过十字铰链铰接。
本申请实施例提供一种类人形机器人，包括上述的髋关节结构。
本申请实施例提供的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：该髋关节结构中，将重量较大的髋转驱动件与髋侧驱动件的安装位置提高到髋关节骨架上，通过髋转驱动件驱动髋关节骨架转动，通过髋侧传动组件将髋侧驱动件的动力传递至大腿部使大腿部运动，这使得整体结构的重量和转动惯量降低，有效提高机器人重心，有效降低髋关节的所需动力。类人形机器人采用上述髋关节结构，髋关节结构转动惯量得到降低，进而有效降小髋关节结构的所需动力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的髋关节结构的立体装配图；
图2为图1的髋关节结构的主视图；
图3为图2的髋关节结构的左视图；
图4为图3的髋关节结构的沿A-A线剖视图；
图5为图1的髋关节结构的立体分解图；
图6为图5的髋关节结构的进一步立体分解图；
图7为图1的髋关节结构在大腿后摆时的结构示意图；
图8为图1的髋关节结构在大腿前摆时的结构示意图；
图9为图1的髋关节结构在大腿左摆时的结构示意图；
图10为本申请另一实施例提供的髋关节结构的立体装配图；
图11为图10的髋关节结构的剖视图；
图12为图10的髋关节结构在大腿左摆时的结构示意图；
图13为本申请另一实施例提供的髋关节结构的立体装配图；
图14为本申请实施例提供的类人形机器人的腿部结构的立体装配图；
图15为本申请实施例提供的类人形机器人的两个腿部结构的立体装配图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
请参阅图1、图2、图15，本申请实施例提供一种髋关节结构200，应用于类人形机器人。髋关节结构200包括髋关节骨架210、大腿部220、髋转驱动件230、髋侧驱动件240、髋侧传动组件250。大腿部220活动安装于髋关节骨架210。髋转驱动件230用于驱动髋关节骨架210转动，髋转驱动件230可以装配到机器人腰部300。髋侧驱动件240安装于髋关节骨架210。髋侧传动组件250用于将髋侧驱动件240的动力传递至大腿部220以使大腿部220运动。
本申请提供的髋关节结构200，与现有技术相比，将重量较大的髋转驱动件230与髋侧驱动件240的安装位置提高到髋关节骨架210上，通过髋转驱动件230驱动髋关节骨架210转动，通过髋侧传动组件250将髋侧驱动件240的动力传递至大腿部220使大腿部220运动，这使得整体结构的重量和转动惯量降低，有效提高机器人重心，有效降低髋关节的所需动力。
请参阅图1、图2，在本申请另一实施例中，髋侧驱动件240位于髋关节骨架210的上部分，这使得髋关节结构200的转动惯量进一步降低，更有效降低髋关节的所需动力。髋转驱动件230设于髋关节骨架210的外部。优选地，髋转驱动件230设于髋关节骨架210的顶部，且髋转驱动件230的输出轴朝下延伸设置。通过髋侧驱动件240驱动，实现髋关节骨架210的转动。这种形式减少了整个结构宽度尺寸，减少所需空间，使结构紧凑。
请参阅图10至图12，在本申请另一实施例中，髋转驱动件230嵌装于髋关节骨架210内，髋关节骨架210设有与其内腔连通的开口211，便于将转动驱动件由开口211放入内腔。髋转驱动件230的输出轴朝下延伸设置，通过髋侧驱动件240驱动实现髋关节骨架210的转动。这种形式减少了整个结构高度尺寸，减少所需空间，使结构紧凑。
请参阅图1、图2，在本申请另一实施例中，髋转驱动件230为转动驱动件，比如电机，髋转驱动件230的输出轴与髋关节骨架210之间连接有髋转减速器260，髋转减速器260的输入轴与髋转驱动件230的输出轴连接，髋转减速器260的输出轴固定于髋关节骨架210。设置髋转减速器260，能够降低转速以提高输出扭矩，以控制髋关节骨架210转动。髋转减速器260可以选用同步带机构、谐波减速器、RV减速器、行星减速器等，均能实现减速以提高扭矩的作用。
请参阅图13，在本申请另一实施例中，髋转减速器260采用同步带机构，同步带机构包括由髋转驱动件230驱动转动的髋转小带轮261、与髋转小带轮261间隔设置且用于驱动髋关节骨架210转动的髋转大带轮262，以及绕设于髋转小带轮261与髋转大带轮262以外的髋转同步带263。这种方式能够减速以提高扭矩，并且将髋转驱动件230放置在离髋关节骨架210的转动轴线一定距离的位置，在髋关节骨架210的正上方形成避让空间，以安装其他结构件。
请参阅图1、图2，在本申请另一实施例中，髋侧驱动件240与髋侧传动组件250的数量均为二；髋侧驱动件240的壳体固定于髋关节骨架210，髋侧驱动件240的输出轴一一对应地连接至髋侧传动组件250，髋侧传动组件250的输出端活动连接于大腿部220；大腿部220与髋关节骨架210的连接处、两个髋侧传动组件250的输出端与大腿部220的连接处呈三角形三端点分布，从而形成并联结构髋关节，这样能够实现髋关节俯仰运动与翻转运动。在机器人需保持站立时，大腿部220与髋关节骨架210的连接处、两个髋侧传动组件250的输出端与大腿部220的连接处呈三角形三端点分布，机器人的重力经由髋关节骨架210与髋侧传动组件250传递至大腿部220，确保髋关节骨架210相对于大腿部220的稳定性。
具体地，大腿部220与髋关节骨架210的连接处位于大腿部220的后部，两个髋侧传动组件250的输出端与大腿部220的连接处位于大腿部220的前部。参阅图3、图7、图8，当两个髋侧传动组件250的输出端与大腿部220的连接处向同一个方向移动时，实现髋关节俯仰运动，即大腿部220前后摆动；参阅图9，当两个髋侧传动组件250的输出端与大腿部220的连接处分别向上与向下移动时，实现髋关节翻滚运动和俯仰运动的复合运动，即大腿部220左右摆动与前后摆动。
请参阅图1、图2、图4、图6，在本申请另一实施例中，髋侧驱动件240为转动驱动件，髋侧传动组件250包括转动安装于髋关节骨架210的传动轴251、用于将髋转驱动件230的动力传递至传动轴251的传动机构252、由传动轴251驱动转动的传动连杆253，以及两端分别铰接于传动连杆253与大腿部220的连杆轴254。采用这个方案，能够将髋侧驱动件240的动力传递至大腿部220，调节大腿部220的姿态。工作时，髋侧驱动件240的动力通过传动机构252传递至传动轴251，由传动轴251带动传动连杆253摆动，而髋关节骨架210、传动连杆253、连杆轴254与大腿部220形成连杆机构，连杆轴254带动大腿部220运动。
髋关节骨架210的后部铰接于大腿部220，配合两组髋侧驱动件240与髋侧传动组件250，从而在三个连接位调节大腿部220，实现髋关节俯仰运动与翻转运动。参阅图7、图8，当两个传动连杆253同一个方向转动时，实现髋关节俯仰运动；参阅图9，当两个传动连杆253不同方向转动时，实现髋关节翻滚运动和俯仰运动的复合运动。参阅图1、图3，在大腿部220处于站立状态时，两个连杆轴254均沿上下方向设置，传动连杆253向机器人的前方延伸，可靠地支撑起髋关节骨架210及相关结构件。
髋侧驱动件240可以选用电机，结构紧凑，容易控制。而且，电机与髋关节骨架210相对固定，电机走线可以相对固定在髋关节骨架210上，避免传统机器人由于关节相对转动而导致走线困难且电线磨损的情况。具体地，两个髋侧驱动件240同轴设置且固定在髋关节骨架210上，并分别配合髋侧传动组件250以驱动大腿部220的两个连接位，进而调节大腿部220的姿态，同时使结构紧凑。
请参阅图1、图2，在本申请另一实施例中，传动机构252包括固定于髋侧驱动件240的输出轴的髋侧小带轮2521、与传动轴251同轴固定的髋侧大带轮2522，以及绕设于髋侧小带轮2521与髋侧大带轮2522以外的髋侧同步带2523。采用同步带机构，能将髋侧驱动件240的动力传递至传动轴251，使传动轴251转动。另外，髋关节骨架210还设有张紧轮2524，张紧轮2524抵压于髋侧同步带2523，使得同步带机构工作可靠。
在本申请另一实施例中，传动机构252为链传动机构252。采用这种方式也能将髋侧驱动件240的动力传递至传动轴251，使传动轴251转动。
请参阅图4、图6，在本申请另一实施例中，传动轴251与传动连杆253之间连接有髋侧减速器255，髋侧减速器255的输入轴与传动轴251连接，髋侧减速器255的输出轴固定于传动连杆253。设置髋侧减速器255，能降低转速以提高扭矩，使传动连杆253输出预定动力，进而带动连杆轴254与大腿部220运动。减速器可以选用谐波减速器、RV减速器、行星减速器等。
请参阅图1、图5，在本申请另一实施例中，两个髋侧驱动件240设于髋关节骨架210内，两个髋侧驱动件240的输出轴背向穿出髋关节骨架210外；传动机构252位于髋关节骨架210的外侧。采用这种方式，结构简单，整体结构紧凑，还能对髋侧驱动件240进行保护。
请参阅图4至图6，在本申请另一实施例中，髋关节骨架210开设有安装槽212，髋侧减速器255设于安装槽212内，使得整体结构紧凑。具体地，两个髋侧减速器255的输出轴同轴设置，两个髋侧减速器255分别设置在髋关节骨架210不同的安装槽212内，这样便于将髋侧驱动件240的动力经过髋侧减速器255传递至传动连杆253与连杆轴254，进而使大腿部220转动。
进一步地，髋关节骨架210开设有与安装槽212连通的过孔213，传动轴251穿过过孔213后连接于髋侧减速器255的输入轴。采用这个方式，便于传动轴251将动力传递至髋侧减速器255，而且传动轴251容易装配到髋侧减速器255上。髋关节骨架210的过孔213处设有用于支承传动轴251的支承轴承258，这样使传动轴251自由稳定地转动以传递动力。
请参阅图1、图6在本申请另一实施例中，连杆轴254与传动连杆253之间通过关节轴承256铰接。关节轴承256是一种球面滑动轴承，运动时可以在任意角度旋转摆动。关节轴承256具有载荷能力大、抗冲击、抗腐蚀、耐磨损、自调心、润滑好等特点。采用关节轴承256连接两个连杆，在传动时两个连杆能够可靠转动。
请参阅图1、图2、图6，在本申请另一实施例中，连杆轴254与大腿部220之间通过十字铰链257铰接。十字铰链257包括上铰链座2571、十字轴2572和下铰链座2573，十字轴2572连接于上铰链座2571与下铰链座2573。上铰链座2571固定于连杆轴254端部，下铰链座2573固定于大腿部220上，实现连杆轴254活动连接于大腿部220上。髋关节骨架210与大腿部220之间通过十字铰链214铰接。该十字铰链214的结构与装配方式类似于连杆轴254与大腿部220之间的十字铰链257。采用十字铰链连接两个结构件，能够使大腿部220相对于髋关节骨架210的摆动角度足够大，大腿部220的活动范围更大。
请参阅图1、图14、图15，在本申请另一实施例中，提供一种类人形机器人，包括上述的髋关节结构200。该髋关节结构200中，将重量较大的髋转驱动件230与髋侧驱动件240的安装位置提高到髋关节骨架210上，通过髋转驱动件230驱动髋关节骨架210转动，通过髋侧传动组件250将髋侧驱动件240的动力传递至大腿部220使大腿部220运动，这使得整体结构的重量和转动惯量降低，有效提高机器人重心，有效降低髋关节的所需动力。类人形机器人采用上述髋关节结构200，髋关节结构200转动惯量得到降低，进而有效降小髋关节结构200的所需动力。具体地，髋关节结构200的大腿部220下端摆动设置有小腿部20，小腿部20的下端活动安装有脚部30，髋关节骨架210、大腿部220、小腿部20与脚部30装配形成整条腿部结构。两条腿部结构装配到腰部300形成机器人下肢部分。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种髋关节结构，其特征在于，包括：
髋关节骨架；
大腿部，活动安装于所述髋关节骨架；
髋转驱动件，用于驱动所述髋关节骨架转动；
髋侧驱动件，安装于所述髋关节骨架；以及
髋侧传动组件，用于将所述髋侧驱动件的动力传递至所述大腿部以使所述大腿部运动；
所述髋关节骨架的后部铰接于所述大腿部，所述髋侧驱动件与所述髋侧传动组件的数量均为二；所述髋侧驱动件的壳体固定于所述髋关节骨架，所述髋侧驱动件的输出轴一一对应地连接至所述髋侧传动组件，所述髋侧传动组件的输出端活动连接于所述大腿部；所述大腿部与所述髋关节骨架的连接处、两个所述髋侧传动组件的输出端与所述大腿部的连接处呈三角形三端点分布，以使髋关节能够俯仰运动与翻转运动。
2.如权利要求1所述的髋关节结构，其特征在于，所述髋转驱动件设于所述髋关节骨架的外部；或者，所述髋转驱动件嵌装于所述髋关节骨架内。
3.如权利要求1所述的髋关节结构，其特征在于，所述髋转驱动件为转动驱动件，所述髋转驱动件的输出轴与所述髋关节骨架之间连接有髋转减速器，所述髋转减速器的输入轴与所述髋转驱动件的输出轴连接，所述髋转减速器的输出轴固定于所述髋关节骨架。
4.如权利要求1所述的髋关节结构，其特征在于，所述髋侧驱动件为转动驱动件，所述髋侧传动组件包括转动安装于所述髋关节骨架的传动轴、用于将所述髋转驱动件的动力传递至所述传动轴的传动机构、由所述传动轴驱动转动的传动连杆，以及两端分别铰接于所述传动连杆与所述大腿部的连杆轴。
5.如权利要求4所述的髋关节结构，其特征在于，所述传动机构包括固定于所述髋侧驱动件的输出轴的髋侧小带轮、与所述传动轴同轴固定的髋侧大带轮，以及绕设于所述髋侧小带轮与所述髋侧大带轮以外的髋侧同步带；
或者，所述传动机构为链传动机构。
6.如权利要求4所述的髋关节结构，其特征在于，所述传动轴与所述传动连杆之间连接有髋侧减速器，所述髋侧减速器的输入轴与所述传动轴连接，所述髋侧减速器的输出轴固定于所述传动连杆。
7.如权利要求6所述的髋关节结构，其特征在于，两个所述髋侧驱动件设于所述髋关节骨架内，两个所述髋侧驱动件的输出轴背向穿出所述髋关节骨架外；所述传动机构位于所述髋关节骨架的外侧；
所述髋关节骨架开设有安装槽，所述髋侧减速器设于所述安装槽内；
所述髋关节骨架开设有与所述安装槽连通的过孔，所述传动轴穿过所述过孔后连接于所述髋侧减速器的输入轴。
8.如权利要求4所述的髋关节结构，其特征在于，所述连杆轴与所述传动连杆之间通过关节轴承铰接；
和/或，所述连杆轴与所述大腿部之间通过十字铰链铰接；
和/或，所述髋关节骨架与所述大腿部之间通过十字铰链铰接。
9.一种类人形机器人，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的髋关节结构。
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