CN111017063B - 一种直驱式类人双足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直驱式类人双足机器人，包括单腿结构，所述的单腿结构为两组对称的单腿结构，所述单腿结构包括二自由度的髋关节大腿结构、含单自由度膝关节的大腿小腿结构和欠驱动踝关节结构，所述二自由度的髋关节大腿结构与含单自由度膝关节的大腿小腿结构连接，所述含单自由度膝关节的大腿小腿结构与欠驱动踝关节结构连接，本发明采用微型直线电机直驱运动部件，使之形成摆动导杆机构，结构简单紧凑、效率高，并且整体尺寸小巧、质量轻、零部件易于加工、成本低，本发明包含一对二自由度的髋关节大腿结构、一对单自由度膝关节的大腿小腿结构以及一对欠驱动踝关节结构，即整体由六个电机控制，单腿仅由三个电机控制，控制简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及双足机器人结构设计技术领域，具体为一种直驱式类人双足机器人。
背景技术
双足机器人技术是机器人技术的高级发展阶段，它是集机构运动学与动力学、材料学、计算机、传感器技术、现代控制理论、仿生学等多学科于一体的前沿技术领域。现今，国内外已研发成功了各类双足机器人，例如本田的ASIMO、波士顿动力的Atlas、AgilityRobotics的Cassie、优必选的Walker等等。
目前大部分的双足机器人为了能够实现平稳的步态行走甚至跑跳动作，大都采用电机搭配谐波减速器或者是自主研发的大扭矩电机(Atlas采用液压传动)，并且机构内部还有同步带、齿轮等传动环节，这势必会使得机器人结构复杂、尺寸大、质量重、成本高并且不易控制。
此外，部分双足机器人在脚踝处或者小腿处配有减速电机来控制脚踝的运动，并且根据动力学仿真结果可知，脚踝处所需力矩较大，即所需电机较大，这亦会增加机构的重量及控制难度。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种直驱式类人双足机器人，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种直驱式类人双足机器人，包括单腿结构，所述的单腿结构为两组对称的单腿结构，所述单腿结构包括二自由度的髋关节大腿结构、含单自由度膝关节的大腿小腿结构和欠驱动踝关节结构，所述二自由度的髋关节大腿结构与含单自由度膝关节的大腿小腿结构连接，所述含单自由度膝关节的大腿小腿结构与欠驱动踝关节结构连接。
进一步的，所述二自由度的髋关节-大腿结构包括髋关节第一传动结构、髋关节第二传动结构和换向连接件，所述髋关节第一传动结构和髋关节第二传动结构分别通过螺钉与换向连接件固连成串联结构。
进一步的，所述髋关节第一传动结构包括髋关节固定连杆、第一直线电机、第一电机连接座、两根髋关节第一连杆、第一内螺纹轴销、第一支承加强杆和第二支承加强杆，所述的第二支承加强杆为两根，所述的第一直线电机通过螺钉与第一电机连接座固连，所述的第一直线电机尾端两侧的装配凸台分别与两根髋关节固定连杆的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第一电机连接座两侧的装配凸台分别与两根髋关节第一连杆的连接座装配孔配合形成铰链连接，所述的两根髋关节第一连杆处于两根髋关节固定连杆内侧，所述的第一内螺纹轴销依次插入两根髋关节固定连杆和两根髋关节第一连杆的销孔形成铰链连接，所述的一根第一支承加强杆置于两根髋关节第一连杆之间，所述的两根第二支承加强杆置于两根髋关节固定连杆之间。
进一步的，所述髋关节第二传动结构包括两根髋关节第二连杆、第二直线电机、第二电机连接座、两根大腿第一连杆、第二内螺纹轴销、两根第一支承加强杆和三根第二支承加强杆，所述的第二直线电机通过螺钉与第二电机连接座固连，所述的第二直线电机尾端两侧的装配凸台分别与两根髋关节第二连杆的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第二电机连接座两侧的装配凸台分别与两根大腿第一连杆的连接座装配孔配合形成铰链连接，所述的两根大腿第一连杆处于两根髋关节第二连杆内侧，所述的第二内螺纹轴销依次插入两根髋关节第二连杆和两根大腿第一连杆的销孔形成铰链连接，所述的两根第一支承加强杆置于两根大腿第一连杆之间，所述的三根第二支承加强杆置于两根髋关节第二连杆之间，所述的两根大腿第一连杆通过螺钉与含单自由度膝关节的大腿小腿结构固连。
进一步的，所述含单自由度膝关节的大腿小腿结构包括两根大腿第二连杆、第三直线电机、第三电机连接座、两根小腿连杆、第三内螺纹轴销、四根第一支承加强杆和三根第二支承加强杆，所述的第三直线电机通过螺钉与第三电机连接座固连，所述的第三直线电机尾端两侧的装配凸台分别与两根大腿第二连杆的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第三电机连接座两侧的装配凸台分别与两根小腿连杆的连接座装配孔配合形成铰链连接，所说的两根小腿连杆处于两根大腿第二连杆内侧，所述的第三内螺纹轴销依次插入两根大腿第二连杆和两根小腿连杆的销孔形成铰链连接，所述的四根第一支承加强杆置于两根小腿连杆之间，所述的三根第二支承加强杆置于两根大腿第二连杆之间，所述的两根大腿第二连杆通过螺钉与二自由度的髋关节大腿结构固连，所述的两根小腿连杆通过螺钉与欠驱动踝关节结构连接。
进一步的，所述的欠驱动踝关节结构包括踝转接件和脚掌，所述的脚掌通过螺钉与踝转接件连接，所述的踝转接件通过螺钉与含单自由度膝关节的大腿小腿结构连接，所述的脚掌为弓形形状。
进一步的，所述的脚掌为硬度较高的橡胶材料。
进一步的，所述的髋关节第一传动结构为摆动导杆机构；所述的髋关节第二传动结构为摆动导杆机构；所述的含单自由度膝关节的大腿小腿结构为摆动导杆结构。
与已公开技术相比：
1、本发明采用微型直线电机直驱运动部件，使之形成摆动导杆机构，结构简单紧凑、效率高，并且整体尺寸小巧、质量轻、零部件易于加工、成本低。
2、本发明包含一对二自由度的髋关节大腿结构、一对单自由度膝关节的大腿小腿结构以及一对欠驱动踝关节结构，即整体由六个电机控制，单腿仅由三个电机控制，控制简单方便。
3、本发明的欠驱动小腿结构末端固连橡胶材质的弓形脚掌，具有一定缓冲减震功能，并能自适应略微不平的地面，保护机构的同时降低了控制难度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明二自由度的髋关节大腿结构的结构示意图。
图3为本发明髋关节第一传动结构的三维爆炸图。
图4为本发明髋关节第二传动结构的三维爆炸图。
图5为本发明含单自由度膝关节的大腿-小腿结构的三维爆炸图。
图6为本发明欠驱动踝关节结构的三维爆炸图。
图中：1-二自由度的髋关节-大腿结构；2-含单自由度膝关节的大腿-小腿结构；3-欠驱动踝关节结构；11-髋关节第一传动结构；12-髋关节第二传动结构；101-换向连接件；111-髋关节固定连杆；112-第一直线电机；113-第一电机连接座；114-髋关节第一连杆；115-第一内螺纹轴销；121-髋关节第二连杆；122-第二直线电机；123-第二电机连接座；124-大腿第一连杆；125-第二内螺纹轴销；201-大腿第二连杆；202-第三直线电机；203-第三电机连接座；204-小腿连杆；205-第三内螺纹轴销；301-踝转接件；302-脚掌；401-第一支承加强杆；402第二支承加强杆。
具体实施方式
为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，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，可以两个元件内部的连通。
如图1-6所示，一种直驱式类人双足机器人，包括单腿结构，所述的单腿结构为两组对称的单腿结构，所述单腿结构包括二自由度的髋关节-大腿结构1、含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2和欠驱动踝关节结构3，所述二自由度的髋关节-大腿结构1与含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2连接，所述含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2与欠驱动踝关节结构3连接。
如图1、图2所示，所述二自由度的髋关节-大腿结构1包括髋关节第一传动结构11、髋关节第二传动结构12和换向连接件101，所述髋关节第一传动结构11和髋关节第二传动结构12分别通过螺钉与换向连接件101固连成串联结构。
如图1-3所示，所述髋关节第一传动结构11包括两根髋关节固定连杆111、第一直线电机112、第一电机连接座113、两根髋关节第一连杆114、第一内螺纹轴销115、第一支承加强杆401和两根第二支承加强杆402，所述的第一直线电机112通过螺钉与第一电机连接座113固连，所述的第一直线电机112尾端两侧的装配凸台分别与两根髋关节固定连杆111的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第一电机连接座113两侧的装配凸台分别与两根髋关节第一连杆114的连接座装配孔配合形成铰链连接，轴和孔均采用间隙配合；调整第一电机连接座113与第一直线电机112的相对位置，使得两根髋关节第一连杆114处于两根髋关节固定连杆111内侧并且相邻连杆接触面互相平行，所述的第一内螺纹轴销115依次插入两根髋关节固定连杆111以及两根髋关节第一连杆114的销孔形成铰链连接，拧上螺钉以轴向限位，轴和孔采用间隙配合，将一根第一支承加强杆401置于两根髋关节第一连杆114之间，与螺钉通孔对齐并通过螺钉固连；将两根第二支承加强杆402置于两根髋关节固定连杆111之间，与螺钉通孔对齐并通过螺钉固连。
如图1、图2、图4所示，所述髋关节第二传动结构12包括两根髋关节第二连杆121、第二直线电机122、第二电机连接座123、两根大腿第一连杆124、第二内螺纹轴销125、两根第一支承加强杆401以及三根第二支承加强杆402，所述的第二直线电机122通过螺钉与第二电机连接座123固连；所述的第二直线电机122尾端两侧的装配凸台分别与两根髋关节第二连杆121的电机装配孔配合形成铰链连接，第二电机连接座123两侧的装配凸台分别与两根大腿第一连杆124的连接座装配孔配合形成铰链连接，轴和孔均采用间隙配合；调整第二电机连接座123与第二直线电机122的相对位置，使得两根大腿第一连杆124处于两根髋关节第二连杆121内侧并且相邻连杆接触面互相平行，第二内螺纹轴销125依次插入两根髋关节第二连杆121以及两根大腿第一连杆124的销孔形成铰链连接，拧上螺钉以轴向限位，轴和孔采用间隙配合；将两根第一支承加强杆401置于两根大腿第一连杆124之间，与螺钉通孔对齐并通过螺钉固连；将三根第二支承加强杆402置于两根髋关节第二连杆121之间，与螺钉通孔对齐并通过螺钉固连；两根大腿第一连杆124则通过螺钉与含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2固连。
如图1、图5所示，所述含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2包括两根大腿第二连杆201、第三直线电机202、第三电机连接座203、两根小腿连杆204、第三内螺纹轴销205、四根第一支承加强杆401以及三根第二支承加强杆402，所述的第三直线电机202通过螺钉与第三电机连接座203固连；所述的第三直线电机202尾端两侧的装配凸台分别与两根大腿第二连杆201的电机装配孔配合形成铰链连接，第三电机连接座203两侧的装配凸台分别与两根小腿连杆204的连接座装配孔配合形成铰链连接，轴和孔均采用间隙配合；调整第三电机连接座203与第三直线电机202的相对位置，使得两根小腿连杆204处于两根大腿第二连杆201内侧并且相邻连杆接触面互相平行，第三内螺纹轴销205依次插入两根大腿第二连杆201以及两根小腿连杆204的销孔形成铰链连接，拧上螺钉以轴向限位，轴和孔采用间隙配合；将四根第一支承加强杆401置于两根小腿连杆204之间，与螺钉通孔对齐并通过螺钉固连；将三根第二支承加强杆402置于两根大腿第二连杆201之间，与螺钉通孔对齐并通过螺钉固连；两根大腿第二连杆201通过螺钉与二自由度的髋关节-大腿结构1固连；两根小腿连杆204通过螺钉与欠驱动踝关节结构3连接。
如图1、图6所示，所述的欠驱动踝关节结构3包括踝转接件301和脚掌302，所述的脚掌302通过螺钉与踝转接件301连接；所述的踝转接件301通过螺钉与含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2连接，两者连接形式为可调式的连接形式，可以调节结构重心的前后位置，通过螺钉固定；所述的脚掌302为弓形形状，采用硬度较高的橡胶材料，使得机构具有一定缓冲减震功能，又具有一定刚度。
最终将各个关节部分装配在一起，并将两组对称且相互独立的单腿结构通过螺钉连接成为完整的双足机器人，使得二自由度的髋关节-大腿结构1中的髋关节第一传动结构11带动髋关节第二传动结构12、含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2以及欠驱动踝关节结构3作沿冠状面的侧摆运动；髋关节第二传动结构12带动含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2和欠驱动踝关节结构3作沿矢状面的俯仰运动；含单自由度膝关节的大腿-小腿结构2带动欠驱动踝关节结构3作沿矢状面的俯仰运动；所有传动结构形式均为摆动导杆机构。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种直驱式类人双足机器人，包括单腿结构，其特征在于：所述的单腿结构为两组对称的单腿结构，所述单腿结构包括二自由度的髋关节大腿结构、含单自由度膝关节的大腿小腿结构和欠驱动踝关节结构，所述二自由度的髋关节大腿结构与含单自由度膝关节的大腿小腿结构连接，所述含单自由度膝关节的大腿小腿结构与欠驱动踝关节结构连接，所述二自由度的髋关节大腿结构包括髋关节第一传动结构、髋关节第二传动结构和换向连接件，所述髋关节第一传动结构和髋关节第二传动结构分别通过螺钉与换向连接件固连成串联结构，所述含单自由度膝关节的大腿小腿结构包括两根大腿第二连杆、第三直线电机、第三电机连接座、两根小腿连杆、第三内螺纹轴销、四根第一支承加强杆和三根第二支承加强杆，所述的第三直线电机通过螺钉与第三电机连接座固连，所述的第三直线电机尾端两侧的装配凸台分别与两根大腿第二连杆的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第三电机连接座两侧的装配凸台分别与两根小腿连杆的连接座装配孔配合形成铰链连接，所述的两根小腿连杆处于两根大腿第二连杆内侧，所述的第三内螺纹轴销依次插入两根大腿第二连杆和两根小腿连杆的销孔形成铰链连接，所述的四根第一支承加强杆置于两根小腿连杆之间，所述的三根第二支承加强杆置于两根大腿第二连杆之间，所述的两根大腿第二连杆通过螺钉与二自由度的髋关节大腿结构固连，所述的两根小腿连杆通过螺钉与欠驱动踝关节结构连接。
2.如权利要求1所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述髋关节第一传动结构包括髋关节固定连杆、第一直线电机、第一电机连接座、两根髋关节第一连杆、第一内螺纹轴销、第一支承加强杆和第二支承加强杆，所述的第二支承加强杆为两根，所述的第一直线电机通过螺钉与第一电机连接座固连，所述的第一直线电机尾端两侧的装配凸台分别与两根髋关节固定连杆的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第一电机连接座两侧的装配凸台分别与两根髋关节第一连杆的连接座装配孔配合形成铰链连接，所述的两根髋关节第一连杆处于两根髋关节固定连杆内侧，所述的第一内螺纹轴销依次插入两根髋关节固定连杆和两根髋关节第一连杆的销孔形成铰链连接，一根 所述的第一支承加强杆置于两根髋关节第一连杆之间，两根 所述的第二支承加强杆置于两根髋关节固定连杆之间。
3.如权利要求1所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述髋关节第二传动结构包括两根髋关节第二连杆、第二直线电机、第二电机连接座、两根大腿第一连杆、第二内螺纹轴销、两根第一支承加强杆和三根第二支承加强杆，所述的第二直线电机通过螺钉与第二电机连接座固连，所述的第二直线电机尾端两侧的装配凸台分别与两根髋关节第二连杆的电机装配孔配合形成铰链连接，所述的第二电机连接座两侧的装配凸台分别与两根大腿第一连杆的连接座装配孔配合形成铰链连接，所述的两根大腿第一连杆处于两根髋关节第二连杆内侧，所述的第二内螺纹轴销依次插入两根髋关节第二连杆和两根大腿第一连杆的销孔形成铰链连接，所述的两根第一支承加强杆置于两根大腿第一连杆之间，所述的三根第二支承加强杆置于两根髋关节第二连杆之间，所述的两根大腿第一连杆通过螺钉与含单自由度膝关节的大腿小腿结构固连。
4.如权利要求1所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述的欠驱动踝关节结构包括踝转接件和脚掌，所述的脚掌通过螺钉与踝转接件连接，所述的踝转接件通过螺钉与含单自由度膝关节的大腿小腿结构连接，所述的脚掌为弓形形状。
5.如权利要求4所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述的脚掌为硬度较高的橡胶材料。
6.如权利要求1所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述的髋关节第一传动结构为摆动导杆机构。
7.如权利要求1所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述的髋关节第二传动结构为摆动导杆机构。
8.如权利要求1所述的一种直驱式类人双足机器人，其特征在于：所述含单自由度膝关节的大腿小腿结构为摆动导杆机构。
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