CN111038613B - 一种单腿机构及腿足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单腿机构，包括第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和连杆机构；第一驱动机构的主体和第二驱动机构的主体相互连接固定，且第一驱动机构的输出端与第二驱动机构的输出端的朝向相对；第三驱动机构的输出端与第一驱动机构的本体和第二驱动机构的本体连接，且第三驱动机构的输出端的轴线方向垂直于第一驱动机构或第二驱动机构的输出端的轴线方向。该单腿机构采用连杆机构解耦大小腿驱动力，使腿部传动机构更加紧凑，腿部转矩更大，动力表现性能更优秀；采用同轴心异步转矩传送模式，简化四连杆模型，使控制更简单，具有良好的实用性。另外，本发明还公开了一种腿足式机器人。

Description

一种单腿机构及腿足式机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及到一种单腿机构及腿足式机器人。

背景技术

目前地面机器人大致可分为基于腿足式和基于轮子的两种运动构型。传统的轮式移动机器人具有结构简单、易于控制、移动速度快和稳定能力强等优点，但是只适合路况良好的平面，地面必须连续、平坦，运动受地形影响比较大，当其遇到一定高度的连续型障碍物时就无法通过。而腿足式移动机器人的腿脚运动灵活，可以跨越和攀登诸多障碍，只需要离散的支撑点，几乎可以适应各种复杂地形，在复杂的地形和非结构化的环境中，具有更好的灵活性和适应性。

足式机器人腿部设计的一个重要原则是尽量减少摆动腿的转动惯量，减少驱动机构负载，以便实现高速摆动运动。现有发明专利如CN201711260907.1的支撑腿采用连杆机构将驱动小腿的驱动机构转移至大腿关节，该方案一定程度上减少了摆动腿的转动惯例，然缺点是小腿的驱动驱动机构仍固定于大腿的驱动机构转子上，影响大腿驱动机构的执行效果，基于该设计的足式机器人方案运行将不够灵活、轻便。

发明内容

本发明提供了一种单腿机构及腿足式机器人，该单腿机构采用连杆机构解耦大小腿驱动力，使腿部传动机构更加紧凑，腿部转矩更大，动力表现性能更优秀；采用同轴心异步转矩传送模式，简化四连杆模型，使控制更简单，具有良好的实用性。

一种单腿机构，包括第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和连杆机构；

所述第一驱动机构的主体和第二驱动机构的主体相互连接固定，且所述第一驱动机构的输出端与所述第二驱动机构的输出端的朝向相对；

所述第三驱动机构的输出端与所述所述第一驱动机构的本体和第二驱动机构的本体连接，且所述第三驱动机构的输出端的轴线方向垂直于所述第一驱动机构或第二驱动机构的输出端的轴线方向；

所述连杆机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件；第一杆件始端与所述第一驱动机构的输出端连接，第一杆件末端铰接在所述第三杆件中部；第二杆件始端与所述第二驱动机构的输出端连接，第二杆件末端与第四杆件始端铰接；第四杆件末端与第三杆件始端铰接，第二杆件末端为对外输出端。

可选的实施方式，所述第一驱动机构的输出端与所述第二驱动机构的输出端同轴设置。

可选的实施方式，所述第三杆件为曲杆。

可选的实施方式，所述第一杆件和/或第二杆件沿轴向上设置有缓冲结构。

可选的实施方式，所述第一杆件或第二杆件在对应于所述缓冲结构的位置上断开为同轴设置的第一支杆和第二支杆；

所述缓冲结构包括壳体和设置在壳体内部的第一弹性元件；

所述第一支杆伸入所述壳体内与所述第一弹性元件连接，所述第二支杆与所述壳体连接。

可选的实施方式，所述缓冲结构还包括设置在壳体内部的液压避震器；

所述液压避震器包括缸体和缸轴，所述缸轴一端与所述第一弹性元件连接，所述缸轴另一端设置在所述缸体内；

所述缸体内充满液压油；

所述缸轴在所述缸体内的末端设置有垂直于所述缸轴轴线的滑块；所述滑块外周与所述缸体内壁贴合，且所述滑块将所述缸体分隔为第一舱体和第二舱体；

所述滑块上设置有分别与所述第一舱体和第二舱体连通的阻尼孔。

可选的实施方式，所述缓冲结构还包括复位机构；

所述复位机构包括第二弹性元件，所述第二弹性元件用于驱动所述缸轴朝所述缸体外部运动。

可选的实施方式，所述缓冲结构还包括变压力缓冲机构；

所述变压力缓冲机构包括控制器、压力传感器、连通所述第一舱体和第二舱体的若干条流道和对应设置在若干条流道中的若干个开关阀；

所述压力传感器设置在所述第一弹性组件和缸轴之间；

所述压力传感器和所述若干个开关阀分别与所述控制器电性连接。

可选的实施方式，所述单腿机构还包括长度自检机构；

所述长度自检机构用于检测所述缓冲结构的长度变化。

相应的，本发明还提供了一种腿足式机器人，包括机器人本体和若干条对称设置在所述机器人本体两侧的单腿机构；

所述单腿机构为以上任一项所述的单腿机构。

本发明提供了一种单腿机构及腿足式机器人，该单腿机构采用连杆机构解耦大小腿驱动力，使腿部传动机构更加紧凑，腿部转矩更大，动力表现性能更优秀；采用同轴心异步转矩传送模式，简化四连杆模型，使控制更简单，具有良好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本发明实施例的单腿机构三维结构示意图；

图2示出了本发明实施例的单腿机构俯视结构示意图；

图3示出了本发明实施例的缓冲结构的剖面结构示意图；

图4示出了本发明实施例的腿足式机器人三维结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例的单腿机构三维结构示意图，图2示出了本发明实施例的单腿机构俯视结构示意图。

本发明提供了一种单腿机构，包括第一驱动机构1、第二驱动机构2、第三驱动机构3和连杆机构；在本发明实施例中，为了便于示意，第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动机构均采用步进驱动机构结构(无减速器)，具体实施中，可根据需求采用各种输出形式为旋转输出的驱动机构。

所述第一驱动机构1的主体和第二驱动机构2的主体相互连接固定，在本发明实施例中，所述第一驱动机构1的主体和第二驱动机构2的主体上分别设置有相应的连接框架，相对应的连接框架之间基于连接件4相互连接固定。

为了保证结构的紧凑型以及后续连杆机构的连杆所处平面的一致性，所述第一驱动机构1的输出端101与所述第二驱动机构2的输出端201的朝向相对。

所述第三驱动机构3的输出端301与所述所述第一驱动机构1的本体和第二驱动机构2的本体连接(第一驱动机构1的本体和第二驱动机构2的本体是相互连接固定的)，且所述第三驱动机构3的输出端301的轴线方向垂直于所述第一驱动机构1或第二驱动机构2的输出端的轴线方向；具体实施中，一般采用固定第三驱动机构3的本体的方式进行该单腿机构的安装，将第三驱动机构3安装于外部，第三驱动机构3驱动第一驱动机构1和第二驱动机构2绕以轴线(垂直于第一驱动机构1的输出端101和第二驱动机构2的输出端201的轴线)转动。

所述连杆机构包括第一杆件501、第二杆件502、第三杆件503和第四杆件504；第一杆件501始端与所述第一驱动机构1的输出端101连接，第一杆件501末端铰接在所述第三杆件503中部；第二杆件502始端与所述第二驱动机构2的输出端201连接，第二杆件502末端与第四杆件504始端铰接；第四杆件504末端与第三杆件503始端铰接，第三杆件503末端为对外输出端。

可选的，可在第三杆件503末端设置缓冲足垫505，以避免第三杆件503与底面的接触磨损。

具体实施中，第一杆件501、第二杆件502、第三杆件503和第四杆件504在满足相对转动的铰接连接的结构基础上，可采用万向铰接、鱼眼铰接等方式实现连接，本发明实施例不注意进行说明。

可选的，所述第一驱动机构1的输出端101与所述第二驱动机构2的输出端同轴设置，从而使第一连杆501与第一驱动机构1的输出端101的连接位置与第二连杆502与第二驱动机构2的输出端201的连接位置处于同一轴线上，此时，连杆机构(一般为五连杆机构)整体可简化为四连杆机构，使系统控制简单。

进一步的，所述第三杆件503为曲杆。结合附图可以看出，第三杆件503并非是支杆，而是曲杆。一方面，结合单腿机构一般的运动姿态，由于连杆机构的设计，第三杆件503的外部驱动力通常不是与第三杆件503的轴线共线的，因此，将第三杆件503设置为曲杆形式，可有利于利用第三杆件503自身的刚性抵消更多的外力作用，使通过连杆机构作用至驱动机构的力变小，同时可避免第三杆件503收到的剪力过大，导致第三杆件503的变形或断裂。

进一步的，本发明实施例的单腿机构的传动方式是将第三连杆503的对外输出端所受的力基于连杆机构传递至驱动机构，为了保证结构的精简，连杆机构是直接连接于驱动机构的输出端上(传统的结构一般是将连杆机构首先连接于转轴、支杆等支架上，由支架受力，而驱动机构只负责传动)，由此可见，驱动机构的输出端所受的剪力(切向力)是较大的，为了避免瞬间过大的剪力对输出机构的输出端造成破坏，可选的，所述第一杆件和/或第二杆件沿轴向上设置有缓冲结构。

缓冲结构的作用是使外部的瞬间冲击力经过弱化后再传递至输出机构的输出端，一方面可提高单腿机构的瞬间承受能力，增加其适用性，另一方面可提高单腿机构的缓冲性能，避免结构形态产生太大的改变。

图3示出了本发明实施例的缓冲结构的剖面结构示意图。

可选的，本发明实施例提供了一种新型的缓冲结构。

具体的，所述第一杆件或第二杆件在对应于所述缓冲结构的位置上断开为同轴设置的第一支杆603和第二支杆612；

所述缓冲结构包括壳体601和设置在壳体内部的第一弹性元件604；常见的，第一弹性元件604可以为弹簧、板簧等遵循胡克定律的弹性元件。

所述第一支杆603伸入所述壳体601内与所述第一弹性元件604连接，所述第二支杆612与所述壳体601连接。

通过设置第一弹性元件604，可通过第一弹性元件604通过第一弹性元件604的变形抵消一部分外界给予的冲击力，减少驱动机构的输出端的受力。

进一步的，所述缓冲结构还包括设置在壳体内部的液压避震器；

所述液压避震器包括缸体610和缸轴605，所述缸轴605一端与所述第一弹性元件604连接，所述缸轴605另一端设置在所述缸体610内；所述缸体610内充满液压油；所述缸轴605在所述缸体610内的末端设置有垂直于所述缸轴轴线的滑块；所述滑块外周与所述缸体内壁贴合，且所述滑块将所述缸体610分隔为第一舱体和第二舱体；所述滑块上设置有分别与所述第一舱体和第二舱体连通的阻尼孔608。

设置液压避震器的原因在于，由于第一弹性元件604是遵循胡克定律进行变形的，其变形的情况主要为受力的影响，变化速度也有力的大小有关；而设置液压避震器，一方面，液压避震器同样可以通过缸轴605在缸体610内的运动达到一定的抵消冲击力的效果(阻尼孔608的作用)，此外，液压避震器缸轴605抵消冲击力时的运动速度是基本恒定的，因此，液压避震器在产生作用时，对于瞬时的冲击力可避免缓冲结构的总体长度发生太大的变化。

可选的，所述缓冲结构还包括复位机构；

所述复位机构包括第二弹性元件602，所述第二弹性元件602用于驱动所述缸轴605朝所述缸体610外部运动。第二弹性元件602的设置原因，一方面是用于液压避震器的复位，一方面是用于使缸轴605的运动同时收到第二弹性元件602的驱动，缸轴605越运动至图示方向的下方，所受到的第二弹性元件602的拉力就越大，从而缸轴605的运动速度就越慢，可有效提高液压避震器的整体稳定性。

进一步的，所述缓冲结构还包括变压力缓冲机构；

所述变压力缓冲机构包括控制器、压力传感器619、连通所述第一舱体和第二舱体的若干条流道607和对应设置在若干条流道中的若干个开关阀609；所述压力传感器619设置在所述第一弹性组件604和缸轴605之间；所述压力传感器619和所述若干个开关阀609分别与所述控制器电性连接。

具体的，如瞬间冲击的压力过大，单纯凭借原设计中的第一弹性元件604和液压避震器的缓冲效果已不足以对瞬间的冲击力进行吸收(即瞬间冲击力大于原设计结构中的缓冲结构的上限)，有可能会对驱动机构的输出端造成损坏；因此，本发明实施例为了提高液压避震器的反应速度，以提高液压避震器的缓冲性能，通过在所述第一弹性组件604和缸轴605之间设置压力传感器619，利用压力传感器619将第一弹性组件604的受力情况反馈至控制器，控制器基于压力变化速度预计最终的冲击力大小，然后根据最终的冲击力大小判断是否需要打开开关阀609以及判断打开开关阀609的数量(若流道线径不一致，则需要准确判定所要打开的开关阀)，通过打开开关阀609实现增大液压油流通速度的目的，以提高液压避震器的瞬间缓冲性能；此外，还可在液压避震器内设置弹性空间(如附图图3中的液压避震器内部下方所示结构)，利用空间的大小变化储存液压油，使位于下方的舱内的液压油数量相对减少，以供缸轴更快速的运动。

进一步的，为了提高缓冲性能，缸体610可活动设置在壳体601内，缸体610与壳体601之间可设置第三弹性元件611。

此外，为了供控制器能够实施监控单腿机构的姿态(长度、位置等)所述单腿机构还包括长度自检机构；所述长度自检机构用于检测所述缓冲结构的长度变化。

具体的，在本发明实施例中，所述长度自检机构第一距离传感器618、第二距离传感器617和第三距离传感器613；其中，第一距离传感器618用于获取第一支杆603在壳体601内部的运动位置；第二距离传感器617用于获取轴杆615在壳体内的运动位置；第三距离传感器603用于获取缸体610在壳体601内的运动位置。通过与默认值进行比较，可供控制器能够实时监控单腿机构的姿态，主要是监控第一连杆和第二连杆的实时长度，从而实时计算出相应的控制方案。

具体实施中，第一支杆和第二支杆可采用相互嵌套的连接方式，使缓冲结构位于第一支杆和第二支杆的内部，从而可对缓冲结构形成良好的保护，提高缓冲结构的耐用性。

图4示出了本发明实施例的腿足式机器人三维结构示意图。

本发明实施例提供了一种腿足式机器人，包括机器人本体701和若干组对称设置在所述机器人本体两侧的单腿机构702；本发明实施例的单腿机构数量为四组，两两对称的设置在机器人本体701两侧。

具体的，本实施例的单腿机构基于第一驱动元件设置在机器人本体701上。在第一驱动元件的输出端运动时，连杆机构可沿对应的轴线绕机器人本体701体侧摆动，若干组单腿机构的对外输出端与地面的接触点所围成的面积(等价于底座的支撑面积)可根据需求进行调整，有利于提高腿足式机器人的运动平稳性；同时，在该腿足式机器人进行收纳时，通过第一驱动元件带动其余部件进行翻转以及机器人本体上开有对应的收纳槽，可形成一个较为规整的长方体，便于收纳和运输，具有良好的实用性。

本发明提供了一种单腿机构及腿足式机器人，该单腿机构采用连杆机构解耦大小腿驱动力，使腿部传动机构更加紧凑，腿部转矩更大，动力表现性能更优秀；采用同轴心异步转矩传送模式，简化四连杆模型，使控制更简单，具有良好的实用性；缓冲结构的多重缓冲设置以及应急缓冲设计，可很好的对冲击力缓冲与长度变化之间形成平衡，以较小的结构变化提高缓冲能力，同时基于长度自检机构，可实施对连杆的长度变化进行监控，具有良好的实用性。

以上对本发明实施例所提供的一种单腿机构及腿足式机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种单腿机构，其特征在于，包括第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构和连杆机构；

所述第一驱动机构的主体和第二驱动机构的主体相互连接固定，且所述第一驱动机构的输出端与所述第二驱动机构的输出端的朝向相对；

所述第三驱动机构的输出端与所述第一驱动机构的本体和第二驱动机构的本体连接，且所述第三驱动机构的输出端的轴线方向垂直于所述第一驱动机构或第二驱动机构的输出端的轴线方向；

所述连杆机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件；第一杆件始端与所述第一驱动机构的输出端连接，第一杆件末端铰接在所述第三杆件中部；第二杆件始端与所述第二驱动机构的输出端连接，第二杆件末端与第四杆件始端铰接；第四杆件末端与第三杆件始端铰接，第二杆件末端为对外输出端；

所述第一杆件和/或第二杆件沿轴向上设置有缓冲结构；

所述第一杆件或第二杆件在对应于所述缓冲结构的位置上断开为同轴设置的第一支杆和第二支杆；

所述缓冲结构包括壳体、设置在壳体内部的第一弹性元件、设置在壳体内部的液压避震器；

所述第一支杆伸入所述壳体内与所述第一弹性元件连接，所述第二支杆与所述壳体连接；

所述液压避震器包括缸体和缸轴，所述缸轴一端与所述第一弹性元件连接，所述缸轴另一端设置在所述缸体内；

所述缸体内充满液压油；

所述缸轴在所述缸体内的末端设置有垂直于所述缸轴轴线的滑块；所述滑块外周与所述缸体内壁贴合，且所述滑块将所述缸体分隔为第一舱体和第二舱体；

所述滑块上设置有分别与所述第一舱体和第二舱体连通的阻尼孔；

所述缓冲结构还包括复位机构和变压力缓冲机构；

所述复位机构包括第二弹性元件，所述第二弹性元件用于驱动所述缸轴朝所述缸体外部运动；

所述变压力缓冲机构包括控制器、压力传感器、连通所述第一舱体和第二舱体的若干条流道和对应设置在若干条流道中的若干个开关阀；

所述压力传感器设置在所述第一弹性元件和缸轴之间；

所述压力传感器和所述若干个开关阀分别与所述控制器电性连接；

所述单腿机构还包括长度自检机构；

所述长度自检机构用于检测所述缓冲结构的长度变化。

2.如权利要求1所述的单腿机构，其特征在于，所述第一驱动机构的输出端与所述第二驱动机构的输出端同轴设置。

3.如权利要求1所述的单腿机构，其特征在于，所述第三杆件为曲杆。

4.一种腿足式机器人，其特征在于，包括机器人本体和若干条对称设置在所述机器人本体两侧的单腿机构；

所述单腿机构为权利要求项1至3任一项所述的单腿机构。