CN111098950B - 行走结构及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请属于类人形服务机器人技术领域，涉及行走结构及机器人。该行走结构中，髋部与躯干部之间配置有两组脚连接件与连杆，髋部、躯干部、一组的脚连接件与连杆构成四杆机构，髋部相对固定不动，髋舵机能够驱动躯干部相对于髋部摆动，使连杆与脚连接件联动。两个脚连接件分别固定至两个脚舵机的输出轴，每组四杆机构与对应的脚舵机作为一个腿部。通过舵机的数字精确控制，机器人能够实现各个方向的灵活运动和步态控制。利用四杆机构与一个髋舵机就实现了髋部与腿部的全部运动形态，有效节约了舵机成本，动力需求少，耗能少。同时让结构更加的紧凑与可靠，让整个机器人的动作协调可控，且表现更加的拟人动感。

Description

行走结构及机器人

技术领域

本申请属于类人形服务机器人技术领域，尤其涉及一种行走结构及机器人。

背景技术

对于人形机器人行走运动，目前从算法软件角度来实现髋部与腿部的协调运动，至少需要能够实现三个自由度的独立驱动单元来实现，利用每一个驱动单元独立动力来实现髋部关节与腿部关节的独立运动，也就是如果用舵机直接驱动，至少需要三个舵机，再根据算法约束与控制来实现髋部与腿部的协调运动；这种实现运动的结构好处是结构组合简单，只需要根据需要增加驱动单元就可以实现，同时软件控制较灵活，缺点是驱动单元价格较高，增加驱动单元就是增加成本，同时对软件依赖较高，在断电情况下，软件无法运行，驱动单元自锁能力差，机器人无法维持正常的姿态，对每个驱动单元性能要求较高，且需要对驱动单元从结构与软件上要进行相应的保护措施才能确保驱动单元有足够长的使用寿命，每个驱动单元体积都不小，堆叠的驱动单元的数量越多，机器人的关节体积越大，造成机器人体态过大，重量过重，增加了机器人对每一个关节的力度要求，容易让机器人的设计进入不断增加关节的输出与增加机器人重量与成本死循环误区，从而让机器人的制造成本不可控。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种行走结构及机器人，以解决现有人形机器人髋部与腿部之间需要能够实现三个自由度的独立驱动单元来实现，引起成本高、体积大的技术问题。

本申请实施例提供一种行走结构，包括：

髋部；

躯干部，摆动安装于所述髋部；

髋舵机，用于驱动所述躯干部相对于所述髋部摆动；

两个脚连接件，分别枢接于所述髋部；

两个连杆，所述连杆与所述脚连接件一一对应设置，每一所述连杆的两端分别枢接于所述躯干部与对应的所述脚连接件；以及

两个脚舵机，其输出轴一一对应地固定于两个所述脚连接件。

可选地，所述髋舵机固定于所述躯干部上，所述髋舵机的输出轴固定于所述髋部上。

可选地，所述髋部上固定有保护壳，所述保护壳具有容纳腔，所述保护壳的两侧分别设有与所述容纳腔连通的端口，所述躯干部插设于其中一侧的所述端口，所述髋部与所述连杆的至少一部分位于所述保护壳内，所述脚连接件与所述脚舵机靠近另外一侧的所述端口处设置。

可选地，所述髋部与所述躯干部之间连接有两个间隔设置的第一弹性件，两个所述连杆位于两个所述第一弹性件之间。

可选地，两个所述第一弹性件与所述髋部之间的连接处的间距大于两个所述第一弹性件与所述躯干部之间的连接处的间距。

可选地，每一所述脚连接件上设有第二弹性件，所述第二弹性件的两端分别抵设于所述脚连接件与所述髋部，两个所述连杆位于两个所述第二弹性件之间。

可选地，所述脚连接件具有定位柱，所述第二弹性件的一端套设于所述定位柱外。

可选地，所述髋部的两端部分别固定有一个安装座，所述脚连接件一一对应地枢接于所述安装座。

可选地，所述安装座具有容纳槽及与所述容纳槽连通的连接孔，所述脚连接件至少一部分容纳于所述容纳槽内；所述脚连接件包括管状体及连接于所述管状体上的连接柱，所述连接柱插设于所述连接孔；所述脚舵机的输出轴插设于所述管状体内。

可选地，每一所述脚连接件外均设有腿部壳，所述腿部壳具有上下贯通的贯通槽，所述安装座至少一部分与所述脚连接件至少一部分位于所述腿部壳内。

可选地，每一所述脚舵机均固定有脚部壳，所述脚舵机位于所述脚部壳内。

可选地，所述躯干部具有两个间隔设置的第一安装轴，每一所述脚连接件均具有第二安装轴，所述连杆的两端分别设有安装孔，所述第一安装轴穿过所述连杆的其中一个所述安装孔，所述第二安装轴穿过所述连杆的另外一个所述安装孔。

可选地，所述第一安装轴外套设有第一套筒，所述第一套筒穿过其中一个所述安装孔；所述第二安装轴外套设有第二套筒，所述第二套筒穿过另外一个所述安装孔。

可选地，所述躯干部相对于所述髋部的摆动轴线位于所述连杆与所述躯干部之间的枢接处及所述连杆与所述脚连接件的枢接处之间，两个所述连杆与所述躯干部之间的枢接处的间距小于两个所述连杆与所述脚连接件的枢接处的间距。

本申请实施例提供一种机器人，包括上述的行走结构。

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：该行走结构中，髋部与躯干部之间配置有两组脚连接件与连杆，髋部、躯干部、一组的脚连接件与连杆构成四杆机构，髋部相对固定不动，髋舵机能够驱动躯干部相对于髋部摆动，进而使连杆与脚连接件联动。两个脚连接件分别固定至两个脚舵机的输出轴，每组四杆机构与对应的脚舵机作为一个腿部。

在初始，躯干部竖直设置，两个腿部支撑于支撑面上，髋舵机先使躯干部朝向左右其中一侧摆动，另外一侧的腿部被抬起，被抬起腿部的脚舵机与支撑面之间形成高度差，此时，支撑于支撑面上的脚舵机驱动跟该脚舵机的输出轴连接的所有部件转动预定角度。接着，髋舵机使躯干部复位，同时刚才悬空的腿部下降并再次支撑于支撑面上，此时该腿部已向前移动一步。另外一个腿部前后移动的原理相同，实现两个腿部交替弯曲和抬高，并且交替行走，躯干部前后移动。在其中一个腿部悬空时，支撑于支撑面上的脚舵机驱动就能实现左右方向的调整。从而通过舵机的数字精确控制，机器人能够实现前后左右各个方向的灵活运动和步态控制。

利用四杆机构与一个髋舵机就实现了髋部与腿部的全部运动形态，有效节约了舵机成本，动力需求少，耗能少，有效的减轻或杜绝常规机器人利用驱动单元数量堆叠的缺陷。同时让结构更加的紧凑与可靠，让整个机器人的动作协调可控，且表现更加的拟人动感。

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行走结构的立体装配图；

图2为图1的行走结构的立体分解图；

图3为图2的行走结构在拆卸腿部壳与脚部壳后的结构示意图；

图4为图2的行走结构中应用的腿部壳与脚部壳的立体分解图；

图5为图3的行走结构的进一步立体分解图。

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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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至图3，本申请实施例提供一种行走结构，包括髋部10、躯干部20、髋舵机30、两个脚连接件40、两个连杆50与两个脚舵机60。躯干部20可以连接手臂(图未示)、颈部101与髋部10，还可以安装电池102、驱动板103等。躯干部20摆动安装于髋部10，比如躯干部20绕一水平线枢接于髋部10上。髋舵机30用于驱动躯干部20相对于髋部10摆动。

两个脚连接件40分别枢接于髋部10。连杆50与脚连接件40一一对应设置，每一连杆50的两端分别枢接于躯干部20与对应的脚连接件40。两个脚舵机60的输出轴61一一对应地固定于两个脚连接件40。也就是说，髋部10与躯干部20之间配置有两组脚连接件40与连杆50，髋部10、躯干部20、一组的脚连接件40与连杆50构成四杆机构，髋部10相对固定不动，髋舵机30能够驱动躯干部20相对于髋部10摆动，进而使连杆50与脚连接件40联动。两个脚连接件40分别固定至两个脚舵机60的输出轴61，每组四杆机构与对应的脚舵机60作为一个腿部。

在初始，躯干部20竖直设置，两个腿部支撑于支撑面上，髋舵机30先使躯干部20朝向左右其中一侧摆动，另外一侧的腿部被抬起，被抬起腿部的脚舵机60与支撑面之间形成高度差，此时，支撑于支撑面上的脚舵机60驱动跟该脚舵机60的输出轴61连接的所有部件转动预定角度。接着，髋舵机30使躯干部20复位，同时刚才悬空的腿部下降并再次支撑于支撑面上，此时该腿部已向前移动一步。另外一个腿部前后移动的原理相同，实现两个腿部交替弯曲和抬高，并且交替行走，躯干部20前后移动。在其中一个腿部悬空时，支撑于支撑面上的脚舵机60驱动就能实现左右方向的调整。从而通过舵机的数字精确控制，机器人能够实现前后左右各个方向的灵活运动和步态控制。

利用四杆机构与一个髋舵机30就实现了髋部10与腿部的全部运动形态，有效节约了舵机成本，动力需求少，耗能少，有效的减轻或杜绝常规机器人利用驱动单元数量堆叠的缺陷。同时让结构更加的紧凑与可靠，让整个机器人的动作协调可控，且表现更加的拟人动感。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，髋舵机30固定于躯干部20上，髋舵机30的输出轴固定于髋部10上。将髋舵机30容置于躯干部20，将髋舵机30的输出轴连接在髋部10，这样使结构紧凑，便于髋舵机30的装配。具体地，髋部10大致沿横向延伸，髋舵机30凸出设于躯干部20的下部，这样髋部10的两端与躯干部20下部的两端之间会有一定空间，便于躯干部20相对于髋部10左右摆动而不会与髋部10干涉。

进一步的，躯干部20包括前后对接的两个躯干壳21，髋舵机30至少一部分设置在两个躯干壳21之间的容纳空间。髋部10包括前后对接的两个髋壳11，髋舵机30的输出轴水平延伸并固定于其中一个髋壳11。采用这个方案，便于躯干部20、髋部10的制作与装配。两个躯干壳21之间、两个髋壳11之间可以采用紧固件或其它方式连接。

请参阅图1、图2，在本申请另一实施例中，髋部10上固定有保护壳12，保护壳12具有容纳腔121，保护壳12的两侧分别设有与容纳腔121连通的端口122，躯干部20插设于其中一侧的端口122，髋部10与连杆50的至少一部分位于保护壳12内，脚连接件40与脚舵机60靠近另外一侧的端口122处设置。设置保护壳12，能对髋部10、连杆50等零件进行保护，避免外界影响四杆机构工作。保护壳12的底部设有两个端口122，分别供一个腿部伸出。具体地，保护壳12包括前后对接的两个子壳体123，两个子壳体123扣合连接，并固定于髋部10上。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，髋部10与躯干部20之间连接有两个间隔设置的第一弹性件71，两个连杆50位于两个第一弹性件71之间。设置第一弹性件71，在髋舵机30驱动躯干部20向左右其中一侧摆动时，另外一侧的腿部将会被抬起，同时另外一侧的第一弹性件71将会拉伸蓄能，该第一弹性件71对躯干部20提供一定拉力以避免躯干部20摆动幅度过大，同时限定了连杆50的摆动幅度，也就限定了腿部被抬起的高度，确保机器人的重心落在支撑在支撑面的腿部底面上，使机器人保持站稳；在髋舵机30驱动躯干部20向另外一侧摆动时，刚才被拉伸的第一弹性件71将会释放能量，拉动躯干部20快速复位，使得躯干部20能快速复位至机器人站稳的位置，即竖直位置。第一弹性件71可以为拉伸弹簧，第一弹性件71的两端分别勾设于躯干部20的固定柱23、髋部10的固定柱111。

请参阅图3至图5，在本申请另一实施例中，两个第一弹性件71与髋部10之间的连接处的间距大于两个第一弹性件71与躯干部20之间的连接处的间距。也就是两个第一弹性件71呈八字分布。这样设置，可以使第一弹性件71制作得比较长，在髋舵机30驱动躯干部20向左右其中一侧摆动时，另外一侧的第一弹性件71将会拉伸更能多并蓄能更多；在髋舵机30驱动躯干部20向另外一侧摆动时，刚才被拉伸的第一弹性件71将会释放更多的能量，拉动躯干部20更加快速复位。同时，这样设置会使得结构紧凑，机器人在高度方向的尺寸可以制作得比较小，并且确保第一弹性件71能提供足够的拉力以使躯干部20快速复位。并且，倾斜布置的第一弹性件71可以避免躯干部20摆动幅度过大，确保机器人的重心落在支撑在支撑面的腿部底面上，进一步使机器人保持站稳。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，在腿部支撑于支撑面时，脚舵机60的输出轴61竖直设置，这样能够确保机器人站稳。每一脚连接件40上设有第二弹性件72，第二弹性件72的两端分别抵设于脚连接件40与髋部10，两个连杆50位于两个第二弹性件72之间。设置第二弹性件72，在其中一个腿部被抬起时，被抬起的腿部的脚连接件40将会向外侧摆动，第二弹性件72将会压缩蓄能；在该腿部下降准备着地时，被压缩的第二弹性件72将会伸长，使脚连接件40复位至站稳的状态，就是竖直位置。第二弹性件72可以使髋部10、躯干部20、脚连接件40与连杆50构成的四杆机构实现自锁，即使在一个腿部悬空而另一个作为支撑腿的时候，只要机器人的重心落在腿部的支撑面上就可以保持站稳，腿部的支撑面可以是脚舵机60的底面或者是下述脚部壳90的底面。第二弹性件72可以为压缩弹簧。

请参阅图3图5，在本申请另一实施例中，脚连接件40具有定位柱41，第二弹性件72的一端套设于定位柱41外。采用这个方案，便于第二弹性件72装配到脚连接件40与髋部10之间，避免工作时第二弹性件72分离脚连接件40，提高可靠性。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，髋部10的两端部分别固定有一个安装座13，脚连接件40一一对应地枢接于安装座13。设置安装座13，便于脚连接件40的装配。具体地，安装座13包括两个前后对接的安装壳131，两个安装壳131与髋部10开采用同一紧固件连接。其中一个安装壳131具有抵接壁132，用于与第二弹性件72的一端抵接配合。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，安装座13具有两个间隔设置的连接臂133，两个连接臂133之间形成容纳槽134，连接臂133的内侧面设有与容纳槽134连通的连接孔135，脚连接件40至少一部分容纳于容纳槽134内；脚连接件40包括管状体42及连接于管状体42上的连接柱43，连接柱43的两端分别插设于两个连接孔135；脚舵机60的输出轴61插设于管状体42内，管状体42与脚舵机60的输出轴61同步摆动。采用这个方案，便于将脚连接件40枢接到安装座13上，将脚舵机60装配到脚连接件40上。进一步的，连接孔135内设有套筒136，连接柱43插设于套筒136内，这样能实现连接柱43平稳顺畅地在连接孔135内转动。

请参阅图1、图2、图4，在本申请另一实施例中，每一脚连接件40外均设有腿部壳80，腿部壳80具有上下贯通的贯通槽81，安装座13至少一部分与脚连接件40至少一部分位于腿部壳80内。腿部壳80用于保护脚连接件40、连杆50、安装座13与第二弹性件72，避免外界影响四杆机构工作。腿部壳80包括前后两个对接的腿部子壳82，脚连接件40固定于其中一个腿部子壳82。

请参阅图1、图2、图4，在本申请另一实施例中，每一脚舵机60均固定有脚部壳90，脚舵机60位于脚部壳90内。腿部配置脚部壳90时，脚部壳90需要制作得比较大，使得在其中一个脚部壳90悬空时另外一个脚部壳90能支撑起机器人，并且躯干部20在摆动时机器人的重心要落在支撑于支撑面的脚部壳90上。脚部壳90可以对脚舵机60保护，并且在脚部壳90内设置其它部件。可以理解的，还可以不设置脚部壳90，要将脚舵机60的壳体制作得比较大，实现支撑和行走功能。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，躯干部20具有两个间隔设置的第一安装轴22，每一脚连接件40均具有第二安装轴44，连杆50的两端分别设有安装孔51，第一安装轴22穿过连杆50的其中一个安装孔51，第二安装轴44穿过连杆50的另外一个安装孔51。采用这个方案，实现连杆50与躯干部20之间的枢接，以及连杆50与髋部10之间的枢接。将第一安装轴22与第二安装轴44分别穿过连杆50对应安装孔51后，可以采用紧固件52连接在安装轴上，以限定连杆50的位置，防止连杆50松脱。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，第一安装轴22外套设有第一套筒53，第一套筒53穿过其中一个安装孔51；第二安装轴44外套设有第二套筒54，第二套筒54穿过另外一个安装孔51。设置套筒，能提高安装轴与连杆50安装孔51内壁之间耐摩擦能力，提高可靠性。

请参阅图1至图3，在本申请另一实施例中，躯干部20相对于髋部10的摆动轴线(即髋舵机30输出轴的轴线)位于连杆50与躯干部20之间的枢接处及连杆50与脚连接件40的枢接处之间，两个连杆50与躯干部20之间的枢接处的间距小于两个连杆50与脚连接件40的枢接处的间距。采用这个方案，在躯干部20相对于髋部10摆动时，连杆50可以向外侧摆动更大的角度，同时确保机器人可以在高度方向制作得较小。进一步的，两个连杆50呈八字分布，也就是两个连杆50的上端相靠近，两个连杆50的下端相远离，在躯干部20相对于髋部10摆动时连杆50可以向外侧摆动更大的角度，同时使两个脚舵机60分开足够的距离，进而使两个脚部壳90制作得足够大并且不会干涉。

请参阅图1至图3，在本申请另一实施例中，提供一种机器人，包括上述的行走结构。由于本机器人采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

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 (15)

1.一种行走结构，其特征在于，包括：

髋部；

躯干部，摆动安装于所述髋部；

髋舵机，用于驱动所述躯干部相对于所述髋部摆动；

两个脚连接件，分别枢接于所述髋部，所述脚连接件能够相对所述髋部左右摆动；

两个连杆，所述连杆与所述脚连接件一一对应设置，每一所述连杆的两端分别枢接于所述躯干部与对应的所述脚连接件；以及

两个脚舵机，其输出轴一一对应地固定于两个所述脚连接件，所述脚舵机能够支撑于支撑面上以使所述行走结构站在所述支撑面上；

所述髋部、所述躯干部、一组的所述脚连接件与所述连杆构成四杆机构。

2.如权利要求1所述的行走结构，其特征在于，所述髋舵机固定于所述躯干部上，所述髋舵机的输出轴固定于所述髋部上。

3.如权利要求1所述的行走结构，其特征在于，所述髋部上固定有保护壳，所述保护壳具有容纳腔，所述保护壳的两侧分别设有与所述容纳腔连通的端口，所述躯干部插设于其中一侧的所述端口，所述髋部与所述连杆的至少一部分位于所述保护壳内，所述脚连接件与所述脚舵机靠近另外一侧的所述端口处设置。

4.如权利要求1所述的行走结构，其特征在于，所述髋部与所述躯干部之间连接有两个间隔设置的第一弹性件，两个所述连杆位于两个所述第一弹性件之间。

5.如权利要求4所述的行走结构，其特征在于，两个所述第一弹性件与所述髋部之间的连接处的间距大于两个所述第一弹性件与所述躯干部之间的连接处的间距。

6.如权利要求1所述的行走结构，其特征在于，每一所述脚连接件上设有第二弹性件，所述第二弹性件的两端分别抵设于所述脚连接件与所述髋部，两个所述连杆位于两个所述第二弹性件之间。

7.如权利要求6所述的行走结构，其特征在于，所述脚连接件具有定位柱，所述第二弹性件的一端套设于所述定位柱外。

8.如权利要求1至7任一项所述的行走结构，其特征在于，所述髋部的两端部分别固定有一个安装座，所述脚连接件一一对应地枢接于所述安装座。

9.如权利要求8所述的行走结构，其特征在于，所述安装座具有容纳槽及与所述容纳槽连通的连接孔，所述脚连接件至少一部分容纳于所述容纳槽内；所述脚连接件包括管状体及连接于所述管状体上的连接柱，所述连接柱插设于所述连接孔；所述脚舵机的输出轴插设于所述管状体内。

10.如权利要求8所述的行走结构，其特征在于，每一所述脚连接件外均设有腿部壳，所述腿部壳具有上下贯通的贯通槽，所述安装座至少一部分与所述脚连接件至少一部分位于所述腿部壳内。

11.如权利要求1至7任一项所述的行走结构，其特征在于，每一所述脚舵机均固定有脚部壳，所述脚舵机位于所述脚部壳内。

12.如权利要求1至7任一项所述的行走结构，其特征在于，所述躯干部具有两个间隔设置的第一安装轴，每一所述脚连接件均具有第二安装轴，所述连杆的两端分别设有安装孔，所述第一安装轴穿过所述连杆的其中一个所述安装孔，所述第二安装轴穿过所述连杆的另外一个所述安装孔。

13.如权利要求12所述的行走结构，其特征在于，所述第一安装轴外套设有第一套筒，所述第一套筒穿过其中一个所述安装孔；所述第二安装轴外套设有第二套筒，所述第二套筒穿过另外一个所述安装孔。

14.如权利要求1至7任一项所述的行走结构，其特征在于，所述躯干部相对于所述髋部的摆动轴线位于所述连杆与所述躯干部之间的枢接处及所述连杆与所述脚连接件的枢接处之间，两个所述连杆与所述躯干部之间的枢接处的间距小于两个所述连杆与所述脚连接件的枢接处的间距。

15.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至14任一项所述的行走结构。

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