CN111361661A - 一种带弹簧储能的连杆式机械腿及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带弹簧储能的连杆式机械腿及机器人，包括大腿，所述大腿一端与小腿转动连接，另一端设置有动力件，所述动力件与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与第二连杆一端铰接，第二连杆与大腿滑动连接，能够沿大腿轴线方向运动，第二连杆与弹性件的一端固定连接，弹性件的另一端与大腿固定连接，第二连杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与小腿端部铰接，本发明的机械腿能够有效降低电机的输出扭矩峰值，减少能量消耗。

Description

一种带弹簧储能的连杆式机械腿及机器人

技术领域

本发明涉及腿足式机器人技术领域，具体涉及一种带弹簧储能的连杆式机械腿及机器人。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

腿足式机器人相对于轮式、履带式机器人有较强的地形适应能力、越障能力和灵活运动能力，是在复杂地形环境中作业的理想平台，具有广阔的应用前景。

现有的电机驱动的机械腿部结构多数包括大腿、小腿和足部，驱动电机通常有两种布置方式：一是大腿上端安装在髋关节电机输出轴上，大腿下端与小腿铰接，电机安装在膝关节上，髋关节电机驱动大腿的活动，膝关节电机驱动小腿的活动，如瑞士的ANYma l四足机器人，这种布置方式由于膝关节上的电机增加了腿部结构的重量，使得腿部转动惯量增大，显著增加了机器人行走时摆动腿消耗的能量，降低了腿部的快速响应能力；另一种是大腿和小腿的驱动电机都布置在髋关节处，小腿驱动电机通过传动连杆或同步带驱动小腿的运动，这种布置方式显著减小了腿部的转动惯量。四足机器人行走时膝关节需要较大的驱动力矩，且膝关节电机总是在某一转动方向输出较大扭矩支撑机器人身体重量，另一转动方向仅输出较小扭矩以驱动摆动腿运动，以上两种布置方式都需要较大峰值扭矩的膝关节驱动电机。

中国专利文献CN107651041A公开了一种电动四足机器人的单腿结构，膝关节驱动电机与髋关节驱动电机同轴布置，采用同步带驱动膝关节。中国专利文献CN106904226A公开了一种电驱动四足机器人的腿部动力系统结构，膝关节驱动电机与髋关节驱动电机同轴布置，采用传动连杆驱动膝关节。以上两种发明都将膝关节驱动电机与髋关节驱动电机同轴布置，有效减小了四足机器人腿部的转动惯量，但发明人发现，膝关节无论采用同步带传动还是一节传动连杆传动都无法实现对膝关节驱动电机输出力矩的优化利用。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种带弹簧储能的连杆式机械腿，能够显著减小膝关节驱动电机扭矩峰值，进而降低整个机器人的能量消耗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种带弹簧储能的连杆式机械腿，包括大腿，所述大腿一端与小腿转动连接，另一端设置有动力件，所述动力件与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与第二连杆一端铰接，第二连杆与大腿滑动连接，能够沿大腿轴线方向运动，第二连杆与弹性件的一端固定连接，弹性件的另一端与大腿固定连接，第二连杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与小腿端部铰接。

动力件能够带动第一连杆运动，第一连杆通过第二连杆和第三连杆带动小腿产生与大腿总成的相对转动。

第二方面，本发明的实施例提供了一种机器人，安装有所述的连杆式机械腿。

本发明的有益效果：

本发明的机械腿，通过设置弹性件，当机械腿处于摆动相时，电机仅用较小的输出扭矩驱动腿的运动，大部分输出扭矩通过第一连杆、第二连杆及第三连杆将弹性件拉伸存储能量；当机械腿处于支撑相时，弹性件的收缩力、第一驱动电机的输出扭矩共同支撑机器人的重量，显著减小了第一驱动电机的输出力矩峰值，降低了能量消耗。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1大腿爆炸示意图；

图3为本发明实施例1大腿内部结构示意图；

图4为本发明实施例1第一连杆、第二连杆、第三连杆及小腿装配示意图；

其中，1.大腿，1-1.大腿壳体，1-2.大腿盖，2.小腿，3.第一转轴，4.第一驱动电机，5.转盘，6.第二驱动电机，7.第一连杆，8.第二连杆，9.导轨，10.滚轮，11.第三连杆，12.耳板，13.第二转轴，14.弹簧，15.第一挂接件，16.第二挂接件，17.足部件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的腿足式机器人的机械腿膝关节无论采用同步带传动还是一节传动连杆传动都无法实现对膝关节驱动电机输出力矩的优化利用，能量消耗大，针对上述问题，本申请提出了一种带弹簧储能的连杆式机械腿。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-4所示，一种带弹簧储能的连杆式机械腿，包括大腿1和小腿2，大腿一端和小腿转动连接，形成膝关节，大腿的另一端与驱动件连接，驱动件能够带动大腿的转动，形成髋关节。

所述大腿包括大腿壳体1-1及大腿盖1-2，所述大腿壳体及大腿盖通过螺栓或螺钉可拆卸固定连接，大腿壳体与大腿盖形成空腔结构。

所述大腿壳体及大腿盖一端通过第一转轴3与小腿转动连接，另一端固定有动力件。

本实施例中，所述动力件采用第一驱动电机4，所述第一驱动电机的电机壳与大腿盖固定连接，所述第一驱动电机的输出轴与第一输出法兰固定连接，所述第一输出法兰与转盘5固定连接，第一驱动电机能够通过第一输出法兰驱动转盘的转动。

可以理解的是，在其他一些实施例中，所述动力件也可采用舵机等其他转动输出件，只要能够输出旋转运动即可。

所述驱动件采用第二驱动电机6，第二驱动电机的电机壳能够与机器人的其他部位连接，所述第二驱动电机的输出轴与第二输出法兰固定连接，第二输出法兰与大腿壳体固定连接，第二驱动电机能够通过第二输出法兰带动大腿的转动，所述第二驱动电机与第一驱动电机的输出轴同轴设置，第一驱动电机及第二驱动电机均设置在了髋关节处，显著减轻了机械腿运动时的转动惯量。

所述转盘的边缘位置与第一连杆7的一端转动连接，所述第一连杆设置在大腿壳体及大腿盖形成的空腔内部，所述第一连杆的另一端与第二连杆8的一端铰接，第二连杆设置在空腔内部。

所述第二连杆沿大腿的轴线方向设置，且与大腿滑动连接，第二连杆能够沿大腿的轴线方向往复运动。

所述大腿壳体及大腿盖的内侧面均通过螺钉固定有导轨9，导轨沿大腿的轴线方向设置，所述导轨采用U型结构，第二连杆两端的侧面安装有滚轮10，所述滚轮与导轨相匹配，滚轮嵌入导轨中，能够沿导轨滑动，通过导轨和滚轮的配合能够实现对第二连杆沿大腿轴线方向的运动进行导向，本实施例中，所述滚轮设置四个，分别设置在第二连杆的端部位置，可以理解的是，滚轮可以设置五个、六个或更多个，也可设置在第二连杆的中部或其他位置，只要能够满足导向功能即可。

在其他一些实施例中，所述导轨的侧面设置有嵌入导轨的导向块，本实施例采用滚轮，能够减少与导轨的摩擦力，保证第二连杆运动的顺畅性。

可以理解的是，导轨也可设置在大腿壳体的上下面，与之相匹配的滚轮也设置在第二连杆的上下侧面，只要能够起到对第二连杆运动的导向作用即可。

所述第二连杆一端与第一连杆铰接，另一端与第三连杆11的一端铰接，第三连杆的另一端与小腿的端部铰接。

所述小腿的端部设置有两个耳板12，两个耳板之间固定有第二转轴13，第三连杆通过第二转轴与小腿铰接。

第一驱动电机带动转盘转动，转盘能够带动第一连杆运动，第一连杆能够通过第二连杆带动第三连杆运动，第三连杆带动小腿绕第第一转轴转动，实现了大腿和小腿的相对转动。

所述第二连杆和大腿之间还设置有弹性件，所述弹性件采用弹簧14，所述第二连杆靠近第三连杆的一端设置有第一挂接件15，所述第一挂接件上设置有挂孔，弹簧一端通过第一挂接件的挂孔与第二连杆固定连接，所述大腿壳体上设置有第二挂接件16，第二挂接件上设置有挂孔，弹簧另一端通过第二挂接件与大腿壳体固定连接。

本实施例中，由于导轨和滚轮设置在第二连杆的两侧，因此弹簧设置在第二连杆的上方，可以理解的是，弹簧也可设置在第二连杆的下方。

当导轨和滚轮设置在第二连杆的上、下方时，弹簧也可设置在第二连杆的两侧。

所述小腿上设置有多个通孔，多个通孔沿小腿的轴线方向设置，用于减轻小腿的重量，降低第一驱动电机及第二驱动电机的输出扭矩，节省能量的消耗。

所述小腿一端与第三连杆的端部铰接，另一端设置有足部件17，所述足部件采用半圆柱体结构，由铝合金芯部材料和耐磨非金属材料注塑层构成。

本实施例的机械腿工作时，当机械腿处于曲腿摆动状态时，第一驱动电机正转，带动第一连杆运动，第一连杆带动第二连杆向小腿一侧方向滑动，第二连杆通过第三连杆带动小腿转动，使小腿和大腿的夹角减小，弹簧拉伸，存储能量，第一驱动电机的大部分输出扭矩在利用弹簧的拉伸进行存储，第一驱动电机反转，小腿和大腿的夹角变大，整个机械腿支撑住地面，机械腿对整个机器人进行支撑，此时弹簧的收缩力与第一驱动电机的输出力矩共同支撑机器人的重量，弹簧分担了第一驱动电机的部分输出力矩，减小了第一驱动电机输出力矩的峰值，降低了能量的消耗。

实施例2：

本实施例公开了一种机器人，安装有实施例1所述的带弹簧储能的连杆式机械腿，所述第二驱动电机的电机壳体固定在机器人的身体部位，所述机械腿可设置两个或四个或其他数量，根据实际需要设置即可。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，包括大腿，所述大腿一端与小腿转动连接，另一端设置有动力件，所述动力件与第一连杆的一端铰接，第一连杆的另一端与第二连杆一端铰接，第二连杆与大腿滑动连接，能够沿大腿轴线方向运动，第二连杆与弹性件的一端固定连接，弹性件的另一端与大腿固定连接，第二连杆的另一端与第三连杆的一端铰接，第三连杆的另一端与小腿端部铰接。

2.如权利要求1所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述动力件采用第一驱动电机，所述第一驱动电机的电机壳与大腿固定连接，第一驱动电机的输出轴固定有输出法兰，所述第一连杆端部与输出法兰转动连接。

3.如权利要求1所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述大腿端部还与第二驱动电机的输出轴连接，第二驱动电机与第一驱动电机的输出轴同轴设置，第二驱动电机能够带动大腿的转动。

4.如权利要求1所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述大腿包括可拆卸连接的大腿壳体和大腿盖，大腿壳体和大腿盖构成空腔，第一连杆、第二连杆及第三连杆设置在所述空腔内部。

5.如权利要求4所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述空腔内部设置有导轨，所述第二连杆设置有与所述导轨相匹配的滚轮，所述滚轮嵌入导轨中，导轨和滚轮用于对第二连杆的运动进行导向。

6.如权利要求4所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述弹性件采用弹簧，所述弹簧的一端与第二连杆固定连接，另一端与大腿壳体固定连接。

7.如权利要求1所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述小腿通过第一转轴与大腿转动连接，小腿端部设置有两个耳板，耳板之间设置有第二转轴，第三连杆通过第二转轴与小腿端部铰接。

8.如权利要求1所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述小腿设置有多个通孔，用于减轻小腿的重量。

9.如权利要求1所述的一种带弹簧储能的连杆式机械腿，其特征在于，所述小腿一端与第三连杆铰接，另一端设置有足部件。

10.一种机器人，其特征在于，安装有权利要求1-9任一项所述的带弹簧储能的连杆式机械腿。

Images