CN111591371A - 一种四足仿生机器人单腿机构 - Google Patents

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董超
李显军
石超
张方双
吴帮普
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Abstract

本发明提供了一种四足仿生机器人单腿机构，包括驱动模块、髋关节单元、液压缸、大腿单元、膝关节、小腿单元；所述驱动模块、髋关节单元、大腿单元、膝关节、小腿单元依次可转动连接，驱动模块和大腿单元直接连接有液压缸。本发明液压缸带动膝关节处的多连杆机构，从而实现小腿单元的大角度摆动；在大腿单元增加一个直线轴承定位套筒，能防止一体化液压缸的活塞受到非轴向力，对其起到直线运动定位的作用，提高一体化液压缸寿命；小腿单元设置有弹簧作为降低能耗和缓冲减震结构，既能降低运动时能量消耗，又可减少对腿部的震动冲击；采用液压马达驱动关节运动，结构简单、控制方便。

Description

一种四足仿生机器人单腿机构
技术领域
本发明涉及一种四足仿生机器人单腿机构。
背景技术
由于四足动物经过漫长的进化，对地形的适应能力较强，在复杂地形环境下能过沟越壑、大步幅高速行走以及攀爬大角度陡坡，其结构和运动方式为四足仿生机器人的研究提供了很好的借鉴。增大步行机器人的负载量，降低质量，提高步行机器人行走时的稳定能力和应急反应能力，提升运动速度，增强其对地面环境的适应能力，降低步行过程中的能量消耗等，日益成为各国机器人学界研究的热点。
目前国内外已经研发出不同构型的四足步行机器人样机。常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电机驱动等。传统的依赖液压系统设计的仿生关节具有输出力矩大，抗负载能力强的特点，但是存在液压系统复杂，设计的关节摆动范围小等特点呢，难以适应大坡度条件下行走大摆动关节范围的需要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种四足仿生机器人单腿机构，该四足仿生机器人单腿机构结构紧凑，能在有限的安装空间内实现大幅度运动角度。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种四足仿生机器人单腿机构，包括驱动模块、髋关节单元、液压缸、大腿单元、膝关节、小腿单元；所述驱动模块、髋关节单元、大腿单元、膝关节、小腿单元依次可转动连接，驱动模块和大腿单元直接连接有液压缸；大腿单元和膝关节构成转动副，膝关节和小腿单元构成转动副；液压缸驱动大腿单元绕髋关节单元和大腿单元的连接点转动；驱动模块驱动髋关节单元旋转。
所述驱动模块包括液压马达、液压马达安装支座、安装螺栓、液压马达联轴块、平键，液压马达通过安装螺栓固定在液压马达安装支座上，液压马达安装支座通过平键联接于髋关节单元,安装在液压马达联轴块的键槽中，液压马达通过液压马达安装支座、平键带动髋关节单元旋转。
所述髋关节单元包括横摆轴、连接块Ⅰ、连接块Ⅱ、髋关节轴Ⅰ、髋关节轴Ⅱ，横摆轴前端转动限位于驱动模块，横摆轴紧固于连接块Ⅰ和连接块Ⅱ，髋关节轴Ⅰ固定在连接块Ⅰ下端位置，髋关节轴Ⅱ固定在连接块Ⅱ下端位置，液压缸可转动安装在髋关节轴Ⅰ上，大腿单元可转动安装在髋关节轴Ⅱ上。
所述髋关节轴Ⅰ和髋关节轴Ⅱ通过滚针推力轴承和深沟球轴承分别安装液压缸和大腿单元，在滚针推力轴承和深沟球轴承之间有无油衬套套在髋关节轴Ⅰ和髋关节轴Ⅱ上，髋关节轴Ⅰ和髋关节轴Ⅱ上安装液压缸和大腿单元的位置两侧还套装有轴向挡圈和O型密封圈；所述连接块Ⅰ和连接块Ⅱ均通过六角头螺栓安装紧固；在髋关节轴Ⅰ和髋关节轴Ⅱ的两端装有端盖。
所述大腿单元包括销轴Ⅰ、一体化液压缸、销轴Ⅱ、连接杆、小腿转动轴，销轴Ⅰ上安装液压缸，销轴Ⅰ固定于一体化液压缸，一体化液压缸一端固定于髋关节单元，另一端动作端固定有销轴Ⅱ，连接杆一端安装在销轴Ⅱ上、另一端安装于小腿转动轴，小腿转动轴可转动固定于小腿单元；销轴Ⅱ固定在直线轴承定位套筒上，直线轴承定位套筒固定在壳体端部，壳体通过螺栓Ⅰ固定于一体化液压缸，壳体下端、小腿转动轴和膝关节构成多连杆机构。
所述销轴Ⅰ通过关节轴承Ⅰ安装液压缸；销轴Ⅱ通过关节轴承Ⅱ安装连接杆；小腿转动轴通过关节轴承Ⅲ安装。
所述小腿单元包括小腿外筒、小腿、脚踝、足端，小腿外筒、小腿、脚踝、足端依次连接安装，在脚踝和小腿外筒之间有六维力传感器固定于脚踝，在小腿外筒和六维力传感器之间有圆柱螺旋压缩弹簧套装在小腿外筒上，小腿固定于六维力传感器；小腿外筒上端套装在膝关节上。
所述膝关节包括膝关节转动轴、膝关节轴卡片，膝关节转动轴两端有膝关节转动轴端盖，膝关节转动轴端盖通过螺栓Ⅱ固定于大腿单元的壳体，膝关节转动轴通过膝关节滚针轴承安装于小腿单元；膝关节轴卡片设置于膝关节转动轴上靠端部内侧的位置，用于限位。
本发明的有益效果在于：液压缸带动膝关节处的多连杆机构，从而实现小腿单元的大角度摆动；在大腿单元增加一个直线轴承定位套筒，能防止一体化液压缸的活塞受到非轴向力，对其起到直线运动定位的作用，提高一体化液压缸寿命；小腿单元设置有弹簧作为降低能耗和缓冲减震结构，既能降低运动时能量消耗，又可减少对腿部的震动冲击；采用液压马达驱动关节运动，结构简单、控制方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中驱动模块剖视图；
图3是图1中髋关节单元的结构示意图；
图4是图2中A-A面剖视图；
图5是图2中B-B面剖视图；
图6是图1中液压缸与大腿单元、膝关节与大腿单元、小腿单元之间连接结构的示意图；
图7是图1中膝关节的结构示意图；
图8是图1中小腿单元的剖视结构示意图。
图中：1-驱动模块，2-髋关节单元，3-液压缸，4-大腿单元，5-膝关节，6-小腿单元，7-液压马达，8-液压马达安装支座，9-安装螺栓，10-液压马达联轴块，11-平键，12-横摆轴，13-连接块Ⅰ，14-六角头螺栓，15-连接块Ⅱ，16-端盖，17-滚针推力轴承，18-无油衬套，19-深沟球轴承，20-髋关节轴Ⅰ，21-轴向挡圈，22-O型密封圈，23-髋关节轴Ⅱ，24-关节轴承Ⅰ，25-销轴Ⅰ，26-一体化液压缸，27-螺栓Ⅰ，28-壳体，29-直线轴承定位套筒，30-关节轴承Ⅱ，31-销轴Ⅱ，32-连接杆，33-关节轴承Ⅲ，34-小腿转动轴，35-膝关节转动轴，36-膝关节轴卡片，37-膝关节滚针轴承，38-膝关节转动轴端盖，39-螺栓Ⅱ，40-螺栓Ⅳ，41-小腿外筒，42-小腿，43-小腿螺母，44-圆柱螺旋压缩弹簧，45-六维力传感器，46-螺栓Ⅲ，47-脚踝，48-足端。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1至图8所示的一种四足仿生机器人单腿机构，包括驱动模块1、髋关节单元2、液压缸3、大腿单元4、膝关节5、小腿单元6；所述驱动模块1、髋关节单元2、大腿单元4、膝关节5、小腿单元6依次可转动连接，驱动模块1和大腿单元4直接连接有液压缸3；大腿单元4和膝关节5构成转动副，膝关节5和小腿单元6构成转动副；液压缸3驱动大腿单元4绕髋关节单元2和大腿单元4的连接点转动；驱动模块1驱动髋关节单元2旋转。
所述驱动模块1包括液压马达7、液压马达安装支座8、安装螺栓9、液压马达联轴块10、平键11，液压马达7通过安装螺栓9固定在液压马达安装支座8上，液压马达安装支座8通过平键11联接于髋关节单元2,安装在液压马达联轴块10的键槽中，液压马达7通过液压马达安装支座8、平键11带动髋关节单元2旋转。
所述髋关节单元2包括横摆轴12、连接块Ⅰ13、连接块Ⅱ15、髋关节轴Ⅰ20、髋关节轴Ⅱ23，横摆轴12前端转动限位于驱动模块1，横摆轴12紧固于连接块Ⅰ13和连接块Ⅱ15，髋关节轴Ⅰ20固定在连接块Ⅰ13下端位置，髋关节轴Ⅱ23固定在连接块Ⅱ15下端位置，液压缸3可转动安装在髋关节轴Ⅰ20上，大腿单元4可转动安装在髋关节轴Ⅱ23上。
所述髋关节轴Ⅰ20和髋关节轴Ⅱ23通过滚针推力轴承17和深沟球轴承19分别安装液压缸3和大腿单元4，在滚针推力轴承17和深沟球轴承19之间有无油衬套18套在髋关节轴Ⅰ20和髋关节轴Ⅱ23上，髋关节轴Ⅰ20和髋关节轴Ⅱ23上安装液压缸3和大腿单元4的位置两侧还套装有轴向挡圈21和O型密封圈22；所述连接块Ⅰ13和连接块Ⅱ15均通过六角头螺栓14安装紧固；在髋关节轴Ⅰ20和髋关节轴Ⅱ23的两端装有端盖16。
所述大腿单元4包括销轴Ⅰ25、一体化液压缸26、销轴Ⅱ31、连接杆32、小腿转动轴34，销轴Ⅰ25上安装液压缸3，销轴Ⅰ25固定于一体化液压缸26，一体化液压缸26一端固定于髋关节单元2，另一端动作端固定有销轴Ⅱ31，连接杆32一端安装在销轴Ⅱ31上、另一端安装于小腿转动轴34，小腿转动轴34可转动固定于小腿单元6；销轴Ⅱ31固定在直线轴承定位套筒29上，直线轴承定位套筒29固定在壳体28端部，壳体28通过螺栓Ⅰ27固定于一体化液压缸26，壳体28下端、小腿转动轴34和膝关节5构成多连杆机构。
所述销轴Ⅰ25通过关节轴承Ⅰ24安装液压缸3；销轴Ⅱ31通过关节轴承Ⅱ30安装连接杆32；小腿转动轴34通过关节轴承Ⅲ33安装。
所述小腿单元6包括小腿外筒41、小腿42、脚踝47、足端48，小腿外筒41、小腿42、脚踝47、足端48依次连接安装，在脚踝47和小腿外筒41之间有六维力传感器45固定于脚踝47，在小腿外筒41和六维力传感器45之间有圆柱螺旋压缩弹簧44套装在小腿外筒41上，小腿42固定于六维力传感器45；小腿外筒41上端套装在膝关节5上。
所述膝关节5包括膝关节转动轴35、膝关节轴卡片36，膝关节转动轴35两端有膝关节转动轴端盖38，膝关节转动轴端盖38通过螺栓Ⅱ39固定于大腿单元4的壳体28，膝关节转动轴35通过膝关节滚针轴承37安装于小腿单元6；膝关节轴卡片36设置于膝关节转动轴35上靠端部内侧的位置，用于限位。
由此：
髋关节单元2通过其横摆轴与机体连接；所述髋关节单元2连接液压缸3和大腿单元4；液压缸3连接髋关节单元2和大腿单元4；所述膝关节5连接大腿单元4和小腿单元6；所述驱动模块1联接驱动髋关节单元2转动，带动液压缸3的摆动，从而实现整体单腿机构运动；
髋关节单元2包括横摆轴12、连接块Ⅰ13、六角头螺栓14、连接块Ⅱ15、端盖16、滚针推力轴承17、无油衬套18、深沟球轴承19、髋关节轴Ⅰ20、轴向挡圈21、O型密封圈22、髋关节轴Ⅱ23；
横摆轴12通过六角头螺栓14分别与连接块Ⅰ13、连接块Ⅱ15紧固；髋关节轴Ⅰ20与液压缸3组成一个转动副，实现液压缸3绕髋关节轴Ⅰ20的转动；髋关节轴Ⅱ23与大腿单元4组成一个转动副，实现大腿单元4绕髋关节轴Ⅱ23的转动；液压缸3与大腿单元4通过球形铰链连接；当横摆轴12的转动带动连接块Ⅰ13、连接块Ⅱ15一起转动时，便可实现液压缸3和大腿单元4的同步运动；同时，膝关节5与大腿单元4组成一个转动副，实现膝关节绕大腿单元4的转动；小腿单元6与膝关节5组成一个转动副，实现小腿单元6绕膝关节5的转动；小腿单元6与大腿单元4通过球形铰链连接；大腿单元的运动可带动膝关节5和小腿单元6一起运动。
一般而言，驱动模块1包括液压马达7、液压马达安装支座8、安装螺栓9、液压马达联轴块10、平键11；
液压马达7通过安装螺栓9与液压马达安装支座8紧固；液压马达联轴块10开有键槽；液压马达安装支座8通过平键11与横摆轴12联接；驱动液压马达7转动，带动横摆轴12转动，从而带动了关节部位的运动。
大腿单元4包括关节轴承Ⅰ24、销轴Ⅰ25、一体化液压缸26、螺栓Ⅰ27、壳体28、直线轴承定位套筒29、关节轴承Ⅱ30、销轴Ⅱ31、连接杆32、关节轴承Ⅲ33、小腿转动轴34；
一体化液压缸26通过关节轴承Ⅰ24与液压缸3形成一个球形铰链；液压缸3的运动和连接块Ⅱ15的转动带动一体化液压缸26运动；连接杆32通过关节轴承Ⅱ30与一体化液压缸26形成一个球形铰链C；壳体28通过螺栓Ⅰ27与一体化液压缸26紧固；一体化液压缸26的运动带动壳体28和连接杆32一起运动；为了防止一体化液压缸26的活塞受到非轴向力，加一个直线轴承定位套筒29起到直线运动定位的作用；
膝关节5包括膝关节转动轴35、膝关节轴卡片36、膝关节滚针轴承37、膝关节转动轴端盖38、螺栓Ⅱ39；膝关节转动轴端盖38通过螺栓Ⅱ39与壳体28紧固；销轴Ⅱ31、膝关节转动轴35和小腿转动轴34三处形成一个多连杆机构DEF；一体化液压缸26的活塞在直线轴承定位套筒29内滑动，带动多连杆机构DEF，从而实现小腿单元6的大角度摆动。
小腿单元6包括螺栓Ⅳ40、小腿外筒41、小腿42、小腿螺母43、圆柱螺旋压缩弹簧44、六维力传感器45、螺栓Ⅲ46、脚踝47、足端48；
小腿外筒41与膝关节转动轴35组成一个转动副，实现小腿外筒41绕膝关节转动轴35的转动；小腿42通过小腿螺母43与小腿外筒41紧固；壳体28和连接杆32的运动带动小腿外筒41和小腿42运动；圆柱螺旋压缩弹簧44绕在小腿外筒41上，置于小腿外筒41凸肩与小腿42末端之间，当小腿42往下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧44被压缩；小腿42末端通过螺栓Ⅲ46与六维力传感器45紧固；六维力传感器45通过螺栓Ⅲ46与脚踝47紧固；足端48通过螺栓Ⅳ40与脚踝47紧固。
本发明主要工作原理为：液压马达联接驱动髋关节单元处的横摆轴转动，横摆轴与髋关节单元中的连接块Ⅰ、连接块Ⅱ通过螺栓紧固，横摆轴的转动会带动髋关节单元和液压缸转动。液压缸两端分别与髋关节单元中的连接块Ⅰ、大腿单元中的一体化液压缸连接，大腿单元中的一体化液压缸与髋关节连接块Ⅱ连接，因此髋关节单元和液压缸转动会使液压缸推杆和髋关节单元同步推拉大腿单元的一体化液压缸，带动一体化液压缸中的活塞在直线轴承定位套筒中滑动，进而带动膝关节处的多连杆机构，从而带动小腿单元的运动，这样便实现了单腿机构的运动。

Claims (8)

1.一种四足仿生机器人单腿机构，包括驱动模块(1)、髋关节单元(2)、液压缸(3)、大腿单元(4)、膝关节(5)、小腿单元(6)，其特征在于：所述驱动模块(1)、髋关节单元(2)、大腿单元(4)、膝关节(5)、小腿单元(6)依次可转动连接，驱动模块(1)和大腿单元(4)直接连接有液压缸(3)；大腿单元(4)和膝关节(5)构成转动副，膝关节(5)和小腿单元(6)构成转动副；液压缸(3)驱动大腿单元(4)绕髋关节单元(2)和大腿单元(4)的连接点转动；驱动模块(1)驱动髋关节单元(2)旋转。
2.如权利要求1所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述驱动模块(1)包括液压马达(7)、液压马达安装支座(8)、安装螺栓(9)、液压马达联轴块(10)、平键(11)，液压马达(7)通过安装螺栓(9)固定在液压马达安装支座(8)上，液压马达安装支座(8)通过平键(11)联接于髋关节单元(2),安装在液压马达联轴块(10)的键槽中，液压马达(7)通过液压马达安装支座(8)、平键(11)带动髋关节单元(2)旋转。
3.如权利要求1所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述髋关节单元(2)包括横摆轴(12)、连接块Ⅰ(13)、连接块Ⅱ(15)、髋关节轴Ⅰ(20)、髋关节轴Ⅱ(23)，横摆轴(12)前端转动限位于驱动模块(1)，横摆轴(12)紧固于连接块Ⅰ(13)和连接块Ⅱ(15)，髋关节轴Ⅰ(20)固定在连接块Ⅰ(13)下端位置，髋关节轴Ⅱ(23)固定在连接块Ⅱ(15)下端位置，液压缸(3)可转动安装在髋关节轴Ⅰ(20)上，大腿单元(4)可转动安装在髋关节轴Ⅱ(23)上。
4.如权利要求3所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述髋关节轴Ⅰ(20)和髋关节轴Ⅱ(23)通过滚针推力轴承(17)和深沟球轴承(19)分别安装液压缸(3)和大腿单元(4)，在滚针推力轴承(17)和深沟球轴承(19)之间有无油衬套(18)套在髋关节轴Ⅰ(20)和髋关节轴Ⅱ(23)上，髋关节轴Ⅰ(20)和髋关节轴Ⅱ(23)上安装液压缸(3)和大腿单元(4)的位置两侧还套装有轴向挡圈(21)和O型密封圈(22)；所述连接块Ⅰ(13)和连接块Ⅱ(15)均通过六角头螺栓(14)安装紧固；在髋关节轴Ⅰ(20)和髋关节轴Ⅱ(23)的两端装有端盖(16)。
5.如权利要求1所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述大腿单元(4)包括销轴Ⅰ(25)、一体化液压缸(26)、销轴Ⅱ(31)、连接杆(32)、小腿转动轴(34)，销轴Ⅰ(25)上安装液压缸(3)，销轴Ⅰ(25)固定于一体化液压缸(26)，一体化液压缸(26)一端固定于髋关节单元(2)，另一端动作端固定有销轴Ⅱ(31)，连接杆(32)一端安装在销轴Ⅱ(31)上、另一端安装于小腿转动轴(34)，小腿转动轴(34)可转动固定于小腿单元(6)；销轴Ⅱ(31)固定在直线轴承定位套筒(29)上，直线轴承定位套筒(29)固定在壳体(28)端部，壳体(28)通过螺栓Ⅰ(27)固定于一体化液压缸(26)，壳体(28)下端、小腿转动轴(34)和膝关节(5)构成多连杆机构。
6.如权利要求5所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述销轴Ⅰ(25)通过关节轴承Ⅰ(24)安装液压缸(3)；销轴Ⅱ(31)通过关节轴承Ⅱ(30)安装连接杆(32)；小腿转动轴(34)通过关节轴承Ⅲ(33)安装。
7.如权利要求1所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述小腿单元(6)包括小腿外筒(41)、小腿(42)、脚踝(47)、足端(48)，小腿外筒(41)、小腿(42)、脚踝(47)、足端(48)依次连接安装，在脚踝(47)和小腿外筒(41)之间有六维力传感器(45)固定于脚踝(47)，在小腿外筒(41)和六维力传感器(45)之间有圆柱螺旋压缩弹簧(44)套装在小腿外筒(41)上，小腿(42)固定于六维力传感器(45)；小腿外筒(41)上端套装在膝关节(5)上。
8.如权利要求1所述的四足仿生机器人单腿机构，其特征在于：所述膝关节(5)包括膝关节转动轴(35)、膝关节轴卡片(36)，膝关节转动轴(35)两端有膝关节转动轴端盖(38)，膝关节转动轴端盖(38)通过螺栓Ⅱ(39)固定于大腿单元(4)的壳体(28)，膝关节转动轴(35)通过膝关节滚针轴承(37)安装于小腿单元(6)；膝关节轴卡片(36)设置于膝关节转动轴(35)上靠端部内侧的位置，用于限位。
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