CN112339881B - 一种仿人双足机器人及其小腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿人双足机器人及其小腿结构，该小腿结构包括：竖直方向相对设置的两个侧板，两个侧板之间形成纵向延伸的容置腔体；踝关节，包括：双自由度转动节，双自由度转动节装设于容置腔体的底端，其在与侧板垂直的平面内具有围绕第一轴向方向的第一转动自由度和围绕第二轴向方向的第二转动自由度，第一轴向方向与第二轴向方向垂直，且第一轴向方向与侧板垂直；通过第一驱动绳驱动双自由度转动节围绕第一轴向方向旋转的第一驱动机构；通过第二驱动绳驱动双自由度转动节围绕第二轴向方向旋转的第二驱动机构；第一驱动机构和第二驱动机构沿着纵向方向排列在容置腔体内。

Description

一种仿人双足机器人及其小腿结构

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种仿人双足机器人及其小腿结构。

背景技术

由于足式机器人具有灵活的运动能力，更强的环境适应性和拟人性等优点，愈发受到重视。目前双足机器人发展较为迅速，但是双足机器人的运动速度受限，特别是电机驱动的双足机器人，很难实现人类快速跑步形态。其主要受限原因为机器人的足部结构质量重，惯量大，尺寸合适的电机无法提供机器人快速跑步的形态所需的扭矩。因此提高电机的功率密度和降低机器人足部结构的质量与惯量是使机器人实现快速跑步的方向，由于电机的功率密度的提高受限于基础理论领域和材料领域的突破，现阶段降低机器人足部结构的质量与惯量尤为关键与有效。踝关节是距离机器人腰部最远的关节，它的惯量降低，能够同时降低髋关节、膝关节的力矩需求，因此，如何设计一种质量轻、惯量小的踝关节结构是当前本领域技术人员研究的重要问题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种仿人双足机器人及其小腿结构，其将踝关节的驱动部分上移至小腿部分，并且简化了踝关节的转动结构，使得机器人的踝关节质心上移，从而降低踝关节的惯量。

在一个实施例中提供了一种仿人双足机器人的小腿结构，包括：

小腿壳体，所述小腿壳体包括沿着竖直方向相对设置的两个侧板，两个侧板之间形成纵向延伸的容置腔体；

踝关节，所述踝关节包括：

双自由度转动节，所述双自由度转动节装设于所述容置腔体的底端，所述双自由度转动节在与所述侧板垂直的平面内具有围绕第一轴向方向的第一转动自由度和围绕第二轴向方向的第二转动自由度，所述第一轴向方向与所述第二轴向方向垂直，且第一轴向方向与所述侧板垂直；

第一驱动机构，所述第一驱动机构用于驱动所述双自由度转动节围绕所述第一轴向方向旋转，所述第一驱动机构通过第一驱动绳与所述双自由度转动节连接；

第二驱动机构，所述第二驱动机构用于驱动所述双自由度转动节围绕所述第二轴向方向旋转，所述第二驱动机构通过第二驱动绳与所述双自由度转动节连接；

所述第一驱动机构和第二驱动机构沿着纵向方向排列在所述容置腔体内。

在一个实施例中，所述双自由度转动节包括：

十字轴，所述十字轴包括沿着第一轴向方向延伸的第一轴和沿着第二轴向方向延伸的第二轴，所述第一轴的两端固定至所述侧板；

轴线方向相互垂直的第一转动副和第二转动副，所述第一轴与第二转动副固定连接，所述第二轴的两端与所述第一转动副转动连接，所述第一转动副通过连接件与所述第二转动副连接；

所述第一转动副在所述第一驱动机构的驱动下独立于所述第二转动副围绕第一轴向方向转动，所述第二转动副在所述第二驱动机构的驱动下带动所述第一转动副一起围绕第二轴向方向转动。

在一个实施例中，所述第一转动副包括：转动配合的第一转动外圈和第一固定内圈，所述第一驱动绳与所述第一转动外圈连接，述第二轴的两端与所述第一固定内圈转动连接；

第二转动副包括：转动配合的第二转动外圈和第二固定内圈，所述第二转动外圈通过连接件与所述第一固定内圈固定连接，所述第二驱动绳与所述第二转动外圈连接，所述第一轴与所述第二固定内圈固定连接。

在一个实施例中，所述第一转动外圈和第一固定内圈同心设置，所述第一固定内圈位于所述第一转动外圈内侧；

第二转动外圈和第二固定内圈同心设置，所述第二固定内圈位于所述第二转动外圈内侧；

所述第二转动副位于所述第一转动副内侧，且所述第二转动外圈与所述第一固定内圈垂直。

在一个实施例中，进一步包括：

一对轴承支撑架，所述轴承支撑架固定至所述第一固定内圈，所述第二轴的两端通过轴承与所述轴承支撑架转动连接。

在一个实施例中，所述第一驱动机构包括：第一驱动电机和由第一驱动电机驱动旋转的第一驱动盘，所述第一驱动盘的中心轴与所述第一轴平行设置；

一对第一驱动绳对称地设置在第一驱动盘和第一转动外圈之间，每个第一驱动绳的两端分别固定至第一驱动盘和第一转动外圈，并且一对第一驱动绳在第一驱动盘上的缠绕方向相反；

所述第二驱动机构包括：第二驱动电机和由第二驱动电机驱动旋转的第二驱动盘，所述第二驱动盘的中心轴与所述第二轴平行设置；

一对第二驱动绳对称地设置在第二驱动盘和第二转动外圈之间，每个第二驱动绳的两端分别固定至第二驱动盘和第二转动外圈，并且一对第二驱动绳在第二驱动盘上的缠绕方向相反。

在一个实施例中，所述第一驱动机构进一步包括：固定至所述侧板的一对第一张紧轮，第一张紧轮设置于第一驱动盘和第一转动外圈之间，每个第一驱动绳搭接于一个对应的第一张紧轮，第一张紧轮沿着纵向方向的位置调节所述第一驱动绳的张角；

所述第二驱动机构进一步包括：固定至所述侧板的一对第二张紧轮，第二张紧轮设置于第二驱动盘和第二转动外圈之间，每个第二驱动绳搭接于一个对应的第二张紧轮，第二张紧轮沿着纵向方向的位置调节所述第二驱动绳的张角。

在一个实施例中，进一步包括：

线管，所述线管设置于第一驱动盘和第一转动外圈之间，所述第一驱动绳穿设于所述线管，且所述线管内的第一驱动绳的长度固定。

在一个实施例中，所述第二转动外圈的弧度角小于第二固定内圈的弧度角，所述第二转动外圈和第二固定内圈装设于所述第一固定内圈的内壁；

所述第二转动副的转动角度范围为±45°。

本发明的另一实施例还提供一种仿人双足机器人，包括：如上所述的小腿结构。

由以上技术方案可知，在本实施例中，踝关节由转动节和驱动机构两部分组成，其中，双自由度转动节作为踝关节的转动节装设于小腿壳体的底端，用于与机器人的足部结构连接，以带动足部结构在俯仰方向和滚转方向上进行转动。而驱动机构则并不与转动节一起设置在小腿壳体的底端，而是上移至小腿壳体的容置腔体内，即位于转动节的上方。

通过这样，踝关节的整体质量被分割为转动节和驱动机构两个部分，且两个部分的质量沿着纵向方向排列在小腿壳体内，而非集中于小腿壳体的底端，则小腿的整体质心上移、惯量降低，使得机器人能够实现快速跑步形态。进一步地，通过驱动机构的上移，使得踝关节部位的关节尺寸变小、质量变轻，从而进一步降低小腿结构的惯量。

传统的双足机器人的踝关节大多采用齿轮传动或者连杆传动，这种刚性传动的方式导致驱动机构和转动节无法分离设置，导致在小腿结构中踝关节的局部尺寸大、质量重，则在机器人快跑时由于较大的惯量导致冲击力大，踝关节容易损坏。在本实施例中，驱动机构的上移是通过采用绳索传动的方式来实现的。绳索传动既能够在一定的距离内稳定地传递转动驱动力，并且在受到较大冲击力的情况下能够通过自身的变形缓冲而降低转动节所受到的冲击应力。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是本发明的仿人双足机器人的小腿结构的示意图。

图2是本发明的仿人双足机器人的小腿结构的一个实施例中的双自由度转动节的结构示意图。

图3是本发明的一个实施例中的双自由度转动节的结构示意图。

图4a和图4b是本发明的一个实施例中的双自由度转动节的剖视图。

图5a和图5b是本发明的仿人双足机器人的小腿结构的一个优选实施例的两个方向的剖视图。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。

现在将参照附图更完全地描述各示例实施例。

为了解决现有技术中问题，本发明提供一种仿人双足机器人及其小腿结构，其将踝关节的驱动部分上移至小腿部分，并且简化了踝关节的转动结构，使得机器人的踝关节质心上移，从而降低踝关节的惯量。

图1是本发明的仿人双足机器人的小腿结构的示意图。如图1所示，本发明的一个实施例提供一种仿人双足机器人的小腿结构，包括：

小腿壳体10，其包括沿着竖直方向相对设置的两个侧板11，两个侧板11之间形成纵向延伸的容置腔体，可选地，小腿壳体10还可包括沿着竖直方向的面板(图中未示出)，该面板与侧板11的竖直边缘相接，从而围合形成内部具有容置腔体的壳体，以在外观上封闭该容置腔体，小腿壳体10的顶端与膝关节连接，底端与足部结构连接；

踝关节，踝关节包括：

双自由度转动节20，其装设于容置腔体的底端，即小腿结构与机器人的足部结构连接处，其中，双自由度转动节20在与侧板11垂直的平面内(即足部结构所在的平面内)具有围绕第一轴向方向的第一转动自由度和围绕第二轴向方向的第二转动自由度，第一轴向方向与第二轴向方向垂直，且第一轴向方向与侧板11垂直，则围绕第一轴向方向的转动可定义为俯仰方向的转动，而围绕第二轴向方向的转动可定义为滚转方向的转动；

第一驱动机构30，第一驱动机构30用于驱动双自由度转动节20围绕第一轴向方向旋转，第一驱动机构30通过第一驱动绳51与双自由度转动节20连接；

第二驱动机构40，第二驱动机构40用于驱动双自由度转动节20围绕第二轴向方向旋转，第二驱动机构40通过第二驱动绳52与双自由度转动节20连接；

第一驱动机构30和第二驱动机构40沿着纵向方向排列在容置腔体内。

在本实施例中，踝关节由转动节和驱动机构两部分组成，其中，双自由度转动节20作为踝关节的转动节装设于小腿壳体10的底端，用于与机器人的足部结构连接，以带动足部结构在俯仰方向和滚转方向上进行转动。而驱动机构则并不与转动节一起设置在小腿壳体10的底端，而是上移至小腿壳体的容置腔体内，即位于转动节的上方。

通过这样，踝关节的整体质量被分割为转动节和驱动机构两个部分，且两个部分的质量沿着纵向方向排列在小腿壳体内，而非集中于小腿壳体的底端，则小腿的整体质心上移、惯量降低，使得机器人能够实现快速跑步形态。进一步地，通过驱动机构的上移，使得踝关节部位的关节尺寸变小、质量变轻，从而进一步降低小腿结构的惯量。

传统的双足机器人的踝关节大多采用齿轮传动或者连杆传动，这种刚性传动的方式导致驱动机构和转动节无法分离设置，导致在小腿结构中踝关节的局部尺寸大、质量重，则在机器人快跑时由于较大的惯量导致冲击力大，踝关节容易损坏。在本实施例中，驱动机构的上移是通过采用绳索传动的方式来实现的。绳索传动既能够在一定的距离内稳定地传递转动驱动力，并且在受到较大冲击力的情况下能够通过自身的变形缓冲而降低转动节所受到的冲击应力。进一步地，传动绳索可通过其绕自身轴线的拧转而对驱动机构与转动节之间的角度差进行自适应，这是刚性结构传动或是带状结构传动所无法实现的。

在本实施例中，用于分别驱动双自由度转动节20在相互垂直的两个轴向方向上的转动的驱动机构沿纵向方向依次排列，而两个驱动机构的上、下位置可以根据需要调整，例如，可根据转动角度范围来决定。即第一驱动机构30可在纵向方向上位于第二驱动机构40的上方或者下方。

进一步地，如图1中所示，小腿壳体10可进一步包括多个肋板12，肋板12连接于两个侧板11之间，用于支撑和分隔第一驱动机构30和第二驱动机构40，并且通过为侧板11提供支撑而提高小腿壳体10的刚度。

图2是本发明的仿人双足机器人的小腿结构的一个实施例中的双自由度转动节的结构示意图。如图2所示，双自由度转动节20包括：

十字轴21，其包括沿着第一轴向方向延伸的第一轴211和沿着第二轴向方向延伸的第二轴212，第一轴211的两端固定至侧板11；

轴线方向相互垂直的第一转动副22和第二转动副23，第一轴211与第二转动副23固定连接，第二轴212的两端与第一转动副22转动连接，第一转动副22通过连接件24与第二转动副23连接；

其中，第一转动副22的转动轴线与第一轴211的轴线方向重合，第二转动副23的转动轴线与第二轴212的轴线方向重合；

第一转动副22在第一驱动机构30的驱动下独立于第二转动副23围绕第一轴向方向转动，第二转动副23在第二驱动机构40的驱动下带动第一转动副22一起围绕第二轴向方向转动。

在本实施例中，第一轴211为俯仰方向转动的中心轴，而第二轴212为滚转角度转动的中心轴，由于第一轴211的两侧固定至侧板11，因此双自由度转动节20的转动是以相对于第一轴211的转动而实现的。第一轴211与第二转动副23固定连接，则第一轴211与第二转动副23形成一整体。第二轴212的两端与第一转动副22转动连接，当第一转动副22在第一驱动机构30的驱动下转动时，第一转动副22的转动独立于第二转动副23，即第一转动副22的转动不会带动第二转动副23随之一起转动。第一转动副22的转动是以第一轴211为中心的，当固定于第二转动副23的第一轴211固定时，第一转动副22以第一轴211为中心轴进行俯仰角度的旋转。

而当第二转动副23在第二驱动机构40的驱动下转动时，第一转动副22通过连接件24而与第二转动副23一起同步转动，即第一转动副22与第二转动副23是随动的关系。当第二转动副23主动转动时，第一转动副22作为一个整体会随之一起移动，而第一转动副22主动转动时，其不能带动第二转动副23一起转动。

当第二转动副23在第二驱动机构40的驱动下转动时，第二转动副23和第一转动副22一起围绕第二轴212转动，第一轴211和第二轴212固定为一体，当第一轴211的两侧固定时，第二转动副23和第一转动副22以第二轴212为中心轴进行滚转角度的旋转。

在本实施例中，双自由度转动节是以十字轴为中心，套接两个轴线方向相互垂直的转动副而形成的，其结构简单、紧凑，集成度高，具有尺寸小、质量轻的优点，能够减小快关节的尺寸和质量，从而进一步降低小腿结构的惯量。

具体地，如图3、图4a和图4b所示，在一个优选实施例中，第一转动副22包括：转动配合的第一转动外圈221和第一固定内圈222，第一驱动绳51与第一转动外圈221连接，第一轴211与第一固定内圈222固定连接，第二轴212的两端与第一固定内圈222转动连接；第二转动副23包括：转动配合的第二转动外圈231和第二固定内圈232，第二转动外圈231通过连接件24与第一固定内圈222固定连接，第二驱动绳52与第二转动外圈231连接。

其中，第一转动副22和第二转动副23可采用滚珠配合的形式，即第一转动外圈221和第一固定内圈222的相对表面设置圆弧槽，其内设置第一滚珠223，第一转动外圈221和第一固定内圈222通过第一滚珠223实现转动配合。其中，第一转动外圈221和第一固定内圈222同心设置，第一固定内圈222位于第一转动外圈221内侧，第一滚珠223设置在第一转动外圈221和第一固定内圈222之间。

这里所称的内侧是指第一转动外圈221的环形内部。

类似地，第二转动外圈231和第二固定内圈232的相对表面设置圆弧槽，其内设置第二滚珠233，第二转动外圈231和第二固定内圈232通过第二滚珠233实现转动配合。第二转动外圈231和第二固定内圈232同心设置，第二固定内圈232位于第二转动外圈231内侧，第二滚珠233设置在第二转动外圈231和第二固定内圈232之间。

在第一转动副22中，第一固定内圈222的位置相对固定、以作为第一转动外圈221的转动基础，其不会围绕第一转动副22的中心轴转动，第一转动外圈221在外力驱动下(例如，第一驱动绳51)相对于第一固定内圈222围绕第一转动副22的中心轴转动，第一滚珠223用于减少第一固定内圈222和第一转动外圈221之间的摩擦。类似地，在第二转动副23中，第二固定内圈232的位置相对固定、以作为第二转动外圈231的转动基础，其不会围绕第二转动副23的中心轴转动，第二转动外圈231在外力驱动下(例如，第二驱动绳52)相对于第二固定内圈232围绕第二转动副23的中心轴转动，第二滚珠233用于减少第二固定内圈232和第二转动外圈231之间的摩擦。

在一个优选实施例中，如图4a所示，第二转动外圈231的弧度角小于第二固定内圈232的弧度角，例如，第二转动外圈231的弧度在45°-60°之间，第二转动内圈232的弧度在135°-150°之间。两者的弧度差需要大于等于第二转动副23的运动角度范围，例如大于90°(以竖直方向为中心的±45°)。则第二固定内圈232中对应第二转动外圈231的摆动范围的两端设置滚珠挡片，以限定第二滚珠233的位置以及第二转动外圈231的摆动范围。

在一个优选实施例中，第二转动副23位于第一转动副22内侧，且第二转动外圈231与第一固定内圈222垂直。

其中，进一步包括一对轴承支撑架60，轴承支撑架60固定至第一固定内圈222，第二轴212的两端通过轴承61与轴承支撑架60转动连接。

在本实施例中，每个转动副由一个转动外圈和一个固定内圈配合形成，其中转动外圈作为转动副的驱动件，其通过驱动绳与驱动机构连接，以在驱动机构的带动下相对于固定内圈转动，固定内圈的位置相对固定，并不在转动外圈的带动下一起围绕转动副的中心轴转动。每个转动副的转动基础为其固定内圈，当固定内圈移动或转动时，整个转动副会作为一个整体与固定内圈一起移动或转动，而当转动内圈在外力驱动下移动或转动时，其仅可以相对于固定内圈转动，而不是带动整个转动副一起移动。

因此，第二转动外圈231通过连接件24与第一固定内圈222固定连接，则第二转动外圈231的转动可通过连接件24而带动第一固定内圈222、进而带动第一转动副22的整体随之一起移动，而第一转动外圈221的转动仅可通过第一滚珠223而相对于第一固定内圈222转动，但无法带动第二转动副随之一起转动。

如图4a所示，第一轴211与第二转动副23之间的固定连接可通过第二固定内圈222与第一轴211的卡接而实现。其中，第二固定内圈222具有嵌入至第一轴211的部分，则在沿着第一轴211的轴线方向上和第二固定内圈222的转动轴线方向上均可实现对第一轴211之间的限位。

由图4a可知，第二转动副23的第二固定内圈232是通过第一轴211固定至小腿壳体10的，因此，第二固定内圈232仅能随着小腿壳体一起移动。而第一转动副22的第一固定内圈222是固定至第二转动外圈231的，因此，第一固定内圈222仅能随着第二转动外圈231移动，或者跟随第二转动外圈231围绕第二转动副23的中心轴一起转动，也就是滚转角度的旋转。

进一步地，为了避免第二转动副23在转动过程中与第一轴211产生干涉，第二转动外圈231和第二固定内圈232可不设置为环形，而是设置为弧形，并且，该弧形的角度应当为小于半圆的弧形。在一个优选实施例中，第二转动外圈231的弧度角可为45°。

图5a和图5b是本发明的一个优选实施例的两个方向的剖视图。如图5a和图5b所示，第一驱动机构30包括：第一驱动电机32和由第一驱动电机32驱动旋转的第一驱动盘31，第一驱动盘31的中心轴31a与第一轴211平行设置；

一对第一驱动绳51对称地设置在第一驱动盘31和第一转动外圈221之间，每个第一驱动绳51的两端分别固定至第一驱动盘31和第一转动外圈221，并且一对第一驱动绳51在第一驱动盘31上的缠绕方向相反；

第二驱动机构40包括：第二驱动电机42和由第二驱动电机42驱动旋转的第二驱动盘41，第二驱动盘41的中心轴41a与第二轴212平行设置；

一对第二驱动绳52对称地设置在第二驱动盘41和第二转动外圈231之间，每个第二驱动绳52的两端分别固定至第二驱动盘41和第二转动外圈231，并且一对第二驱动绳52在第二驱动盘41上的缠绕方向相反。

第一驱动电机32和第二驱动电机42均为双向转动电机，其用于在双方向上驱动第一驱动盘31和第二驱动盘41转动。这是由双足机器人的足部转动角度范围决定的，俯仰角度的转动范围是以竖直方向为中心、在行走的前后方向上的偏角，一般情况下，该角度范围为±60°，而滚转角度的转动范围是以竖直方向为中心、在行走的左右方向上的偏角，一般情况下，该角度范围为±45°。

如图5a和图5b所示，第一驱动绳51和第二驱动绳52都是成对对称设置的，则在第一驱动电机32和第二驱动电机42的转动过程中，一对驱动绳中必然会有一个是绷紧的收线状态、而另一个则是放松的放线状态，以带动转动副在收线状态的一个驱动绳的驱动下转动。而当一对驱动绳转换收线、放线状态时，转动副的转动方向反向转换。第一驱动绳51的端部分别固定至第一驱动盘31和第一转动外圈221，并且可以部分地卷绕在第一转动外圈221的表面，其中，第一转动外圈221的表面可设置线槽，以限定第一驱动绳51的轨迹。其中，第一驱动绳51在第一转动外圈221表面的卷绕角度由第一驱动绳51的出线方向决定。第二驱动绳52与第二驱动盘42、第二转动外圈231的连接方式和卷绕方式与之相同，在此不再赘述。

进一步地，如图5a和图5b所示，第一驱动机构30进一步包括：固定至侧板11的一对第一张紧轮(图中未示出)，第一张紧轮设置于第一驱动盘31和第一转动外圈221之间，每个第一驱动绳51搭接于一个对应的第一张紧轮，第一张紧轮沿着纵向方向的位置调节第一驱动绳51的张角；

第二驱动机构40进一步包括：固定至侧板11的一对第二张紧轮42，第二张紧轮42设置于第二驱动盘41和第二转动外圈231之间，每个第二驱动绳52搭接于一个对应的第二张紧轮42，第二张紧轮42沿着纵向方向的位置调节第二驱动绳52的张角。

其中，驱动绳可自外侧或者内侧搭接于张紧轮，其目的在于通过调节驱动绳的张角来实现调节驱动绳的张紧力。

如图1和图5b所示，本发明的一个优选实施例进一步包括：

线管53，线管53设置于第一驱动盘31和第一转动外圈221之间，第一驱动绳51穿设于线管53，且线管53内的第一驱动绳51的长度固定。即，线管53内的第一驱动绳51的长度不会随着线管53的形状变化而变化。

根据双自由度转动节的转动调节的特点可知，在双自由度转动节进行俯仰角度转动时，即第一转动副22转动时，其转动不会影响滚转角度，即不会带动第二转动副23转动，也就是在俯仰角度转动时，第二驱动绳52的长度不会发生变化，但是第一驱动绳51的角度和长度会发生变化。本实施例在每个第一驱动绳51的中部设置一个线管53，线管53的作用在于提供变形的同时保持长度的恒定。即线管53的长度始终保持为其中轴线的长度，其穿设在其内的第一驱动绳51的长度，该长度不会随着线管53的形状的改变而改变。

具体地，第二驱动盘41与第二转动外圈231的轴线(第二轴212)永远保持平行，且距离不变，因此第二驱动绳52的长度不会随着踝关节的转动(俯仰或者滚转)而变化，因此第二驱动盘41到第二转动外圈231的转换关系比例不变。

但是，如以上所述，第一转动副22会跟随第二转动副23整体移动，因此，当第二转动副23转动的时候，第一转动外圈221的轴线(第一轴211)也会随之转动，则与第一驱动盘31的轴线将不再平行，由此导致第一驱动盘31与第一转动外圈221之间的第一驱动绳51的长度发生变化，由此导致第一转动副22发生拧转。这种情况称之为关节运动耦合，可以建立物理模型进行求解计算，同时驱动第一驱动装置和第二驱动装置进行运动控制，但是这样的控制方式较复杂，驱动绳的运动受力也不好。

而线管53的作用在于用于物理解耦，即，用于保证在第一转动外圈221与第一驱动盘31的相互姿态发生变化时，两者之间相互连接的第一驱动绳51的长度不发生变化，因此第一转动副31不会发生拧转。

通过这样，当双自由度转动节转动时，线管53可随之自由变形，以自适应踝关节的位置，而第一驱动绳51在线管53的变形过程中可保持长度不变。从而避免第一转动副22发生拧转。

由以上技术方案可知，在本实施例中，踝关节由转动节和驱动机构两部分组成，其中，双自由度转动节作为踝关节的转动节装设于小腿壳体的底端，用于与机器人的足部结构连接，以带动足部结构在俯仰方向和滚转方向上进行转动。而驱动机构则并不与转动节一起设置在小腿壳体的底端，而是上移至小腿壳体的容置腔体内，即位于转动节的上方。

通过这样，踝关节的整体质量被分割为转动节和驱动机构两个部分，且两个部分的质量沿着纵向方向排列在小腿壳体内，而非集中于小腿壳体的底端，则小腿的整体质心上移、惯量降低，使得机器人能够实现快速跑步形态。进一步地，通过驱动机构的上移，使得踝关节部位的关节尺寸变小、质量变轻，从而进一步降低小腿结构的惯量。

传统的双足机器人的踝关节大多采用齿轮传动或者连杆传动，这种刚性传动的方式导致驱动机构和转动节无法分离设置，导致在小腿结构中踝关节的局部尺寸大、质量重，则在机器人快跑时由于较大的惯量导致冲击力大，踝关节容易损坏。在本实施例中，驱动机构的上移是通过采用绳索传动的方式来实现的。绳索传动既能够在一定的距离内稳定地传递转动驱动力，并且在受到较大冲击力的情况下能够通过自身的变形缓冲而降低转动节所受到的冲击应力。进一步地，传动绳索可通过其绕自身轴线的拧转而对驱动机构与转动节之间的角度差进行自适应，这是刚性结构传动或是带状结构传动所无法实现的。

通过试验证明，在相同输出力矩下，本实施例的绳驱踝关节方案与传统踝关节方案的质量与惯量对比如表1所示。

表1

在本发明的另一实施例中还提供了一种仿人双足机器人，其包括如上所述的小腿结构。该小腿结构的顶端通过小腿壳体与机器人的膝关节连接，底端通过双自由度转动节的转动副与机器人的足部结构连接，以实现仿人行走。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，包括：

小腿壳体(10)，所述小腿壳体(10)包括沿着竖直方向相对设置的两个侧板(11)，两个侧板(11)之间形成纵向延伸的容置腔体；和

踝关节，所述踝关节的整体质量被分割为双自由度转动节(20)和驱动机构两个部分，所述踝关节包括：

双自由度转动节(20)，所述双自由度转动节(20)装设于所述容置腔体的底端，所述双自由度转动节(20)在与所述侧板(11)垂直的平面内具有围绕第一轴向方向的第一转动自由度和围绕第二轴向方向的第二转动自由度，所述第一轴向方向与所述第二轴向方向垂直，且第一轴向方向与所述侧板(11)垂直；

第一驱动机构(30)，所述第一驱动机构(30)用于驱动所述双自由度转动节(20)围绕所述第一轴向方向旋转，所述第一驱动机构(30)通过第一驱动绳(51)与所述双自由度转动节(20)连接；

第二驱动机构(40)，所述第二驱动机构(40)用于驱动所述双自由度转动节(20)围绕所述第二轴向方向旋转，所述第二驱动机构(40)通过第二驱动绳(52)与所述双自由度转动节(20)连接；

所述第一驱动机构(30)和第二驱动机构(40)沿着纵向方向排列在所述容置腔体内，且位于所述双自由度转动节(20)的上方，所述双自由度转动节(20)和驱动机构非集中于所述小腿壳体(10)的底部。

2.根据权利要求1所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，所述双自由度转动节(20)包括：

十字轴(21)，所述十字轴(21)包括沿着第一轴向方向延伸的第一轴(211)和沿着第二轴向方向延伸的第二轴(212)，所述第一轴(211)的两端固定至所述侧板(11)；

轴线方向相互垂直的第一转动副(22)和第二转动副(23)，所述第一轴(211)与第二转动副(23)固定连接，所述第二轴(212)的两端与所述第一转动副(22)转动连接，所述第一转动副(22)通过连接件(24)与所述第二转动副(23)连接；

所述第一转动副(22)在所述第一驱动机构(30)的驱动下独立于所述第二转动副(23)围绕第一轴向方向转动，所述第二转动副(23)在所述第二驱动机构(40)的驱动下带动所述第一转动副(22)一起围绕第二轴向方向转动。

3.根据权利要求2所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，

所述第一转动副(22)包括：转动配合的第一转动外圈(221)和第一固定内圈(222)，所述第一驱动绳(51)与所述第一转动外圈(221)连接，所述第二轴(212)的两端与所述第一固定内圈(222)转动连接；

第二转动副(23)包括：转动配合的第二转动外圈(231)和第二固定内圈(232)，所述第二转动外圈(231)通过连接件(24)与所述第一固定内圈(222)固定连接，所述第二驱动绳(52)与所述第二转动外圈(231)连接，所述第一轴(211)与所述第二固定内圈(232)固定连接。

4.根据权利要求3所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，所述第一转动外圈(221)和第一固定内圈(222)同心设置，所述第一固定内圈(222)位于所述第一转动外圈(221)内侧；

第二转动外圈(231)和第二固定内圈(232)同心设置，所述第二固定内圈(232)位于所述第二转动外圈(231)内侧；

所述第二转动副(23)位于所述第一转动副(22)内侧，且所述第二转动外圈(231)与所述第一固定内圈(222)垂直。

5.根据权利要求3所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，进一步包括：

一对轴承支撑架(60)，所述轴承支撑架(60)固定至所述第一固定内圈(222)，所述第二轴(212)的两端通过轴承(61)与所述轴承支撑架(60)转动连接。

6.根据权利要求3所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，

所述第一驱动机构(30)包括：第一驱动电机和由第一驱动电机驱动旋转的第一驱动盘(31)，所述第一驱动盘(31)的中心轴(31a)与所述第一轴(211)平行设置；

一对第一驱动绳(51)对称地设置在第一驱动盘(31)和第一转动外圈(221)之间，每个第一驱动绳(51)的两端分别固定至第一驱动盘(31)和第一转动外圈(221)，并且一对第一驱动绳(51)在第一驱动盘(31)上的缠绕方向相反；

所述第二驱动机构(40)包括：第二驱动电机和由第二驱动电机驱动旋转的第二驱动盘(41)，所述第二驱动盘(41)的中心轴(41a)与所述第二轴(212)平行设置；

一对第二驱动绳(52)对称地设置在第二驱动盘(41)和第二转动外圈(231)之间，每个第二驱动绳(52)的两端分别固定至第二驱动盘(41)和第二转动外圈(231)，并且一对第二驱动绳(52)在第二驱动盘(41)上的缠绕方向相反。

7.根据权利要求6所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，

所述第一驱动机构(30)进一步包括：固定至所述侧板(11)的一对第一张紧轮，第一张紧轮设置于第一驱动盘(31)和第一转动外圈(221)之间，每个第一驱动绳(51)搭接于一个对应的第一张紧轮，第一张紧轮沿着纵向方向的位置调节所述第一驱动绳(51)的张角；

所述第二驱动机构(40)进一步包括：固定至所述侧板(11)的一对第二张紧轮，第二张紧轮设置于第二驱动盘(41)和第二转动外圈(231)之间，每个第二驱动绳(52)搭接于一个对应的第二张紧轮，第二张紧轮沿着纵向方向的位置调节所述第二驱动绳(52)的张角。

8.根据权利要求6所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，进一步包括：

线管(53)，所述线管(53)设置于第一驱动盘(31)和第一转动外圈(221)之间，所述第一驱动绳(51)穿设于所述线管(53)，且所述线管(53)内的第一驱动绳(51)的长度固定，而不会随着线管(53)的形状改变而改变。

9.根据权利要求4或6所述的仿人双足机器人的小腿结构，其特征在于，所述第二转动外圈(231)的弧度角小于第二固定内圈(232)的弧度角，所述第二转动外圈(231)和第二固定内圈(232)装设于所述第一固定内圈(222)的内壁；

所述第二转动副(23)的转动角度范围为±45°。

10.一种仿人双足机器人，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任一权利要求所述的小腿结构。

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