CN112660265A - 一种基于五连杆的双足机器人腿部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于五连杆的双足机器人腿部结构。机身上设有两组两自由度的髋关节电机组件，其输出轴固连五连杆结构的机架；机架的两端分别安装一个髋/膝关节电机，其输出轴固连髋关节连接器；髋关节连接器的连接部固定连接大腿杆件；大腿杆件通过膝关节自由绞连接小腿杆件；两个小腿杆件另一端铰接并与机器人足部铰接；第一小腿杆件上部固定有踝关节电机；踝关节电机的转动输出轴连接第一踝关节连杆的一端，第一踝关节连杆的另一端绕踝关节电机的转动输出轴转动；第一踝关节连杆的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆与机器人足部铰接。本发明能够减小足端惯量，从而提升机器人单腿负重能力以及足部控制度。

Description

一种基于五连杆的双足机器人腿部结构

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于五连杆的双足机器人腿部结构。

背景技术

双足机器人是一种仿生类型的机器人，能够实现机器人的双足行走和相关动作。在未来的生产生活中，类人型双足行走机器人可以帮助人类解决很多问题比如驮物、抢险等一系列危险或繁重的工作。

双足竞步机器人的腿部结构类似于人类的双足，可以实现像人类一样的行走。如何既保持平衡又不牺牲速度是双足机器人的发展障碍之一。如今，最先进的双足机器人能够以相对较高的速度行走和跑步。然而，在复杂环境中，像人类一样抗干扰地行走和跑步的能力，对于双足机器人来说依旧“欠缺”。

现有机器人串联结构和四连杆结构具有负重低，强度弱，能量损耗大，腿部惯量大等不足，亟需进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，能够减小足端惯量，从而提升机器人单腿负重能力以及足部控制度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，包括：机身；机身上设有两组髋关节电机组件，髋关节电机组件连接五连杆结构的腿部；

所述髋关节电机组件为提供髋关节横滚自由度和航线自由度的两自由度转动系统，两自由度转动系统的输出轴固连五连杆结构的机架；

所述五连杆结构中，机架的两端分别安装一个髋/膝关节电机，该髋/膝关节电机的输出轴固连髋关节连接器；所述髋关节连接器的连接部固定连接大腿杆件；大腿杆件通过膝关节自由绞连接小腿杆件；两个小腿杆件另一端铰接并与机器人足部铰接；

面向机器人前方的第一小腿杆件上部固定有踝关节电机；踝关节电机的转动输出轴连接第一踝关节连杆的一端，第一踝关节连杆的另一端绕踝关节电机的转动输出轴转动；第一踝关节连杆的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆与机器人足部铰接。

优选地，所述大腿杆件为双杆件结构，双杆相互平行。

优选地，所述髋关节电机组件包括髋关节横滚自由度电机和髋关节航向自由度电机；两组髋关节电机组件中，两个髋关节横滚自由度电机固定在机身左右两侧，两输出轴相互平行，且平行于地面；髋关节横滚自由度电机的输出轴通过连接件固连髋关节航向自由度电机的机身，以驱动髋关节航向自由度电机本体横滚转动；髋关节航向自由度电机输出轴与髋关节横滚自由度电机垂直；髋关节航向自由度电机的输出轴固连五连杆结构的机架。

优选地，所述小腿杆件具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。

优选地，所述小腿杆件为两段结构；其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段插入弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器。

优选地，所述髋关节电机组件中的电机以及五连杆结构中的髋/膝关节电机均采用如下电机单元：

电机单元包括制动器、制动器编码器连接器、编码器、电机转子轴、电机和谐波减速器；

制动器编码器连接器连接制动器的固定端和编码器的磁头，实现制动器和编码器的固定；电机转子轴的一端固接编码器的磁环和制动器的转动端，另一端固接电机的转子；电机转子的另一侧固连谐波减速器的输入端；谐波减速器的输出端为整个电机单元的输出。

优选地，所述电机单元中的电机采用无框力矩电机。

优选地，所述电机的外壳提供空间容纳制动器和编码器；该电机单元进一步包括电机后盖，电机后盖与电机的外壳固连。

优选地，所述机架提供两个电机安装位，髋关节连接器设置在该电机安装位中；电机单元的输出端依次固连所述髋关节连接器和髋关节编码器；髋关节轴承为一深沟球轴承，内侧固接于机架，外侧固接于髋关节连接器。

优选地，所述大腿杆件和小腿连杆均分为两端的端部和中间的杆状连接部，端部采用铝合金材料，杆状连接部采用碳纤维材料；所述机器人足部采用铝合金制造，机器人足部与地面接触位置连接一层乳胶。

有益效果：

(1)本发明将五连杆机构作为双足机器人的主体结构。髋/膝关节电机担负了髋部和膝部的控制任务，结合大腿和小腿的四连杆机构，将处于髋关节的电机力矩转化为五连杆平面内任意方向的足端力矩，那么通过调整髋/膝关节电机的角度就可以控制足端位置，而不需要在膝关节设置额外的电机，相当于将膝关节电机上移到髋关节。此外，机器人小腿的四连杆机构设计将踝关节电机上移到小腿上部。电机的上移有效减小了腿部惯量，提高了机器人单腿的负重能力，为实现机器人高速重载提供了硬件基础。

(2)本发明膝关节下方的缓冲器设计，以分散足部受力，使得来自任意方向的高负载冲击可以被缓冲器所吸收。在机器人“落腿”阶段，压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，提高能量利用率。

(3)腿部惯量和关节冲击的减小可以提升足部控制度，使得在极端工况和复杂工况下机器人腿部结构也运行在工作良好的位置和姿态下，也可以说机器人在复杂工况和极端工况下具有良好鲁棒性。

(4)本发明实施例提供的方案，无需采用专用的关节电机，只需要采用无框力矩电机即可实现对步伐的大小、快慢、幅度的控制。无框力矩电机可以采用国产无框电机，大大降低了机器人成本。

(5)本发明对电机单元进行了重新设计，最大限度地利用了电机的轴向空间，使得机器人的空间占用率大大提升。而且电机单元的集成和布局均为自主设计，进一步降低了成本。

(6)本发明采用铝合金和碳纤维来制作机器人的腿部结构件，其中碳纤维杆用于搭建机器人大腿和小腿的骨架，类似于人类的骨骼，铝合金用于构造机器人的关节，两者结合从而来支撑机器人。用铝合金和乳胶来制作机器人的脚板，模拟人类的脚掌，从而来支持机器人的行走与稳定。

附图说明

图1为本发明双足机械结构图；

图2为本发明腿部五连杆示意图；

图3为本发明腿部五连杆小腿结构及缓冲器结构图；

图4为本发明腿部五连杆小腿结构及缓冲器剖面结构图；

图5为本发明所用电机单元等轴测图；

图6为本发明电机单元展开的侧视图；

图7为本发明五连杆结构中的机架和髋/膝关节电机的等轴测图；

图8为本发明五连杆结构中的机架和髋/膝关节电机的俯视图；

图9为本发明五连杆结构中的机架和髋/膝关节电机安装后的俯视图；

其中，1-机身，2-髋关节横滚自由度电机，3-髋关节航向自由度电机，4-机架，5,6-髋/膝关节电机，7-大腿杆件，8-踝关节电机，9-第一踝关节连杆，10-第一小腿杆件，11-第二踝关节连杆，12-机器人足部，13-膝关节自由绞，14-第二小腿杆件，15-缓冲器，16-电机后盖，17-制动器，18-制动器编码器连接器，19-编码器，20-电机转子轴，21-电机，22-谐波减速器，23-髋关节编码器，24-髋关节连接器，24a-连接部，24b-转动环部，25-髋关节轴承。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，参见图1，机身1上设有两组髋关节电机组件，髋关节电机组件连接五连杆结构的腿部。

其中，髋关节电机组件为提供髋关节横滚自由度和航线自由度的两自由度转动系统，两自由度转动系统的输出轴固连五连杆结构的机架4。如图所示，本实施例中，髋关节电机组件包括髋关节横滚自由度电机2和髋关节航向自由度电机3。两组髋关节电机组件的两个髋关节横滚自由度电机2固定在机身1左右两侧，两髋关节横滚自由度电机2的输出轴相互平行，且平行于地面。髋关节横滚自由度电机2的输出轴通过连接件固连髋关节航向自由度电机3的机身，以驱动髋关节航向自由度电机3本体横滚转动。髋关节航向自由度电机3输出轴与髋关节横滚自由度电机2垂直；髋关节航向自由度电机3的输出轴固连五连杆结构的机架4，以驱动机架4偏航转动。

参见图2，五连杆结构主要结构包括机架4、大腿杆件7、小腿杆件10,14和机器人足部12。机架4的两端分别安装一个髋/膝关节电机5,6，该髋/膝关节电机5,6的输出轴固连髋关节连接器24。参见图7，本实施例中，髋关节连接器24嵌入机架4所提供的槽中，髋关节连接器24具有相互连接的转动环部24b和连接部24a。转动环部24b固定于髋/膝关节电机5,6的输出轴上，在髋/膝关节电机5,6的带动下转动。连接部24a连接大腿杆件7。髋关节连接器24的连接令大腿杆件7能够绕髋/膝关节电机5,6的输出轴转动。大腿杆件7通过膝关节自由绞13连接小腿杆件(10为第一小腿杆件，14为第二小腿杆件)；两个小腿杆件的另一端铰接并与机器人足部12铰接。优选地，大腿杆件7为双杆件结构，双杆相互平行。

面向机器人前方的第一小腿杆件10上部固定有踝关节电机8。踝关节电机8的转动输出轴连接第一踝关节连杆9的一端，第一踝关节连杆9另一端能够绕踝关节电机的转动输出轴转动。第一踝关节连杆9的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆11与机器人足部12铰接。

如图1所示，第一踝关节连杆9包括两个侧壁和一个横杆；两个侧壁一端固连踝关节电机的转动输出轴，另一端通过横杆连接起来，第二踝关节连杆11与该横杆铰接。

为贴合三质点弹簧振子控制模型，在机器人膝关节下方设置缓冲器吸收足端冲击，提高能量利用率。参见图3和图4，小腿杆件14具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。这种膝关节下方的缓冲设计，在机器人“落腿”阶段，压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，提高能量利用率。本实施例中，所述小腿杆件14为两段结构，其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段插入弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器15。缓冲器15可以选用弹簧。

本发明进一步提供了一种适用于本机构的电机单元，可以用作于髋关节电机组件中的髋关节横滚自由度电机2、髋关节航向自由度电机3以及五连杆结构中的髋/膝关节电机5,6。

参见图5-图6，该电机单元从左到右结构依次为电机后盖16、制动器17、制动器编码器连接器18、编码器19、电机转子轴20、电机21和谐波减速器22。其中，制动器编码器连接器18连接制动器17的固定端和编码器19的磁头，实现制动器17和编码器19的固定。电机转子轴20的一端固接编码器19的磁环和制动器17的转动端，另一端固接电机21的转子，从而实现转动力矩的传递。电机21转子的另一侧固连谐波减速器22的输入端。谐波减速器22的输出端为整个电机单元的输出。谐波减速器22的外壳与电机21的外壳固接。电机21的外壳提供空间容纳制动器17和编码器19；该电机单元进一步包括电机后盖16，电机后盖16与电机21的外壳固连，起到防水防尘的作用。这种电机单元结构中的电机可以采用无框力矩电机，而不用采用进口的机器人关节电机，因此能够大大降低成本。

参见图7和图8，将电机单元安装到机架4时，机架4需要提供两个电机安装位，髋关节连接器24设置在该电机安装位中；电机单元的输出端穿入安装位固连所述髋关节连接器24，以带动髋关节连接器24转动。电机单元的输出端还连接髋关节编码器23实现角度检测。髋关节轴承25为一深沟球轴承，内侧固接于机架4，外侧固接于髋关节连接器24。

本实施例中，器件选型为：电机单元中的电机21选用德国TQ公司的无框力矩电机，型号是ILM85x13 STD VSS；谐波减速器选用日本哈默纳科公司的组合型谐波减速器，型号是CSG-25-100；编码器选择以色列雷尼绍公司编码器，型号为RD85－AKSIM；制动器选用德国麦尔公司的制动器RD85-RSV80。

本发明双足机器人腿部结构的运行方式如下：

首先，由控制算法得出足部末端的位置与力，通过出运动学和动力学算法解算髋关节横滚自由度电机2、髋关节航向自由度电机3、踝关节电机8、两个髋/膝关节电机5,6所需的位置和力矩。接着，控制器发出信号，控制各电机输出既定的角度与力矩。在五连杆机构中，双足机器人通过调整两个髋/膝关节电机5,6的角度控制足端位置，连杆系统通过四根杆件(7、10、14)将处于髋关节的电机力矩转化为五连杆平面内任意方向的足端力矩。同时，机器人小腿的四连杆机构设计(9、10、11、12)将踝关节电机8上移以减小惯量。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，其特征在于，包括：机身(1)；机身(1)上设有两组髋关节电机组件，髋关节电机组件连接五连杆结构的腿部；

所述髋关节电机组件为提供髋关节横滚自由度和航线自由度的两自由度转动系统，两自由度转动系统的输出轴固连五连杆结构的机架(4)；

所述五连杆结构中，机架(4)的两端分别安装一个髋/膝关节电机(5,6)，该髋/膝关节电机(5,6)的输出轴固连髋关节连接器(24)；所述髋关节连接器的连接部(24a)固定连接大腿杆件(7)；大腿杆件(7)通过膝关节自由绞(13)连接小腿杆件(10,14)；两个小腿杆件(10,14)另一端铰接并与机器人足部(12)铰接；

面向机器人前方的第一小腿杆件(10)上部固定有踝关节电机(8)；踝关节电机(8)的转动输出轴连接第一踝关节连杆(9)的一端，第一踝关节连杆(9)的另一端绕踝关节电机的转动输出轴转动；第一踝关节连杆(9)的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆(11)与机器人足部(12)铰接。

2.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述大腿杆件(7)为双杆件结构，双杆相互平行。

3.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述髋关节电机组件包括髋关节横滚自由度电机(2)和髋关节航向自由度电机(3)；两组髋关节电机组件中，两个髋关节横滚自由度电机(2)固定在机身(1)左右两侧，两输出轴相互平行，且平行于地面；髋关节横滚自由度电机(2)的输出轴通过连接件固连髋关节航向自由度电机(3)的机身，以驱动髋关节航向自由度电机(3)本体横滚转动；髋关节航向自由度电机(3)输出轴与髋关节横滚自由度电机(2)垂直；髋关节航向自由度电机(3)的输出轴固连五连杆结构的机架(4)。

4.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述小腿杆件具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。

5.如权利要求4所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述小腿杆件为两段结构；其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段插入弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器(15)。

6.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述髋关节电机组件中的电机以及五连杆结构中的髋/膝关节电机(5,6)均采用如下电机单元：

电机单元包括制动器(17)、制动器编码器连接器(18)、编码器(19)、电机转子轴(20)、电机(21)和谐波减速器(22)；

制动器编码器连接器(18)连接制动器(17)的固定端和编码器(19)的磁头，实现制动器(17)和编码器(19)的固定；电机转子轴(20)的一端固接编码器(19)的磁环和制动器(17)的转动端，另一端固接电机(21)的转子；电机(21)转子的另一侧固连谐波减速器(22)的输入端；谐波减速器(22)的输出端为整个电机单元的输出。

7.如权利要求6所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述电机单元中的电机(21)采用无框力矩电机。

8.如权利要求6所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述电机(21)的外壳提供空间容纳制动器(17)和编码器(19)；该电机单元进一步包括电机后盖(16)，电机后盖(16)与电机(21)的外壳固连。

9.如权利要求6所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述机架(4)提供两个电机安装位，髋关节连接器(24)设置在该电机安装位中；电机单元的输出端依次固连所述髋关节连接器(21)和髋关节编码器(23)；髋关节轴承(25)为一深沟球轴承，内侧固接于机架(4)，外侧固接于髋关节连接器(24)。

10.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述大腿杆件和小腿连杆均分为两端的端部和中间的杆状连接部，端部采用铝合金材料，杆状连接部采用碳纤维材料；所述机器人足部采用铝合金制造，机器人足部与地面接触位置连接一层乳胶。

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