CN113401246B - 一种仿生机器人腿足机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生机器人腿足机构，包括安装模块、股骨模块、胫骨模块和趾骨模块，其中，安装模块包括壳体和设置于壳体内的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器；股骨模块可转动地与壳体相连，股骨模块与第一驱动器传动相连；胫骨模块可转动地与股骨模块相连，胫骨模块与第二驱动器传动相连；趾骨模块可转动地与胫骨模块相连，趾骨模块与第三驱动器传动相连，胫骨模块位于股骨模块与趾骨模块之间。本发明的仿生机器人腿足机构，股骨模块、胫骨模块以及趾骨模块分别连接有驱动器，共有三个自由度，可以模拟自然界腿足动物踝、膝、髋三个关节的运动，提高机构的仿生性与运动灵活性。

Description

一种仿生机器人腿足机构

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，特别是涉及一种仿生机器人腿足机构。

背景技术

腿足型机器人相较于传统的轮式和履带式机器人具备更强的环境适应能力，广泛应用于野外侦察、厂区巡检、军事运输等领域。自然界中以腿足运动为主要运动形式的动物通常具备踝、膝、髋三个关节，通过肌肉与骨骼的相互作用实现三个关节的相对转动，从而实现多种行走步态形式。

现有的仿生腿足机构，例如，公开号为CN103448828A的中国专利，公开了一种四足仿生机器人腿机构，该机构包括肩胛骨、肩关节、股骨(或大腿)、膝关节、胫骨(或小腿)、被动踝关节、脚掌以及驱动模块。肩关节连接机器人的肩胛骨和股骨，膝关节连接股骨和胫骨，被动踝关节连接胫骨和脚掌，关节驱动方式为滚珠丝杠驱动。与现有技术中的仿生腿足机构类似，该机构不具备踝关节的主动自由度，使得实际的运动灵活性下降，仿生表达欠缺，难以实现复杂环境下的足端精细化动作。现有的仿生腿足机构行走自由度低，另外，现有具有踝关节的仿生腿足机构由于驱动元器件的设置，使其腿足运动的灵活性受限。

因此，如何改变现有技术中，仿生腿足机构的行走自由度低、灵活性较差的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生机器人腿足机构，以解决上述现有技术存在的问题，提高腿足型仿生机器人的行走自由度和灵活性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种仿生机器人腿足机构，包括：

安装模块，所述安装模块包括壳体和设置于所述壳体内的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器；

股骨模块，所述股骨模块可转动地与所述壳体相连，所述股骨模块与所述第一驱动器传动相连；

胫骨模块，所述胫骨模块可转动地与所述股骨模块相连，所述胫骨模块与所述第二驱动器传动相连；

趾骨模块，所述趾骨模块可转动地与所述胫骨模块相连，所述趾骨模块与所述第三驱动器传动相连，所述胫骨模块位于所述股骨模块与所述趾骨模块之间。

优选地，所述股骨模块包括前股骨杆件和后股骨杆件，所述胫骨模块包括胫骨杆件和胫骨驱动臂，所述胫骨驱动臂的一端与所述第二驱动器传动相连，所述胫骨驱动臂的另一端与所述前股骨杆件铰接，所述后股骨杆件的一端与所述胫骨驱动臂铰接，所述后股骨杆件的另一端与所述胫骨杆件铰接，所述前股骨杆件的另一端与所述胫骨杆件铰接，所述前股骨杆件相对于所述胫骨杆件的转动轴线与所述后股骨杆件相对于所述胫骨杆件的转动轴线不重合，所述前股骨杆件相对于所述胫骨驱动臂的转动轴线与所述后股骨杆件相对于所述胫骨驱动臂的转动轴线不重合，所述胫骨驱动臂、所述前股骨杆件、所述后股骨杆件以及所述胫骨杆件构成平行四边形机构。

优选地，所述后股骨杆件连接有股骨连杆，所述后股骨杆件与所述股骨连杆的铰接位置位于所述胫骨杆件与所述胫骨驱动臂之间，所述股骨连杆的另一端与第一摆臂同步轮相连，所述股骨连杆与所述第一摆臂同步轮的摆臂铰接相连，所述第一摆臂同步轮的同步轮与所述第一驱动器传动相连，所述第一摆臂同步轮可转动地设置于所述壳体上，所述后股骨杆件、所述股骨连杆、所述第一摆臂同步轮以及所述壳体构成平行四边形机构。

优选地，所述趾骨模块包括趾骨支撑件、第一跟腱连杆、第二跟腱连杆以及跟腱驱动支撑臂，所述趾骨支撑件与所述胫骨杆件铰接，所述跟腱驱动支撑臂的一端与所述第三驱动器相连，所述跟腱驱动支撑臂的另一端与所述第一跟腱连杆铰接，所述跟腱驱动支撑臂与所述第一跟腱连杆的铰接处设置第二摆臂同步轮，所述第二摆臂同步轮的同步轮与所述第三驱动器传动相连，所述第二摆臂同步轮的摆臂与所述第二跟腱连杆铰接，所述第二跟腱连杆的另一端与所述趾骨支撑件铰接，所述第二跟腱连杆相对于所述趾骨支撑件的转动轴线与所述胫骨杆件相对于所述趾骨支撑件的转动轴线不重合，所述胫骨杆件、所述趾骨支撑件、所述第二跟腱连杆、所述第二摆臂同步轮以及所述第一跟腱连杆构成五杆机构，所述后股骨杆件、所述第一跟腱连杆、所述跟腱驱动支撑臂以及所述壳体构成平行四边形机构。

优选地，所述第一摆臂同步轮与第一驱动器之间以及所述第二摆臂同步轮与所述第三驱动器之间均设置同步带；所述第一驱动器、所述第二驱动器以及所述第三驱动器均为电机。

优选地，所述第一驱动器、所述第二驱动器以及所述第三驱动器两两相抵接且三者围成正三角形。

优选地，所述第二驱动器的输出端利用法兰盘与所述胫骨驱动臂相连，所述第二驱动器的输出端与所述法兰盘过盈配合，所述法兰盘与所述胫骨驱动臂可拆卸连接。

优选地，所述法兰盘通过螺钉与所述胫骨驱动臂相连。

优选地，所述壳体上具有散热孔，所述壳体为分体式结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的仿生机器人腿足机构，包括安装模块、股骨模块、胫骨模块和趾骨模块，其中，安装模块包括壳体和设置于壳体内的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器；股骨模块可转动地与壳体相连，股骨模块与第一驱动器传动相连；胫骨模块可转动地与股骨模块相连，胫骨模块与第二驱动器传动相连；趾骨模块可转动地与胫骨模块相连，趾骨模块与第三驱动器传动相连，胫骨模块位于股骨模块与趾骨模块之间。

本发明的仿生机器人腿足机构，包括股骨模块、胫骨模块和趾骨模块，且股骨模块、胫骨模块以及趾骨模块分别连接有驱动器，本发明的仿生机器人腿足机构，共有三个自由度，可以模拟自然界腿足动物踝、膝、髋三个关节的运动，提高机构的仿生性与运动灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的仿生机器人腿足机构的结构示意图；

图2为本发明的仿生机器人腿足机构的部分结构示意图；

图3为本发明的仿生机器人腿足机构的壳体的结构示意图；

图4为本发明的仿生机器人腿足机构的第一摆臂同步轮或第二摆臂同步轮的结构示意图；

图5为本发明的仿生机器人腿足机构的主视方向结构示意图；

图6为本发明的仿生机器人腿足机构的仿生映射关系示意图。

其中，1为壳体，2为第一驱动器，3为第二驱动器，4为第三驱动器，5为前股骨杆件，6为后股骨杆件，7为胫骨杆件，8为胫骨驱动臂，9为股骨连杆，10为第一摆臂同步轮，11为趾骨支撑件，12为第一跟腱连杆，13为第二跟腱连杆，14为跟腱驱动支撑臂，15为第二摆臂同步轮，16为同步轮，17为摆臂，18为同步带，19为法兰盘，20为散热孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种仿生机器人腿足机构，以解决上述现有技术存在的问题，提高腿足型仿生机器人的行走自由度和灵活性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-6，其中，图1为本发明的仿生机器人腿足机构的结构示意图，图2为本发明的仿生机器人腿足机构的部分结构示意图，图3为本发明的仿生机器人腿足机构的壳体的结构示意图，图4为本发明的仿生机器人腿足机构的第一摆臂同步轮或第二摆臂同步轮的结构示意图，图5为本发明的仿生机器人腿足机构的主视方向结构示意图，图6为本发明的仿生机器人腿足机构的仿生映射关系示意图。

本发明提供一种仿生机器人腿足机构，包括：

安装模块，安装模块包括壳体1和设置于壳体1内的第一驱动器2、第二驱动器3和第三驱动器4；

股骨模块，股骨模块可转动地与壳体1相连，股骨模块与第一驱动器2传动相连；

胫骨模块，胫骨模块可转动地与股骨模块相连，胫骨模块与第二驱动器3传动相连；

趾骨模块，趾骨模块可转动地与胫骨模块相连，趾骨模块与第三驱动器4传动相连，胫骨模块位于股骨模块与趾骨模块之间。

本发明的仿生机器人腿足机构，包括股骨模块、胫骨模块和趾骨模块，且股骨模块、胫骨模块以及趾骨模块分别连接有驱动器，本发明的仿生机器人腿足机构，共有三个自由度，可以模拟自然界腿足动物踝、膝、髋三个关节的运动，提高机构的仿生性与运动灵活性。

具体地，股骨模块包括前股骨杆件5和后股骨杆件6，胫骨模块包括胫骨杆件7和胫骨驱动臂8，胫骨驱动臂8的一端与第二驱动器3传动相连，胫骨驱动臂8的另一端与前股骨杆件5铰接，后股骨杆件6的一端与胫骨驱动臂8铰接，后股骨杆件6的另一端与胫骨杆件7铰接，前股骨杆件5的另一端与胫骨杆件7铰接，前股骨杆件5相对于胫骨杆件7的转动轴线与后股骨杆件6相对于胫骨杆件7的转动轴线不重合，前股骨杆件5相对于胫骨驱动臂8的转动轴线与后股骨杆件6相对于胫骨驱动臂8的转动轴线不重合，胫骨驱动臂8、前股骨杆件5、后股骨杆件6以及胫骨杆件7构成平行四边形机构。第二驱动器3带动胫骨驱动臂8转动，继而通过平行四边形机构带动胫骨杆件7的转动，胫骨杆件7的转动角度与胫骨驱动臂8的转动角度相同。

相应地，后股骨杆件6连接有股骨连杆9，后股骨杆件6与股骨连杆9的铰接位置位于胫骨杆件7与胫骨驱动臂8之间，股骨连杆9的另一端与第一摆臂同步轮10相连，股骨连杆9与第一摆臂同步轮10的摆臂17铰接相连，第一摆臂同步轮10的同步轮16与第一驱动器2传动相连，第一摆臂同步轮10可转动地设置于壳体1上，后股骨杆件6、股骨连杆9、第一摆臂同步轮10以及壳体1构成平行四边形机构。第一驱动器2带动第一摆臂同步轮10的同步轮16转动，继而通过第一摆臂同步轮10的摆臂17以及股骨连杆9实现后股骨杆件6的转动，后股骨杆件6的转动角度与第一摆臂同步轮10的转动角度相同。

更具体地，趾骨模块包括趾骨支撑件11、第一跟腱连杆12、第二跟腱连杆13以及跟腱驱动支撑臂14，趾骨支撑件11与胫骨杆件7铰接，跟腱驱动支撑臂14的一端与第三驱动器4相连，跟腱驱动支撑臂14的另一端与第一跟腱连杆12铰接，跟腱驱动支撑臂14与第一跟腱连杆12的铰接处设置第二摆臂同步轮15，第二摆臂同步轮15的同步轮16与第三驱动器4传动相连，第二摆臂同步轮15的摆臂17与第二跟腱连杆13铰接，第二跟腱连杆13的另一端与趾骨支撑件11铰接，第二跟腱连杆13相对于趾骨支撑件11的转动轴线与胫骨杆件7相对于趾骨支撑件11的转动轴线不重合，胫骨杆件7、趾骨支撑件11、第二跟腱连杆13、第二摆臂同步轮15以及第一跟腱连杆12构成五杆机构，后股骨杆件6、第一跟腱连杆12、跟腱驱动支撑臂14以及壳体1构成平行四边形机构。胫骨杆件7、趾骨支撑件11、第二跟腱连杆13、第二摆臂同步轮15以及第一跟腱连杆12构成五杆机构，由于胫骨杆件7和股骨连杆9为两个平行四边形机构中的从动杆件，在瞬间可以看作受力稳定的整体，上述五杆机构在瞬时可以看作由第二摆臂同步轮15驱动的四杆机构，由第三驱动器4作为动力源，实现趾骨支撑件11的相对转动。

此处需要说明的是，第一摆臂同步轮10和第二摆臂同步轮15的结构相同，均包括同步轮16和摆臂17，摆臂17与同步轮16的圆周边相连，同步轮16可转动地与第一驱动器2或第三驱动器4相连，摆臂17与股骨连杆9或第二跟腱连杆13铰接，股骨连杆9或第二跟腱连杆13相对于摆臂17转动的轴线平行于同步轮16的轴线。

在本具体实施方式中，第一摆臂同步轮10与第一驱动器2之间以及第二摆臂同步轮15与第三驱动器4之间均设置同步带18，即第一摆臂同步轮10利用同步带18与第一驱动器2传动相连，第二摆臂同步轮15利用同步带18与第三驱动器4相连，保证传动精确度；另外，在本具体实施方式中，第一驱动器2、第二驱动器3以及第三驱动器4均为电机，电机通过带传动输出动力。

进一步地，第一驱动器2、第二驱动器3以及第三驱动器4两两相抵接且三者围成正三角形，最大限度地减少占用空间，从而保证仿生机器人腿足机构的灵活性。

在本发明的其他具体实施方式中，第二驱动器3的输出端利用法兰盘19与胫骨驱动臂8相连，第二驱动器3的输出端与法兰盘19过盈配合，保证连接紧密，提高扭矩传递可靠性，法兰盘19与胫骨驱动臂8可拆卸连接，方便机构的拆装维护。

其中，法兰盘19通过螺钉与胫骨驱动臂8相连，连接紧固，拆装方便。

另外，壳体1上具有散热孔20，提高安装模块的散热性能，壳体1为分体式结构，方便拆装，提高了机构的维护便捷性。

本发明的仿生机器人腿足机构，通过两个主动平行四边形机构，一个被动平行四边形机构以及一个五杆机构将三个驱动器的转动转换为高度仿生的踝-膝-髋三关节转动，从而解决了腿足型仿生机器人行走自由度低，灵活性差，仿生效果不佳的问题。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种仿生机器人腿足机构，其特征在于，包括：

安装模块，所述安装模块包括壳体和设置于所述壳体内的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器；

股骨模块，所述股骨模块可转动地与所述壳体相连，所述股骨模块与所述第一驱动器传动相连；

胫骨模块，所述胫骨模块可转动地与所述股骨模块相连，所述胫骨模块与所述第二驱动器传动相连；

趾骨模块，所述趾骨模块可转动地与所述胫骨模块相连，所述趾骨模块与所述第三驱动器传动相连，所述胫骨模块位于所述股骨模块与所述趾骨模块之间；

所述股骨模块包括前股骨杆件和后股骨杆件，所述胫骨模块包括胫骨杆件和胫骨驱动臂，所述胫骨驱动臂的一端与所述第二驱动器传动相连，所述胫骨驱动臂的另一端与所述前股骨杆件铰接，所述后股骨杆件的一端与所述胫骨驱动臂铰接，所述后股骨杆件的另一端与所述胫骨杆件铰接，所述前股骨杆件的另一端与所述胫骨杆件铰接，所述前股骨杆件相对于所述胫骨杆件的转动轴线与所述后股骨杆件相对于所述胫骨杆件的转动轴线不重合，所述前股骨杆件相对于所述胫骨驱动臂的转动轴线与所述后股骨杆件相对于所述胫骨驱动臂的转动轴线不重合，所述胫骨驱动臂、所述前股骨杆件、所述后股骨杆件以及所述胫骨杆件构成平行四边形机构。

2.根据权利要求1所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述后股骨杆件连接有股骨连杆，所述后股骨杆件与所述股骨连杆的铰接位置位于所述胫骨杆件与所述胫骨驱动臂之间，所述股骨连杆的另一端与第一摆臂同步轮相连，所述股骨连杆与所述第一摆臂同步轮的摆臂铰接相连，所述第一摆臂同步轮的同步轮与所述第一驱动器传动相连，所述第一摆臂同步轮可转动地设置于所述壳体上，所述后股骨杆件、所述股骨连杆、所述第一摆臂同步轮以及所述壳体构成平行四边形机构。

3.根据权利要求2所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述趾骨模块包括趾骨支撑件、第一跟腱连杆、第二跟腱连杆以及跟腱驱动支撑臂，所述趾骨支撑件与所述胫骨杆件铰接，所述跟腱驱动支撑臂的一端与所述第三驱动器相连，所述跟腱驱动支撑臂的另一端与所述第一跟腱连杆铰接，所述跟腱驱动支撑臂与所述第一跟腱连杆的铰接处设置第二摆臂同步轮，所述第二摆臂同步轮的同步轮与所述第三驱动器传动相连，所述第二摆臂同步轮的摆臂与所述第二跟腱连杆铰接，所述第二跟腱连杆的另一端与所述趾骨支撑件铰接，所述第二跟腱连杆相对于所述趾骨支撑件的转动轴线与所述胫骨杆件相对于所述趾骨支撑件的转动轴线不重合，所述胫骨杆件、所述趾骨支撑件、所述第二跟腱连杆、所述第二摆臂同步轮以及所述第一跟腱连杆构成五杆机构，所述后股骨杆件、所述第一跟腱连杆、所述跟腱驱动支撑臂以及所述壳体构成平行四边形机构。

4.根据权利要求3所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述第一摆臂同步轮与第一驱动器之间以及所述第二摆臂同步轮与所述第三驱动器之间均设置同步带；所述第一驱动器、所述第二驱动器以及所述第三驱动器均为电机。

5.根据权利要求1所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述第一驱动器、所述第二驱动器以及所述第三驱动器两两相抵接且三者围成正三角形。

6.根据权利要求1所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述第二驱动器的输出端利用法兰盘与所述胫骨驱动臂相连，所述第二驱动器的输出端与所述法兰盘过盈配合，所述法兰盘与所述胫骨驱动臂可拆卸连接。

7.根据权利要求6所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述法兰盘通过螺钉与所述胫骨驱动臂相连。

8.根据权利要求1所述的仿生机器人腿足机构，其特征在于：所述壳体上具有散热孔，所述壳体为分体式结构。

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