CN113525550A - 基于差动结构的机器人腿部和四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于差动结构的机器人腿部和四足机器人，包括第一动力组件、第二动力组件、第三动力组件和T型轴，所述第一动力组件和第二动力组件对称设置在所述T型轴的两端；其中，所述第一动力组件包括第一动力模块和设置在所述第一动力模块上的第一锥齿轮；所述第二动力组件包括第二动力模块和设置在所述第二动力模块上的第二锥齿轮；所述第三动力组件包括第三动力模块、大腿件、小腿件、第三锥齿轮、第三交叉滚子轴承和转轴组件；其中，所述第三动力模块和所述第三锥齿轮分别设置在所述大腿件两侧，所述第三锥齿轮和第三交叉滚子轴承连接，所述大腿件和所述小腿件转动连接。利用上述结构设计，可以得到动力模块多样化、设计简单、降低成本、且解决线缆外漏问题的机器人腿部和具有上述优点的四足机器人。

Description

基于差动结构的机器人腿部和四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更为具体地，涉及一种基于差动结构的机器人腿部和具有基于差动结构的机器人腿部的四足机器人。

背景技术

目前市面上最成熟的四足机器人产品，如MIT的Mini Cheetah、宇树科技的A1等以及云深处的绝影系列机器人，均采用外转子电机加精密行星减速器的驱动方案，改方案动力模块均为大直径扁平的结构，所以四足整机单腿的结构一般采用两关节面对面的布置方式，两个关节串联布置，分别实现大腿的前后摆以及小腿的弯曲动作，侧摆关节放置在身体里面，直接带动大小腿实现侧向摆动，从而实现三个自由度的动作。改方案充分利用了外转子大直径的特性，将身体的尺寸与关节的尺寸相匹配，从外形上看起来是一致的。

但是，上述方案有两个明显的缺点：

(1)关节采用内转子的方案会导致关节本身是细长的，两个关节面对面布置会导致腿部横向尺寸比较长，从而导致整机横向尺寸很宽，这也是为什么现在市面上四足机器人产品均采用外转子加精密行星减速器的驱动方案；

(2)由于外转子加内部套用精密行星减速器的方案导致这种关节在结构上无法做成中空的形状，其原因是行星减速器有较大的减速比，导致行星齿轮的直径就比较小，没有空间留中空轴，从而导致线缆只能外漏，加剧线缆损坏的风险。

因此，亟需一种动力模块多样化、设计简单、降低成本、且解决线缆外漏问题的机器人腿部和具有上述优点的四足机器人。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于差动结构的机器人腿部和四足机器人，具有使所用动力模块多样性、布局结构简单、并且解决线缆外漏问题等优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于差动结构的机器人腿部，包括第一动力组件、第二动力组件、第三动力组件和T型轴，所述第一动力组件和第二动力组件对称设置在所述T型轴的两端；其中，所述第一动力组件包括第一动力模块和设置在所述第一动力模块上的第一锥齿轮；所述第二动力组件包括第二动力模块和设置在所述第二动力模块上的第二锥齿轮；所述第三动力组件包括第三动力模块、大腿件、小腿件、第三锥齿轮、第三交叉滚子轴承和转轴组件；其中，所述第三动力模块和所述第三锥齿轮分别设置在所述大腿件两侧，所述第三锥齿轮和第三交叉滚子轴承连接，所述大腿件和所述小腿件转动连接，所述转轴组件设置在所述大腿件内，所述大腿件通过所述转轴组件带动所述小腿转动连接；在所述T型轴的水平方向的两端设置有第一交叉滚子轴承和第二交叉滚子轴承；所述第一锥齿轮和所述第一交叉滚子轴承连接，所述第二锥齿轮和所述第二交叉滚子轴承连接，所述T型轴的第三端和所述第三交叉滚子轴承连接。

此外，优选地结构，所述大腿件包括大腿外侧件和大腿内侧件，所述第三动力模块和所述大腿外侧件固定连接，所述第三锥齿轮和大腿内侧件固定连接；在所述小腿件上设置有小腿轴销和轴承；所述大腿件和所述小腿件通过所述轴承转动连接。

此外，优选地结构，所述转轴组件包括曲柄、大腿轴销、关节轴承和连杆；其中，所述关节轴承设置在所述连杆的两端，所述大腿轴销设置在所述连杆靠近所述第三动力模块的一端的关节轴承中并和所述曲柄连接，设置在所述连杆另一端的关节轴承和小腿轴销连接，所述转轴组件用于驱动所述小腿件绕轴承转动，以形成小腿的折叠动作。

此外，优选地结构，在所述关节轴承和所述大腿内侧件之间设置有用于防止所述关节轴承自身大范围的自转及壳体之间碰撞的止转平垫。

此外，优选地结构，所述第一锥齿轮设置在所述第一动力模块的输出法兰上；所述第二锥齿轮设置在所述第二动力模块的输出法兰上。

此外，优选地结构，所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮具有相同的参数，所述参数包括模数、齿形；所述第三锥齿轮的模数和所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮的模数一致。

此外，优选地结构，所述第一交叉滚子轴承和所述第二交叉滚子轴承的内圈分别和所述T型轴过盈配合固定，所述T型轴的第三端和所述第三交叉滚子轴承连接的内圈过盈配合固定；所述第一锥齿轮和所述第一交叉滚子轴承的外圈过渡配合固定，所述第二锥齿轮和所述第二交叉滚子轴承的外圈过渡配合固定。

根据本发明的另一方面，提供了一种四足机器人，包括主箱体和腿部组件，其特征在于，所述腿部组件包括动力模块、固定结构和传动结构设置一致的左腿组件和右腿组件；其中，所述左腿组件和右腿组件均包括上述任一所述的基于差动结构的机器人腿部；所述左腿组件和所述右腿组件对称设置在所述主箱体的前后两侧。

此外，优选地结构，所述腿部组件通过固定座设置在所述主箱体上；所述固定座包括第一固定座和第二固定座；所述第一动力模块设置在所述第一固定座上，所述第二动力模块设置在所述第二固定座上。

此外，优选地结构，在所述主箱体上设置有中空孔，所述第一动力模块、第二动力模块和第三动力模块的电源线与信号线均通过所述中空孔设置在所述主箱体的内部。

与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：

1、本发明通过锥齿轮之间形成的差动结构，降低四足机器人对外转子加精密行星减速器驱动方案的依赖，可以使动力模块的使用变得更广泛和多样化。

2、通过腿部组件对称性的设计，从布局上简化四足机器人腿部的装配，使很多器件可以通用，降低成本。

3、通过主箱体中空结构的设计解决上述四足机器人线缆只能悬空在外、容易损坏的问题。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部的立体图；

图2示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部的局部剖视图；

图3示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部的侧视图；

图4示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部组件的爆炸图；

图5示出了根据本发明的四足机器人的立体图；

图6示出了根据本发明的四足机器人的侧视图；

图7示出了根据本发明的四足机器人的俯视图；

图8示出了根据本发明的四足机器人的爆炸图；以及，

图9示出了根据本发明的四足机器人的动力模块走线示意图。

附图说明：

100、右腿组件；200、主箱体；300、左腿组件；110、第一动力组件；120、第二动力组件；130、第三动力组件；111、第一动力模块；121、第二动力模块；131、第三动力模块；112、第一固定座；122、第二固定座；113、第一锥齿轮；123、第二锥齿轮；151、第三锥齿轮；114、第一交叉滚子轴承；124、第二交叉滚子轴承；150、第三交叉滚子轴承；115、T型轴；132、大腿外侧件；137、大腿内侧件；133、曲柄；134、大腿销轴；135、关节轴承；136、止转平垫；138、连杆；139、小腿销轴；140、轴承；141、小腿件；142、橡胶足底；143、大腿件。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

图1示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部的立体图；图2示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部的局部剖视图；图3示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部的侧视图；图4示出了根据本发明的基于差动结构的机器人腿部组件的爆炸图。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

如图1至图4共同所示，本发明涉及的基于差动结构的机器人腿部，包括第一动力组件110、第二动力组件120、第三动力组件130和T型轴115；第一动力组件110、第二动力组件120对称设置在沿T型轴115的水平方向的两端上，第三动力组件130设置在T型轴115的第三端上，其中，第三动力组件130上设置有大腿件143和小腿件，通过上述方式连接构成机器人腿部的整体模型。

具体的，第一动力组件110包括第一动力模块111和第一锥齿轮113，第一锥齿轮113固定在第一动力模块111的输出法兰上；第二动力组件120包括第二动力模块121和第二锥齿轮123，第二锥齿轮123固定在第二动力模块121的输出法兰上。

具体的，第三动力组件130包括第三动力模块131、第三锥齿轮151、第三交叉滚子轴承150、大腿件143、小腿件141和转轴组件；第三动力组件130不仅包括动力模块，还包括腿部模型，是整个机器人腿部的主体模型。

按照上面的描述，第一动力组件110、第二动力组件120、第三动力组件130就构成了以锥齿轮为核心的差动轮系。

需要特殊说明的是，大腿件143包括大腿外侧件132和大腿内侧件137，第三动力模块131的固定端固定设置在大腿外侧件132上，第三锥齿轮151固定设置在大腿内侧件137上，在大腿件143内设置有转轴组件，第三锥齿轮151和第三交叉滚子轴承150的外圈过盈配合相固定；小腿件141上设置有小腿轴销139和轴承140，转轴组件包括曲柄133、大腿轴销134、关节轴承135和连杆138，其中，关节轴承135设置在连杆138的两端，大腿轴销134设置在连杆138靠近第三动力模块131一端的关节轴承135中和曲柄133连接，曲柄133固定设置在大腿外侧件132和第三动力模块131相反侧的输出端上，连杆138另一端的关节轴承135和小腿轴销139连接，组成的转轴组件驱动所述小腿件141绕轴承140转动，在实施例中，通过第三动力模块131驱动曲柄133转动，带动转轴组件使小腿相对大腿转动，，形成小腿的折叠动作。

本发明描述的大腿件143和小腿件141结构上，考虑外观的对称性及设计的紧凑性，采用对称的结构设计。

详细说明一下，在关节轴承135和大腿内侧件137之间设置有止转平垫136，用于防止关节轴承135自身大范围的自转与销轴及壳体之间碰撞；在小腿件141上与轴承140沿径向相反方向的一端上设置有橡胶足底142，本发明描述的橡胶足底142是球形，但不仅限于上述形状，也可以矩形、椭圆形等，此处不做限定，通过橡胶足底142增加机器人腿部足底和地面的摩擦力和减震的效果，使其更加稳定。

更为具体的，在T型轴115水平方向的两端上有第一交叉滚子轴承114和第二交叉滚子轴承124；固定时，第一交叉滚子轴承114和第二交叉滚子轴承124的内圈分别与T型轴115过盈配合安装在一起；连接时，第一交叉滚子轴承114和第二交叉滚子轴承124的外圈采用过渡配合分别安装在锥齿轮上；T型轴115的第三端和第三交叉滚子轴承150的内圈过盈配合固定一起。通过锥齿轮的转动，实现腿部的前摆以及侧摆动作。

因此，机器人腿部具有三个自由度，即腿部的侧摆、前摆和小腿的折叠等。

需要特殊说明的是，上述三个自由度动作，具体如图2所示的基于差动结构的机器人腿部的局部剖视图，具体通过以下方式实现：(1)第一动力模块111带动第一锥齿轮113、第二动力模块121带动第二锥齿轮123绕X轴同速度同方向转动，此时第三锥齿轮151相对第一锥齿轮113、第二锥齿轮123固定，可实现大小腿组件绕X轴的旋转运动(即四足单腿的侧摆动作)。(2)第一动力模块111带动第一锥齿轮113、第二动力模块121带动第二锥齿轮123同速度反方向转动可实现大小腿组件绕Y轴的转动(即大小腿组件的前摆运动)。(3)第三动力模块131通过曲柄133连杆机构带动小腿相对大腿的转动。以上运动实现四足机器人单腿的3自由度动作，

本发明涉及的机器人腿部是基于差动结构设计的，因此，第一锥齿轮113和第二锥齿轮123具有相同的参数，参数包括模数、齿形，才可以进行差动齿轮的传动，第三锥齿轮151可根据具体动力分配情况调整减速比的大小，只要齿轮的模数等参数与第一锥齿轮113、第二锥齿轮123的模数保持一样即可，本发明专利只展示了1:1传动比情况下的结构方案，当然也可以根据具体要求按照一定传动比进行优化。

图5示出了根据本发明的四足机器人的立体图；图6示出了根据本发明的四足机器人的侧视图；图7示出了根据本发明的四足机器人的俯视图；图8示出了根据本发明的四足机器人的爆炸图。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

如图5至图8共同所示，本发明涉及的四足机器人，主要包括主箱体200和腿部组件，其中，腿部组件包括动力模块、固定结构和传动结构设置一致的左腿组件300和右腿组件100，这样的设计有助于降低四足机器人的复杂度，详细的，左腿组件300和右腿组件100均具有上述基于差动结构的机器人腿部。

具体的，本发明涉及的四足机器人的四足结构中，左腿组件300的前、后腿模块结构一样，右腿组件100的前、后腿模块结构一样。左腿组件300与右腿组件100相对中心完全对称，这样的设计可以使很多零部件通用，简化结构布局。

如图7所示，左腿组件300和右腿组件100对称设置在主箱体200的两侧；两条左腿组件300和两条右腿组件100沿主箱体200的前后方向设置在主箱体200上。

本发明设计的四足机器人，每个腿具有3个自由度，共12个自由度组成，即大腿的侧摆、前摆和小腿的折叠等三个自由度。

具体的，主箱体200为具有向内凹陷的固定腿部组织固定位的中空箱体，主箱体200中包含电源、主控制系统、导航系统等组件，还设置有其他用于丰富机器人的功能的组件，但是，这不是本专利重点发明内容，不在此赘述。

具体的，腿部组件通过固定座设置在主箱体200上，其中，固定座包括第一固定座112和第二固定座122；第一动力模块设置在第一固定座112上，第二动力模块设置在第二固定座122上，第一固定座112和第二固定座122同时固定在主箱体200上，可以防止T型轴115在X轴上左右窜动，其中，固定座可以通过螺栓固定在主箱体200上，也可以通过卡扣等形式，本发明对此不做限制。

图9示出了根据本发明的四足机器人的动力模块走线示意图。

在主箱体200上设置有中空孔，第一动力模块111、第二动力模块121和第三动力模块131的电源线与信号线均通过中空孔设置在主箱体200的内部。

具体地，作为示例，如图8所示，第二动力模块120的线缆平行主箱体200设置在T型轴115的水平方向上，第三动力模块130的线缆设置在T型轴115的“T”型交点处，和第二动力模块120的线缆交汇，继续延伸固定到第一动力模块110处，最终三条线缆汇合，通过中空孔走向主箱体200，固定设置在主箱体200内。通过这样的设计，可以避免线缆外漏容易损坏的风险。

本发明相对现有技术，采用差动齿轮机构，重点解决了四足机器人对外转子加精密行星减速器驱动方案的依赖，可以使动力模块的使用变得多样化，可以采用一般的多级齿轮传动方案，也可以采用带中空的谐波减速器、RV减速器等。

通过上述描述，本发明涉及的基于差动结构的机器人腿部和四足机器人，至少存在以下优点：

1、本发明是通过使用差动齿轮机构，降低四足机器人对外转子加精密行星减速器驱动方案的依赖，可以使动力模块的使用变得更广泛和多样化，让更多的关节与舵机技术都能应用到四足机器人上。

2、通过对称性和紧凑型的结构设计，从布局上简化了四足机器人腿部的设计与装配，增加了零部件的通用性，和零部件的维修性，有效降低生产和维护成本。

3、主箱体采用中空结构的设计，解决现有技术中四足机器人线缆只能悬空在外、容易损坏的问题，增强了四足机器人使用的可靠性。

如上参照图1至图9描述根据本发明的基于差动结构的机器人腿部和四足机器人。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于差动结构的机器人腿部和四足机器人，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，包括第一动力组件、第二动力组件、第三动力组件和T型轴，所述第一动力组件和第二动力组件对称设置在所述T型轴的两端；其中，

所述第一动力组件包括第一动力模块和设置在所述第一动力模块上的第一锥齿轮；

所述第二动力组件包括第二动力模块和设置在所述第二动力模块上的第二锥齿轮；

所述第三动力组件包括第三动力模块、大腿件、小腿件、第三锥齿轮、第三交叉滚子轴承和转轴组件；其中，

所述第三动力模块和所述第三锥齿轮分别设置在所述大腿件两侧，所述第三锥齿轮和第三交叉滚子轴承连接，所述大腿件和所述小腿件转动连接，所述转轴组件设置在所述大腿件内，所述大腿件通过所述转轴组件带动所述小腿转动连接；

在所述T型轴的水平方向的两端设置有第一交叉滚子轴承和第二交叉滚子轴承；

所述第一锥齿轮和所述第一交叉滚子轴承连接，所述第二锥齿轮和所述第二交叉滚子轴承连接，所述T型轴的第三端和所述第三交叉滚子轴承连接。

2.如权利要求1所述的基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，

所述大腿件包括大腿外侧件和大腿内侧件，所述第三动力模块和所述大腿外侧件固定连接，所述第三锥齿轮和大腿内侧件固定连接；

在所述小腿件上设置有小腿轴销和轴承；

所述大腿件和所述小腿件通过所述轴承转动连接。

3.如权利要求2所述的基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，

所述转轴组件包括曲柄、大腿轴销、关节轴承和连杆；其中，

所述关节轴承设置在所述连杆的两端，所述大腿轴销设置在所述连杆靠近所述第三动力模块的一端的关节轴承中并和所述曲柄连接，设置在所述连杆另一端的关节轴承和小腿轴销连接，所述转轴组件用于驱动所述小腿件绕轴承转动，以形成小腿的折叠动作。

4.如权利要求3所述的基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，

在所述关节轴承和所述大腿内侧件之间设置有用于防止所述关节轴承自身大范围的自转及壳体之间碰撞的止转平垫。

5.如权利要求1所述的基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，

所述第一锥齿轮设置在所述第一动力模块的输出法兰上；

所述第二锥齿轮设置在所述第二动力模块的输出法兰上。

6.如权利要求1所述的基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，

所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮具有相同的参数，所述参数包括模数、齿形；

所述第三锥齿轮的模数和所述第一锥齿轮和所述第二锥齿轮的模数一致。

7.如权利要求1所述的基于差动结构的机器人腿部，其特征在于，

所述第一交叉滚子轴承和所述第二交叉滚子轴承的内圈分别和所述T型轴过盈配合固定，所述T型轴的第三端和所述第三交叉滚子轴承连接的内圈过盈配合固定；

所述第一锥齿轮和所述第一交叉滚子轴承的外圈过渡配合固定，所述第二锥齿轮和所述第二交叉滚子轴承的外圈过渡配合固定。

8.一种四足机器人，包括主箱体和腿部组件，其特征在于，

所述腿部组件包括动力模块、固定结构和传动结构设置一致的左腿组件和右腿组件；其中，

所述左腿组件和右腿组件均包括如权利要求1-7任一所述的基于差动结构的机器人腿部；

所述左腿组件和所述右腿组件对称设置在所述主箱体的前后两侧。

9.如权利要求8所述的四足机器人，其特征在于，

所述腿部组件通过固定座设置在所述主箱体上；

所述固定座包括第一固定座和第二固定座；

所述第一动力模块设置在所述第一固定座上，所述第二动力模块设置在所述第二固定座上。

10.如权利要求8或9所述的四足机器人，其特征在于，

在所述主箱体上设置有中空孔，所述第一动力模块、第二动力模块和第三动力模块的电源线与信号线均通过所述中空孔设置在所述主箱体的内部。

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