CN113525551B - 基于链传动的机器人腿部及四足机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于链传动的机器人腿部和四足机器人，包括：第一驱动单元、第二驱动单元、第一驱动链轮、第一从动链轮、第二驱动链轮、第二从动链轮、第一传动链条、第二传动链条、第一张紧装置。第一驱动单元、第二驱动单元相配合实现动力的相互补偿，有效降低驱动单元的输出扭矩，可以利用更小的电机就足以驱使四足机器人运动，对四足机器人轻量化设计与强负载具有重要的意义。

Description

基于链传动的机器人腿部及四足机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于链传动的机器人腿部及四足机器人。

背景技术

四足机器人近几年逐渐成为国内外学者研究的热点，目前的四足机器人腿部机构驱动主要是通过关节直驱方式，该方法控制系统较为简单可靠，但是膝关节电机成为髋关节电机的负载，整体结构冗余累赘。因而，在四足机器人腿部机构设计中，要设计所需驱动电机输出扭矩最小化的腿部机构是难点所在。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题.

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：基于链传动的机器人腿部，包括：第一驱动单元、第二驱动单元、第一驱动链轮、第一从动链轮、第二驱动链轮、第二从动链轮、第一传动链条、第二传动链条、第一张紧装置、膝关节转轴；

所述第一驱动单元和所述第二驱动单元均安装于四足机器人的躯干上，所述第一驱动单元的输出轴和第二驱动单元的输出轴同轴，所述第一驱动链轮固定在所述第一驱动单元的输出轴，所述第二驱动链轮固定在所述第二驱动单元的输出轴，大腿的两侧分别转动设置在所述第一驱动单元的输出轴、所述第二驱动单元的输出轴上；

所述膝关节转轴设置在所述腿部的膝关节处，所述第一从动链轮与所述第二从动链轮并列设置，且均转动连接在所述膝关节转轴上；

所述第一从动链轮、第二从动链轮均与小腿固定连接，所述膝关节转轴分别与所述大腿、所述小腿转动连接；

所述第一驱动链轮设置在所述第一传动链条的内侧，第一从动链轮设置在所述第一传动链条的外侧，所述第一张紧装置用于使所述第一传动链条与所述第一从动链轮贴合；

所述第一驱动链轮通过所述第一传动链条驱动所述第一从动链轮转动，且所述第一从动链轮的转动方向与所述第一驱动链轮的转动方向相反，所述第二驱动链轮通过所述第二传动链条驱动所述第二从动链轮转动，且所述第二从动链轮与所述第二驱动链轮的转动方向相同；

所述第一驱动单元与所述第二驱动单元的输出方向同向且扭矩相同时，所述大腿绕所述第一驱动单元的输出轴和第二驱动单元的输出轴的共同轴线摆动，所述第一驱动单元与所述第二驱动单元的输出方向反向时，所述小腿绕所述膝关节转轴摆动，所述第一驱动单元与所述第二驱动单元的输出方向同向且扭矩不相同时，所述大腿和所述小腿同时摆动。

进一步的，所述机器人腿部还包括第二张紧装置，所述第二张紧装置用于使所述第二传动链条与所述第二驱动链轮、所述第二从动链轮贴合。

进一步的，所述第二张紧装置包括基板、第一张紧轮和第二张紧轮，所述基板固定在所述大腿上，所述基板上设有第一长孔和第二长孔，所述第一张紧轮在所述基板上沿所述第一长孔的长度方向移动，所述第二张紧轮在所述基板上沿所述第二长孔的长度方向移动，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮均配设有张紧弹簧；所述第一张紧轮和所述第二张紧轮在所述张紧弹簧的作用下，向所述第二传动链条施加张紧力。

进一步的，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮分别设置在所述第二传动链条的两侧，所述张紧弹簧处于拉伸状态，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮朝向对方的方向挤压所述第二传动链条。

进一步的，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮均为链轮。

进一步的，所述第一张紧装置为V形张紧装置，所述V形张紧装置固定在所述大腿上，所述第一从动链轮设置在所述V形张紧装置的开口中，所述开口的两端分别设有第三张紧轮，所述第三张紧轮与所述第一传动链条滚动配合。

进一步的，所述第三张紧轮为链轮。

进一步的，所述第一驱动单元包括第一电机和第一减速机，所述第二驱动单元包括第二电机和第二减速机，所述第一电机与所述第二电机的型号相同、所述第一减速机与所述第二减速机的型号相同。

进一步的，所述第一驱动链轮、所述第二驱动链轮、所述第一从动链轮、所述第二从动链轮，直径相同、齿数相等。

本申请实施例还提供一种四足机器人，包括：前肢和后肢，所述前肢和所述后肢沿所述机器人的前后方向连接于所述机器人的躯干上，所述前肢和所述后肢分别具有两个上述任一实施例所述的基于链传动的机器人腿部，所述前肢的两个所述腿部、所述后肢的两个所述腿部均分别沿所述机器人的左右方向对称布置在所述机器人的躯干两侧。

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)第一驱动单元、第二驱动单元相配合实现动力的相互补偿，有效降低驱动单元的输出扭矩，可以利用更小的电机就足以驱使四足机器人运动，对四足机器人轻量化设计与强负载具有重要的意义。

2)设置第二张紧装置，能够较好的保证第二传动链条与第二从动链轮、第二驱动链轮之间的精确传动。

3)第二张紧装置设置第一张紧轮和第二张紧轮，利于第二传动链条的受力平衡。

4)通过张紧弹簧保证张紧力的持续，有利于第二传动链条与第二从动链轮、第二驱动链轮之间的精确传动。

5)第一张紧轮和第二张紧轮均为链轮，能够较好地避免第一张紧轮和第二张紧轮的外周面存在部分过度磨损。

6)V形张紧装置、结构简单、符合需求。

7)第三张紧轮为链轮，能够较好地避免第三张紧轮外周面存在部分过度磨损。

8)便于对第一驱动单元、第二驱动单元的扭矩输出量的计算和控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的基于链传动的机器人腿部的三维视图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的基于链传动的机器人腿部的结构示意图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的基于链传动的机器人腿部的剖视示意图。

附图标记说明：1、髋关节电机；2、第一驱动单元；3、第二驱动单元；4、第一驱动链轮；5、第二驱动链轮；6、第一传动链条；7、第二传动链条；8、大腿；9、第二张紧装置；91、第一张紧轮；92、第二张紧轮；93、基板；10、第一张紧装置；101、第三张紧轮；11、小腿；12、足；13、髋关节连接板；14、膝关节转轴；15、第一从动链轮；16、第二从动链轮。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种四足机器人的具体实施例，如图1-图3所示，四足机器人包括：躯干、前肢和后肢，机器人的运动方向定义为机器人的前后反向，机器人的躯干沿前后方向延伸，前肢和后肢沿机器人的前后方向连接于机器人的躯干上，前肢和后肢分别具有两个基于链传动的机器人腿部，前肢的两个腿部、后肢的两个腿部均分别沿机器人的左右方向对称布置在机器人的躯干两侧。躯干与腿部的连接处为机器人的髋关节，髋关节包括髋关节电机1和髋关节连接板13。

基于链传动的机器人腿部包括：第一驱动单元2、第二驱动单元3、第一驱动链轮4、第一从动链轮15、第二驱动链轮5、第二从动链轮16、第一传动链条6、第二传动链条7、第一张紧装置10、第二张紧装置9、大腿8、小腿11、膝关节转轴14和足12。

第一驱动单元2包括第一电机和第一减速机，第二驱动单元3包括第二电机和第二减速机，第一驱动单元2和第二驱动单元3均安装于四足机器人的躯干上，具体的，第一驱动单元2和第二驱动单元3固定在髋关节连接板13上。籍此，有效的降低腿部的机构冗余，降低腿部运动时的运动惯量，使四足机器人的运动更加平稳，提高四足机器人的控制精度。同时，还可以降低第一驱动单元2、第二驱动单元3的输出扭矩，使第一驱动单元2、第二驱动单元3可以采用更小的尺寸，或者，采用相同尺寸的第一驱动单元2、第二驱动单元3更有利于四足机器人的腿部运动。

第一电机与第二电机的型号相同、第一减速机与第二减速机的型号相同，便于对机器人腿部的动作进行控制。

大腿8由两块平行相对设置的大腿板、以及固定连接两块大腿板的连接件组成，第一驱动单元2和第二驱动单元3采用对顶安装的方式，即第一驱动单元2和第二驱动单元3分别位于大腿8的两个大腿板的外侧。第一驱动单元2的输出轴和第二驱动单元3的输出轴同轴，第一驱动链轮4固定在第一驱动单元2的输出轴(即第一减速机的输出轴)，第二驱动链轮5固定在第二驱动单元3的输出轴(即第二减速机的输出轴)，大腿8的两侧分别转动设置在第一驱动单元2的输出轴、第二驱动单元3的输出轴上，具体的，其中一块大腿板转动连接在第一驱动单元2的输出轴上，另一块大腿板转动连接在第二驱动单元3的输出轴上。

膝关节转轴14设置在腿部的膝关节处，第一从动链轮15与第二从动链轮16并列设置，且均转动连接在膝关节转轴14上。第一从动链轮15、第二从动链轮16均与小腿11固定连接，膝关节转轴14分别与大腿8、小腿11转动连接。

第一驱动链轮4通过第一传动链条6驱动第一从动链轮15转动，且第一驱动链轮4和第一从动链轮15的转动方向相反。第二驱动链轮5通过第二传动链条7驱动第二从动链轮16转动，且第二驱动链轮5和第二从动链轮16的转动方向相同。第一驱动链轮4设置在第一传动链条6的内侧，第一从动链轮15设置在第一传动链条6的外侧，第一张紧装置10用于使第一传动链条6与第一从动链轮15贴合，具体的，第一张紧装置10为V形张紧装置，V形张紧装置固定在大腿8上，第一从动链轮15设置在V形张紧装置的开口中，开口的两端分别设有第三张紧轮101，第三张紧轮101与第一传动链条6滚动配合，以向第一传动链条6施加张紧力。可选的，第三张紧轮101可以为链轮、也可以为外周面光滑的轮，链轮的优势是能够避免第三张紧轮101的外周面有一部分过度磨损。第一驱动链轮4、第一从动链轮15、第二驱动链轮5、第二从动链轮16的直径相同、齿数相同相等，便于对机器人腿部的动作进行控制。

第二张紧装置9用于使第二传动链条7与第二驱动链轮5、第二从动链轮16贴合，第二张紧装置9包括基板93、第一张紧轮91和第二张紧轮92，基板93固定在大腿8上，基板93上设有第一长孔和第二长孔，第一张紧轮91在基板93上沿第一长孔的长度方向移动，第二张紧轮92在基板93上沿第二长孔的长度方向移动，第一张紧轮91和第二张紧轮92分别设置在第二传动链条7的两侧，第一张紧轮91和第二张紧轮92均配设有张紧弹簧；张紧弹簧处于拉伸状态，在张紧弹簧的作用下，第一张紧轮91和第二张紧轮92朝向对方的方向挤压第二传动链条7，向第二传动链条7施加张紧力。可选的，第一张紧轮91和第二张紧轮92可以为链轮、也可以为外周面光滑的轮，链轮的优势是能够避免第一张紧轮91和第二张紧轮92的外周面有一部分过度磨损。

第一驱动单元2与第二驱动单元3的输出方向同向且扭矩相同时，小腿11不动，大腿8绕第一驱动单元2的输出轴和第二驱动单元3的输出轴的共同轴线摆动。第一驱动单元2与第二驱动单元3的输出方向反向时，大腿8不动，小腿11绕膝关节转轴14摆动，第一驱动单元2与第二驱动单元3的输出方向同向且扭矩不相同时，大腿8和小腿11同时摆动(当第一输出单元的扭矩小于第二输出单元的扭矩时，大腿8和小腿11同向摆动，大腿8与小腿11具有相对折合或相对伸展的趋势。当第一输出单元的扭矩大于第二输出单元的扭矩时，大腿8和小腿11反向摆动)。

本申请的基于链传动的机器人腿部的具体实施例，与上述本申请的四足机器人的具体实施例中基于链传动的机器人腿部的结构相同，不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于链传动的机器人腿部，其特征在于，包括：第一驱动单元、第二驱动单元、第一驱动链轮、第一从动链轮、第二驱动链轮、第二从动链轮、第一传动链条、第二传动链条、第一张紧装置、膝关节转轴；

所述第一驱动单元和所述第二驱动单元均安装于四足机器人的躯干上，所述第一驱动单元的输出轴和第二驱动单元的输出轴同轴，所述第一驱动链轮固定在所述第一驱动单元的输出轴，所述第二驱动链轮固定在所述第二驱动单元的输出轴，大腿的两侧分别转动设置在所述第一驱动单元的输出轴、所述第二驱动单元的输出轴上；

所述膝关节转轴设置在所述腿部的膝关节处，所述第一从动链轮与所述第二从动链轮并列设置，且均转动连接在所述膝关节转轴上；

所述第一从动链轮、第二从动链轮均与小腿固定连接，所述膝关节转轴分别与所述大腿、所述小腿转动连接；

所述第一驱动链轮设置在所述第一传动链条的内侧，第一从动链轮设置在所述第一传动链条的外侧，所述第一张紧装置用于使所述第一传动链条与所述第一从动链轮贴合；

所述第一驱动链轮通过所述第一传动链条驱动所述第一从动链轮转动，且所述第一从动链轮的转动方向与所述第一驱动链轮的转动方向相反，所述第二驱动链轮通过所述第二传动链条驱动所述第二从动链轮转动，且所述第二从动链轮与所述第二驱动链轮的转动方向相同；

所述第一驱动单元与所述第二驱动单元的输出方向同向且扭矩相同时，所述大腿绕所述第一驱动单元的输出轴和第二驱动单元的输出轴的共同轴线摆动，所述第一驱动单元与所述第二驱动单元的输出方向反向时，所述小腿绕所述膝关节转轴摆动，所述第一驱动单元与所述第二驱动单元的输出方向同向且扭矩不相同时，所述大腿和所述小腿同时摆动；

所述机器人腿部还包括第二张紧装置，所述第二张紧装置用于使所述第二传动链条与所述第二驱动链轮、所述第二从动链轮贴合；所述第二张紧装置包括基板、第一张紧轮和第二张紧轮，所述基板固定在所述大腿上，所述基板上设有第一长孔和第二长孔，所述第一张紧轮在所述基板上沿所述第一长孔的长度方向移动，所述第二张紧轮在所述基板上沿所述第二长孔的长度方向移动，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮均配设有张紧弹簧；所述第一张紧轮和所述第二张紧轮在所述张紧弹簧的作用下，向所述第二传动链条施加张紧力；所述第一张紧轮和所述第二张紧轮分别设置在所述第二传动链条的两侧，所述张紧弹簧处于拉伸状态，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮朝向对方的方向挤压所述第二传动链条；

所述第一驱动单元包括第一电机和第一减速机，所述第二驱动单元包括第二电机和第二减速机，所述第一电机与所述第二电机的型号相同、所述第一减速机与所述第二减速机的型号相同。

2.根据权利要求1所述的基于链传动的机器人腿部，其特征在于，所述第一张紧轮和所述第二张紧轮均为链轮。

3.根据权利要求1所述的基于链传动的机器人腿部，其特征在于，所述第一张紧装置为V形张紧装置，所述V形张紧装置固定在所述大腿上，所述第一从动链轮设置在所述V形张紧装置的开口中，所述开口的两端分别设有第三张紧轮，所述第三张紧轮与所述第一传动链条滚动配合。

4.根据权利要求3所述的基于链传动的机器人腿部，其特征在于，所述第三张紧轮为链轮。

5.根据权利要求1所述的基于链传动的机器人腿部，其特征在于，所述第一驱动链轮、所述第二驱动链轮、所述第一从动链轮、所述第二从动链轮，直径相同、齿数相等。

6.一种四足机器人，其特征在于，包括：躯干、前肢和后肢，所述前肢和所述后肢沿所述机器人的前后方向连接于所述躯干上，所述前肢和所述后肢分别具有两个权利要求1-5任一所述的基于链传动的机器人腿部，所述前肢的两个所述腿部、所述后肢的两个所述腿部均分别沿所述机器人的左右方向对称布置在所述机器人的躯干两侧。

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