CN114987645A - 一种轴传动的三自由度仿生腿 - Google Patents

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高军
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雷永顺
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赵畅
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Abstract

本发明涉及一种轴传动的三自由度仿生腿，包括前摆关节电机总成、侧展关节电机总成、膝关节电机总成、大腿总成以及小腿总成。本发明利用轴传动机构将膝关节电机总成上移至大腿上部，通过传动轴与锥齿轮控制膝关节转角，提高了控制精度与传动效率，减小了腿部转动惯量。侧展关节电机总成从机身内部外移至大腿上部，节约了足式机器人机身内部空间，提高了机械腿的机动性能。解决现有足式机器人机械腿转动惯量大、控制精度低、机身空间小的问题。

Description

一种轴传动的三自由度仿生腿
技术领域
本发明属于四足机器人仿生腿领域，具体涉及一种轴传动的三自由度仿生腿。
背景技术
近年来，随着机器人技术的发展，多款四足仿生机器人产品被推向市场。目前的四足机器人仿生腿主要有侧展、前摆和膝关节三个关节自由度，通过三个关节电机控制。初期的机器人主要是直接把驱动电机安装在相应的关节上，通过控制电机转角直接控制腿部关节的运动。这种布置方式的驱动电机靠近移动端，整个腿部的转动惯量大，负载较低，整机稳定性差。目前的仿生四足机器人主要是将三个关节电机集成在机身内，通过连杆机构传动驱动膝关节，这种方式机身空间小且控制精度较低。目前针对仿生腿动力传递形式的研究较少。
发明内容
本发明提供一种轴传动的三自由度仿生腿，要解决的技术问题是：解决现有足式机器人机械腿转动惯量大、控制精度低、机身空间小的问题。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：包括前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3、大腿总成4以及小腿总成，前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3集中在大腿上端，大腿下端连接小腿总成，整条仿生腿通过前摆关节电机总成1与四足仿生机器人躯干连接固定；三自由度包括前摆自由度、侧展自由度和膝关节自由度；前摆关节电机总成1控制大腿与躯干前进方向的角度，侧展关节电机总成2控制大腿与躯干侧向方向的角度；膝关节电机总成3通过大腿总成中的传动轴控制大腿与小腿间的角度。
有益效果：本发明利用轴传动机构将膝关节电机总成上移至大腿上部，通过传动轴与锥齿轮控制膝关节转角，提高了控制精度与传动效率，减小了腿部转动惯量。侧展关节电机总成从机身内部外移至大腿上部，节约了足式机器人机身内部空间，提高了机械腿的机动性能。
附图说明
图1仿生腿整机示意图；
图2前摆关节电机总成示意图；
图3侧展关节电机总成示意图；
图4膝关节电机总成示意图；
图5大腿总成示意图；
其中：1、前摆关节电机总成，1.1、前摆关节电机，1.2、关节主轴，2、侧展关节电机总成，2.1、侧展关节电机，2.2、侧展关节电机端盖，2.3、侧展关节架，2.4、大腿前固定架，2.5、大腿后固定架，3、膝关节电机总成，3.1、膝关节电机，3.2、膝关节电机座，3.3、左支撑柱，3.4、右支撑柱，3.5、托架，3.6、左支撑耳，3.7右支撑耳，4、大腿总成，4.1、大腿壳，4.2、传动轴，4.3、锥齿轮，4.4、盖板，4.5、膝关节轴，4.6.1、4.6.2、4.6.3三个垫片。5.1、小腿杆，5.2、足端。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出的一种轴传动的三自由度仿生腿，包括前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3、大腿总成4以及小腿杆5.1和足端5.2；前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3集中在大腿上端，大腿下端连接小腿总成，整条仿生腿通过前摆关节电机总成1与四足仿生机器人躯干连接固定。前摆关节电机总成1控制大腿与躯干前进方向的角度，侧展关节电机总成2控制大腿与躯干侧向方向的角度。膝关节电机总成3通过大腿总成中的传动轴控制大腿与小腿间的角度。
三自由度包括前摆自由度、侧展自由度和膝自由度。前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3集中在大腿壳4.1上端，大腿壳4.1下端连接小腿杆5.1，整条仿生腿通过前摆关节电机总成1与四足仿生机器人躯干连接固定。前摆关节电机总成控制大腿与躯干前进方向的角度，侧展关节电机总成控制大腿与躯干侧向方向的角度。膝关节电机总成通过大腿总成中的传动轴控制大腿与小腿间的角度。
如图2所示，所述的前摆关节电机总成1包括前摆关节电机1.1，关节主轴1.2；前摆关节电机1.1的一端固定安装在四足机器人躯干上，另外一端固定连接关节主轴1.2，仿生腿的其余部件均连接在关节主轴上，通过关节主轴绕前摆关节电机中心轴线旋转功能，实现腿部的前摆自由度。
如图3所示，所述的侧展关节电机总成2包括侧展关节电机2.1，侧展关节电机端盖2.2，侧展关节架2.3，大腿前固定架2.4和大腿后固定架2.5。侧展关节电机2.1一端固定安装在关节主轴上，另一端通过侧展关节电机端盖2.2固定连接侧展关节架2.3，实现侧展关节架绕侧展关节电机中心轴线旋转功能，即腿部的侧展自由度。大腿总成通过大腿前固定架2.4和大腿后固定架2.5固定连接在侧展关节架2.3上。
如图4所示，所述的膝关节电机总成3包括膝关节电机3.1，膝关节电机座3.2，左支撑柱3.3，右支撑柱3.4，托架3.5，左支撑耳3.6，右支撑耳3.7。膝关节电机3.1固定连接在膝关节电机座3.2上，膝关节电机座3.2通过左右支撑柱3.3、3.4与左右支撑耳3.6、3.7相连，左右支撑耳3.6、3.7固定连接在大腿总成4的大腿壳4.1上，左右支撑耳3.6、3.7通过托架3.5相连。膝关节电机3.1转动端连接大腿总成4的传动轴4.2上，可以绕膝关节电机座旋转。
如图5所示，所述的大腿总成4包括大腿壳4.1，传动轴4.2，锥齿轮4.3，盖板4.4，膝关节轴4.5以及三个垫片4.6.1、4.6.2、4.6.3。大腿壳4.1通过左右支撑耳3.6、3.7与膝关节电机总成3固定连接，传动轴4.2与膝关节电机3.1转动端固定连接，传动轴4.2可在大腿壳4.1中转动。大腿壳4.1通过前后大腿固定架2.4、2.5和侧展关节架2.3固定连接，大腿壳4.1可随侧展关节架2.3一起实现前摆转动和侧展转动。膝关节轴4.5安装在大腿壳4.1下端，通过盖板4.4和大腿壳4.1固定两端。传动轴4.2下端通过锥齿轮4.3和膝关节轴4.5连接，可以把膝关节电机4.1的转动传递到膝关节轴4.5上。小腿总成固定连接在膝关节轴上。
如图1所示，所述的小腿总成包括小腿杆5.1和足端5.2，小腿杆5.1通过花键固定连接在膝关节轴4.5上，膝关节轴4.5转动时可以带动小腿总成绕膝关节轴旋转。足端固定连接在小腿杆下端。
现有技术中最为常用的就是在关节处直接设置关节电机，或者利用平行四边形或反平行四边形机构传递关节电机驱动机械腿的动力，本发明通过将电机上移并利用轴传动进行动力传递，轴传动比起多连杆传动具有控制精度高、节约空间、无死点、可靠性高的优点，相比在关节处设置电机的方法具有质量轻、转动惯量小的优点。因此本发明大大减小对关节电机的性能要求和使用负担，提高机械腿整体可靠性能，有效的解决了机械腿转动惯量大、连杆机构复杂的问题，为进一步提高控制精度奠定了基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：包括前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3、大腿总成4以及小腿总成，前摆关节电机总成1、侧展关节电机总成2、膝关节电机总成3集中在大腿上端，大腿下端连接小腿总成，整条仿生腿通过前摆关节电机总成1与四足仿生机器人躯干连接固定；三自由度包括前摆自由度、侧展自由度和膝关节自由度；前摆关节电机总成1控制大腿与躯干前进方向的角度，侧展关节电机总成2控制大腿与躯干侧向方向的角度；膝关节电机总成3通过大腿总成中的传动轴控制大腿与小腿间的角度。
2.如权利要求1所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：所述的前摆关节电机总成1包括前摆关节电机1.1和关节主轴1.2，前摆关节电机的一端固定安装在四足机器人躯干上，另外一端固定连接关节主轴1.2，关节主轴绕前摆关节电机中心轴线旋转。
3.如权利要求2所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：所述的侧展关节电机总成2包括侧展关节电机2.1、侧展关节电机端盖2.2、侧展关节架2.3、大腿前固定架2.4和大腿后固定架2.5；侧展关节电机2.1一端固定安装在关节主轴1.2上，另一端通过侧展关节电机端盖2.2与侧展关节架2.3固定连接，侧展关节架绕侧展关节电机中心轴线旋转。
4.如权利要求3所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：大腿总成通过大腿前固定架和大腿后固定架固定连接在侧展关节架上。
5.如权利要求1所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：所述的膝关节电机总成3包括膝关节电机3.1、膝关节电机座3.2、左支撑柱3.3、右支撑柱3.4、托架3.5、左支撑耳3.6、右支撑耳3.7；膝关节电机3.1通过膝关节电机座与大腿总成的大腿壳上端连接，膝关节电机3.1的转动端连接大腿总成的传动轴4.2。
6.如权利要求5所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：膝关节电机3.1固定连接在膝关节电机座3.2上，膝关节电机座3.2通过左右支撑柱与左右支撑耳相连，左右支撑耳固定连接在大腿总成的大腿壳4.1上，左右支撑耳通过托架3.5相连。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：所述的大腿总成4包括大腿壳4.1、传动轴4.2、锥齿轮4.3和膝关节轴4.5；传动轴4.2位于大腿壳内，能够在大腿壳4.1中转动，膝关节轴4.5安装在大腿壳4.1下端，传动轴下端通过锥齿轮和膝关节轴连接，用于把膝关节电机的转动传递到膝关节轴上，小腿总成固定连接在膝关节轴上。
8.如权利要求1所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：所述的小腿总成包括小腿杆5.1和足端5.2，足端5.2固定连接在小腿杆下端。
9.如权利要求8所述的一种轴传动的三自由度仿生腿，其特征在于：小腿杆5.1通过花键固定连接在大腿总成的膝关节轴4.5上，膝关节轴转动时可以带动小腿总成绕膝关节轴旋转。
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