CN115158508B - 一种变刚度仿足机器和机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度仿足机器和机器人，属于机器人技术领域。该变刚度仿足机器包括大腿、小腿、相铰接的第一连杆和第二连杆和变刚度单元，曲柄部、第一连杆、第二连杆和大腿首尾依次铰接形成四连杆机构，第一电机的转轴与第一连杆传动连接，进而驱动第一连杆摆动，可以模拟人腿进行伸展或弯曲，在大腿的位置处设置变刚度单元，通过直线驱动机构带动弹性元件的移动来改变弹性元件的弹性系数，进而实现变刚度仿足机器在膝关节处刚度的可调节变化，扩大机器人腿部弹跳时的刚度变化范围；当腿部弯曲时，弹性元件进行储能，在腿部展开时，弹性元件释放弹性势能，提升机器人的跳跃高度，降低机器人的运动能耗，适应多种运动任务。

Description

一种变刚度仿足机器和机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种变刚度仿足机器和机器人。

背景技术

可变刚度驱动器被证明在腿式机器人领域有着积极的作用，在机器人的跳跃运动中引入弹性元件，可以节约能量，提升机器人的跳跃高度，适应多种运动任务和对机器人的保护作用。

但是受目前应用在腿式机器人的可变刚度驱动器的刚度变化范围有限、结构设计和控制算法复杂、以及改变刚度所消耗的能量不可忽略等约束，限制约束了机器人运动的灵活性。

为此，亟需提供一种变刚度仿足机器和机器人以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变刚度仿足机器和机器人，扩大机器人腿部弹跳时的刚度变化范围，提升机器人的跳跃高度，降低机器人的运动能耗，适应多种运动任务。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种变刚度仿足机器，包括：

大腿，一端设置有髋关节，所述髋关节处固设置有第一电机；

小腿，包括膝关节和分别设置于所述膝关节相对两端的曲柄部和小腿部，所述大腿远离所述髋关节的一端与所述膝关节转动连接，所述曲柄部上间隔设置有第一铰接端和第二铰接端；

相铰接的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的一端与所述第一电机传动连接；所述第二连杆的一端与所述曲柄部的所述第一铰接端铰接；

变刚度单元，包括安装座、直线驱动机构和弹性元件，所述安装座设置于所述大腿内，所述直线驱动机构设置于所述安装座，所述弹性元件的一端与所述直线驱动机构连接，所述弹性元件的另一端与所述曲柄部的所述第二铰接端铰接；

所述直线驱动机构被配置为能够驱动所述弹性元件的一端相对所述安装座移动。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述直线驱动机构包括丝杠和螺接于所述丝杠的位置控制滑块，所述丝杠的两端转动设置于所述安装座，所述位置控制滑块与所述弹性元件的一端连接。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述位置控制滑块的顶部设置有上夹棍和下夹棍，所述弹性元件的一端夹设于所述上夹棍和所述下夹棍之间。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述安装座的底板上设置有导轨，所述导轨与所述丝杠平行，所述位置控制滑块的底部滑设于所述导轨上。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述变刚度单元还包括第二电机，所述第二电机设置于所述安装座的底部且与所述丝杠传动连接，用于驱动所述丝杠正转或反转。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述变刚度单元还包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮固设于所述第二电机的输出轴，所述第二齿轮固设于所述丝杠的一端，且所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述弹性元件为叶片弹簧。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述弹性元件为螺旋弹簧。

作为变刚度仿足机器的可选方案，所述大腿包括第一安装板和第二安装板，所述第一电机的固定端安装于所述第一安装板的所述髋关节处，所述变刚度仿足机器还包括第三电机，所述第二安装板的所述髋关节处与所述第三电机的转动端固接。

一种机器人，包括至少两个如上任一项所述的变刚度仿足机器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所提供的变刚度仿足机器，大腿与小腿的膝关节处转动连接，在膝关节上延伸设置有曲柄部，曲柄部、第一连杆、第二连杆和大腿首尾依次铰接形成四连杆机构，第一电机的转轴与第一连杆传动连接，进而驱动第一连杆摆动，可以模拟人腿进行伸展或弯曲，在大腿的位置处设置变刚度单元，通过直线驱动机构带动弹性元件的移动来改变弹性元件的弹性系数，进而实现变刚度仿足机器在膝关节处刚度的可调节变化，扩大机器人腿部弹跳时的刚度变化范围；当变刚度仿足机器弯曲时，弹性元件进行储能；在变刚度仿足机器伸展开时，弹性元件释放弹性势能，提升机器人的跳跃高度，降低机器人的运动能耗，适应多种运动任务。

本发明所提供的机器人，左右两个变刚度仿足机器均可调节在膝关节处刚度，扩大机器人腿部弹跳时的刚度变化范围，提升机器人的跳跃高度，降低机器人的运动能耗，适应多种运动任务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中变刚度仿足机器的装配示意图；

图2为本发明实施例中变刚度仿足机器的爆炸示意图；

图3为本发明实施例中变刚度仿足机器的一种视角的结构示意图；

图4为本发明实施例中变刚度单元和曲柄部的结构示意图；

图5为本发明实施例中变刚度单元和曲柄部的侧视图。

附图标记：

1、大腿；2、小腿；3、第一连杆；4、第二连杆；5、变刚度单元；6、第一电机；7、第三电机；

11、髋关节；12、第一安装板；13、第二安装板；

21、膝关节；22、曲柄部；221、第一铰接端；222、第二铰接端；23、小腿部；

51、安装座；511、导轨；52、直线驱动机构；521、丝杠；522、位置控制滑块；523、上夹棍；524、下夹棍；53、弹性元件；54、第二电机；55、第一齿轮；56、第二齿轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了扩大机器人腿部弹跳时的刚度变化范围，提升机器人的跳跃高度，降低机器人的运动能耗，适应多种运动任务，本实施例提供一种变刚度仿足机器和机器人，以下结合图1至图5对本实施例的具体内容进行详细描述。

如图1和图2所示，变刚度仿足机器包括大腿1、小腿2、相铰接的第一连杆3和第二连杆4以及变刚度单元5。其中，大腿1的一端设置有髋关节11，髋关节11处固设有第一电机6。小腿2包括膝关节21和分别设置于膝关节21相对两端的曲柄部22和小腿部23，大腿1远离髋关节11的一端与膝关节21转动连接，曲柄部22上间隔设置有第一铰接端221和第二铰接端222。第一连杆3的一端与第一电机6传动连接；第二连杆4的一端与曲柄部22的第一铰接端221铰接。变刚度单元5包括安装座51、直线驱动机构52和弹性元件53，安装座51设置于大腿1内，直线驱动机构52设置于安装座51，弹性元件53的一端与直线驱动机构52连接，弹性元件53的另一端与曲柄部22的第二铰接端222铰接。直线驱动机构52被配置为能够驱动弹性元件53的一端相对安装座51移动。

简而言之，本发明所提供的变刚度仿足机器，大腿1与小腿2的膝关节21处转动连接，在膝关节21上延伸设置有曲柄部22，曲柄部22、第一连杆3、第二连杆4和大腿1首尾依次铰接形成四连杆机构，第一电机6的转轴与第一连杆3传动连接，进而驱动第一连杆3摆动，可以模拟人腿进行伸展或弯曲，在大腿1的位置处设置变刚度单元5，通过直线驱动机构52带动弹性元件53的移动来改变弹性元件53的弹性系数，进而实现变刚度仿足机器在膝关节21处刚度的可调节变化，扩大机器人腿部弹跳时的刚度变化范围；当变刚度仿足机器弯曲时，弹性元件53进行储能；在变刚度仿足机器伸展开时，弹性元件53释放弹性势能，提升机器人的跳跃高度，降低机器人的运动能耗，适应多种运动任务。可以根据不同的任务，调整变刚度仿足机器自身的刚度。

进一步地，如图2和图4所示，在本实施例中，直线驱动机构52包括丝杠521和螺接于丝杠521的位置控制滑块522，丝杠521的两端转动设置于安装座51，位置控制滑块522与弹性元件53的一端连接。通过采用丝杠521和位置控制滑块522这种结构，将丝杠521的旋转运动转换为位置控制滑块522前后直线运动，进而改变弹性元件53自身的刚度。

进一步地，如图5所示，位置控制滑块522的顶部设置有上夹棍523和下夹棍524，弹性元件53的一端夹设于上夹棍523和下夹棍524之间。可以通过减小上夹棍523和下夹棍524之间的间隙将弹性元件53的一端夹紧。

进一步地，如图4所示，安装座51的底板上设置有导轨511，导轨511与丝杠521平行，位置控制滑块522的底部滑设于导轨511上。通过在位置控制滑块522的下方设置导轨511，用于导引滑块的移动，保证位置控制滑块522保持直线的移动路径。

进一步地，变刚度单元5还包括第二电机54，第二电机54设置于安装座51的底部且与丝杠521传动连接，用于驱动丝杠521正转或反转。在本实施例中通过第二电机54来驱动丝杠521正反转，来实现对弹性元件53的调节。在本实施例中，第二电机54也可以叫变刚度电机，变刚度电机位于机器人大腿1的下侧，减少腿部长度，结构更紧凑。

进一步地，如图4和图5所示，变刚度单元5还包括第一齿轮55和第二齿轮56，第一齿轮55固设于第二电机54的输出轴，第二齿轮56固设于丝杠521的一端，且第一齿轮55与第二齿轮56啮合。通过设置第一齿轮55和第二齿轮56，达到调速的功能。

进一步地，在本实施例中，弹性元件53为叶片弹簧。直线驱动机构52改变叶片弹簧参与刚度变化的活跃部分。在本实施中，第一齿轮55的齿数大于第二齿轮56的齿数，改变叶片弹簧形变量的力不是直接通过电机传递，而是通过齿轮元件传递，增大丝杠521的转动速度，加快对弹性元件53的调节速度，从而实现低能量成本的刚度调节。

在一些应用场景中，弹性元件53也可以为螺旋弹簧。

进一步地，如图3所示，大腿1包括第一安装板12和第二安装板13，将第一电机6的固定端安装于第一安装板12的髋关节11处，变刚度仿足机器还包括第三电机7，将第二安装板13的髋关节11处与第三电机7的转动端固接。在本实施例中，第一电机6也可以叫膝关节电机，膝关节电机通过四连杆机构将电机转矩从髋关节11传递到膝关节21，控制膝关节21的角度，用于驱动小腿2的摆动；第三电机7也可以叫髋关节电机，用于驱动大腿1的摆动，来控制机器人的高度。通过将髋关节电机和膝关节电机位于髋关节11的两侧，可以降低整体的质量和惯性。

本实施例还提供了一种机器人，该机器人包括至少两个上面提到的变刚度仿足机器。该机器人具有以下特点：1)刚度变化范围大；2)刚度调节速度快；

3)改变刚度所消耗的能量低；4)机器人的膝关节21运动范围大。结合以上特点，当机器人执行多种动作任务，通过改变变刚度单元的刚度，节省机器人在整个运动过程中所消耗的能量，提高了机器人运动的多样性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种变刚度仿足机器，其特征在于，包括：

大腿(1)，一端设置有髋关节(11)，所述髋关节(11)处固设置有第一电机(6)；

小腿(2)，包括膝关节(21)和分别设置于所述膝关节(21)相对两端的曲柄部(22)和小腿部(23)，所述大腿(1)远离所述髋关节(11)的一端与所述膝关节(21)转动连接，所述曲柄部(22)上间隔设置有第一铰接端(221)和第二铰接端(222)；

相铰接的第一连杆(3)和第二连杆(4)，所述第一连杆(3)的一端与所述第一电机(6)传动连接；所述第二连杆(4)的一端与所述曲柄部(22)的所述第一铰接端(221)铰接；

变刚度单元(5)，包括安装座(51)、直线驱动机构(52)和弹性元件(53)，所述安装座(51)设置于所述大腿(1)内，所述直线驱动机构(52)设置于所述安装座(51)，所述弹性元件(53)的一端与所述直线驱动机构(52)连接，所述弹性元件(53)的另一端与所述曲柄部(22)的所述第二铰接端(222)铰接；

所述直线驱动机构(52)被配置为能够驱动所述弹性元件(53)的一端相对所述安装座(51)移动。

2.根据权利要求1所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述直线驱动机构(52)包括丝杠(521)和螺接于所述丝杠(521)的位置控制滑块(522)，所述丝杠(521)的两端转动设置于所述安装座(51)，所述位置控制滑块(522)与所述弹性元件(53)的一端连接。

3.根据权利要求2所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述位置控制滑块(522)的顶部设置有上夹棍(523)和下夹棍(524)，所述弹性元件(53)的一端夹设于所述上夹棍(523)和所述下夹棍(524)之间。

4.根据权利要求3所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述安装座(51)的底板上设置有导轨(511)，所述导轨(511)与所述丝杠(521)平行，所述位置控制滑块(522)的底部滑设于所述导轨(511)上。

5.根据权利要求4所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述变刚度单元(5)还包括第二电机(54)，所述第二电机(54)设置于所述安装座(51)的底部且与所述丝杠(521)传动连接，用于驱动所述丝杠(521)正转或反转。

6.根据权利要求5所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述变刚度单元(5)还包括第一齿轮(55)和第二齿轮(56)，所述第一齿轮(55)固设于所述第二电机(54)的输出轴，所述第二齿轮(56)固设于所述丝杠(521)的一端，且所述第一齿轮(55)与所述第二齿轮(56)啮合。

7.根据权利要求1-6任一项所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述弹性元件(53)为叶片弹簧。

8.根据权利要求1-6任一项所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述弹性元件(53)为螺旋弹簧。

9.根据权利要求1-6任一项所述的变刚度仿足机器，其特征在于，所述大腿(1)包括第一安装板(12)和第二安装板(13)，所述第一电机(6)的固定端安装于所述第一安装板(12)的所述髋关节(11)处，所述变刚度仿足机器还包括第三电机(7)，所述第二安装板(13)的所述髋关节(11)处与所述第三电机(7)的转动端固接。

10.一种机器人，其特征在于，包括至少两个如权利要求1-9任一项所述的变刚度仿足机器。