CN115230840A - 一种四关节足式机器人仿生腿 - Google Patents

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王志瑞
邱天奇
党睿娜
江磊
苏波
许威
邢伯阳
刘宇飞
梁振杰
幕林栋
赵建新
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
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Abstract

本发明公开了一种四关节足式机器人仿生腿，该仿生腿包括侧展电机、大腿杆、小腿杆、足端杆、膝关节电机、踝关节电机以及前摆电机；侧展电机的输出轴与前摆电机的外壳固定连接；前摆电机的输出轴与膝关节电机的外壳固定连接；膝关节电机和踝关节电机的外壳固定连接；大腿杆的顶端固定连接于膝关节电机的外壳，底端与三角板和小腿杆的顶端同轴铰接形成复合转动副；第二连杆铰接于膝关节曲柄与小腿杆之间；第一连杆铰接于踝关节曲柄和之间；小腿杆的底端与足端杆的顶端铰接形成转动副；第三连杆铰接于三角板与足端杆之间。上述仿生腿采用电机上置、连杆传动的结构，能够大幅减小仿生腿的转动惯量，利于机器人控制。

Description

一种四关节足式机器人仿生腿
技术领域
本发明涉及足式机器人技术领域，具体涉及一种四关节足式机器人仿生腿。
背景技术
机器人技术在近代以来在人类生产生活中扮演着越来越重要的地位，各种形式的机器人帮助人们减轻了工作强度，降低了工作风险，拓展了认知界限。其中，地面移动机器人作为其中一个分支，肩负了替人类驼负重物，替人类深入危险场地探查等任务。在面对这类任务时，往往都面临着未知的地形。足式机器人以其更为接近自然生物的移动方式，强大的地形适应能力，近年来逐渐成为研究热点。而作为足式机器人最为重要的动作执行部件，腿部结构直接影响着足式机器人的整体性能。但是，现有足式机器人具有因腿部转动惯量大而存在不利于控制的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种四关节足式机器人仿生腿，该仿生腿采用电机上置、连杆传动的结构，能够大幅减小仿生腿的转动惯量，利于机器人控制。
本发明采用以下具体技术方案：
一种四关节足式机器人仿生腿，该仿生腿包括侧展电机、第一连杆、大腿杆、第二连杆、三角板、小腿杆、第三连杆、足端杆、膝关节电机、膝关节曲柄、踝关节电机、前摆电机以及踝关节曲柄；
所述侧展电机的外壳固定连接于机器人的机身框架，所述侧展电机的输出轴与所述前摆电机的外壳固定连接，用于驱动所述前摆电机摆动；
所述前摆电机的输出轴与所述膝关节电机的外壳固定连接；
所述膝关节电机的外壳和所述踝关节电机的外壳固定连接；
所述大腿杆的顶端固定连接于所述膝关节电机的外壳，底端与所述三角板和所述小腿杆的顶端同轴铰接形成复合转动副；
所述膝关节电机的输出轴固定连接有所述膝关节曲柄；
所述第二连杆铰接于所述膝关节曲柄与所述小腿杆之间；
所述踝关节电机的输出轴固定连接有所述踝关节曲柄；
所述第一连杆的顶端与所述踝关节曲柄铰接形成转动副，底端与所述三角板铰接形成转动副；
所述小腿杆的底端与所述足端杆的顶端铰接形成转动副；
所述第三连杆的顶端与所述三角板铰接形成转动副，底端与所述足端杆的顶端铰接形成转动副；
所述第一连杆、所述大腿杆以及所述第三连杆分别连接于所述三角板的三个顶点。
更进一步地，还包括连轴杆；
所述连轴杆的一端与所述第一连杆的底端固定连接，另一端与所述三角板铰接形成转动副。
更进一步地，还包括前摆电机框；
所述侧展电机的输出轴与所述前摆电机框固定连接；
所述前摆电机框内固定安装有所述前摆电机。
更进一步地，还包括用于将所述膝关节电机的外壳和所述踝关节电机的外壳固定连接在一起的电机连接杆。
更进一步地，所述侧展电机的输出轴与所述前摆电机的输出轴共面且垂直设置。
更进一步地，所述膝关节电机的输出轴、所述踝关节电机的输出轴以及所述前摆电机的输出轴之间平行设置。
更进一步地，所述膝关节电机的输出轴、所述踝关节电机的输出轴以及所述前摆电机的输出轴之间同轴设置。
有益效果：
本发明的四关节足式机器人仿生腿包括侧展电机、大腿杆、小腿杆、足端杆、膝关节电机、踝关节电机以及前摆电机，大腿杆、小腿杆以及足端杆依次连接形成腿部支承结构，并形成侧展关节、前摆关节、膝关节以及踝关节四处活动部位，且均为主动关节，与现有足式机器人相比，通过关节数量的增加扩大了腿部结构足端的工作空间，提高了足式机器人的适应性，同时采用电机上置和连杆传动的结构形式及传动方案，使仿生腿的转动惯量大幅减小，利于机器人控制，解决了现有足式机器人具有因腿部转动惯量大而存在不利于控制的问题。
附图说明
图1为本发明的四关节足式机器人仿生腿的正侧图；
图2为图1中四关节足式机器人仿生腿的一个角度的结构示意图；
图3为图1中四关节足式机器人仿生腿的另一个角度的结构示意图。
其中，1-侧展电机，2-第一连杆，3-大腿杆，4-第二连杆，5-三角板，6-小腿杆，7-第三连杆，8-足端杆，9-电机连接杆，10-膝关节电机，11-膝关节曲柄，12-踝关节电机，13-连轴杆，14-前摆电机框，15-前摆电机，16-踝关节曲柄
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参考图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种四关节足式机器人仿生腿，该仿生腿包括侧展电机1、第一连杆2、大腿杆3、第二连杆4、三角板5、小腿杆6、第三连杆7、足端杆8、膝关节电机10、膝关节曲柄11、踝关节电机12、前摆电机15以及踝关节曲柄16；如图1结构所示，侧展电机1、膝关节电机10、踝关节电机12以及前摆电机15均设置于仿生腿的顶部，而大腿杆3、小腿杆6、第一连杆2、第二连杆4、三角板5、第三连杆7以及足端杆8均位于各电机的下侧；其中：
侧展电机1的外壳固定连接于机器人的机身框架，侧展电机1的输出轴与前摆电机15的外壳固定连接，用于驱动前摆电机15摆动；在工作时，仿生腿通过侧展电机1的外壳固定安装于机器人的机身框架，通过仿生腿实现机器人的支承和行走；侧展电机1用于驱动前摆电机15摆动，使仿生腿朝向机器人的一侧展开，实现机器人的横向位移；
前摆电机15的输出轴与膝关节电机10的外壳固定连接；前摆电机15用于驱动膝关节电机10摆动，使仿生腿朝向机器人的前侧或后侧移动，实现机器人的前进或后退；
膝关节电机10的外壳和踝关节电机12的外壳固定连接，使得膝关节电机10和踝关节电机12在整体上能够在前摆电机15或侧展电机1的驱动下作为整体进行动作；
大腿杆3的顶端固定连接于膝关节电机10的外壳，底端与三角板5和小腿杆6的顶端同轴铰接形成复合转动副，使得大腿杆3和小腿杆6能够相对转动；
膝关节电机10的输出轴固定连接有膝关节曲柄11，膝关节曲柄11能够与膝关节电机10的输出轴同步转动，膝关节电机10用于驱动膝关节曲柄11转动；
第二连杆4铰接于膝关节曲柄11与小腿杆6之间，第二连杆4用于在膝关节电机10的驱动下控制小腿杆6动作；
如图3结构所示，踝关节电机12的输出轴固定连接有踝关节曲柄16，踝关节曲柄16与踝关节电机12的输出轴固定连接，使得踝关节曲柄16与踝关节电机12的输出轴同步转动，踝关节电机12用于驱动踝关节曲柄16转动；第一连杆2的顶端与踝关节曲柄16铰接形成转动副，底端与三角板5铰接形成转动副；
小腿杆6的底端与足端杆8的顶端铰接形成转动副，使得小腿杆6与足端杆8之间能够相对转动；第三连杆7的顶端与三角板5铰接形成转动副，底端与足端杆8的顶端铰接形成转动副；踝关节电机12的输出能够通过第三连杆7、三角板5以及第一连杆2传递到足端杆8，实现踝关节电机12对足端杆8的控制；
第一连杆2、大腿杆3以及第三连杆7分别连接于三角板5的三个顶点，如图1结构所示，三角板5具有成三角形分布的三个顶点，其中，三个顶点分别为沿顺时针方向排列的第一顶点(图中未示出)、第二顶点(图中未示出)和第三定点(图中未示出)，第一连杆2连接于三角板5的第一顶点，大腿杆3和小腿杆6连接于三角板5的第二顶点，第三连杆7连接于三角板5的第三顶点。
上述四关节足式机器人仿生腿包括用于控制仿生腿侧向展开的侧展电机1、用于控制仿生腿前后摆动的前摆电机15、用于控制大腿杆3和小腿杆6之间相对动作的膝关节电机10、用于控制小腿杆6和足端杆8之间相对动作的踝关节电机12以及依次连接形成腿部支承结构的大腿杆3、小腿杆6和足端杆8，采用上述结构的仿生腿具有侧展关节、前摆关节、膝关节以及踝关节四处活动部位，且均为主动关节，与现有足式机器人相比，活动关节数量多，扩大了腿部结构足端的工作空间，提高了足式机器人的适应性，同时侧展电机1、前摆电机15、膝关节电机10以及踝关节电机12均置于仿生腿的顶部，大腿杆3、小腿杆6和足端杆8之间采用连杆进行传动控制，因此，采用电机上置和连杆传动的结构形式及传动方案，使仿生腿的转动惯量大幅减小，利于机器人控制，解决了现有足式机器人具有因腿部转动惯量大而存在不利于控制的问题。
如图2和图3结构所示，上述四关节足式机器人仿生腿还包括用于连接第一连杆2和三角板5的连轴杆13；连轴杆13的一端与第一连杆2的底端固定连接，另一端与三角板5铰接形成转动副；连轴杆13可以沿水平方向设置。
更进一步地，上述四关节足式机器人仿生腿还包括用于固定安装前摆电机15的前摆电机框14；前摆电机框14内固定安装有前摆电机15；侧展电机1的输出轴与前摆电机框14固定连接，使得侧摆电机能够通过前摆电机框14带动前摆电机15进行摆动，从而控制仿生腿实现侧展动作。如图3结构所示，前摆电机框14可以为与前摆电机15外周侧尺寸配合的正六边形框，也可以为圆筒形或其它形状的框体。
上述四关节足式机器人仿生腿还包括用于将膝关节电机10的外壳和踝关节电机12的外壳固定连接在一起的电机连接杆9。如图2和图3结构所示，在踝关节电机12和膝关节电机10顶部横跨有电机连接杆9，电机连接杆9与踝关节电机12的外壳和膝关节电机10的外壳均固定连接，从而将踝关节电机12和膝关节电机10固连为一体，使得侧展电机1和前摆电机15能够控制仿生腿的其它部件进行整体动作，从而实现仿生腿的侧展和前摆动作。
如图1和图3结构所示，侧展电机1的输出轴与前摆电机15的输出轴共面且垂直设置，即，侧展电机1的输出轴轴线与前摆电机15的输出轴轴线同处于同一个平面内且侧展电机1的输出轴轴线与前摆电机15的输出轴轴线之间成90°夹角。如图2和图3结构所示，膝关节电机10的输出轴、踝关节电机12的输出轴以及前摆电机15的输出轴之间平行设置，膝关节电机10的输出轴、踝关节电机12的输出轴以及前摆电机15的输出轴之间可以同轴设置。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，包括侧展电机、第一连杆、大腿杆、第二连杆、三角板、小腿杆、第三连杆、足端杆、膝关节电机、膝关节曲柄、踝关节电机、前摆电机以及踝关节曲柄；
所述侧展电机的外壳固定连接于机器人的机身框架，所述侧展电机的输出轴与所述前摆电机的外壳固定连接，用于驱动所述前摆电机摆动；
所述前摆电机的输出轴与所述膝关节电机的外壳固定连接；
所述膝关节电机的外壳和所述踝关节电机的外壳固定连接；
所述大腿杆的顶端固定连接于所述膝关节电机的外壳，底端与所述三角板和所述小腿杆的顶端同轴铰接形成复合转动副；
所述膝关节电机的输出轴固定连接有所述膝关节曲柄；
所述第二连杆铰接于所述膝关节曲柄与所述小腿杆之间；
所述踝关节电机的输出轴固定连接有所述踝关节曲柄；
所述第一连杆的顶端与所述踝关节曲柄铰接形成转动副，底端与所述三角板铰接形成转动副；
所述小腿杆的底端与所述足端杆的顶端铰接形成转动副；
所述第三连杆的顶端与所述三角板铰接形成转动副，底端与所述足端杆的顶端铰接形成转动副；
所述第一连杆、所述大腿杆以及所述第三连杆分别连接于所述三角板的三个顶点。
2.如权利要求1所述的四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，还包括连轴杆；
所述连轴杆的一端与所述第一连杆的底端固定连接，另一端与所述三角板铰接形成转动副。
3.如权利要求2所述的四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，还包括前摆电机框；
所述侧展电机的输出轴与所述前摆电机框固定连接；
所述前摆电机框内固定安装有所述前摆电机。
4.如权利要求3所述的四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，还包括用于将所述膝关节电机的外壳和所述踝关节电机的外壳固定连接在一起的电机连接杆。
5.如权利要求1-4任一项所述的四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，所述侧展电机的输出轴与所述前摆电机的输出轴共面且垂直设置。
6.如权利要求5所述的四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，所述膝关节电机的输出轴、所述踝关节电机的输出轴以及所述前摆电机的输出轴之间平行设置。
7.如权利要求6所述的四关节足式机器人仿生腿，其特征在于，所述膝关节电机的输出轴、所述踝关节电机的输出轴以及所述前摆电机的输出轴之间同轴设置。
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