CN115489639A - 一种机器人腿部、四足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人腿部、四足仿生机器人，机器人腿部包括腿部结构、腿部驱动结构；腿部结构包括小腿模块和大腿模块，腿部驱动结构用于驱动大腿模块转动，大腿模块用于带动小腿模块转动。本发明髋关节采用线性模组驱动，小腿模块采用电机+同步带结构驱动，保证了瞬时传动比的准确度，有利于实现对腿部的精确控制；进一步地，腿部结构采用大腿模块、连杆Ⅰ、小腿连杆、小腿驱动连杆组成的多杆机构传动，能减轻腿部和整机重量；再进一步地，依据本发明的腿部可以采用前膝后肘式配置四足仿生机器人，能够减少能量消耗并且具备较好地形适应能力，且这种对称式设计极大地提高了机器人的平衡性和稳定性，从结构设计上解决机器人运动时的稳定性问题。

Description

一种机器人腿部、四足仿生机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人腿部、四足仿生机器人，属于仿生机器人领域。

背景技术

地球表面以山丘和洼地居多，在这种不平缓、比较恶劣的环境中，履带式机器人和足式机器人有着非常大的优势。进一步地，相对履带式机器人而言，足式机器人的适应性、稳定性更强。足式机器人的落脚点是离散的区域，可在足端工作空间内进行目的性的轨迹规划并达到避障的效果；足式机器人能进行全方位的移动，在各种复杂环境中能通过控制各个关节的运动达到保持整机稳定的效果。总而言之，足式机器人的位置和姿态具有多样性，能更好地应变各种非结构化环境，因此对足式机器人的研究已经成为了机器人领域的研究热点。

就目前来看，传统很多四足机器人都采用汽油发电机驱动，此种驱动方式需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，现存机器人的腿部结构多采用串联机构，这对腿部机构的驱动电机和运动稳定性提出了较大的挑战，所以研发具有新型腿部结构、以新能源作为驱动力的四足机器人是迫在眉睫的事情。

发明内容

本发明提供了一种机器人腿部，通过线性模组+多杆机构构建了腿部，为四足机器人的腿部构建提供了新的思路，再进一步地基于本发明的腿部可以采用前膝后肘式关节配置四足仿生机器人。

本发明的技术方案是：一种机器人腿部，包括腿部结构Ⅰ、腿部驱动结构Ⅱ；所述腿部结构Ⅰ包括小腿模块1和大腿模块2，腿部驱动结构Ⅱ用于驱动大腿模块2转动，大腿模块2用于带动小腿模块1转动。

所述小腿模块1包括带轴法兰3、轴承Ⅰ4、连杆Ⅰ6、轴承Ⅱ7、小腿转轴组件8、小腿连杆9、销轴11、轴承Ⅲ12、小腿驱动连杆13；其中，带轴法兰3一端固定在大腿模块2中左侧板20上；连杆Ⅰ6一端通过轴承Ⅰ4与带轴法兰3另一端的轴连接，连杆Ⅰ6另一端固定在小腿转轴组件8中小腿转轴49上；小腿连杆9一端通过轴承Ⅱ7与小腿转轴49连接，小腿连杆9中部与销轴11固定；小腿驱动连杆13一端通过轴承Ⅲ12与销轴11连接，小腿驱动连杆13另一端与大腿模块2中膝关节轴52连接；其中，膝关节轴52、带轴法兰3、销轴11、小腿转轴49的轴线呈平行布置。

所述大腿模块2包括膝关节轴组件15、轴承Ⅳ19、左侧板20、轴承Ⅴ21、大带轮24、右侧板25、同步带26、侧板连接轴28、髋关节轴30、小带轮31、带轴承的轴承座44；其中，小带轮31固定安装在髋关节轴30上；髋关节轴30通过轴承Ⅳ19安装到左侧板20和右侧板25上且两端从对应侧板伸出，髋关节轴30伸出端与带轴承的轴承座44配合；侧板连接轴28一端连接左侧板20且从左侧板20伸出，侧板连接轴28另一端连接右侧板25且从右侧板25伸出，侧板连接轴28伸出端与腿部驱动结构Ⅱ中的滑块连杆37连接；大带轮24固定安装到膝关节轴组件15中膝关节轴52上；膝关节轴52一端通过轴承Ⅴ21连接到右侧板25上，膝关节轴52另一端通过轴承Ⅴ21连接到左侧板20后伸出，膝关节轴52伸出端安装小腿模块1；同步带26与小带轮31、大带轮24啮合；其中，侧板连接轴28、髋关节轴30、膝关节轴52三者的轴线呈平行布置。

所述腿部驱动结构Ⅱ包括线性模组34、驱动滑块35、轴承Ⅵ36、滑块连杆37、轴承Ⅶ38和驱动轴组件54；所述驱动滑块35一端与线性模组34连接，驱动滑块35另一端通过轴承Ⅵ36与驱动轴组件54中驱动轴55连接；滑块连杆37一端固定在驱动轴55上，滑块连杆37另一端通过轴承Ⅶ38与大腿模块2中侧板连接轴28连接；其中，驱动轴55的轴线与侧板连接轴28的轴线呈平行布置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种四足仿生机器人，包括上述中任一项所述的机器人腿部，还包括机架Ⅲ；四条腿部采用前膝后肘式方式安装在机架Ⅲ上。

本发明的有益效果是：本发明髋关节采用线性模组驱动，小腿模块采用电机+同步带结构驱动，保证了瞬时传动比的准确度，有利于实现对腿部机构的精确控制；同时，线性模组在保证驱动精度的同时，还确保了后续维修的便利性；进一步地，腿部结构采用大腿模块、连杆Ⅰ、小腿连杆、小腿驱动连杆组成的多杆机构传动，能减轻腿部和整机重量；再进一步地，依据本发明的腿部可以采用前膝后肘式配置四足仿生机器人，能够减少能量消耗并且具备较好地形适应能力，且这种对称式设计极大地提高了机器人的平衡性和稳定性，从结构设计上解决机器人运动时的稳定性问题。

附图说明

图1是本发明一种四足仿生机器人的等轴测视图；

图2是本发明的腿部结构示意图；

图3是本发明的小腿模块示意图；

图4是本发明的大腿模块示意图；

图5是本发明的大腿模块剖视图；

图6是本发明的带轮传动示意图；

图7是本发明的膝关节轴组件结构图；

图8是本发明的髋关节轴组件结构图；

图9是本发明的腿部驱动结构轴测图；

图10是本发明的带轴承的轴承座轴测图；

图11是本发明的小腿连杆轴测图；

图12是本发明的右侧板轴测图；

图13是本发明的左侧板轴测图；

图14是本发明的带轴法兰轴测图；

图15是本发明的滑块连杆轴测图；

图16是本发明的小腿转轴组件轴测图；

图17是本发明的驱动轴轴测图；

图18是本发明的机架轴测图；

图19是本发明的元器件安装后板轴测图；

图20是本发明的机架底板轴测图；

图21是本发明的上机架板轴测图；

图22是本发明一种四足仿生机器人的俯视图；

图中各标号为：Ⅰ-腿部结构、Ⅱ-腿部驱动结构、Ⅲ-机架、1-小腿模块、2-大腿模块、3-带轴法兰、4-轴承Ⅰ、5-端盖Ⅰ、6-连杆Ⅰ、7-轴承Ⅱ、8-小腿转轴组件、9-小腿连杆、10-端盖Ⅱ、11-销轴、12-轴承Ⅲ、13-小腿驱动连杆、14-膝关节端盖、15-膝关节轴组件、16-轴用弹性挡圈、17-髋关节端盖、18-调整垫片Ⅰ、19-轴承Ⅳ、20-左侧板、21-轴承Ⅴ、22-膝关节键、23-膝关节套筒、24-大带轮、25-右侧板、26-同步带、27-侧板连接法兰、28-侧板连接轴、29-髋关节套筒、30-髋关节轴、31-小带轮、32-键Ⅰ、33-键Ⅱ、34-线性模组、35-驱动滑块、36-轴承Ⅵ、37-滑块连杆、38-轴承Ⅶ、39-连接螺栓、40-上机架板、41-元器件安装前板、42-机架底板、43-元器件安装后板、44-带轴承的轴承座、45-驱动器、46-控制器、47-IMU、48-锂电池、49-小腿转轴、50-键Ⅲ、51-套筒、52-膝关节轴、53-调整垫片Ⅱ、54-驱动轴组件、55-驱动轴、56-键Ⅳ、57-驱动套筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1-22所示，一种机器人腿部，包括腿部结构Ⅰ、腿部驱动结构Ⅱ以及机架Ⅲ；所述腿部结构Ⅰ、腿部驱动结构Ⅱ安装在及机架Ⅲ上，所述腿部结构Ⅰ包括小腿模块1和大腿模块2，腿部驱动结构Ⅱ用于驱动大腿模块2转动，大腿模块2用于带动小腿模块1转动。

可选地，所述腿部驱动结构Ⅱ包括带电机的线性模组34、驱动滑块35、轴承Ⅵ36、滑块连杆37、轴承Ⅶ38和驱动轴组件54，所述驱动轴组件54包括驱动轴55、键Ⅳ56和驱动套筒57；所述带电机的线性模组34通过螺钉连接到机架Ⅲ中上机架板40上；驱动滑块35一端通过螺钉与带电机的线性模组34连接，驱动滑块35另一端通过防尘轴承Ⅵ36与驱动轴55连接；滑块连杆37一端通过键Ⅳ56与驱动轴55连接，并通过驱动套筒57定位卡紧，滑块连杆37另一端通过防尘轴承Ⅶ38与大腿模块2中侧板连接轴28连接；其中，驱动轴55的轴线与侧板连接轴28的轴线呈平行布置。

可选地，所述大腿模块2包括膝关节端盖14、髋关节端盖17、调整垫片Ⅰ18、轴承Ⅳ19、左侧板20、轴承Ⅴ21、膝关节套筒23、大带轮24、右侧板25、同步带26、侧板连接法兰27、侧板连接轴28、髋关节套筒29、髋关节轴30、小带轮31、键Ⅱ33、带轴承的轴承座44、调整垫片Ⅱ53，所述膝关节轴组件15包括键Ⅰ32、膝关节键22和膝关节轴52；其中，小带轮31安装在髋关节轴30上，并通过键Ⅱ33和髋关节套筒29紧固定位；髋关节轴30通过轴承Ⅳ19安装到左侧板20和右侧板25上且两端从对应侧板伸出，髋关节轴30伸出端通过带轴承的轴承座44安装在机架Ⅲ的机架底板42上，所述带轴承的轴承座44通过螺栓固定在机架底板42上，通过髋关节端盖17和调整垫片Ⅰ18将一端的轴承Ⅳ19卡紧，另一端的轴承Ⅳ19通过过盈配合安装在右侧板25的阶梯槽中实现限位和紧固；侧板连接轴28一端连接左侧板20且从左侧板20伸出，侧板连接轴28另一端连接右侧板25且从右侧板25伸出，侧板连接轴28伸出端与腿部驱动结构Ⅱ中的滑块连杆37连接，侧板连接轴28与左侧板20、右侧板25的内侧连接处加装侧板连接法兰27增大接触面；大带轮24固定安装到膝关节轴52上，通过键Ⅰ32和膝关节套筒23紧固定位；膝关节轴52一端通过轴承Ⅴ21连接到右侧板25上，膝关节轴52另一端通过轴承Ⅴ21连接到左侧板20后伸出，膝关节轴52伸出端安装小腿模块1，连接左侧板20处加装膝关节端盖14和调整垫片Ⅱ53对轴承Ⅴ21紧固限位，膝关节端盖14通过螺钉固定在左侧板20上；同步带26与小带轮31、大带轮24啮合。上述髋关节轴30两端各有一个带轴承的轴承座44，不仅可以起到固定支撑的作用，还可以避免机器人运动过程震动较大导致电机轴上下窜动，容易损坏电机及影响控制精度的不足。对于髋关节轴30、膝关节轴52一端的轴承通过端盖进行限位，另一端通过阶梯槽限位的设计，在紧固定位的同时还可防止松动。

可选地，所述小腿模块1包括带轴法兰3、轴承Ⅰ4、端盖Ⅰ5、连杆Ⅰ6、轴承Ⅱ7、小腿转轴组件8、小腿连杆9、端盖Ⅱ10、销轴11、轴承Ⅲ12、小腿驱动连杆13、轴用弹性挡圈16，所述小腿转轴组件8包括小腿转轴49、键Ⅲ50、套筒51；其中，带轴法兰3一端通过螺栓固定在大腿模块2中左侧板20上；连杆Ⅰ6一端通过轴承Ⅰ4与带轴法兰3另一端的轴连接，并加装端盖Ⅰ5对轴承Ⅰ4防尘和紧固，连杆Ⅰ6另一端通过键Ⅲ50、套筒51与小腿转轴49连接；所述小腿连杆9一端通过防尘轴承Ⅱ7与小腿转轴49连接，小腿连杆9中部通过圆柱销与销轴11紧固；小腿驱动连杆13一端通过轴承Ⅲ12与销轴11连接，并加装端盖Ⅱ10对轴承Ⅲ12紧固限位和防尘，小腿驱动连杆13另一端通过膝关节键22与大腿模块2中膝关节轴52连接，且以轴用弹性挡圈16锁紧。

根据本发明实施例的另一方面，如图1所示，还提供了一种四足仿生机器人，包括上述中任一项所述的机器人腿部，还包括机架Ⅲ；四条腿部采用前膝后肘式方式安装在机架Ⅲ上。

如图18-图22所示，所述机架Ⅲ包括连接螺栓39、上机架板40、元器件安装前板41、机架底板42、元器件安装后板43；所述上机架板40和机架底板42通过8根连接螺栓39连接将两者隔开，隔开的空间用于安装腿部驱动结构Ⅱ的线性模组、用于安装带轴承的轴承座44，通过带轴承的轴承座44起到支撑腿部机构Ⅰ重量的效果；所述元器件安装前板41通过螺栓固定在机架底板42上，所述元器件安装后板43通过螺栓固定在机架底板42上；所述驱动器45、控制器46、IMU47通过螺钉固定在机架底板42上；所述锂电池48通过螺栓固定在机架底板42上。

本发明的工作原理是：

腿部机构前后运动和上下运动的所有范围的集合，就是腿部机构的工作空间，在工作空间内对腿部机构进行轨迹规划后，先由控制器46向驱动器45发出指令信号，驱动器45收到来自控制器46的指令信号后，将信号进行处理再转移至电机，由电机驱动腿部各关节运动。IMU47指惯性测量单元，用于测量机器人三轴姿态角(或角速率)以及加速度。当机器人以一定轨迹运动时，IMU47将机器人的三轴姿态角(或角速率)以及加速度反馈至控制器46，由控制器46对机器人的运动状态进行分析判断，确保机器人运行过程中的平衡和稳定。

电机驱动腿部结构运动的方式如下：

带电机的线性模组34驱动带动驱动滑块35向前或向后运动，驱动滑块35进一步通过腿部驱动结构Ⅱ推动整个腿部结构Ⅰ实现向前或向后运动动作；髋关节轴30一端与电机相连，小带轮电机的旋转驱动小带轮31转动，小带轮31进一步通过同步带26驱动大带轮24旋转，使小腿结构1实现上下运动。机器人的每条腿具有两个自由度，整个腿部机构的前后运动和上下运动的结合，就是腿部机构的工作空间，在工作空间内对腿部机构进行轨迹规划后，就可通过驱动器、控制器等电气元件按照对应轨迹实现前进、后腿、转弯等运动。

第一个自由度：整个腿部结构Ⅰ相对于机架Ⅲ有一个转动，转动轴为髋关节轴30；这个转动自由度的目的是为了使整个腿部结构向前/向后摆动。

第二个自由度：小腿连杆9在连杆Ⅰ6和小腿驱动连杆13的共同作用下相对大腿模块2有一个转动；这个转动属于多连杆间的耦合运动，在连杆转动过程中，起到抬起小腿(也就是小腿连杆9的末端离地、向上抬这个动作)的目的。

需要说明的是，本申请充分考虑了机身重量，因此本发明中两个自由度都采用一个电机驱动，且均可选用伺服电机，在很大程度上减轻了机身重量；同时相比较汽油发电机而言，本发明的动力输出更加均衡、稳定，有利于保证机器人运行过程中的稳定性；再者，伺服电机自带伺服编码器，输出精度更高，利于动力精确输出及控制算法调试。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种机器人腿部，其特征在于：包括腿部结构(Ⅰ)、腿部驱动结构(Ⅱ)；所述腿部结构(Ⅰ)包括小腿模块(1)和大腿模块(2)，腿部驱动结构(Ⅱ)用于驱动大腿模块(2)转动，大腿模块(2)用于带动小腿模块(1)转动。

2.根据权利要求1所述的机器人腿部，其特征在于：所述小腿模块(1)包括带轴法兰(3)、轴承Ⅰ(4)、连杆Ⅰ(6)、轴承Ⅱ(7)、小腿转轴组件(8)、小腿连杆(9)、销轴(11)、轴承Ⅲ(12)、小腿驱动连杆(13)；其中，带轴法兰(3)一端固定在大腿模块(2)中左侧板(20)上；连杆Ⅰ(6)一端通过轴承Ⅰ(4)与带轴法兰(3)另一端的轴连接，连杆Ⅰ(6)另一端固定在小腿转轴组件(8)中小腿转轴(49)上；小腿连杆(9)一端通过轴承Ⅱ(7)与小腿转轴(49)连接，小腿连杆(9)中部与销轴(11)固定；小腿驱动连杆(13)一端通过轴承Ⅲ(12)与销轴(11)连接，小腿驱动连杆(13)另一端与大腿模块(2)中膝关节轴(52)连接；其中，膝关节轴(52)、带轴法兰(3)、销轴(11)、小腿转轴(49)的轴线呈平行布置。

3.根据权利要求1所述的机器人腿部，其特征在于：所述大腿模块(2)包括膝关节轴组件(15)、轴承Ⅳ(19)、左侧板(20)、轴承Ⅴ(21)、大带轮(24)、右侧板(25)、同步带(26)、侧板连接轴(28)、髋关节轴(30)、小带轮(31)、带轴承的轴承座(44)；其中，小带轮(31)固定安装在髋关节轴(30)上；髋关节轴(30)通过轴承Ⅳ(19)安装到左侧板(20)和右侧板(25)上且两端从对应侧板伸出，髋关节轴(30)伸出端与带轴承的轴承座(44)配合；侧板连接轴(28)一端连接左侧板(20)且从左侧板(20)伸出，侧板连接轴(28)另一端连接右侧板(25)且从右侧板(25)伸出，侧板连接轴(28)伸出端与腿部驱动结构(Ⅱ)中的滑块连杆(37)连接；大带轮(24)固定安装到膝关节轴组件(15)中膝关节轴(52)上；膝关节轴(52)一端通过轴承Ⅴ(21)连接到右侧板(25)上，膝关节轴(52)另一端通过轴承Ⅴ(21)连接到左侧板(20)后伸出，膝关节轴(52)伸出端安装小腿模块(1)；同步带(26)与小带轮(31)、大带轮(24)啮合；其中，侧板连接轴(28)、髋关节轴(30)、膝关节轴(52)三者的轴线呈平行布置。

4.根据权利要求1所述的机器人腿部，其特征在于：所述腿部驱动结构(Ⅱ)包括线性模组(34)、驱动滑块(35)、轴承Ⅵ(36)、滑块连杆(37)、轴承Ⅶ(38)和驱动轴组件(54)；所述驱动滑块(35)一端与线性模组(34)连接，驱动滑块(35)另一端通过轴承Ⅵ(36)与驱动轴组件(54)中驱动轴(55)连接；滑块连杆(37)一端固定在驱动轴(55)上，滑块连杆(37)另一端通过轴承Ⅶ(38)与大腿模块(2)中侧板连接轴(28)连接；其中，驱动轴(55)的轴线与侧板连接轴(28)的轴线呈平行布置。

5.一种四足仿生机器人，其特征在于：包括权利要求1-4中任一项所述的机器人腿部，还包括机架(Ⅲ)；四条腿部采用前膝后肘式方式安装在机架(Ⅲ)上。

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