CN116803832A - 腿部结构，双足机器人，人形机器人，机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机器人技术领域，公开了一种双足机器人腿部结构，具有两个腿部组件，腿部组件包括腿部，腿部包括大腿及大腿关节、小腿及小腿关节、足部，以及用于驱动腿部转动的转腿关节、用于驱动腿部组件摆动的摆腿关节，摆腿关具有一摆腿转动轴，将腿部组件以摆腿转动轴所在水平面为界，划分为具有上质点的上质量部分和具有下质点的下质量部分，上质量部分与下质量部分以摆腿转动轴为轴同步反向摆动，摆动过程中至少部分上质量部分位于摆腿转动轴所在水平面之上。本申请优化了双足机器人腿部的摆腿惯量和力矩，降低摆腿过程中的扭矩需求，更易实现腿部的“轻抬轻放”，从而降低了双足机器人的控制难度和能耗，提升了机器人的适用性。

Description

腿部结构，双足机器人，人形机器人，机器人

技术领域

本申请属于机器人技术领域，涉及一种腿部结构，双足机器人，人形机器人，机器人。

背景技术

在机器人技术中，仿人形的双足机器人是机器人领域重要的类型。在双足机器人中，任一腿部结构均包括大腿、小腿、足及相应的大腿关节、小腿关节，以及设置于髋部的摆腿关节和转腿关节，通过各个关节之间相互配合，完成和人动作相仿的行走运动。

在现有相关技术中，如公开号为CN116001945A、公开日为2023.04.25、专利名称为腿部结构及双足机器人的专利申请，其包括腿部结构的大腿、小腿、足以及大腿关节、小腿关节、摆腿关节及转腿关节，其大腿、小腿分别通过大腿关节和小腿关节驱动相对转动，其腿部结构通过摆腿关节驱动左右摆动、通过转腿关节驱动之下绕竖直方向转动，通过各个关节配合驱动之下，从而实现仿人形的行走运动。然而，其转腿关节与摆腿关节转轴轴线平齐，摆腿时以摆腿关节的输出转轴为原点，摆腿关节至足底形成的摆腿力臂较长，且腿部结构的全部质量基本集中在摆腿关节输出转轴之下，如此，抬腿时输出扭矩需求和落腿时克服重力输出扭矩需求均较大。

再如CN109969284A、公开日为2019.07.05、专利名称为混合式机械腿机构和双足机器人的专利申请，其同样包括由大腿、小腿、大腿关节、小腿关节构成的腿部结构，其摆腿关节连接至大腿顶部，能够驱动腿部结构左右摆动。在摆腿过程中，其转腿关节不与腿部结构一起摆动，如此，同样存在摆腿关节至足底形成的摆腿力臂较长、腿部结构的全部质量基本集中在摆腿关节输出转轴之下，以至于抬腿时输出扭矩需求和落腿时克服重力输出扭矩需求均较大的问题。

由此可知，相关技术中的双足机器人在摆腿动作过程中，对摆腿关节要求较高，如此，势必会增加摆腿过程的能耗，且抬腿和落腿过程控制难度较大，不利于机器人行走。

发明内容

本申请提供了一种腿部结构，双足机器人，人形机器人，机器人，旨在解决现有技术中的双足机器人摆腿时惯量较大、对摆腿关节输出扭矩需求较高，以至于双足机器人能耗高、控制难度大问题。

在一个方案中，一种双足机器人腿部结构，具有两个腿部组件，所述腿部组件包括腿部，所述腿部包括大腿及驱动所述大腿转动的大腿关节、小腿及驱动所述小腿转动的小腿关节、足部；还包括:

用于驱动所述腿部转动的转腿关节，其与所述腿部构成腿部组件；

用于驱动所述腿部组件摆动的摆腿关节，其具有一沿水平方向的摆腿转动轴；

将所述腿部组件以所述摆腿转动轴所在水平面为界，划分为具有上质点的上质量部分和具有下质点的下质量部分，所述上质点的质量大于零，且小于或等于所述下质点的质量；

所述摆腿转动轴到所述上质点的距离为上力臂，所述摆腿转动轴到所述下质点的距离为下力臂，所述上力臂的长度大于零，且小于或等于所述下力臂的长度；

所述上质量部分与所述下质量部分以所述摆腿转动轴为轴同步反向摆动，摆动过程中至少部分所述上质量部分位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

在一个方案中，所述上质量部分包括：

所述转腿关节的部分质量或全部质量，或

所述转腿关节的全部质量、大腿的部分质量及所述大腿关节的至少部分质量，或

所述转腿关节的全部质量、大腿的部分质量、所述大腿关节的至少部分质量及所述小腿关节的至少部分质量。

在一个方案中，所述下质量部分包括：

所述转腿关节的部分质量及所述大腿、所述小腿、所述足部、所述大腿关节、所述小腿关节以及所述足关节的全部质量，或

所述大腿和所述大腿关节的部分质量及所述小腿、所述足部、所述小腿关节以及足关节的全部质量，或

所述大腿、大腿关节和小腿关节的部分质量及所述小腿、足部以及足关节的全部质量。

在一个方案中，包括：

第一连接件，所述第一连接件包括第一承板与第二承板，所述第一承板上设置有摆腿关节连接部；

所述摆腿关节的输出端与所述摆腿关节连接部固定连接，所述摆腿关节用于驱动所述第一连接件以所述摆腿转动轴为轴转动；

所述第二承板构造有转腿关节安装部，所述转腿关节固定设置于所述转腿关节安装部；

所述转腿关节固定在转腿关节安装部上之后，至少部分所述转腿关节的质量在所述摆腿转动轴之上。

在一个方案中，所述转腿关节安装部上构造有一转腿关节安装面，在所述转腿关节的转腿转动轴的轴向上，所述转腿关节安装面位于所述摆腿转动轴之上；

在所述转腿关节固定设置于所述转腿关节安装部上之后，所述转腿关节贴合或者高于所述转腿关节安装面，从而使所述转腿关节的全部质量位于所述摆腿转动轴之上、形成所述上质量部分的一部分；

在所述上质量部分绕所述摆腿转动轴摆动时，所述转腿关节的全部质量位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

在一个方案中，所述第一承板与所述第二承板之间互相垂直设置，所述转腿关节安装面与所述摆腿转动轴所在水平面相平行设置，所述转腿转动轴与所述摆腿转动轴相互垂直设置。

在一个方案中，所述大腿关节的输出轴线与所述摆腿转动轴大致相互垂直设置，并且位于一同平面上，所述大腿一端固定在所述大腿关节的输出端上，从而使所述大腿关节的部分质量和所述大腿的部分质量位于所述摆腿转动轴之上，与所述转腿关节的全部质量一同形成所述上质量部分的一部分；

在所述上质量部分绕所述摆腿转动轴摆动时，所述转腿关节的全部质量、大腿关节的部分质量及所述大腿的部分质量均位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

在一个方案中，还包括：

第二连接件，所述第二连接件包括相垂直第一连接板和第二连接板，所述第一连接板设置在所述第二连接板的一端；

所述第一承板上构造有一第二过孔，所述第一连接板穿过所述第二过孔连接至所述转腿关节的输出端上；

所述第二连接板上构造有一第三过孔，所述第三过孔的轴线与所述摆腿转动轴相垂直且位于一同平面上；

所述大腿关节固定在所述第二连接板上的一侧，所述大腿关节的输出端穿过所述第三过孔延伸至所述第二连接板相对于所述大腿关节的另一侧，所述大腿固定在所述大腿关节的输出端上。

在一个方案中，所述小腿关节设置在所述大腿相对于所述大腿关节的另一侧，所述小腿关节的输出轴线与所述大腿关节的输出轴线同轴设置，从而使部分所述小腿关节的质量置于所述摆腿转动轴之上，与所述转腿关节的全部质量、大腿关节的部分质量及所述大腿的部分质量一同形成所述上质量部分的一部分；

在所述上质量部分绕所述摆腿转动轴摆动时，所述转腿关节的全部质量、大腿关节的部分质量、所述大腿的部分质量以及所述小腿关节的部分质量均位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

在一个方案中，所述第一承板与所述第二承板一体成型为所述第一连接件，所述第一连接板和所述第二连接板一体成型为所述第二连接件。

在一个方案中，所述摆腿关节连接部相对所述摆腿关节的一端上设置有插接座，所述插接座上构造有插接槽，所述第一承板相对于所述第二承板的一端插设在所述插接槽内，从而使所述第一承板与所述插接座通过插接连接。

在一个方案中，还包括：

固定架，所述固定架沿一垂直于所述摆腿转动轴的竖直面布置，所述固定架构造有第一过孔，所述摆腿关节固定在所述固定架上，所述摆腿关节连接部穿过所述第一过孔连接至所述摆腿关节的输出端上。

在一个方案中，还包括：第一连接件和第二连接件；

所述第一连接件包括固定轴和连接座；所述固定轴与所述摆腿关节输出法兰固定连接，所述连接座上构造有转腿关节安装部，所述转腿关节安装部位于所述摆腿转动轴之上，所述转腿关节固定设置于转腿关节安装部上；

第二连接件，所述连接座上构造有一通孔，所述第二连接件的一端穿过所述通孔与所述转腿关节输出法兰固定连接，另一端与所述大腿关节固定连接。

在一个方案中，所述连接座在靠近所述大腿的一侧设置有一避让弧面。

在一个方案中，所述上质量部分在上力臂与竖直方向的夹角为0～30度的范围内摆动。

在一个方案中，所述上质量部分在上力臂与竖直方向的夹角为0～15度的范围内摆动。

在一个方案中，所述两个腿部组件分为左腿组件和右腿组件；

所述摆腿关节分为左摆腿关节和右摆腿关节；

所述摆腿转动轴分为左摆腿转动轴和右摆腿转动轴；

所述左腿组件以所述左摆腿转动轴所在水平面为界的左上质量部分、左上力臂、左下质量部分及左下力臂；

所述右腿组件以所述右摆腿转动轴所在水平面为界的右上质量部分、右上力臂、右下质量部分及右下力臂；

行走时，所述左腿组件和所述右腿组件以沿竖直方向垂直于地面的状态为初始状态；

所述左腿组件通过所述左摆腿关节驱动、以所述左摆腿转动轴为轴摆动相对竖直方向左右摆动，其中，所述左上质量部分与所述左下质量部分同步反向摆动；

所述右腿组件通过所述右摆腿关节驱动、以所述右摆腿转动轴为轴相对竖直方向左右摆动，其中，所述右上质量部分与所述右下质量部分同步反向摆动。

在一个方案中，行走时，所述左下质量部分和所述右下质量部分朝相反的方向摆动，所述左上质量部分和所述右上质量部分以相反的方向摆动，从而使所述左腿组件和所述右腿组件同时向外侧张开或者向中部收缩。

在一个方案中，行走时，所述左下质量部分和所述右下质量部分朝相同的方向摆动，所述左上质量部分和所述右上质量部分朝相同的方向摆动，从而使所述左腿组件和所述右腿组件同时向一侧摆动。

在一个方案中，行走时，所述左下质量部分和左上质量部分不摆动、所述右下质量部分和所述右上质量部分相对竖直方向左右摆动；或

所述右下质量部分和所述右上质量部分不摆动、所述左下质量部分和左上质量部分相对竖直方向左右摆动；

从而使所述左腿组件相对所述右腿组件摆动，或所述右腿组件相对所述左腿组件摆动。

在一个方案中，一种双足机器人，包括上述的腿部结构。

在一个方案中，一种人形机器人，包括上述的双足机器人，作为下肢。

在一个方案中，一种机器人，包括上述的人形机器人。

本申请的有益效果：

本申请优化了双足机器人腿部的摆腿惯量和力矩，降低摆腿过程中的扭矩需求，更易实现腿部的“轻抬轻放”，从而降低了双足机器人的控制难度和能耗，提升了机器人的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1和图2是本申请的相关现有技术示意图；

图3是本申请一实施例中双足机器人结构示意图；

图4是图3的爆炸示意图；

图5是图3的右视示意图；

图6是图3的主视示意图；

图7是本申请一实施例中双足机器人的一腿部组件摆腿后的示意图；

图8是图7的主视图；

图9是本申请一实施例中双足机器人腿部组件摆腿受力分析示意图；

图10是本申请一实施例中各关节的爆炸示意图；

图11是本申请一实施例中腿部组件部分结构示意图；

图12是图11的右视图；

图13是图11的爆炸示意图；

图14是图13的右视图；

图15是本申请一实施例中的第一连接件示意图；

图16是本申请一实施例中的第二连接件示意图；

图17是本申请一实施例中的第一连接件与摆腿关节的配合示意图；

图18是图17的左视图；

图19是本申请一实施例中的部分腿部组件配合示意图；

图20是本申请一实施例中的部分腿部组件配合示意图；

图21是本申请一实施例中的双足机器人爆炸示意图；

图22是本申请一实施例中的主视示意图；

图23是本申请一实施例中两个腿部组件摆腿示意图；

图24是本申请一实施例中两个腿部组件摆腿示意图；

图25是本申请一实施例中两个腿部组件摆腿示意图；

图中各附图标记：1、腿部；101、大腿；102、大腿关节；103、小腿；104、小腿关节；105、转腿关节；

1011、左大腿；1012、右大腿；1021、左大腿关节；1022、右大腿关节；1031、左小腿；1032、右小腿；1041；左小腿关节；1042、右小腿关节；1051、左转腿关节；1052、右转腿关节；

106、第一连接件；1061、第一承板；1062、第二承板；1063、摆腿关节连接部；1064、转腿关节安装部；10641、第二过孔；1065、固定轴；1066、连接座；10661、避让弧面；10662、通孔；1067、插接座；1068、插接槽；

107、第二连接件；1071、第一连接板；1072、第二连接板；1073、第三过孔；

108、足部；1081、左足部；1082、右足部；

109、足关节；1091、左足关节；1092、右足关节；

2、摆腿关节；201、左摆腿关节；202、右摆腿关节；

3、固定架；301、第一过孔；

其中，轴线A为摆腿转动轴；轴线B为转腿转动轴；轴线C为大腿关节的输出轴线；轴线D为小腿关节的输出轴线；轴线G为左摆腿转动轴；轴线H为右摆腿转动轴；

平面α为摆腿转动轴A所在的水平面；平面γ为转腿关节安装面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

请参阅图1和图2，是现有相关技术中的两款机器人结构示意图。如图1，在该双足机器人中，其包括腿部结构的大腿1002、小腿1003、足1007以及大腿关节1004、小腿关节1005、足关节1008，其大腿1002、小腿1003分别通过大腿关节1004和小腿关节1005驱动相对转动，还包括用于驱动腿部结构左右摆动的摆腿关节1001，用于驱动腿部结构绕竖直方向转动的转腿关节1006。通过各个关节配合驱动之下，从而实现仿人形的行走运动。然而，其转腿关节1006与摆腿关节1001的转轴轴线平齐，摆腿时以摆腿关节1001的输出转轴为原点，摆腿关节1001至足1007底部形成的摆腿力臂较长，腿部结构的全部质量基本集中在摆腿关节输出转轴之下，抬腿时输出扭矩需求较大，落腿时，腿部结构由自重回落，此时需要摆腿关节1001输出扭矩对回落过程形成缓冲，方能令腿部平稳落地。显然，在摆腿力臂较长的前提下，摆腿关节1001为克服重力输出扭矩需求也较大。

再如图2，该双足机器人同样包括由大腿2002、小腿1003、大腿关节2004、小腿关节2005构成的腿部结构，其摆腿关节2001连接至大腿2002顶部，能够驱动腿部结构左右摆动。在摆腿过程中，其转腿关节不与腿部结构一起摆动，如此，摆腿关节2001至足2007底部形成的摆腿力臂仍较长，腿部结构的全部质量仍是基本集中在摆腿关节输出转轴之下，仍然存在抬腿时输出扭矩需求和落腿时克服重力输出扭矩需求均较大的问题。

由此可知，相关技术中的双足机器人在摆腿动作过程中，对摆腿关节要求较高，如此，势必会增加摆腿过程的能耗，且存在抬腿和落腿过程控制难度较大、不利于机器人行走的问题。

为解决现有技术中存在的上述问题，本申请提供如下实施例。

请参阅图3-图9，在一些实施方式中，本申请提供了一种双足机器人，具有两个腿部组件，腿部组件包括腿部1，腿部1包括大腿101及驱动大腿101转动的大腿关节102、小腿103及驱动小腿103转动的小腿关节104、足部108。还包括:用于驱动腿部1转动的转腿关节105，其与腿部1构成腿部组件。用于驱动腿部组件摆动的摆腿关节2，其具有一沿水平方向的摆腿转动轴A。

其中，将腿部组件以摆腿转动轴A所在水平面α为界，划分为具有上质点的上质量部分和具有下质点的下质量部分/>，上质点的质量大于零，且小于或等于下质点的质量。摆腿转动轴A到上质点的距离为上力臂/>，摆腿转动轴A到下质点的距离为下力臂/>，上力臂/>的长度大于零，且小于或等于下力臂/>的长度。

其中，上质量部分与下质量部分/>以摆腿转动轴A为轴同步反向摆动，摆动过程中至少部分上质量部分/>位于摆腿转动轴A所在水平面α之上，如图7、图8及图9所示。

综上，本例中将腿部组件的质量以摆腿转动轴A为界，分为上质量部分与下质量部分/>，摆腿时上质量部分/>与下质量部分/>同步反向摆动，如此，在腿部组件摆动时，通过相对反向摆动的上质量部分/>对下质量部分/>的摆动过程形成缓冲，有效降低腿部组件摆动的转动惯量以及摆腿关节2需求输出力矩，即优化了腿部组件的转动惯量和力矩，降低了对摆腿关节2的要求。

具体地，在摆腿时，因腿部组件转动惯量较小，对摆腿关节2的输出扭矩需求较小，同样的，在落腿过程中，摆腿关节2为克服重力而输出的扭矩需求也较小，如此，有效降低了摆腿过程的控制难度，更易于实现腿部“轻抬轻放”。在另一个方面，显然的，在相同行走条件之下，可以降低摆腿关节2的能耗，或者在相同选型条件之下，摆腿关节2可以选择更小型号即可满足需求，利于机器人的小型化，降低成本。请参阅图9，其中展示了传统技术的双足机器人与本实施例方案在摆腿过程中的受力分析示意图。

如图9中所示，

力矩计算：

传统技术中的双足机器人在摆腿状态a的力矩：

;

；

本实施例的双足机器人在摆腿状态a的力矩：

;

；

；

其中，是传统机器人腿部结构的质量；/>为/>的重力；/>是/>摆动时的切向分力；/>是传统机器人摆腿力臂；

是本实施例中的下质量部分；/>是/>的重力；/>是/>摆动时的切向分力，/>是本实施例的下力臂；

是本实施例中的上质量部分；/>是/>的重力；/>是/>摆动时的切向分力，是本实施例的下力臂；

是重力系数；

其中，=/>，/>=/>+/>，/>=/>+/>；

如此，本实施例在摆腿状态a的力矩为：

;

显然，在相同摆动角度a之下，本申请腿部组件摆腿所需力矩小于传统机器人腿部结构摆腿所需力矩。

转动惯量计算：

传统技术的机器人实现运动过程a的转动惯量为：

=/>+/>;

本实施例中实现运动过程a的转动惯量为：

；

显然，在进行相同的运动过程a之下，本申请腿部组件的转动惯量小于传统机器人腿部结构的转动惯量/>。

在本例中，进一步的，对上述公式带入参数计算进行验证。

例如，设计运动过程a为侧抬腿15°，即a=15°，则=75°，/>=1.2m，/>=40kg，/>=1m，/>=0.2m，/>=30kg，/>=10kg，计算结果如下：

传统机器人腿部结构实现运动过程a：

需求力矩为：

；

转动惯量为：

=/>

本实施例中的机器人腿部结构实现运动过程a：

需求力矩为：

=266.2/>；

转动惯量为：

；

综上，本申请的双足机器人腿部组件与传统机器人腿部结构相比，在相同的摆腿过程（a）中，力矩减少41.40%，转动惯量减少47.22%。

总的来说，本例中有效优化了双足机器人腿部的摆腿惯量和力矩，降低摆腿过程中的扭矩需求，更易实现腿部的“轻抬轻放”，从而降低了双足机器人的控制难度和能耗，提升了机器人的适用性。

在一些实施方式中，根据上述公式可知，上质量部分的质量越接近下质量部分的质量，腿部组件摆动过程的上质量部分/>对下质量部分/>的缓冲效果就越加明显，即摆腿力矩/>和转动惯量/>更小。

因而，在本例中，上质量部分包括：转腿关节105的部分质量或全部质量。或者是，转腿关节105的全部质量、大腿101的部分质量及大腿关节102的至少部分质量。或者是，转腿关节105的全部质量、大腿101的部分质量、大腿关节102的至少部分质量及小腿关节104的至少部分质量。

如此，使上质量部分的上质点的质量大于零，且最大程度趋近于下质量部分的下质点的质量，能够更好实现的减小摆腿力矩和降低转动惯量的效果。

在一些实施方式，下质量部分包括：转腿关节105的部分质量及大腿101、小腿103、足部108、大腿关节102、小腿关节104以及足关节109的全部质量。或者是，大腿101和大腿关节102的部分质量及小腿103、足部108、小腿关节104以及足关节109的全部质量。或者是，大腿101、大腿关节102和小腿关节104的部分质量及小腿103、足部108以及足关节109的全部质量。

在此前提之下，确保下质量部分不完全包括整个腿部组件的质量，避免了整个腿部组件的质量全部集中在摆腿关节2的摆腿转动轴A之下，尽可能的将腿部组件的质量上移至摆腿转动轴A的上侧，即转移至形成上质量部分/>。如此，能够最大程度降低上质量部分/>与下质量部分/>的差值，即能够更好达到的减小摆腿力矩和降低转动惯量的效果。

请参阅图3、图5、图11及图15，在一些实施方式，双足机器人腿部结构包括第一连接件106，第一连接件106包括第一承板1061与第二承板1062，第一承板1061上设置有摆腿关节连接部1063。

摆腿关节2的输出端与摆腿关节连接部1063固定连接，摆腿关节2用于驱动第一连接件106以摆腿转动轴A为轴转动。

第二承板1062构造有转腿关节安装部1064，转腿关节105固定设置于转腿关节安装部1064。转腿关节105固定在转腿关节安装部1064上之后，至少部分转腿关节105的质量设置在摆腿转动轴A之上。即通过第一连接件106，将部分转腿关节105的质量在摆腿转动轴A之上，形成上质量部分的一部分，摆腿过程中通过上质量部分/>相对下质量部分/>反向摆动，实现腿部组件摆腿力矩的优化，达到如上所述的减小摆腿力矩和转动惯量的效果。

请参阅图12、图13、图14及图15，在一些实施方式中，转腿关节安装部1064上构造有一转腿关节安装面γ，在转腿关节105的转腿转动轴B的轴向上，转腿关节安装面γ位于摆腿转动轴A之上。

在转腿关节105固定设置于转腿关节安装部1064上之后，转腿关节105贴合或者高于转腿关节安装面γ，从而使转腿关节105的全部质量位于摆腿转动轴A之上、形成上质量部分的一部分。

在上质量部分绕摆腿转动轴A摆动时，转腿关节105的全部质量位于摆腿转动轴A所在水平面α之上。

如此，通过将转腿关节105安装在第一连接件106的转腿关节安装面γ上之后，能够确保转腿关节105的全部质量设置在摆腿转动轴A之上，形成上质量部分的一部分，并且此时上质量部分/>包含了转腿关节105的全部质量，增大了上质量部分/>的质量，减少了上质量部分/>与下质量部分/>的差值，更好的优化了腿部组件摆腿力矩，进一步提升前述的减小摆腿力矩和转动惯量的效果。

作为示例性的，如图13所示，第一承板1061与第二承板1062之间可互相垂直设置，转腿关节安装面γ与摆腿转动轴A所在水平面α相平行设置，转腿转动轴B与摆腿转动轴A相互垂直设置，使转腿关节105、摆腿关节2、第一连接件106的安装配合更为简单、便捷，且便于关节的选型和第一连接件的制作。

请参阅图10，在一些实施方式中，大腿关节102的输出轴线C与摆腿转动轴A大致相互垂直设置，并且位于一同平面上，如均位于平面α上。大腿101一端固定在大腿关节102的输出端上，从而使大腿关节102的部分质量和大腿101的部分质量位于摆腿转动轴A之上，与摆腿关节2的全部质量一同形成上质量部分的一部分。

在上质量部分绕摆腿转动轴A摆动时，摆腿关节2的全部质量、大腿关节102的部分质量及大腿101的部分质量均位于摆腿转动轴A所在水平面α之上。

如此，使大腿关节102的部分质量、大腿101的部分质量以及摆腿关节2的全部质量位于摆腿转动轴A之上，共同形成上质量部分的一部分，进一步增大了上质量部分/>的质量及减少了上质量部分/>与下质量部分/>的差值，进一步优化了腿部组件摆腿力矩，提升前述的减小摆腿力矩和转动惯量的效果。

请参阅图10-图14及图16，在一些实施方式中，本申请的双足机器人还包括：第二连接件107，第二连接件107包括相垂直第一连接板1071和第二连接板1072，第一连接板1071设置在第二连接板1072的一端。

第一承板1061上构造有一第二过孔10641，第一连接板1071穿过第二过孔10641连接至转腿关节105的输出端上。第二连接板1072上构造有一第三过孔1073，第三过孔1073的轴线与摆腿转动轴A相垂直且位于一同平面上，具体为均位于平面α上。

大腿关节102固定在第二连接板1072上的一侧，大腿关节102的输出端穿过第三过孔1073延伸至第二连接板1072相对于大腿关节102的另一侧，大腿101固定在大腿关节102的输出端上，从而使大腿关节102的输出轴线C与摆腿转动轴A同时位于平面α上，及使得大腿101顶部的部分质量和大腿关节102的部分质量位于摆腿转动轴A之上，形成上质量部分的一部分。

请参阅图10，在一些实施方式中，小腿关节104设置在大腿101相对于大腿关节102的另一侧，小腿关节104的输出轴线D与大腿关节102的输出轴线C同轴设置，从而使部分小腿关节104的质量置于摆腿转动轴A之上，与转腿关节105的全部质量、大腿关节102的部分质量及大腿101的部分质量一同形成上质量部分的一部分。

在上质量部分绕摆腿转动轴A摆动时，转腿关节105的全部质量、大腿关节102的部分质量、大腿101的部分质量以及小腿关节104的部分质量均位于摆腿转动轴A所在水平面α之上。

如此，通过将部分小腿关节104的质量设置于摆腿转动轴A之上，与大腿关节102的部分质量、大腿101的部分质量以及摆腿关节2的全部质量位共同形成上质量部分的一部分，更大程度的增大了上质量部分/>的质量及减少了上质量部分/>与下质量部分/>的差值，更进一步优化了腿部组件摆腿力矩，提升前述的减小摆腿力矩和转动惯量的效果。

作为示例性的，如图15和图16所示，第一承板1061与第二承板1062一体成型为第一连接件106，第一连接板1071和第二连接板1072一体成型为第二连接件107，即第一连接件106和第二连接件107均为一体成型的构件，结构强度大，更为稳固牢靠，且易于拆装。

请参阅图17和图18，在一个实施方式中，摆腿关节连接部1063相对摆腿关节2的一端上设置有插接座1067，插接座1067上构造有插接槽1068，插接座1067可以是通过铣削或者一体铸造成型，形成顶部开口状或者上下两侧均开口的插接槽1068，第一承板1061相对于第二承板1062的一端插设在插接槽1068内，从而使第一承板1061与插接座1067通过插接连接。作为示例性的，可以在插接座1067上设置顶丝，通过顶丝对第一承板1061与插接座1067之间做进一步紧固，确保连接稳定牢靠。

在拆卸时，通过将第一连接件106的第一承板1061从插接座1067的插接槽1068中抽离，无需拆卸如摆腿关节2等其他结构，即可将机器人的整个腿部组件拆下，拆卸过程更为方便快速。

请参阅图4，在一个实施方式中，本申请的双足机器人还包括：固定架3，固定架3沿一垂直于摆腿转动轴A的竖直面布置，固定架3构造有第一过孔301，摆腿关节2固定在固定架3上，摆腿关节连接部1063穿过第一过孔301连接至摆腿关节2的输出端上；

本申请通过一固定架3可以同时安装两个腿部组件的摆腿关节2，结构简洁且稳固。同时，摆腿关节2固定在固定架3上，第一连接件106直接连接至摆腿关节2的输出端上，在拆卸时，只需将第一连接件106的摆腿关节连接部1063与摆腿关节2的输出端分离，即可将整个腿部组件拆下，无需拆卸摆腿关节2，更易于拆装。

请参阅图19，在一些实施方式中，本申请的双足机器人还包括：第一连接件106和第二连接件107。

第一连接件106包括固定轴1065和连接座1066。固定轴1065与摆腿关节2输出法兰固定连接，连接座1066上构造有转腿关节安装部1064，转腿关节安装部1064位于摆腿转动轴A之上，转腿关节105固定设置于转腿关节安装部1064上。

第二连接件107，连接座1066上构造有一通孔10662，第二连接件107的一端穿过通孔10662与转腿关节105输出法兰固定连接，另一端与大腿关节102固定连接。

本实施例中，固定轴1065和连接座1066相互垂直设置，通过设置一转腿关节安装部1064，转腿关节105固定安装在转腿关节安装部1064上之后，使转腿关节105的全部质量均在摆腿转动轴A之上，形成上质量部分的一部分，在摆腿时与下质量部分/>共同反向摆动，实现前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的作用。

进一步地，如图20所示，本例中的连接座1066在靠近大腿101的一侧设置有一避让弧面10661，避让弧面10661构造在连接座1066的底部侧面上，避让弧面10661与大腿101顶端的圆弧状外周面同心设置，安装时使大腿101顶端更加靠近连接座1066，腿部组件的装配更为紧凑。

请参阅图8和图9，在一些实施方式中，上质量部分在上力臂与竖直方向的夹角a为0～30度的范围内摆动，如此，摆腿过程中，即使上质量部分/>摆动至极限位置，也能够确保转腿关节105的全部或者部分质量均能维持在摆腿转动轴A所在的水平面α之上，保证了腿部组件的质量在该摆动范围之内均能形成上质量部分/>和下质量部分/>，从而保障了减小腿部组件摆腿力矩和降低转动惯量的目的和效果的实现。同时，避免摆动范围过大而摆腿关节2需要输出扭矩过大而产生过载、失效的问题。

在一些实施方式中，上质量部分在上力臂/>与竖直方向的夹角a的具体数值，可以为：0度、5度～10度、15度、20度～25度、30度等。

在一些实施方式中，上质量部分在上力臂与竖直方向的夹角a为0～15度的范围内摆动，如此，摆腿过程中，即使上质量部分/>摆动至极限位置，也能够确保转腿关节105的全部或者部分质量、大腿关节102的部分质量、大腿101的部分质量以及小腿关节104的部分质量均能维持在摆腿转动轴A所在的水平面α之上，保证了腿部组件的质量在该摆动范围之内均能形成较为充分上质量部分/>和下质量部分/>，从而保障更好实现减小腿部组件摆腿力矩和降低转动惯量的目的和效果。同时，也能够避免摆动范围过大而摆腿关节2需要输出扭矩过大而产生过载、失效的问题，保障了机器人行走的稳定性。

在一些实施方式中，上质量部分在上力臂/>与竖直方向的夹角a的具体数值，可以为：0度、2度～5度、7.5度、8度～12度、15度等。

请参阅图21-图25，在一些实施方式中，本申请的双足机器人的两个腿部组件分为左腿组件和右腿组件。摆腿关节2分为左摆腿关节201和右摆腿关节202。摆腿转动轴A分为左摆腿转动轴G和左摆腿转动轴H。

其中，左腿组件以左摆腿转动轴G所在水平面α为界的左上质量部分、左上力臂、左下质量部分/>及左下力臂/>。

右腿组件以右摆腿转动轴H所在水平面α为界的右上质量部分、右上力臂/>、右下质量部分/>及右下力臂/>。

行走时，左腿组件和右腿组件以沿竖直方向垂直于地面的状态为初始状态，在该初始状态的基础上，左腿组件通过左摆腿关节201驱动、以左摆腿转动轴G为轴摆动相对竖直方向左右摆动。右腿组件通过右摆腿关节202驱动、以左摆腿转动轴H为轴相对竖直方向左右摆动，其中，左上质量部分与左下质量部分/>同步反向摆动。右上质量部分/>与右下质量部分/>同步反向摆动。如此，同时优化了左腿组件和右腿组件的摆腿力臂和转动惯量，实现前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的作用。

需要说明的是，左上质量部分与左下质量部分/>、右上质量部分/>与右下质量部分/>的表述方式是在将两个腿部组件分为左腿组件和右腿组件的基础上而进行区分的，旨在使本领域技术人员能够更加清楚的理解两个腿部组件的不同配合姿态而进行区分表述。其中，左上质量部分/>与左下质量部分/>即是本实施例中定义的位于左侧的腿部组件的上质量部分/>和下质量部分/>。同样，右上质量部分/>与右下质量部分/>即是本实施例中定义的位于右侧的腿部组件的上质量部分/>和下质量部分/>。

请参阅图21和图22,在夹角a的范围限制之下，左上质量部分包括：左转腿关节1051的全部质量。或者是，左转腿关节1051的全部质量、左大腿1011的部分质量及左大腿关节1021的至少部分质量。或者是，左转腿关节1051的全部质量、左大腿1011的部分质量、左大腿关节1021的至少部分质量及左小腿关节1041的至少部分质量。

其中的左下质量部分包括：左大腿1011、左小腿1031、左足部1081、左大腿关节1021、左小腿关节1041以及左足关节1091的全部质量。或者是，左大腿1011和左大腿关节1021的部分质量及左小腿1031、左足部1081、左小腿关节1041以及左足关节1091的全部质量。或者是，左大腿1011、左大腿关节1021和左小腿关节1041的部分质量及左小腿1031、左足部1081以及左足关节1091的全部质量。

请参阅图21和图22,在夹角a的范围限制之下，右上质量部分包括：右转腿关节1052全部质量。或者是，右转腿关节1052的全部质量、右大腿1012的部分质量及右大腿关节1022的至少部分质量。或者是，右转腿关节1052的全部质量、右大腿1012的部分质量、右大腿关节1022的至少部分质量及右小腿关节1042的至少部分质量。

其中的右下质量部分包括：右大腿1012、右小腿1032、右足部1082、右大腿关节1022、右小腿关节1042以及右足关节1092的全部质量。或者是，右大腿1012和右大腿关节1022的部分质量及右小腿1032、右足部1082、右小腿关节1042以及右足关节1092的全部质量。或者是，右大腿1012、右大腿关节1022和右小腿关节1042的部分质量及右小腿1032、右足部1082以及右足关节1092的全部质量。

请参阅图22和图23，在一些实施方式中，双足机器人行走时，左下质量部分和右下质量部分/>朝相反的方向摆动，如分别向机器人两侧张开或者向中部收缩，摆动角度分别为如图23中所示的a1和a2，左上质量部分/>和右上质量部分/>跟随各自的下质量部分的摆动过程以相反的方向摆动，从而使左腿组件和右腿组件同时向外侧张开或者向中部收缩，在摆动过程中，左腿组件和右腿组件均能够前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的目的和效果。

同时，也能够使机器人以张开两个腿部或者收缩两个腿部的姿态下进行行走，丰富了行走的姿态。此外，因左腿组件和右腿组件均能够具备前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的效果，使得摆腿过程更易于控制，更易于切换调整腿部的行走姿态，或者，在切换姿态过程中，对左摆腿关节201和右摆腿关节202的输出扭矩需求更低，即降低了切换姿态过程的能耗。

请参阅图22和图24，在一些实施方式中，双足机器人行走时，左下质量部分和右下质量部分/>朝相同的方向摆动，左上质量部分/>和右上质量部分/>朝相同的方向摆动，摆动角度分别为如图24中所示的a1和a2，如一同向左侧或者右侧摆动，从而使左腿组件和右腿组件同时向一侧摆动，同样的，在摆动过程中，左腿组件和右腿组件均能够实现前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的目的和效果。

同时，也能够使可以使机器人以整体稍向左侧或者右侧倾斜的姿态进行行走，丰富了行走的姿态。此外，因左腿组件和右腿组件均能够具备前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的效果，使得摆腿过程更易于控制，即更易于切换调整腿部的行走姿态，或者，在切换姿态过程中，对左摆腿关节201和右摆腿关节202的输出扭矩需求更低，即降低了切换姿态过程的能耗。

请参阅图22和图25，在一个方案中，双足机器人行走时，左下质量部分和左上质量部分/>不摆动、右下质量部分/>和右上质量部分/>相对竖直方向左右摆动，即左腿组件不动，右腿组件相对摆动，摆动角度为如图25中所示的a2。或者是，右下质量部分和右上质量部分/>不摆动、左下质量部分/>和左上质量部分/>相对竖直方向左右摆动，摆动角度分别为如图25中所示的a1，即右腿组件不动，左腿组件相对摆动。从而使左腿组件和右腿组件分别单独进行摆动，即左腿组件相对右腿组件摆动，或右腿组件相对左腿组件摆动。同样的，在摆动过程中，左腿组件和右腿组件均能够实现前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的目的和效果。

同时，也能够使可以使机器人以左腿组件和右腿组件分别单独进行摆动的姿态下进行切换，丰富了机器人的行走姿态，适应更多应用场景。

此外，因左腿组件和右腿组件均能够具备前述的减小腿部组件摆腿力矩和转动惯量的效果，使得摆腿过程更易于控制，即更易于切换调整腿部的姿态，或者，在切换姿态过程中，对左摆腿关节201和右摆腿关节202的输出扭矩需求更低，即降低了切换姿态过程的能耗。

在一些实施方式中，提供了一种人形机器人，包括上述的双足机器人，作为下肢。

在一些实施方式中，提供了一种机器人，包括上述的人形机器人。

以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (23)

1.一种双足机器人的腿部结构，具有两个腿部组件，所述腿部组件包括腿部，所述腿部包括大腿及驱动所述大腿转动的大腿关节、小腿及驱动所述小腿转动的小腿关节、足部及驱动所述足部转动的足关节；

其特征在于，还包括:

用于驱动所述腿部转动的转腿关节，其与所述腿部构成腿部组件；

用于驱动所述腿部组件摆动的摆腿关节，其具有一沿水平方向的摆腿转动轴；

将所述腿部组件以所述摆腿转动轴所在水平面为界，划分为具有上质点的上质量部分和具有下质点的下质量部分，所述上质点的质量大于零，且小于或等于所述下质点的质量；

所述摆腿转动轴到所述上质点的距离为上力臂，所述摆腿转动轴到所述下质点的距离为下力臂，所述上力臂的长度大于零，且小于或等于所述下力臂的长度；

所述上质量部分与所述下质量部分以所述摆腿转动轴为轴同步反向摆动，摆动过程中至少部分所述上质量部分位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

2.根据权利要求1所述的腿部结构，其特征在于，

所述上质量部分包括：

所述转腿关节的部分质量或全部质量，或

所述转腿关节的全部质量、大腿的部分质量及所述大腿关节的至少部分质量，或

所述转腿关节的全部质量、大腿的部分质量、所述大腿关节的至少部分质量及所述小腿关节的至少部分质量。

3.根据权利要求2所述的腿部结构，其特征在于，

所述下质量部分包括：

所述转腿关节的部分质量及所述大腿、所述小腿、所述足部、所述大腿关节、所述小腿关节以及所述足关节的全部质量，或

所述大腿和所述大腿关节的部分质量及所述小腿、所述足部、所述小腿关节以及足关节的全部质量，或

所述大腿、大腿关节和小腿关节的部分质量及所述小腿、足部以及足关节的全部质量。

4.根据权利要求3所述的腿部结构，其特征在于，

还包括：

第一连接件，所述第一连接件包括第一承板与第二承板，所述第一承板上设置有摆腿关节连接部；

所述摆腿关节的输出端与所述摆腿关节连接部固定连接，所述摆腿关节用于驱动所述第一连接件以所述摆腿转动轴为轴转动；

所述第二承板构造有转腿关节安装部，所述转腿关节固定设置于所述转腿关节安装部；

所述转腿关节固定在转腿关节安装部上之后，至少部分所述转腿关节的质量在所述摆腿转动轴之上。

5.根据权利要求4所述的腿部结构，其特征在于，

所述转腿关节安装部上构造有一转腿关节安装面，在所述转腿关节的转腿转动轴的轴向上，所述转腿关节安装面位于所述摆腿转动轴之上；

在所述转腿关节固定设置于所述转腿关节安装部上之后，所述转腿关节贴合或者高于所述转腿关节安装面，从而使所述转腿关节的全部质量位于所述摆腿转动轴之上、形成所述上质量部分的一部分；

在所述上质量部分绕所述摆腿转动轴摆动时，所述转腿关节的全部质量位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

6.根据权利要求5所述的腿部结构，其特征在于，

所述第一承板与所述第二承板之间互相垂直设置，所述转腿关节安装面与所述摆腿转动轴所在水平面相平行设置，所述转腿转动轴与所述摆腿转动轴相互垂直设置。

7.根据权利要求6所述的腿部结构，其特征在于，

所述大腿关节的输出轴线与所述摆腿转动轴大致相互垂直设置，并且位于一同平面上，所述大腿一端固定在所述大腿关节的输出端上，从而使所述大腿关节的部分质量和所述大腿的部分质量位于所述摆腿转动轴之上，与所述转腿关节的全部质量一同形成所述上质量部分的一部分；

在所述上质量部分绕所述摆腿转动轴摆动时，所述转腿关节的全部质量、大腿关节的部分质量及所述大腿的部分质量均位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

8.根据权利要求7所述的腿部结构，其特征在于，

还包括：

第二连接件，所述第二连接件包括相垂直第一连接板和第二连接板，所述第一连接板设置在所述第二连接板的一端；

所述第一承板上构造有一第二过孔，所述第一连接板穿过所述第二过孔连接至所述转腿关节的输出端上；

所述第二连接板上构造有一第三过孔，所述第三过孔的轴线与所述摆腿转动轴相垂直且位于一同平面上；

所述大腿关节固定在所述第二连接板上的一侧，所述大腿关节的输出端穿过所述第三过孔延伸至所述第二连接板相对于所述大腿关节的另一侧，所述大腿固定在所述大腿关节的输出端上。

9.根据权利要求7所述的腿部结构，其特征在于，

所述小腿关节设置在所述大腿相对于所述大腿关节的另一侧，所述小腿关节的输出轴线与所述大腿关节的输出轴线同轴设置，从而使部分所述小腿关节的质量置于所述摆腿转动轴之上，与所述转腿关节的全部质量、大腿关节的部分质量及所述大腿的部分质量一同形成所述上质量部分的一部分；

在所述上质量部分绕所述摆腿转动轴摆动时，所述转腿关节的全部质量、大腿关节的部分质量、所述大腿的部分质量以及所述小腿关节的部分质量均位于所述摆腿转动轴所在水平面之上。

10.根据权利要求8所述的腿部结构，其特征在于，

所述第一承板与所述第二承板一体成型为所述第一连接件，所述第一连接板和所述第二连接板一体成型为所述第二连接件。

11.根据权利要求4所述的腿部结构，其特征在于，所述摆腿关节连接部相对所述摆腿关节的一端上设置有插接座，所述插接座上构造有插接槽，所述第一承板相对于所述第二承板的一端插设在所述插接槽内，从而使所述第一承板与所述插接座通过插接连接。

12.根据权利要求11所述的腿部结构，其特征在于，还包括：

固定架，所述固定架沿一垂直于所述摆腿转动轴的竖直面布置，所述固定架构造有第一过孔，所述摆腿关节固定在所述固定架上，所述摆腿关节连接部穿过所述第一过孔连接至所述摆腿关节的输出端上。

13.根据权利要求3所述的腿部结构，其特征在于，

还包括：

第一连接件和第二连接件；

所述第一连接件包括固定轴和连接座；所述固定轴与所述摆腿关节输出法兰固定连接，所述连接座上构造有转腿关节安装部，所述转腿关节安装部位于所述摆腿转动轴之上，所述转腿关节固定设置于转腿关节安装部上；

第二连接件，所述连接座上构造有一通孔，所述第二连接件的一端穿过所述通孔与所述转腿关节输出法兰固定连接，另一端与所述大腿关节固定连接。

14.根据权利要求13所述的腿部结构，其特征在于，

所述连接座在靠近所述大腿的一侧设置有一避让弧面。

15.根据权利要求14所述的腿部结构，其特征在于，

所述上质量部分在上力臂与竖直方向的夹角为0～30度的范围内摆动。

16.根据权利要求15所述的腿部结构，其特征在于，

所述上质量部分在上力臂与竖直方向的夹角为0～15度的范围内摆动。

17.根据权利要求16所述的腿部结构，其特征在于，所述两个腿部组件分为左腿组件和右腿组件；

所述摆腿关节分为左摆腿关节和右摆腿关节；

所述摆腿转动轴分为左摆腿转动轴和右摆腿转动轴；

所述左腿组件以所述左摆腿转动轴所在水平面为界的左上质量部分、左上力臂、左下质量部分及左下力臂；

所述右腿组件以所述右摆腿转动轴所在水平面为界的右上质量部分、右上力臂、右下质量部分及右下力臂；

行走时，所述左腿组件和所述右腿组件以沿竖直方向垂直于地面的状态为初始状态；

所述左腿组件通过所述左摆腿关节驱动、以所述左摆腿转动轴为轴摆动相对竖直方向左右摆动，其中，所述左上质量部分与所述左下质量部分同步反向摆动；

所述右腿组件通过所述右摆腿关节驱动、以所述右摆腿转动轴为轴相对竖直方向左右摆动，其中，所述右上质量部分与所述右下质量部分同步反向摆动。

18.根据权利要求17所述的腿部结构，其特征在于，

行走时，所述左下质量部分和所述右下质量部分朝相反的方向摆动，所述左上质量部分和所述右上质量部分以相反的方向摆动，从而使所述左腿组件和所述右腿组件同时向外侧张开或者向中部收缩。

19.根据权利要求17所述的腿部结构，其特征在于，

行走时，所述左下质量部分和所述右下质量部分朝相同的方向摆动，所述左上质量部分和所述右上质量部分朝相同的方向摆动，从而使所述左腿组件和所述右腿组件同时向一侧摆动。

20.根据权利要求17所述的腿部结构，其特征在于，

行走时，所述左下质量部分和左上质量部分不摆动、所述右下质量部分和所述右上质量部分相对竖直方向左右摆动；或

所述右下质量部分和所述右上质量部分不摆动、所述左下质量部分和左上质量部分相对竖直方向左右摆动；

从而使所述左腿组件相对所述右腿组件摆动，或所述右腿组件相对所述左腿组件摆动。

21.一种双足机器人，其特征在于，包括权利要求1-20任一项所述的腿部结构。

22.一种人形机器人，其特征在于，包括权利要求21所述的双足机器人，作为下肢。

23.一种机器人，其特征在于，包括权利要求22所述的人形机器人。