CN117087786A - 一种机器人膝关节结构及人形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人膝关节结构，应用于机器人腿部结构，机器人腿部结构包括：脚掌和大腿支撑柱，机器人膝关节结构包括：连杆驱动机构和齿动机构；连杆驱动机构的一端与大腿支撑柱固定连接，另一端与齿动机构铰接；大腿支撑柱的一端与连杆驱动机构固定连接，另一端与齿动机构铰接；齿动机构远离大腿支撑柱的一端与脚掌连接；启动连杆驱动机构，连杆驱动机构控制齿动机构绕大腿支撑柱做旋转运动，齿动机构能够控制膝关节结构的弯曲角度，脚掌跟随齿动机构做同步旋转运动。本申请中膝关节由齿动机构实现弯曲，通过连杆驱动机构为齿动机构提供所需驱动力，克服了机器人膝关节结构弯曲能力较差，驱动源对腿部控制力不足的缺陷。

Description

一种机器人膝关节结构及人形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种机器人膝关节结构及人形机器人。

背景技术

人形机器人由于在面对复杂地形时仍具有良好机动性，因此近些年来人形机器人的研发得到了越来越多的重视。作为人形机器人的其中一种，双足行走的人形机器人需要完成类似人的腿部动作，那么人形机器人的腿部膝关节的设计尤其重要。通常情况下，机器人腿部膝关节由转轴、舵机和旋转电机组成，机器人腿部膝关节的转动由旋转电机控制，这会导致人形机器人膝关节的转动角度难以达到180度，且在旋转角度接近0度和180度时，腿部两端的力臂趋近于0，使得腿部的驱动转矩下降，影响人形机器人对膝关节的控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种机器人膝关节结构及人形机器人。

第一方面，本发明实施例提供了一种机器人膝关节结构，应用于机器人腿部结构，所述机器人腿部结构，包括：脚掌和大腿支撑柱，所述机器人膝关节结构，包括：连杆驱动机构和与所述连杆驱动机构连接的齿动机构；

所述连杆驱动机构的一端与所述大腿支撑柱固定连接，另一端与所述齿动机构铰接；

所述大腿支撑柱的一端与所述连杆驱动机构固定连接，另一端与所述齿动机构铰接；

所述齿动机构远离所述大腿支撑柱的一端与所述脚掌连接；

启动所述连杆驱动机构，所述连杆驱动机构控制所述齿动机构绕所述大腿支撑柱做旋转运动，齿动机构能够控制所述膝关节结构的弯曲角度，所述脚掌跟随所述齿动机构做同步旋转运动。

第二方面，本发明实施例还提供了一种人形机器人，包括：上述第一方面所述的机器人膝关节结构。

本申请第一方面和第二方面提供的方案中，通过连杆驱动机构控制齿动机构旋转，实现机器人腿部膝关节有限的自由弯曲并带动脚掌移动；与相关技术中机器人膝关节处采用舵机和旋转电机导致机器人膝关节无法伸直且腿部转矩受限相比，膝关节由齿动机构实现弯曲，通过连杆驱动机构为齿动机构提供所需驱动力，克服了机器人膝关节结构弯曲能力较差，驱动源对腿部控制力不足的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种机器人膝关节结构的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种机器人膝关节结构的大腿支撑柱示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种机器人膝关节结构的上齿件示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种机器人膝关节结构的下齿件示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种机器人膝关节结构的膝关节伸直状态示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的一种机器人膝关节结构的膝关节弯曲状态示意图。

图标：10、膝关节支架；11、第一伸缩杆；12、第一电机；13、膝关节中联件；14、第二电机；15、第三电机；16、下齿件；17、上齿件；18、大腿支撑柱；19、脚掌；20、第一开孔；21、第二开孔；22、第三开孔；23、第四开孔；24、第五开孔；25、第六开孔；26、第七开孔；27、第一孔洞；28、第二孔洞；29、第三孔洞；30、第一固定孔；31、第二固定孔；32、圆孔。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

作为人形机器人的重要组成部分，双足行走人形机器人的结构需要能够模仿人类双腿进行运动。现有的双足行走人形机器人中，膝关节处通常依靠舵机和旋转马达实现腿部运动，导致腿部的弯曲角度很难达到180度，且在旋转角度接近0度和180度时，大腿力臂趋近于0，驱动转矩产生严重下降，影响电机对膝关节的控制能力。

针对上述问题，本发明提出如下实施例。

实施例1

一种机器人膝关节结构，应用于机器人腿部结构，所述机器人腿部结构，包括：脚掌19和大腿支撑柱18，参见图1所示的机器人膝关节结构的结构示意图，所述机器人膝关节结构，包括：连杆驱动机构和与所述连杆驱动机构连接的齿动机构；所述连杆驱动机构的一端与所述大腿支撑柱18固定连接，另一端与所述齿动机构铰接；所述大腿支撑柱18的一端与所述连杆驱动机构固定连接，另一端与所述齿动机构铰接；所述齿动机构远离所述大腿支撑柱18的一端与所述脚掌19连接；启动所述连杆驱动机构，所述连杆驱动机构控制所述齿动机构绕所述大腿支撑柱18做旋转运动，齿动机构能够控制所述膝关节结构的弯曲角度，所述脚掌19跟随所述齿动机构做同步旋转运动。

本实施例中，大腿支撑柱18是整个膝关节结构的重要支撑部件，因此连杆驱动机构和齿动机构均与大腿支撑柱18连接。参见图2所示的机器人膝关节结构的大腿支撑柱示意图，大腿支撑柱18由两部分组成，分别是下半部分的矩形结构和上半部分的异形结构，其中矩形结构部分与齿动机构连接，异形结构部分与连杆驱动机构连接。

具体地，上述连杆驱动机构，包括：第一电机12、第一伸缩杆11、膝关节支架10、第二电机14和第三电机15；所述第一伸缩杆11的一端安装于所述第一电机12上；膝关节支架10的一端固定安装于所述大腿支撑柱18，膝关节支架10的另一端与第一伸缩杆11远离所述第一电机12的另一端连接；所述第一电机12远离所述第一伸缩杆11的一端和所述齿动机构铰接；所述齿动机构远离所述大腿支撑柱18的一端分别与所述第二电机14和所述第三电机15连接；所述第二电机14和所述第三电机15还分别与所述脚掌19连接_；启动所述第一电机12并控制所述11第一伸缩杆11产生推力，所述齿动机构在推力的作用下以与所述大腿支撑柱18的铰接处为圆心，绕所述大腿支撑柱18做圆周运动，以此控制所述膝关节结构的弯曲角度；所述齿动机构还通过所述第二电机14和所述第三电机15带动所述脚掌19同步做圆周运动。

本实施例中，该连杆驱动机构中使用的第一电机12、第二电机14和第三电机15均为直线型电机。第一电机12朝向上方进行摆放，第一伸缩杆11朝向上方进行伸缩运动，但区别于常规伸缩电机，上述的第一电机12与第一伸缩杆11由于摆放位置的关系，当启动时进行实际伸缩运动是第一电机12。膝关节支架的两端分别连接第一伸缩杆11和大腿支撑柱18，膝关节支架上有第一固定孔30和第二固定孔31与大腿支撑柱18连接。需注意，膝关节支架10的形状可以为倒置的L形，也可以为任一形状，但膝关节支架10与第一伸缩杆11需铰接，膝关节支架10与大腿支撑柱18需固定连接。特别地，膝关节结构在实现弯曲时只有第一电机12可以驱动齿动机构带动脚掌19进行移动，且脚掌19的运动轨迹为弧形轨迹，第二电机14和第三电机15用于连接脚掌19和齿动机构，第二电机14和第三电机15相当于“小腿”部件。

参见图3所示的上齿件示意图和参见图4所示的下齿件示意图，上述膝关节结构中的齿动机构，包括：上齿件17、下齿件16和膝关节中联件13；所述上齿件17与所述大腿支撑柱18远离所述膝关节支架10的另一端连接；所述下齿件16分别连接所述第二电机14和所述第三电机15；所述膝关节中联件13分别与所述上齿件17、所述下齿件16和所述第一电机12连接，所述上齿件17和所述下齿件16与所述膝关节中联件13连接后，所述上齿件17和所述下齿件16相互啮合。

所述第一伸缩杆11在所述第一电机12产生的推力作用下朝向所述膝关节支架10伸出，在伸出的过程中所述第一伸缩杆11与所述膝关节支架10接触，并受到所述膝关节支架10的阻挡而无法继续伸出时，所述膝关节支架10向所述第一伸缩杆11产生一个与所述推力方向相反的作用力，所述第一伸缩杆11在与所述推力方向相反的作用力的作用下，朝向所述第一电机12的方向运动，所述第一电机12受到来自所述第一伸缩杆11的推力。所述膝关节中联件13与所述第一电机12铰接处的一端受到所述第一电机12的推力后，所述膝关节中联件13以与大腿支撑柱18的铰接处为圆心，绕所述大腿支撑柱18作圆周运动，所述下齿件16跟随与所述膝关节中联件13的连接处同步做圆周运动；所述第二电机14和所述第三电机15跟随所述下齿件16作同步运动的同时，所述下齿件16与所述大腿支撑柱18连接的所述上齿件17进行啮合。

本实施例中，上齿件17和下齿件16为扇形结构，同时上齿件17与下齿件16具有一定厚度，并非为薄片状。具有一定厚度的上齿件17和下齿件16能够更好的承接大腿支撑柱18及机器人腰部以上的重量。膝关节中联件13绕大腿支撑柱18与上齿件17铰接处旋转，实现膝关节结构的竖直状态或弯折状态，因此膝关节中联件13不需要具有延展性。

同时，上齿件17上设置有第一开孔20、第二开孔21和第三开孔22；所述大腿支撑柱18通过所述第一开孔20、所述第二开孔21和所述第三开孔22固定连接于所述上齿件17上，大腿支撑柱18上分别设置有与第一开孔20、第二开孔21和第三开孔22重合的第一孔洞27、第二孔洞28和第三孔洞29；所述膝关节中联件13通过所述第一开孔20与所述上齿件17铰接；所述下齿件16在所述第一电机12控制下，围绕与上齿件17铰接的第一开孔20为圆心做圆周运动；所述膝关节中联件13在所述第一电机12作用下以所述第一开孔20为圆心做圆周运动，所述膝关节中联件13做圆周运动时对所述下齿件16提供推力，所述下齿件16受到所述膝关节中联件13的推力与所述上齿件17啮合做圆周运动。下齿件16上分别设置有第四开孔23、第五开孔24、第六开孔25和第七开孔26；所述第二电机14通过所述第四开孔23和所述第五开孔24与所述下齿件16连接；所述膝关节中联件13上设置圆孔32且与第六开孔25重合，膝关节中联件13通过圆孔32和所述第六开孔25与所述下齿件16铰接；所述第三电机15通过所述第七开孔26与所述下齿件16连接。

参见图5所示的膝关节伸直状态示意图和参见图6所示的膝关节弯曲状态示意图，通过上述齿动机构和连杆驱动机构中各结构的联动，可以实现机器人膝关节在一个自由度上灵活弯曲与伸直，具体膝关节结构存在以下两种状态：

(1)膝关节处于弯曲状态，启动第一电机12，第一电机12对第一伸缩杆11产生一定的外推力，第一伸缩杆11受到推力后向膝关节支架10处移动受阻，此时第一伸缩杆11保持不动，第一电机12相对第一伸缩杆11朝向脚掌19所在方向移动，第一电机12向下移动时对膝关节中联件13施加向下的压力，膝关节中联件13与第一电机12铰接的一端下移，膝关节中联件13与下齿件16的铰接端围绕第一开孔20做圆周运动，此时第二电机14、第三电机15和脚掌19跟随下齿件16做弧形运动，机器人腿部实现弯曲。

(2)膝关节处于伸直状态，控制第一伸缩杆收缩进第一电机12，第一电机12逐渐上移，膝关节中联件13与第一电机12铰接端围绕第一开孔20做反向弧形运动，膝关节中联件13与下齿件16同步做弧形运动，此时第二电机14和第三电机15逐渐与大腿支撑柱18之间的夹角增大，直至达到180度时，机器人腿部实现伸直。

综上所述，本申请第一方面和第二方面提供的方案中，通过连杆驱动机构控制齿动机构旋转，实现机器人腿部膝关节有限的自由弯曲并带动脚掌19移动；与相关技术中机器人膝关节处采用舵机和旋转电机导致机器人膝关节无法伸直且腿部转矩受限相比，膝关节由齿动机构实现弯曲，通过连杆驱动机构为齿动机构提供所需驱动力，克服了机器人膝关节结构弯曲能力较差，驱动源对腿部控制力不足的情况发生。

实施例2

本申请还公开了一种人形机器人，包括：上述机器人膝关节结构。因此，该人形机器人具有上述实施例1中所有技术效果，在此不再重复进行阐述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种机器人膝关节结构，其特征在于，应用于机器人腿部结构，所述机器人腿部结构，包括：脚掌和大腿支撑柱，所述机器人膝关节结构，包括：连杆驱动机构和与所述连杆驱动机构连接的齿动机构；

所述连杆驱动机构的一端与所述大腿支撑柱固定连接，另一端与所述齿动机构铰接；

所述大腿支撑柱的一端与所述连杆驱动机构固定连接，另一端与所述齿动机构铰接；

所述齿动机构远离所述大腿支撑柱的一端与所述脚掌连接；

启动所述连杆驱动机构，所述连杆驱动机构控制所述齿动机构绕所述大腿支撑柱做旋转运动，齿动机构能够控制所述膝关节结构的弯曲角度，所述脚掌跟随所述齿动机构做同步旋转运动。

2.根据权利要求1所述的机器人膝关节结构，其特征在于，所述连杆驱动机构，包括：第一电机、第一伸缩杆、膝关节支架、第二电机和第三电机；

所述第一伸缩杆的一端安装于所述第一电机上；

所述膝关节支架的一端固定安装于所述大腿支撑柱，另一端与所述第一伸缩杆远离所述第一电机的另一端连接；

所述第一电机远离所述第一伸缩杆的一端和所述齿动机构铰接；

所述齿动机构远离所述大腿支撑柱的一端分别与所述第二电机和所述第三电机连接；

所述第二电机和所述第三电机还分别与所述脚掌连接_；

启动所述第一电机并控制所述第一伸缩杆产生推力，所述齿动机构在推力的作用下以与所述大腿支撑柱的铰接处为圆心，绕所述大腿支撑柱做圆周运动，以此控制所述膝关节结构的弯曲角度；所述齿动机构还通过所述第二电机和所述第三电机带动所述脚掌同步做圆周运动。

3.根据权利要求2所述的机器人膝关节结构，其特征在于，所述第一电机、所述第二电机和所述第三电机均为直线型电机。

4.根据权利要求2所述的机器人膝关节结构，其特征在于，所述齿动机构，包括：上齿件、下齿件和膝关节中联件；

所述上齿件与所述大腿支撑柱远离所述膝关节支架的另一端连接；

所述下齿件分别连接所述第二电机和所述第三电机；

所述膝关节中联件分别与所述上齿件、所述下齿件和所述第一电机连接，所述上齿件和所述下齿件与所述膝关节中联件连接后，所述上齿件和所述下齿件相互啮合；

所述第一伸缩杆在所述第一电机产生的推力作用下朝向所述膝关节支架伸出，在伸出的过程中所述第一伸缩杆与所述膝关节支架接触，并受到所述膝关节支架的阻挡而无法继续伸出时，所述膝关节支架向所述第一伸缩杆产生一个与所述推力方向相反的作用力，所述第一伸缩杆在与所述推力方向相反的作用力的作用下，朝向所述第一电机的方向运动，所述第一电机受到来自所述第一伸缩杆的推力；

所述膝关节中联件与所述第一电机铰接处的一端受到所述第一电机的推力后，所述膝关节中联件以与大腿支撑柱的铰接处为圆心，绕所述大腿支撑柱作圆周运动，所述下齿件跟随与所述膝关节中联件的连接处同步做圆周运动；所述第二电机和所述第三电机跟随所述下齿件作同步运动的同时，所述下齿件与所述大腿支撑柱连接的所述上齿件进行啮合。

5.根据权利要求4所述的机器人膝关节结构，其特征在于，所述上齿件上设置有第一开孔、第二开孔和第三开孔；

所述大腿支撑柱通过所述第一开孔、所述第二开孔和所述第三开孔固定连接于所述上齿件上；

所述膝关节中联件通过所述第一开孔与所述上齿件铰接；

所述下齿件在所述第一电机控制下，围绕与上齿件铰接的第一开孔为圆心做圆周运动；

所述膝关节中联件在所述第一电机作用下以所述第一开孔为圆心做圆周运动，所述膝关节中联件做圆周运动时对所述下齿件提供推力，所述下齿件受到所述膝关节中联件的推力与所述上齿件啮合做圆周运动。

6.根据权利要求4所述的机器人膝关节结构，其特征在于，所述下齿件上分别设置有第四开孔、第五开孔、第六开孔和第七开孔；

所述第二电机通过所述第四开孔和所述第五开孔与所述下齿件连接；

所述膝关节中联件通过所述第六开孔与所述下齿件铰接；

所述第三电机通过所述第七开孔与所述下齿件连接。

7.根据权利要求1所述的机器人膝关节结构，其特征在于，所述膝关节中联件和所述上齿件均通过所述第一开孔与所述大腿支撑柱铰接。

8.一种人形机器人，其特征在于，包括：上述1-7任一项所述的机器人膝关节结构。