CN1833829A - 髋关节采用双球型机构的七自由度腿部的两足步行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有双球型髋关节机构和7自由度腿部的仿人机器人下肢关节结构，其中髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节3个自由度。髋关节采用双球型机构，即六个旋转轴交于一点，这样在膝关节和踝关节不动作的时候，使仿人型机器人在不增加关节的情况下实现腰部功能。踝关节添加一个旋转的自由度，可以使仿人机器人的腿部实现更加丰富的动作。
Description
所属技术领域：
本发明涉及机械电子自动化领域，是一种仿人机器人的七自由度腿部机构，适用于机器人技术。
背景技术：
仿人型步行机器人的研制，是人类科学技术发展的理想之一，具有重要的学术价值、潜在的应用前景和广泛的社会效益。
目前，仿人型机器人的腿部大多采用六自由度机构，如图1所示，踝关节2个自由度，膝关节1个自由度，髋关节3个自由度。为了提高机器人重心的可控制性，避免奇点，目前普遍采用机构构形的仿人型机器人都屈膝前行，这就要求机器人膝关节采用较大功率的电机，以满足屈膝所带来的高能耗。增加腰部关节可以避免屈膝及因此带来的能耗问题，但是添加关节又会增加制造成本。另外，传统的6自由度腿部仿人机器人，在足部着地后，腿部构形唯一，缺乏灵活性，在某些特殊情况下，尤其在不规则路面行走，机器人很难实现身体平衡。
发明内容：
本发明的目的正是为了解决能耗以及机器人肢体平衡问题，使机器人下肢能够实现更加丰富的动作而提出的一种新的具有双球型髋关节机构和7自由度腿部的仿人机器人下肢关节结构。
本发明采用的技术方案是：机器人腿部由髋关节，膝关节和踝关节三部分组成。其中，髋关节处采用双球型关节，双球型关节是一种六自由度机构，它的六个旋转轴相交于一点。膝关节由一个自由度构成。踝关节采用三个自由度，在传统机器人2个自由度踝关节的基础上增加Z方向旋转的自由度。
其主要技术方案为：
具有7自由度腿部的仿人型机器人下肢机构的6自由度的双球型髋关节的X方向电机的输出端与左右两组大腿板连接，大腿板上固定两个电机，其旋转部分与小腿板连接，形成膝关节；小腿板上固定踝关节的X方向电机，踝关节的Z方向电机输出轴分别与足底板连接。
6自由度的双球型髋关节的X方向两电机的输出轴共线，固定端分别通过转接部件与Y方向的电机的输出端连接，Y方向的电机输出轴共线，与X方向输出轴的轴线交点记为a，Y方向的电机固定在直角转接部件上，Z方向的电机的输出部分与直角转接部件连接，Z方向的一个电机的输出端通过传动比为1∶1的齿轮组传动，使其所在的直角转接部件的转动中心转移，使之与Z方向另一电机输出轴共线，且通过点a。从而实现髋关节的六自由度相交于一点a。在膝关节和踝关节不动作的时候，通过髋关节电机的转动可以实现腰部功能。
具有3自由度的踝关节的X方向电机固定在小腿板上，其输出端与Y方向电机的固定端连接，Z方向电机的固定端与Y方向电机的输出端连接，Z方向电机的输出端与足底板连接。这样机器人可以通过踝关节Z方向电机的旋转来改变脚板方向，从而实现更多动作。
本发明的有益效果是：
1.髋关节采用双球型机构可以实现腰部功能，而不增加关节数量；机器人不必为了控制上肢的平衡而屈膝前行。
2.由于踝关节增加了一个旋转自由度，可以使脚板在不规则的地面着地，机器人也可以完成比传统机器人更多的动作。
附图说明：
图1是传统仿人形机器人的下肢自由度分布示意图；
图2是本发明的自由度分布示意图；
图3是本发明的电机外形；
图4是本发明的具有7自由度腿部的机器人下肢；
图5是本发明的具有6自由度的双球型髋关节结构；
图6是本发明的具有3自由度的踝关节结构。
图中：1、11-足底板，2、10-踝关节，3、9-小腿板，4、8-电机，5、7-大腿板，6-双球型髋关节，12、13-X方向电机，14、15-Y方向电机，16、17-Z方向电机，18-齿轮组，19、20-部件，21、22-部件，23、24、25-电机，26-足底板
具体实施方式：
本发明的机器人腿部由髋关节，膝关节和踝关节三部分组成。机器人髋关节处采用双球型关节，腿部具有7自由度，双球型关节是一种六自由度机构，它的六个旋转轴相交于一点。髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节采用三个自由度，在传统机器人2个自由度踝关节的基础上增加Z方向旋转的自由度。
本发明中所说电机均为同一类型电机，其外形及输出端和固定端如图3所示。
具有7自由度腿部的仿人型机器人下肢机构如图4所示，它的6自由度的双球型髋关节(6)的X方向电机的输出端与左右两组大腿板(5)、(7)连接，电机(4)、(8)固定在大腿板(5)、(7)上，电机(4)、(8)的旋转部分与小腿板(3)、(9)连接，形成膝关节；踝关节(2)、(10)的X方向电机的固定端分别安装在小腿板(3)和(9)上，踝关节(2)、(10)的Z方向电机输出轴分别与足底板(1)、(11)连接。
6自由度的双球型髋关节如图5所示，它的X方向电机(12)、(13)的输出轴共线，固定端分别通过部件(19)、(20)与Y方向的电机(15)、(14)的输出端连接，电机(15)、(14)的输出轴共线，轴线交点记为a，电机(15)、(14)的固定端分别通过部件(21)、(22)与Z方向的电机(17)、(16)的输出部分连接，电机(16)的输出端通过传动比为1∶1的齿轮组(18)传动，使部件(22)的转动中心转移，使之与电机(17)输出轴共线，且通过点a。从而实现髋关节的六自由度相交于一点a。
具有3自由度的踝关节如图6所示，电机(23)固定在小腿板上，其输出端与电机(24)的固定端连接，电机(25)的固定端与电机(24)的输出端连接，电机(25)的输出端与足底板(26)连接。
Claims (3)
1.一种具有双球型髋关节机构的7自由度腿部的两足步行机器人，机器人腿部由髋关节，膝关节和踝关节三部分组成，其特征在于：机器人髋关节处采用双球型关节，腿部具有7自由度；
2.如权利要求1所述的两足步行机器人，其特征在于：双球型关节是一种六自由度机构，它的六个旋转轴相交于一点；
3.如权利要求1所述的两足步行机器人，其特征在于：髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节采用三个自由度，在传统机器人2个自由度踝关节的基础上增加z方向旋转的自由度。
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2006
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