CN206811997U - 一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，包括髋骨主体、左右摆动舵机、左右摆动传动杆、支撑凸起、支撑凹槽、旋转舵机固定套、旋转舵机、前后摆动舵机和前后摆动舵机固定套。左右摆动舵机通过左右摆动传动杆驱动旋转舵机固定套左右摆动，旋转舵机驱动前后摆动舵机固定套旋转，前后摆动舵机驱动大腿部件前后摆动；支撑凸起、支撑凹槽相配合，左右摆动传动杆绕左右摆动舵机旋转时，支撑凹槽在支撑凸起表面滑动，承受了大部分载荷。其结构简单，故障率低；具有三个自由度，其活动效果近似人体髋关节的真实构造；各舵机驱动轴只承受转动阻力，不承受偏心力矩，延长了舵机的使用寿命。

Description

一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成

技术领域

本实用新型涉及机械学、力学等领域，涉及一种机器人髋关节结构，具体涉及一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成。

背景技术

随着机器人技术的发展和人们对科技产品要求的越来越高，仿人形的双足机器人的应用前景越来越好，而仿人形机器人最难实现的机械结构就是对人体髋关节的模拟。由于髋关节具有三个自由度，是人体中最复杂关节；由于机器人上半身的重量全部压在髋关节上，行走时的机器人下肢的重量也全部挂在髋关节上，因此髋关节的载荷是很大的。长期使用时，髋关节往往成为最先磨损的一个关节。中国专利200710046462.7公开了一种步行机器人悬臂型髋关节机构，其自上而下依次是旋转电机、左右摆动电机、前后摆动电机，其大腿旋转方式是以大腿内侧靠近裆部的位置为轴心旋转，不符合人体以大腿轴心线为轴心旋转的实际情况，也不利于仿人形机器人做动作时的平衡。该专利以直流电机为驱动力，由于直流电机是以输出力矩为信号参数的，无法实现对关节转动角度的精确控制。中国专利201610897734.3公开了一种仿真智能机器人的髋关节总成，只具有两个自由度，而且驱干的重量全部由电机驱动轴来承担，电机驱动轴长时间承受侧向偏心力矩，长期运行会损坏电机。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其主体结构包括髋骨主体、左右摆动舵机、左右摆动传动杆、支撑凸起、支撑凹槽、旋转舵机固定套、旋转舵机、前后摆动舵机和前后摆动舵机固定套。

髋骨主体上方设有躯干支撑轴承，髋骨主体内部设有两个左右摆动舵机，左右摆动舵机主体与髋骨主体之间固定连接；左右摆动传动杆的一端与左右摆动舵机驱动轴固定连接，左右摆动传动杆的另一端与旋转舵机固定套固定连接；髋骨主体的左右两侧各设有一个支撑凸起，支撑凸起的形状是半球形，球心在左右摆动舵机驱动轴延长线上；旋转舵机固定套靠近支撑凸起的一侧设有支撑凹槽，支撑凹槽的构造是四分之一球形，支撑凹槽的直径是支撑凸起直径的0.09倍～1.0001倍，支撑凹槽与支撑凸起之间接触连接；旋转舵机固定套的主体形状是球形壳体，下方设有圆形平台；旋转舵机设于旋转舵机固定套内部，旋转舵机主体与旋转舵机固定套固定连接，旋转舵机驱动轴与前后摆动舵机固定套连接；前后摆动舵机固定套的形状是圆柱形，其圆周侧面上设有一个圆柱形凸台，前后摆动舵机固定套内设有前后摆动舵机，前后摆动舵机主体与前后摆动舵机固定套固定连接，前后摆动舵机驱动轴与机器人的大腿部件固定连接，前后摆动舵机固定套与机器人的大腿部件铰连接。旋转舵机固定套的圆形平台的环形底面与前后摆动舵机固定套的圆柱形凸台的环形顶面之间接触并滑动摩擦。

优选的，还包括左右摆动联轴装置、左右传动轴、左右摆动传动销、左右第一传动键、左右第二传动键，左右摆动联轴装置的形状是圆柱形，远离左右摆动舵机的底面上设有左右摆动联轴凸台，左右摆动联轴凸台上设有左右摆动联轴第一轴孔，左右摆动联轴装置的靠近左右摆动舵机的底面上设有左右摆动联轴第二轴孔，左右摆动联轴装置与髋骨主体之间设有左右滚动轴承；左右摆动舵机驱动轴通过左右摆动传动销固定在左右摆动联轴第二轴孔内；左右摆动传动杆上设有左右传动轴孔，左右传动轴的一端通过左右第一传动键固定在左右传动轴孔内，左右传动轴的另一端通过左右第二传动键固定在左右摆动联轴第一轴孔内；

优选的，还包括前后摆动联轴装置、前后摆动联轴凸台、前后传动轴、前后滚动轴承、前后第一传动键、前后第二传动键、前后摆动传动销、前后摆动联轴第一轴孔、前后摆动联轴第二轴孔、前后传动轴孔、前后支撑轴和前后支撑轴孔；前后摆动舵机驱动轴与机器人的大腿部件之间通过前后摆动联轴装置固定连接；前后摆动联轴装置的形状是圆柱形，前后摆动联轴装置的远离前后摆动舵机的底面上设有前后摆动联轴凸台，前后摆动联轴凸台上设有前后摆动联轴第一轴孔，前后摆动联轴装置的靠近前后摆动舵机的底面设有前后摆动联轴第二轴孔，前后摆动舵机驱动轴通过前后摆动传动销固定在前后摆动联轴第二轴孔内；大腿部件上端设有前后传动轴孔和前后支撑轴孔；前后传动轴孔设于大腿部件的靠近前后摆动联轴装置的一侧，前后支撑轴孔设于大腿部件的远离前后摆动联轴装置的一侧；前后传动轴的一端通过前后第一传动键固定在前后传动轴孔内，前后传动轴的另一端通过前后第二传动键固定在前后摆动联轴第一轴孔内。前后摆动联轴装置与前后摆动舵机固定套之间设有前后滚动轴承。前后支撑轴安装在前后支撑轴孔中，前后支撑轴与前后支撑轴孔之间是轴承连接；前后支撑轴可以在前后支撑轴孔中旋转。

优选的，髋骨主体的左方向为x轴正方向，左右摆动舵机驱动轴轴心线与z轴平行，旋转舵机驱动轴轴心线与y轴平行，前后摆动舵机驱动轴轴心线与x轴平行；位于左侧的左右摆动传动杆的中轴线与y轴负方向的锐角夹角是60度，与x轴负方向的锐角夹角是30度；位于右侧的左右摆动传动杆的中轴线与y轴负方向的锐角夹角是60度，与x轴正方向的锐角夹角是30度。

优选的，支撑凹槽的直径与支撑凸起直径相同。

优选的，支撑凸起和支撑凹槽表面设有耐磨涂层。

本实用新型同现有技术相比：结构简单，故障率低；具有三个自由度，其活动效果近似人体髋关节的真实构造；各舵机驱动轴只承受转动阻力，不承受偏心力矩，延长了舵机的寿命；舵机相比电机控制角度更精准，可静态停止，适合做动作。

附图说明

图1为本实用新型实施例涉及的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成的结构原理示意图。

图2为本实用新型实施例涉及的左右摆动联轴装置的结构原理示意图。

图3为本实用新型实施例涉及的前后摆动联轴装置的结构原理示意图。

图中：100-髋骨主体、101-躯干支撑轴承、210-左右摆动舵机、211-左右摆动舵机主体、212-左右摆动舵机驱动轴、220-左右摆动传动杆、230-支撑凸起、240-支撑凹槽、250-左右摆动联轴装置、251-左右摆动联轴凸台；260-左右传动轴、261-左右滚动轴承、271-左右第一传动键、272-左右第二传动键、273-左右摆动传动销、281-左右摆动联轴第一轴孔、282-左右摆动联轴第二轴孔、283-左右传动轴孔、310-旋转舵机、311-旋转舵机主体、312-旋转舵机驱动轴、320-旋转舵机固定套、321-圆形平台、410-前后摆动舵机、411-前后摆动舵机主体、412-前后摆动舵机驱动轴、420-前后摆动舵机固定套、421-圆柱形凸台、430-前后摆动联轴装置、431-前后摆动联轴凸台、440-前后传动轴、441-前后滚动轴承、451前后第一传动键、452前后第二传动键、453-前后摆动传动销、461-前后摆动联轴第一轴孔、462-前后摆动联轴第二轴孔、463-前后传动轴孔、471前后支撑轴与472前后支撑轴孔、500-大腿部件。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步描述。

实施例1：如图1、图2和图3所示，一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其主体结构包括髋骨主体100、左右摆动舵机210、左右摆动传动杆220、支撑凸起230、支撑凹槽240、旋转舵机310、旋转舵机固定套320、前后摆动舵机410和前后摆动舵机固定套420。髋骨主体100的上方设有躯干支撑轴承101，躯干支撑轴承101的作用是与机器人躯干部分的旋转舵机固定连接，髋骨主体100内部设有两个左右摆动舵机210，左右摆动舵机210包括左右摆动舵机主体211和左右摆动舵机驱动轴212，左右摆动舵机主体211与髋骨主体100之间固定连接；左右摆动传动杆220的一端与左右摆动舵机驱动轴212固定连接，左右摆动传动杆220的另一端与旋转舵机固定套320固定连接；髋骨主体100的左右两侧各设有一个支撑凸起230，支撑凸起230的形状是半球形，半球形支撑凸起230的球心在左右摆动舵机驱动轴212的延长线上；旋转舵机固定套320的靠近支撑凸起230的一侧设有支撑凹槽240，支撑凹槽240的构造是四分之一球形，支撑凹槽240的直径是支撑凸起230直径的0.09倍～1.0001倍，支撑凹槽240与支撑凸起230之间接触并滑动摩擦；旋转舵机固定套320的主体形状是球形壳体，其下方设有圆形平台321；旋转舵机310设于旋转舵机固定套320内部，旋转舵机310包括旋转舵机主体311和旋转舵机驱动轴312；旋转舵机主体311与旋转舵机固定套320固定连接，旋转舵机驱动轴312与前后摆动舵机固定套420连接；前后摆动舵机固定套420的形状是圆柱形，其圆周侧面上设有一个圆柱形凸台421，前后摆动舵机固定套420内设有前后摆动舵机410，前后摆动舵机410包括前后摆动舵机主体411和前后摆动舵机驱动轴412，前后摆动舵机主体411与前后摆动舵机固定套420固定连接，前后摆动舵机驱动轴412与机器人的大腿部件500固定连接，前后摆动舵机固定套420与机器人的大腿部件500旋转连接。旋转舵机固定套320上的圆形平台321的环形底面与前后摆动舵机固定套420的圆柱形凸台421的环形顶面之间接触并滑动摩擦。

本实施例涉及的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成还包括左右摆动联轴装置250、左右传动轴260、左右第一传动键271、左右第二传动键272、左右摆动传动销273；左右摆动联轴装置250的形状是圆柱形，左右摆动联轴装置250的一个底面上设有左右摆动联轴凸台251，该底面是圆柱形左右摆动联轴装置250两个底面中的远离左右摆动舵机210的一个，左右摆动联轴凸台251上设有左右摆动联轴第一轴281，左右摆动联轴装置250的靠近左右摆动舵机210的底面上设有左右摆动联轴第二轴孔262，左右摆动联轴装置250与髋骨主体100之间设有左右滚动轴承261；左右摆动舵机驱动轴212通过左右摆动传动销273固定在左右摆动联轴第二轴孔282内；左右摆动传动杆220上设有左右传动轴孔283，左右传动260的一端通过左右第一传动键271固定在左右传动轴孔283内，左右传动轴260的另一端通过左右第二传动键272固定在左右摆动联轴第一轴孔281内。

本实施例涉及智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成还包括前后摆动联轴装置430、前后摆动联轴凸台431、前后传动轴440、前后滚动轴承441、前后第一传动键451、前后第二传动键452、前后摆动传动销453、前后摆动联轴第一轴孔461、前后摆动联轴第二轴孔462、前后传动轴孔463、前后支撑轴471和前后支撑轴孔472。前后摆动舵机驱动轴412与机器人的大腿部件500之间通过前后摆动联轴装置430固定连接；前后摆动联轴装置430的形状是圆柱形，前后摆动联轴装置430的远离前后摆动舵机410的底面上设有前后摆动联轴凸台431，前后摆动联轴凸台431上设有前后摆动联轴第一轴孔461，前后摆动联轴装置430的靠近前后摆动舵机410的底面设有前后摆动联轴第二轴孔462，前后摆动舵机驱动轴412通过前后摆动传动销453固定在前后摆动联轴第二轴孔462内；大腿部件500上端设有前后传动轴孔463和前后支撑轴孔472；前后传动轴孔463设于大腿部件500的靠近前后摆动联轴装置430的一侧，前后支撑轴孔472设于大腿部件500的远离前后摆动联轴装置430的一侧；前后传动轴440的一端通过前后第一传动键451固定在前后传动轴孔463内，前后传动轴440的另一端通过前后第二传动键452固定在前后摆动联轴第一轴孔461内。前后摆动联轴装置430与前后摆动舵机固定套420之间设有前后滚动轴承441；前后支撑轴471安装在前后支撑轴孔472中，前后支撑轴471与前后支撑轴孔472之间是旋转连接。

实施例2：如图1所示，本实施例涉及的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成其主体机构与实施例1相同，区别在于，髋骨主体1的左方向为x轴正方向，左右摆动舵机驱动轴212的轴心线与z轴平行，旋转舵机驱动轴312的轴心线与y轴平行，前后摆动舵机驱动轴412的轴心线与x轴平行；位于左侧的第一左右摆动传动杆220的中轴线与y轴负方向的锐角夹角是60度，与x轴负方向的锐角夹角是30度；位于右侧的第二左右摆动302传动杆的中轴线与y轴负方向的锐角夹角是60度，与x轴正方向的锐角夹角是30度。

实施例3：如图1所示，本实施例涉及的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成其主体机构与实施例1相同，区别在于，支撑凹槽240的直径和支撑凸起230直径相同。

实施例4：如图1所示，本实施例涉及的仿人形机器人的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成其主体机构与实施例1相同，区别在于，旋转舵机固定套320的圆形平台321的环形底面、前后摆动舵机固定套420的圆柱形凸台421的环形顶面、支撑凸起230的表面和支撑凹槽240的表面均设有耐磨涂层。

本实用新型涉及的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成的运行原理和过程是：左右摆动舵机210通过左右摆动传动杆220驱动旋转舵机固定套320左右摆动，旋转舵机310驱动前后摆动舵机固定套420旋转，前后摆动舵机410驱动大腿部件500前后摆动。支撑凸起230、支撑凹槽240相配合，左右摆动传动杆220绕左右摆动舵机210旋转时，支撑凹槽240在支撑凸起230的表面滑动，支撑凹槽240和左右摆动联轴装置250承受了机器人的重量载荷，因此左右摆动舵机驱动轴212只承受转动阻力，不承受偏心力矩；旋转舵机固定套320的圆形平台321的环形底面与前后摆动舵机固定套420的圆柱形凸台421的环形顶面之间接触并滑动摩擦，承载了机器人的重量载荷，因此旋转舵机驱动轴312只承受转动阻力，不承受偏心力矩；前后摆动舵机固定套420与机器人的大腿部件500旋转连接，前后摆动联轴装置430和前后支撑轴471承受了机器人的重量载荷，因此前后摆动舵机驱动轴412只承受转动阻力，不承受偏心力矩。在机器人正常的磨损状况下，优先疲劳损坏的是前后支撑轴471、前后传动轴440和左右传动轴260，这些均属于容易替换、价格低廉的零件，从而保护了舵机驱动轴，避免了相对昂贵、不易安装的舵机驱动轴的替换。

Claims (6)

1.一种智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其主体结构包括髋骨主体、左右摆动舵机、左右摆动传动杆、支撑凸起、支撑凹槽、旋转舵机固定套、旋转舵机、前后摆动舵机和前后摆动舵机固定套；髋骨主体上方设有躯干支撑轴承，髋骨主体内部设有两个左右摆动舵机，左右摆动舵机主体与髋骨主体之间固定连接；左右摆动传动杆的一端与左右摆动舵机驱动轴固定连接，左右摆动传动杆的另一端与旋转舵机固定套固定连接；髋骨主体的左右两侧各设有一个支撑凸起，支撑凸起的形状是半球形，支撑凸起的球心在左右摆动舵机驱动轴延长线上；旋转舵机固定套靠近支撑凸起的一侧设有支撑凹槽，支撑凹槽的构造是四分之一球形，支撑凹槽的直径是支撑凸起直径的0.09倍～1.0001倍，支撑凹槽与支撑凸起之间接触连接；旋转舵机固定套的主体形状是球形壳体，下方设有圆形平台；旋转舵机设于旋转舵机固定套内部，旋转舵机主体与旋转舵机固定套固定连接，旋转舵机驱动轴与前后摆动舵机固定套连接；前后摆动舵机固定套的形状是圆柱形，其圆周侧面上设有一个圆柱形凸台，前后摆动舵机固定套内设有前后摆动舵机，前后摆动舵机主体与前后摆动舵机固定套固定连接，前后摆动舵机驱动轴与机器人的大腿部件固定连接，前后摆动舵机固定套与机器人的大腿部件铰连接；旋转舵机固定套的圆形平台的环形底面与前后摆动舵机固定套的圆柱形凸台的环形顶面之间接触。

2.根据权利要求1所述的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其特征在于：包括左右摆动联轴装置、左右传动轴、左右摆动传动销、左右第一传动键和左右第二传动键；左右摆动联轴装置的形状是圆柱形，远离左右摆动舵机的底面上设有左右摆动联轴凸台，左右摆动联轴凸台上设有左右摆动联轴第一轴孔，左右摆动联轴装置的靠近左右摆动舵机的底面上设有左右摆动联轴第二轴孔，左右摆动联轴装置与髋骨主体之间设有左右滚动轴承；左右摆动舵机驱动轴通过左右摆动传动销固定在左右摆动联轴第二轴孔内；左右摆动传动杆上设有左右传动轴孔，左右传动轴的一端通过左右第一传动键固定在左右传动轴孔内，左右传动轴的另一端通过左右第二传动键固定在左右摆动联轴第一轴孔内。

3.根据权利要求1或2所述的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其特征在于：包括前后摆动联轴装置、前后摆动联轴凸台、前后传动轴、前后滚动轴承、前后第一传动键、前后第二传动键、前后摆动传动销、前后摆动联轴第一轴孔、前后摆动联轴第二轴孔、前后传动轴孔、前后支撑轴和前后支撑轴孔；前后摆动舵机驱动轴与机器人的大腿部件之间通过前后摆动联轴装置固定连接；前后摆动联轴装置的形状是圆柱形，前后摆动联轴装置的远离前后摆动舵机的底面上设有前后摆动联轴凸台，前后摆动联轴凸台上设有前后摆动联轴第一轴孔，前后摆动联轴装置的靠近前后摆动舵机的底面设有前后摆动联轴第二轴孔，前后摆动舵机驱动轴通过前后摆动传动销固定在前后摆动联轴第二轴孔内；大腿部件上端设有前后传动轴孔和前后支撑轴孔；前后传动轴孔设于大腿部件的靠近前后摆动联轴装置的一侧，前后支撑轴孔设于大腿部件的远离前后摆动联轴装置的一侧；前后传动轴的一端通过前后第一传动键固定在前后传动轴孔内，前后传动轴的另一端通过前后第二传动键固定在前后摆动联轴第一轴孔内；前后摆动联轴装置与前后摆动舵机固定套之间设有前后滚动轴承；前后支撑轴安装在前后支撑轴孔中，前后支撑轴与前后支撑轴孔之间是轴承连接；前后支撑轴可以在前后支撑轴孔中旋转。

4.根据权利要求1所述的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其特征在于：所述髋骨主体的左方向为x轴正方向，左右摆动舵机驱动轴轴心线与z轴平行，旋转舵机驱动轴轴心线与y轴平行，前后摆动舵机驱动轴轴心线与x轴平行；位于左侧的左右摆动传动杆的中轴线与y轴负方向的锐角夹角是60度，与x轴负方向的锐角夹角是30度；位于右侧的左右摆动传动杆的中轴线与y轴负方向的锐角夹角是60度，与x轴正方向的锐角夹角是30度。

5.根据权利要求1所述的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其特征在于：所述支撑凹槽的直径与支撑凸起直径相同。

6.根据权利要求1所述的智能仿人形机器人的三自由度髋关节总成，其特征在于：所述支撑凸起和支撑凹槽表面设有耐磨涂层。