CN208715325U - 便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿 - Google Patents

Abstract

便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，包括大腿、小腿和足部，连接架，动力装置和控制装置，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过关节相连；所述小腿数量为至少两个；所述动力装置、控制装置设于大腿和/或小腿和/或连接架的框架内。本实用新型之便装式仿生腿，与仿生机器人主体固连、拆卸、更换方便，适用范围广，操作控制简单。

Description

便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿

技术领域

本实用新型涉及智能仿生机器人，尤其是涉及用于大型多足机器人的多关节仿生机械腿。

背景技术

具备多自由度的仿生机械腿的足式机器人活动矫健，灵活性和表演性大大增强，可跨越较大的障碍物，如沟、坎，具有极强的凸凹地形适应能力和运行稳定性，因而引起各国科技工作者的重视。

对于仿生机器人的关键部件——仿生机械腿，国内外的研究成果相当丰富，种类很多，主要可以概括为如下几类。

第一类，采用机械传动的仿生机械腿。如CN 201510404058.7公开了一种足式机器人的腿部结构，采用链条、链轮、多连杆机构实现腿部运动；这类仿生腿存在以下缺陷：一是动力集中在主体框架上，结构复杂，安装维护不方便，可靠性差；二是运动模式单一，仅适合特定路面，无法适应崎岖复杂地形；三是驱动器和关节运动呈非线性关系，导致控制系统复杂；四是由于结构复杂，多数仅采用2-3自由度，不便于自由度扩展来实现更多功能。

第二类，采用“伺服电机+减速机”驱动仿生腿关节回转运动的仿生机械腿。如CN201220166860.9公开的一种电子机器人，以髋伺服机、腿伺服机、脚踝伺服机等伺服电机来实现腿部摆动或转动运动，可执行跳舞、扭腰、步行和多种复杂运动；CN 201110142086.8公开了一种十二足机器人，以主伺服电机、活动伺服电机、旋转伺服电机驱动腿部关节运动；这类仿生腿存在以下不足：一是这些仿生腿上无自身动力，动力集中在机器人主体框架上，需通过电缆输送至仿生腿上，极易因连接线缆磨损而整机瘫痪；二是其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题，三是这些机械腿和主体框架上的动力相连，安装维护大多不方便，四是采用集中的控制器来控制所有仿生腿的各个关节运动时，控制程序复杂，编程工作量大。

第三类，采用液压动力驱动的仿生机械腿，如CN201510644743.7公开的一种四足机器人，采用电动伺服液压源驱动系统驱动仿生腿关节运动；这些机器人的仿生腿虽解决了关节扭矩小的问题，适合大型多足机器人，但仍存在如下问题：其一，动力源集中在主体框架上，需由机器人主体框架上的液压动力系统提供各个仿生腿的关节液压动力，极易因连接线缆或液压管道磨损而瘫痪；其二，其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题；其三，仿生腿及其中布置的连接线缆或/和液压管道与机器人主体框架须直接相连接，拆装维护极不方便；其四，一般考虑管路、线路和仿生机器人主体连接的可靠性和复杂性，通常仅设置自由度2-4个。

另一方面，多自由度的工业机器人目前已运用成熟，控制算法和控制精度均满足实际工业需求，如CN201710689327.8公开了一种仿人双臂多自由度工业机器人，包括躯干系统、机械臂系统、底座系统，所述机械臂系统包括肩关节、上臂杆、肘关节、前臂杆和腕关节，肩关节与肘关节之间通过上臂杆固定连接，肘关节与腕关节之间通过前臂杆固定连接；这类工业机器人多个自由度带来的灵活性，以及多自由度的控制算法对足式机器人仿生腿开发具有很好的借鉴作用；但若直接作为仿生机械腿应用，存在如下缺陷：其一，工业机器人一般采用大型减速机和伺服电机来确保关节扭矩和运转精度，体积和重量均较大，不适合在足式机器人的仿生腿上运用；其二，工业机器人多数采用伺服电机驱动，动作精度要求高，但带来动作比较僵硬，不柔和，不适合足式机器人仿生腿运动的实际情况；其三，工业机器人多数采用外部动力控制，电缆线束复杂，极易因连接线缆磨损而瘫痪。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种结构简单，工作可靠，拆装维护方便，关节扭矩大，自由度多，动作灵活，控制系统简单，充电效率高，适应于大型多足机器人的带自主分布动力的多关节仿生机械腿。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，包括大腿、小腿和足部，其特征在于，还设有连接架、动力装置和控制装置，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过关节相连；所述连接架用于将所述仿生腿与仿生机器人固定连接或拆卸；所述小腿数量为至少两个；所述动力装置用于给所述仿生腿提供动力驱动，所述控制装置用于控制所述仿生腿的运动。

进一步，所述动力装置为电池组和/或太阳能薄膜件，和/或压电材料件；所述电池组设于大腿和/或小腿的框架内；所述太阳能薄膜件设置在所述大腿和/或小腿上，所述压电材料件设置在所述足部上。

进一步，所述动力装置为液压动力装置，所述液压动力装置包括电源、驱动电机、液压泵、油箱和电磁阀组；所述电源为电池组和/或太阳能薄膜件，和/或压电材料件，和/或温差发电材料件；所述电池组为一组或多组可充电的锂电池组和/或石墨烯电池组；所述太阳能薄膜件设置在所述大腿和/或小腿上，所述压电材料件设置在所述足部上，所述温差发电材料件设置在油箱上。

进一步，所述控制装置包括控制器、充电口和电插件，所述控制器设在所述大腿内，用于控制所述关节的运动；所述充电口设置在所述足部上，可实现有线或无线感应充电；所述电插件设置在所述连接架上，可通过有线连接或无线连接实现与仿生机器人通讯。

进一步，所述关节为三维关节和二维关节，所述三维关节至少为一个，所述二维关节至少为三个，所述三维关节和二维关节与所述控制装置电连接。

进一步，所述三维关节包括关节架、减速机和驱动马达；所述二维关节包括减速机和驱动马达；所述驱动马达固定在所述减速机的动力输入端，所述驱动马达与所述动力装置相连；所述三维关节的减速机和驱动马达均为两组，两组减速机分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使关节实现三维转动。

进一步，所述三维关节包括关节架和液压回转油缸；所述二维关节包括液压回转油缸；所述液压回转油缸与液压动力装置相连；所述三维关节的液压回转油缸为两组，两组液压回转油缸分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使关节实现三维转动。

进一步，所述三维关节包括关节架、直线油缸、多连杆件和铰接销轴，所述二维关节包括直线油缸、多连杆件和铰接销轴；所述直线油缸与液压动力装置相连；所述三维关节的直线油缸、多连杆件和铰接销轴均为两组，所述两组多连杆件和铰接销轴分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使关节绕铰接销轴实现三维转动。

进一步，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架，可将所述仿生机械腿与仿生机器人主体快速固定连接或拆卸。

进一步，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。

与现有技术比较，本实用新型具有以下有益效果： 1）仅需连接架及电插件就可实现和仿生机器人主体固定连接及通讯，无需大量液压管路和电气线路的连接，结构简单，安装和拆卸方便；同时管线磨损故障大幅降低，整机可靠性提高；2）各个仿生腿的关节动作可实现分级式控制器控制，相对于集中在仿生机器人主体上的集成控制，可大幅降低控制系统的复杂程度，编程简单，同时也避免了集成动力系统的各个仿生腿之间互相动作影响；3）采用驱动马达+减速机驱动关节转动，关节的转动角度和驱动马达呈现线性关系，程序编制简单，方便调试和运行；同时也可实现大角度转动；4）在每条仿生腿上设置分布式电池组和充电口，无需大量电气线路连接到主体上，即提高可靠性，又提高充电效率；同时每个仿生腿上设置的太阳能板或薄膜、温压发电片、压电发电片，可对所在的仿生腿上电池组进行充电，减少外部能量需求；5)采用多关节多自由度的仿生腿结构，相对目前常规的2-3个自由度，本实用新型仿生机械腿更灵活，实用性更强；在实际使用时，在无需多自由度运动时，可锁定部分关节形成整体构件来控制。

附图说明

图1 为本实用新型实施例1的三维结构示意图；

图2 为本实用新型实施例1的结构示意图；

图3 为本实用新型实施例2的三维结构示意图；

图4 为本实用新型实施例2的结构示意图；

图5 为本实用新型实施例3的三维结构示意图；

图6 为本实用新型实施例3的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

参照图1、图2，本实施例便装式带自主分布动力多关节仿生机械腿，具有5个自由度，包括连接架1、三维关节Ⅰ2、大腿A、二维关节Ⅲ3、小腿B、二维关节Ⅳ4、小腿C、二维关节Ⅴ7、足部D、动力装置5、控制装置6；三维关节Ⅰ2固定在连接架1上并和大腿A相连，大腿A通过二维关节Ⅲ3小腿B相连，小腿B通过二维关节Ⅳ4和小腿C相连；小腿C通过二维关节Ⅴ7和足部D相连；动力装置5固定在小腿B和小腿C内；控制装置6固定在大腿A内，并与三维关节Ⅰ2、二维关节Ⅲ3、二维关节Ⅳ4、二维关节Ⅴ7电连接。三维关节Ⅰ2主要包括减速机Ⅰ201、驱动马达Ⅰ202、关节架203、减速机Ⅱ204、驱动马达Ⅱ205，驱动马达Ⅰ202固定在减速机Ⅰ201动力输入端，驱动马达Ⅱ205固定在减速机Ⅱ204动力输入端，减速机Ⅰ201、减速机Ⅱ204以非平行交错设置固定在关节架203的两端，可使三维关节Ⅰ2实现三维空间转动。二维关节Ⅲ3主要包括减速机Ⅲ301、以及固定在其输入端的驱动马达Ⅲ302，所述二维关节Ⅳ4主要包括减速机Ⅳ401以及固定在其输入端的驱动马达Ⅳ402，二维关节Ⅴ7主要包括减速机Ⅴ701以及固定在其输入端的驱动马达Ⅴ702，可使二维关节Ⅲ3、二维关节Ⅳ4、二维关节Ⅴ7实现二维平面转动。所述的减速机Ⅰ201、减速机Ⅱ204、减速机Ⅲ301、减速机Ⅳ401、减速机Ⅴ701采用大减速比的行星直角减速机，所述的驱动马达Ⅰ202、驱动马达Ⅱ205、驱动马达Ⅲ302、驱动马达Ⅳ402、驱动马达Ⅴ702优选采用带制动功能、带编码器的伺服电机，可实时传递回转角度给控制装置。

所述的连接架1设有插销孔11A，用于将多组带自主分布动力的多关节仿生腿，快速连接固定在仿生机器人主体框架上。所述的大腿A、小腿B和小腿C采用具有空腔的异形构件，方便在空腔内部布置及固定动力装置5、控制装置6，材质优选轻质高强的铝合金，可降低仿生腿重量和运动能耗，空腔内还可设置浮力材料以增加仿生机械腿在水中的浮力；所述足部D上设置有弹性橡胶材料件D1，用于减缓运动过程中的振动冲击。

所述的动力装置5包括两组可充电锂电池：电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502；电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502和驱动马达Ⅰ202、驱动马达Ⅱ205、驱动马达Ⅲ302、驱动马达Ⅳ402、驱动马达Ⅴ702电连接；所述的控制装置6主要包括控制器601、充电口602、电插件603；控制器固定在大腿A或小腿B内，用于控制仿生腿的4个关节精确运动；充电口602布置在足部上，用于对仿生腿内部的电池组充电;电插件603布置在连接架1上，用于和仿生机器人主体通讯。

装配制造时，该仿生机械腿完成整体装配后，通过连接架1、电插件603迅速与仿生机器人主体固连及通讯；在仿生机器人运动过程中，每个仿生腿的控制器601根据仿生机器人主体上控制系统的模糊指令，确定各自仿生腿上三维关节Ⅰ2、二维关节Ⅲ3、二维关节Ⅳ4、二维关节Ⅴ7的精确运动参数；在动力装置5提供电力基础上，三维关节Ⅰ2、二维关节Ⅲ3、二维关节Ⅳ4、二维关节Ⅴ7的驱动马达Ⅰ202、驱动马达Ⅱ205、驱动马达Ⅲ302、驱动马达Ⅳ402、驱动马达Ⅴ702驱动减速机Ⅰ201、减速机Ⅱ204、减速机Ⅲ301、减速机Ⅳ401、减速机Ⅴ701转动，实现减速增扭及关节转动；同时每个关节也根据编码器或传感器反馈的转动角度及时调整正传、反转、加速、减速、停止等动作。当仿生腿电池组电量不足时，通过每个仿生腿自带的充电口602快速充电。

还可在三维关节Ⅰ2、二维关节Ⅲ3、二维关节Ⅳ4、二维关节Ⅴ7上设置冷却风扇、冷却片，对所述驱动马达Ⅰ202、驱动马达Ⅱ205、驱动马达Ⅲ302、驱动马达Ⅳ402、驱动马达Ⅴ702进行冷却，所述的驱动马达Ⅰ202、驱动马达Ⅱ205、驱动马达Ⅲ302、驱动马达Ⅳ402、驱动马达Ⅴ702可采用步进电机+传感器形式替代。所述的减速机可以为直角行星减速机、谐波齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速机以及上述减速机组合。

控制装置6还包括多种辅助传感器，用于提高安装带自主分布动力的多关节仿生腿的仿生机器人整体动作的协调性和平稳性。优选压力传感器安装在足部D上，用于监测足底支撑力情况；优选应力传感器安装在连接架1或/和大腿A或/和小腿B上，用于监测结构件上应力变化；优选油温传感器安装在液压管路上，用于监测液压油温变化；优选超声波传感器和/或激光测距器安装在足部D或/和小腿B上，用于探测障碍物的位置及距离和各腿节之间的距离及状态。

实施例2

参照图3、图4，本实施例便装式带自主分布动力多关节仿生机械腿，具有7个自由度，与实施例1的主要区别在于：增加小腿E、小腿F、二维关节Ⅵ8、二维关节Ⅶ9,实现更多自由度；其中动力装置5设置在大腿和小腿内，采用液压动力装置形式，包括三组电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502、电池组Ⅲ503、驱动电机504、液压泵505、微型油箱506、电磁阀组507、电磁阀组508，通过液压动力装置来为关节运动提供液压动力；连接架1设有卡槽和固定孔11C来和仿生机器人主体连接；所述三维关节Ⅰ2、二维关节Ⅲ3、二维关Ⅳ4、二维关节Ⅴ7、二维关节Ⅵ8、采用液压回转油缸、传感器组合形式来驱动关节运动，所述二维关节Ⅶ9采用驱动马达901、RV减速机902来驱动关节运动；三维关节Ⅰ2采用两组相互非平行布置液压回转油缸，来实现关节的三维转动；大腿A、小腿B、小腿C、小腿E、小腿F采用圆柱形腿节框架结构，材质优选轻质高强的钛合金；腿端部设置有可伸缩的弹性保护套107、弹性保护套A7、弹性保护套B7、弹性保护套C7、弹性保护套E7来保护关节结构；蓄能足采用尖蹄状的弹性减振结构。

所述液压回转油缸Ⅰ201、液压回转油缸Ⅱ204、液压回转油缸Ⅲ301、液压回转油缸Ⅳ401、液压回转油缸Ⅴ702、液压回转油缸Ⅵ801采用双端动力输出的螺旋回转油缸，所述传感器Ⅰ202、传感器Ⅱ205、传感器Ⅲ302、传感器Ⅳ402、传感器Ⅴ701、传感器Ⅵ802为角度传感器，所述驱动马达901为直流电机采用具有制动功能、带编码器的伺服电机。

大腿和小腿外表面分别设置有太阳能薄膜件A6、太阳能薄膜件B6、太阳能薄膜件C6、太阳能薄膜件E6；足部D上设置压电发电片D2；微型油箱506上设置温差发电片509，从而实现仿生腿自我发电；足部D采用尖蹄状的弹性减振结构。

实施例3

参照图5、图6，本实施例便装式带自主分布动力多关节仿生机械腿，具有5个自由度，与实施例1的主要区别在于：其中动力装置5设置在大腿和小腿内，采用液压动力装置形式，主要包括两组电池组Ⅰ501、电池组Ⅱ502、驱动电机504、液压泵505、微型油箱506、电磁阀组507,通过液压动力装置来为关节运动提供液压动力；连接架1设有螺栓安装孔11D来和仿生机器人主体连接；所述三维关节2采用直线油缸201、直线油缸206、多连杆件202、多连杆件203驱动关节绕铰接销轴204、铰接销轴207转动，实现三维空间转动；其中角度传感器205、传感器208回传实时转动角度到控制器601，用于精确控制转动角度。所述的二维关节3、二维关节4、二维关节7分别采用直线油缸301驱动多连杆302、多连杆303绕铰接销304，直线油缸401驱动多连杆402、多连杆403绕铰接销404，直线油缸701驱动多连杆702、多连杆703绕铰接销704，来转动实现关节二维平面内转动；大腿A、小腿B、小腿C采用方形腿节框架结构；足部D采用尖蹄状的带弹性橡胶材料D1、弹性板簧D2结构来实现行走过程的减振、缓冲。

以上对本实用新型的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本实用新型，并非用来限定本实用新型的保护范围，任何在本实用新型的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包括在本实用新型的权利保护范围之内。

Claims (20)

1.便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，包括大腿、小腿和足部，其特征在于，还设有连接架、动力装置和控制装置，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过关节相连；所述连接架用于将所述仿生腿与仿生机器人主体固定连接或拆卸；所述小腿数量为至少两个；所述动力装置设在所述大腿和/或小腿和/或足部；所述控制装置设在所述大腿和/或小腿和/或连接架和/或足部；所述动力装置用于给所述仿生腿提供动力驱动，所述控制装置用于控制所述仿生机械腿的运动。

2.如权利要求1所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述动力装置为电池组和/或太阳能薄膜件，和/或压电材料件；所述电池组设于大腿和/或小腿的框架内；所述太阳能薄膜件设置在所述大腿和/或小腿上，所述压电材料件设置在所述足部上。

3.如权利要求1所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述动力装置为液压动力装置，所述液压动力装置包括电源、驱动电机、液压泵、油箱和电磁阀组；所述电源为电池组和/或太阳能薄膜件，和/或压电材料件，和/或温差发电材料件；所述电池组为一组或多组可充电的锂电池组和/或石墨烯电池组；所述太阳能薄膜件设置在所述大腿和/或小腿上，所述压电材料件设置在所述足部上，所述温差发电材料件设置在油箱上。

4.如权利要求1或2或3所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述控制装置包括控制器、充电口和电插件，所述控制器设在所述大腿内，用于控制所述关节的运动；所述充电口设置在所述足部上，用于实现有线或无线感应充电；所述电插件设置在所述连接架上，用于通过有线连接或无线连接实现与仿生机器人通讯。

5.如权利要求1-3之一所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述关节为三维关节和二维关节，所述三维关节至少为一个，所述二维关节至少为三个，所述三维关节和二维关节与所述控制装置电连接。

6.如权利要求4所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述关节为三维关节和二维关节，所述三维关节至少为一个，所述二维关节至少为三个，所述三维关节和二维关节与所述控制装置电连接。

7.如权利要求5所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述三维关节包括关节架、减速机和驱动马达；所述二维关节包括减速机和驱动马达；所述驱动马达固定在所述减速机的动力输入端，所述驱动马达与所述动力装置相连；所述三维关节的减速机和驱动马达均为两组，两组减速机分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使关节实现三维转动。

8.如权利要求5所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述三维关节包括关节架和液压回转油缸；所述二维关节包括液压回转油缸；所述液压回转油缸与液压动力装置相连；所述三维关节的液压回转油缸为两组，两组液压回转油缸分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使关节实现三维转动。

9.如权利要求5所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述三维关节包括关节架、直线油缸、多连杆件和铰接销轴，所述直线油缸为两组；所述二维关节包括直线油缸、多连杆件和铰接销轴；所述直线油缸与液压动力装置相连。

10.如权利要求1-3之一所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架。

11.如权利要求4所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架。

12.如权利要求5所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架。

13.如权利要求7所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架。

14.如权利要求9所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架。

15.如权利要求1-3之一所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。

16.如权利要求4所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。

17.如权利要求5所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。

18.如权利要求7所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。

19.如权利要求9所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。

20.如权利要求10所述便装式带自主分布动力的多关节仿生机械腿，其特征在于，所述大腿和小腿为具有空腔的构件；所述大腿和所述小腿形状为圆柱形或异形；所述大腿和所述小腿由高强铝合金材料或钛合金材料制成。