CN208914157U - 一种双足机器人的关节 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种双足机器人的关节，用于连接双足机器人的上臂和下臂，所述关节包括：关节支架(1)、气弹簧(2)、减速箱(3)、编码器(4)和电机(5)，其中，气弹簧与关节支架的一侧固定连接，减速箱(3)、编码器(4)和电机(5)与关节支架的另一侧固定连接，气弹簧的转轴与下臂固定连接，从而利用气弹簧进行能量的存储和释放，从而为双足机器人学习人类行走的特点，特别是高效利用能量和自然的运动控制提供基础。

Description

一种双足机器人的关节

技术领域

本申请涉及双足机器人领域，特别涉及一种双足机器人的关节。

背景技术

双足机器人为外形类似人体结构，包括头、躯干、双臂、双腿和双脚的机器人，这种机器人能够完成一些人类的动作，如下蹲、起立和行走等，其行走过程类似人类的行走过程，首先一条腿蹬地，然后起飞，接着着地，这时另一条蹬地，起飞等，双足如此交替循环，完成双足机器人行走。在双足机器上安装有多个连接上臂和下臂的关节，从而完成双足机器人的各种动作，其中，上臂是指靠近躯干的臂，下臂是指远离躯干的臂。

通常，双足机器人的关节结构包括电机、减速箱、关节支撑架和弹性件，其中，电机的电机轴依次穿过减速箱、关节支撑架和该关节连接的下臂，其中，减速箱的箱体固定安装于所述关节支撑架上，所述电机轴固定安装于减速箱连接孔中，可带动减速箱的动力输出端自由旋转，所述减速箱的动力输出端固定安装于所述下臂上，所述弹性件一端安装于关节支撑架上，另一端安装于下臂上，所述弹性件可以为机械弹簧，如拉簧等，当电机旋转时，电机轴可带支减速箱的动力输出端旋转，进而带动下臂随之旋转，使所述关节弯曲，此时，有弹性势能存储于弹性件中，产生促使关节还原的拉力。

上述关节结构不仅结构复杂，由于机械弹簧占用空间较大，无法再在所述关节附近设置其它部件，而且，机械弹簧只有最长和最短两个工作位置，在行程中无法自行停止，从而导致关节的刚性不可调节，导致安装有这种关节的双足机器人在行走或者蹲起过程中的稳定性较差。

实用新型内容

本申请提供一种双足机器人的关节，用于连接双足机器人的上臂和下臂，以解决双足机器人关节结构复杂，而且在行程中无法自行停止，双足机器人在行走或者蹲起过程中稳定性差等问题。

本申请提供的双足机器人的关节包括：关节支架1、气弹簧2、减速箱3、编码器4和电机5，其中，所述关节支架1包括上臂连接板11和固定安装于所述上臂连接板11上的第一下臂连接板12和第二下臂连接板13，所述第一下臂连接板12和第一下臂连接板12设置于所述上臂连接板11同侧，并且均垂直于所述上臂连接板11，在所述第一下臂连接板12和第二下臂连接板13上均开设有用于连接下臂的连接孔14，所述下臂安装于第一下臂连接板12与第二下臂连接板13之间，在下臂上安装于第一下臂连接板12与第二下臂连接板13之间的一端设置有下臂连接孔14，所述减速箱3包括弹力力矩传递端口31和动力输入端口32，所述弹力力矩传递端口31与所述动力输入端口32同轴，所述减速箱3开设有弹力力矩传递端口31的一侧固定安装于第一下臂连接板12上，所述编码器4用于控制电机5的输出功率以及气弹簧2的输出力矩，在所述编码器4的中心开设有编码器中心孔41，所述电机5包括电机箱51和由所述电机箱51伸出的动力输出轴52，所述动力输出轴52依次穿过所述编码器中心孔41和所述减速箱3的动力输入端口32，所述气弹簧2为气缸式气弹簧，包括气弹簧箱体21和由所述气弹簧箱体21中伸出的气弹簧连接轴22，所述气弹簧连接轴22依次穿过所述第一下臂连接板12上的连接孔14、所述下臂连接孔14、第二下臂连接板13上的连接孔14和所述减速箱3的弹力力矩传递端口31，所述气弹簧箱体21固定安装于第一下臂连接板12上，所述气弹簧连接轴22与所述动力输出轴52固定连接，所述气弹簧连接轴22与所述动力输出轴52同轴，所述上臂以及下臂均可围绕所述动力输出轴52旋转。

在一种可实现的方式中，在所述编码器4和电机5之间还设置有垫片环6，所述垫片环6用于强化连接的稳定性和增加密封性能，所述垫片环6的外径略小于所述电机箱51的外径，所述垫片环6的内径小于所述编码器4的外径，在所述垫片环上沿中心孔的周向设置有向编码器4一侧凸起的环形凸台61。

在一种可实现的方式中，在所述编码器4与所述减速箱3之间设置有减速箱盖7，所述减速箱盖7包括减速箱连接盘71和电机连接盘72，在所述减速箱连接盘71与所述电机连接盘72之间设置有连接杆73，使所述减速箱盖7形成圆台形，在所述减速箱连接盘71的中心开设有与减速箱3动力输入端口32匹配的安装孔74，所述电机连接盘72为圆环形。

在一种可实现的方式中，所述下臂顶端与上臂连接板之间距离为所述第一下臂连接板高度的1/5～1/4。

在一种可实现的方式中，在所述上臂连接板11上设置有上臂连接筒15，所述上臂连接筒15为中空筒，垂直于所述上臂连接板11，与第二下臂连接板13异侧，在所述上臂连接筒15的内壁上设置有螺纹。

在一种可实现的方式中，在所述上臂与所述下臂同轴的条件下，所述气弹簧2为自然状态。

与现有技术相比，本申请提供的双足机器人关节采用气弹簧进行能量的存储和释放，从而为双足机器人学习人类行走的特点，特别是高效利用能量和自然的运动控制提供基础。具体地，人类在行走时，当一只脚着地，另一只脚接触地面的时候，着地脚的膝盖会有一个弯曲的过程，在这个过程中，行走中产生的一部分动能会被膝关节转化为势能，这个势能对于下一次的蹬地产生辅助作用，进而减少动能的输出，从而提高动态行走中能量的利用率。本申请提供的关节正是借鉴这个原理，并通过在特定位置使用多个特定装置采用特定组合的方式得以实现，使得气弹簧在双足机器人脚着地的过程中将多余的动能保存下来，成为弹簧势能，这个势能就会在双足机器人在下一次蹬地的过程中释放出来，从而减少本应需要的动能输出。同时，由于气弹簧在特定位置与其余部件形成的特定组合使得双足机器人能够控制其关节处于任意张开角度，而且还可以使机器人免于过度调整，避免出现不自然的角度，保护装置的安全性，而且，当关节调整到一定角度时候，由于气弹簧的非线性特性和可调整性，气弹簧的刚度可以调整到一个比较大的值，从而实现关节的刚度可变，满足关节落地时对刚度变化的要求。

附图说明

图1为本申请一种实施例的关节结构爆炸图；

图2为本申请一种实施例的单一关节组装结构图(未安装气弹簧)；

图3为本申请一种实施例的单一关节组装结构图(安装有气弹簧)。

附图标记说明

1-关节支架，11-上臂连接板，12-第一下臂连接板，13-第二下臂连接板，14-连接孔，15-上臂连接筒，2-气弹簧，21-气弹簧箱体，22-气弹簧连接轴，3-减速箱，31-弹力力矩传递端口，32-动力输入端口，4-编码器，41-编码器中心孔，5-电机，51-电机箱，52-动力输出轴，6-垫片环，61-环形凸台，7-减速箱盖，71-减速箱连接盘，72-电机连接盘，73-连接杆，74-安装孔。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面通过具体的实施例对本申请中一种双足机器人关节的结构及工作原理进行详细阐述。

图1为根据一优选实施例示出的双足机器人关节的爆炸结构示意图，图2为根据本申请一优选实施例示出的单一关节组装结构图(未安装气弹簧)，图3为为根据本申请一优选实施例示出的单一关节组装结构图(安装有气弹簧)。如图1～3所示，本申请提供的双足机器人的关节用于连接双足机器人的上臂和下臂，所述关节包括：关节支架1、气弹簧2、减速箱3、编码器4和电机5。

本申请中所述上臂和下臂是指用关节相连接的两个部分，其中，靠近躯干的部分为上臂，远离躯干的部分为下臂。例如，如果该关节为肘关节，则与躯干连接的部分为上臂，与“手”连接的部分为下臂；再如，如果该关节为“膝关节”，则靠近“腰”的部分为上臂，靠近“脚”的部分为下臂。

所述关节支架1包括上臂连接板11和固定安装于所述上臂连接板11上的第一下臂连接板12和第二下臂连接板13，所述第一下臂连接板12和第一下臂连接板12设置于所述上臂连接板11同侧，并且均垂直于所述上臂连接板11。所述上臂连接板11、第一下臂连接板12和第一下臂连接板12为可拆卸连接或者为一体成型。

在所述第一下臂连接板12和第二下臂连接板13上均开设有连接孔14，第一下臂连接板12上的连接孔14与第二下臂连接板13上的连接孔14相对设置，例如，两个连接孔同轴，所述下臂安装于第一下臂连接板12与第二下臂连接板13之间，在下臂上安装于第一下臂连接板12与第二下臂连接板13之间的一端设置有下臂连接孔14。

在一种可实现的方式中，所述下臂通过转轴安装于所述关节支架上，例如，转轴依次穿过第一下臂连接板、下臂和第二下臂连接板，从而下臂安装于第一下臂连接板与第二下臂连接板之间，并且，可以围绕所述转轴旋转。

在一种可实现的方式中，所述下臂顶端与上臂连接板之间距离为所述第一下臂连接板高度的1/5～1/4。本申请人发现，在上述条件下，下臂顶端与上臂连接板之间预留有充足的旋转空间，下臂在关节支架中任意旋转都不会与上臂连接板接触，从而保证下臂任意自由的旋转。而且，下臂顶端与上臂连接板之间的距离也不至于过大，从而增强连接的稳定性。

在一种可实现的方式中，在所述上臂连接板11上设置有上臂连接筒15，所述上臂连接筒15为中空筒，垂直于所述上臂连接板11，与第二下臂连接板13异侧，在所述上臂连接筒15的内壁上设置有螺纹，使得上臂可以与关节支架通过上臂连接筒15进行螺纹连接，从而增加关节支架与上臂的连接稳定性，而且，此种设置可以在保证连接强度的前提下最大限度地简化结构、节省空间，便于在双足机器人的不同关节处均可使用本申请提供的关节结构。

在本实施例中，所述减速箱包括弹力力矩传递端口31和动力输入端口32，所述弹力力矩传递端口31与所述动力输入端口32同轴，所述减速箱3靠近弹力力矩传递端口31的一侧固定安装于第一下臂连接板12上。

在一种可实现的方式中，如图1所示，所述减速箱的外形近似圆柱体，其中，一个顶面上开设有弹力力矩传递端口31，另一个顶面上开设有动力输入端口32。

所述弹力力矩传递端口与气弹簧2连接，用于向气弹簧传递力矩使气弹簧发生形变，或者由气弹簧向变速箱传递力矩，使气弹簧释放势能恢复原形；所述动力输入端口32与电机连接，用于将电机产生的力矩传递给气弹簧。

在本实施例中，所述编码器4用于控制电机5的输出功率以及气弹簧2的输出力矩。

在一种可实现的方式中，在所述编码器4的中心开设有编码器中心孔41，以便于所述编码器安装于所述关节中，并控制关节中部件的动作。

在本实施例中，所述电机5包括电机箱51和由所述电机箱51伸出的动力输出轴52，所述动力输出轴52依次穿过所述编码器中心孔41、所述减速箱3的动力输入端口32。

在一种可实现的方式中，在所述编码器4和电机5之间还设置有用于增强连接稳定性和密封性的垫片环6，所述垫片环6的外径略小于所述电机的外径，所述垫片环6的内径小于所述编码器4的外径，在所述垫片环上沿中心孔的周向设置有向编码器4一侧凸起的环形凸台61，以进一步增强密封性能。

所述气弹簧2所述气弹簧2为气缸式气弹簧，包括气弹簧箱体21和由所述气弹簧箱体21中伸出的气弹簧连接轴22，所述气弹簧箱体21固定安装于第一下臂连接板12上，所述气弹簧连接轴22与所述动力输出轴52固定连接，所述气弹簧连接轴22与所述动力输出轴52同轴，所述上臂以及下臂均可围绕所述动力输出轴52旋转。

所述气弹簧连接轴22依次穿过所述第一下臂连接板12上的连接孔14、所述下臂连接孔14、第二下臂连接板13上的连接孔14和所述减速箱3的弹力力矩传递端口31，其中，所述气弹簧连接轴22与下臂以及弹力力矩传递端口31均固定连接，所述气弹簧箱体21与所述第一下臂连接板12固定连接，减速箱3上开设有弹力力矩传递端口31的盘面与第二下臂连接板13固定连接，从而使得所述下臂在气弹簧或者电机的驱动下可围绕所述气弹簧连接轴22转动。

在一种可实现的方式中，在所述上臂与所述下臂同轴的条件下，所述气弹簧2为自然状态，即，在自然状态下，所述上臂与下臂同轴，类似于人体，以便于对双足机器人进行动作管理。

在一种可实现的方式中，在所述编码器4与所述减速箱3之间设置有减速箱盖7，所述减速箱盖7包括减速箱连接盘71和电机连接盘72，在所述减速箱连接盘71与所述电机连接盘72之间设置有连接杆73，使所述减速箱盖7形成圆台形，在所述减速箱连接盘71的中心开设有与减速箱3动力输入端口32匹配的安装孔74，所述电机连接盘72为圆环形。

本申请提供的关节可以应用于双足机器人的任意一个关节上，从而实现能量的高效利用和对双足机器人动态姿态更好的控制。

以下以膝关节为例说明本申请提供的关节的使用方式。双足机器人的大腿与关节支架的上臂连接筒固定连接，小腿伸入关节支架的第一下臂连接板与第二下臂连接板之间，气弹簧的气弹簧连接轴22依次穿过第一下臂连接板、下臂、第二下臂连接板，并伸入减速箱的弹力力矩传递端口31，气弹簧箱体固定安装于第一下臂连接板上，电机的动输出轴依次穿过垫片环、编码器、减速箱盖，并伸入减速箱的动力输入端口，电机、垫片环、编码器、减速箱盖和减速箱依次固定安装，减速箱固定安装于第二下臂连接板上。

电机在双足机器人下蹲的过程中，电机产生力矩，通过减速箱传递给气弹簧，气弹簧存储有势能，在双足机器人起立的过程中，存储于气弹簧中的势能释放出来，为双足机器人起立提供力矩，在双足机器人蹲起的过程中，编码器可以控制双足机器人蹲于任意的角度。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种双足机器人的关节，用于连接双足机器人的上臂和下臂，其特征在于，包括：关节支架(1)、气弹簧(2)、减速箱(3)、编码器(4)和电机(5)，其中，

所述关节支架(1)包括上臂连接板(11)和固定安装于所述上臂连接板(11)上的第一下臂连接板(12)和第二下臂连接板(13)，所述第一下臂连接板(12)和第一下臂连接板(12)设置于所述上臂连接板(11)同侧，并且均垂直于所述上臂连接板(11)，在所述第一下臂连接板(12)和第二下臂连接板(13)上均开设有用于连接下臂的连接孔(14)，

所述下臂安装于第一下臂连接板(12)与第二下臂连接板(13)之间，在下臂上安装于第一下臂连接板(12)与第二下臂连接板(13)之间的一端设置有下臂连接孔(14)，

所述减速箱(3)包括弹力力矩传递端口(31)和动力输入端口(32)，所述弹力力矩传递端口(31)与所述动力输入端口(32)同轴，

所述减速箱(3)开设有弹力力矩传递端口(31)的一侧固定安装于第一下臂连接板(12)上，

所述编码器(4)用于控制电机(5)的输出功率以及气弹簧(2)的输出力矩，在所述编码器(4)的中心开设有编码器中心孔(41)，

所述电机(5)包括电机箱(51)和由所述电机箱(51)伸出的动力输出轴(52)，所述动力输出轴(52)依次穿过所述编码器中心孔(41)和所述减速箱(3)的动力输入端口(32)，

所述气弹簧(2)为气缸式气弹簧，包括气弹簧箱体(21)和由所述气弹簧箱体(21)中伸出的气弹簧连接轴(22)，所述气弹簧连接轴(22)依次穿过所述第一下臂连接板(12)上的连接孔(14)、所述下臂连接孔(14)、第二下臂连接板(13)上的连接孔(14)和所述减速箱(3)的弹力力矩传递端口(31)，

所述气弹簧箱体(21)固定安装于第一下臂连接板(12)上，

所述气弹簧连接轴(22)与所述动力输出轴(52)固定连接，所述气弹簧连接轴(22)与所述动力输出轴(52)同轴，

所述上臂以及下臂均可围绕所述动力输出轴(52)旋转。

2.根据权利要求1所述双足机器人的关节，其特征在于，在所述编码器(4)和电机(5)之间还设置有用于强化连接稳定性和密封的垫片环(6)，所述垫片环(6)的外径略小于所述电机箱(51)的外径，所述垫片环(6)的内径小于所述编码器(4)的外径，在所述垫片环上沿中心孔的周向设置有向编码器(4)一侧凸起的环形凸台(61)。

3.根据权利要求1所述双足机器人的关节，其特征在于，在所述编码器(4)与所述减速箱(3)之间设置有减速箱盖(7)，所述减速箱盖(7)包括减速箱连接盘(71)和电机连接盘(72)，在所述减速箱连接盘(71)与所述电机连接盘(72)之间设置有连接杆(73)，使所述减速箱盖(7)形成圆台形，

在所述减速箱连接盘(71)的中心开设有与减速箱(3)动力输入端口(32)匹配的安装孔(74)，所述电机连接盘(72)为圆环形。

4.根据权利要求1所述双足机器人的关节，其特征在于，所述下臂顶端与上臂连接板之间距离为所述第一下臂连接板高度的1/5～1/4。

5.根据权利要求1所述双足机器人的关节，其特征在于，在所述上臂连接板(11)上设置有上臂连接筒(15)，所述上臂连接筒(15)为中空筒，垂直于所述上臂连接板(11)，与第二下臂连接板(13)异侧，在所述上臂连接筒(15)的内壁上设置有螺纹。

6.根据权利要求1所述双足机器人的关节，其特征在于，在所述上臂与所述下臂同轴的条件下，所述气弹簧(2)为自然状态。