CN209600672U - 多足机器人腿部总成 - Google Patents

Abstract

一种多足机器人腿部总成，包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、曲轴连杆机构、小腿支架，所述第一舵机包括装配连接的第一电机和第一减速机，所述第二舵机包括装配连接第二电机和第二减速机，所述第三舵机包括装配连接第三电机和丝杆机构，所述第一电机、第二电机、第三电机均包括电机壳体，电机输出轴，所述电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片，所述电机输出轴的后端固设有霍尔磁铁；所述第二电机设于第一减速机的输出端，且第二电机的轴向与第一电机的轴向垂直，所述第三电机设于第二减速机的输出端，且第三电机的轴向与第二电机的轴向垂直，所述丝杆机构的驱动端通过曲轴连杆机构与小腿支架连接。本实用新型关节输出位置精确、结构紧凑。

Description

多足机器人腿部总成

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤指一种多足机器人腿部总成。

背景技术

国内服务机器人产业，主要以低端产品为主，以四个轮子加平板方案，严重影响了我国机器人产业在国际上的竞争力，四轮驱动方案只适应于室内环境，因为轮式结构限制，甚至室内环境都不能完全适应，因此足式机器人的优势得以展现，在结构设计上目前国内大型20公斤以上多足机器人的大腿X轴Y轴舵机多采用BLDC 3霍尔电机加行星减速机结构方案，电机单步误差大，行星减速机精度差的问题，并且由于普通电机转子位置监测部分会显著加大电机的轴向长度，导致体积大的显著缺陷，无法与由编码器组成的高精度矢量电磁控制的国际产品相提并论。小腿结构设计也采用简易行星驱动加曲轴杆驱动，精度无法提高。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种关节输出位置精确、结构紧凑、误差小、体积小的多足机器人腿部总成。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种多足机器人腿部总成，包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、曲轴连杆机构、小腿支架，所述第一舵机包括装配连接的第一电机和第一减速机，所述第二舵机包括装配连接第二电机和第二减速机，所述第三舵机包括装配连接第三电机和丝杆机构，所述第一电机、第二电机、第三电机均包括电机壳体，电机输出轴，所述电机输出轴转动设于电机壳体的中心轴线上，所述电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述电机输出轴的后端固设有霍尔磁铁；所述第一电机的电机输出轴与第一减速机的输入端连接，所述第二电机的电机输出轴与第二减速机的输入端连接，所述第三电机的电机输出轴与丝杆机构的输入端连接；所述第二电机设于第一减速机的输出端，且第二电机的轴向与第一电机的轴向垂直，所述第三电机设于第二减速机的输出端，且第三电机的轴向与第二电机的轴向垂直，所述丝杆机构的驱动端通过曲轴连杆机构与小腿支架连接并驱动小腿支架转动。

优选地，所述第一电机、第二电机、第三电机均为正弦波无刷伺服电机，所述第一减速机、第二减速机均为谐波减速机。

优选地，所述第一减速机和第二减速机均包括减速机外壳、柔性轴承、波发生器、柔轮、钢轮，所述减速机外壳与电机壳体的前端固定连接，所述波发生器套于电机输出轴表面，所述柔轮通过柔性轴承套于波发生器表面，所述钢轮固设于减速机外壳上，且所述柔轮与所述钢轮啮合。

优选地，所述柔轮通过交叉滚子轴承连接有输出法兰盘，所述第二电机与第一减速机的输出法兰盘连接，所述第三电机与第二减速机的输出法兰盘连接。

优选地，所述丝杆机构包括丝杆壳体、丝杆、丝杆螺母、力矩输出杆，所述丝杆壳体与第三电机的电机壳体固定连接，所述丝杆转动设于所述丝杆壳体内且第三电机的电机输出轴与丝杆驱动连接，所述丝杆螺母套接于丝杆表面，所述力矩输出杆为中空结构，所述力矩输出杆套于所述丝杆的外侧并与丝杆螺母固定连接，所述力矩输出杆与丝杆壳体滑动连接并延伸至丝杆壳体外部。

优选地，所述曲轴连杆机构包括连接器、连杆轴，所述小腿支架的一端为连接端，所述小腿支架的另一端为自由端，所述连接器的一端与丝杆壳体固定连接，所述连接器的另一端与小腿支架两端之间的位置铰接，所述连杆轴的一端与力矩输出轴铰接，所述连杆轴的另一端与小腿支架的连接端铰接。

优选地，所述小腿支架的自由端还依次设有足底压力传感器和足部弹性结构，且所述足部弹性结构与所述足底压力传感器的检测端连接。

优选地，所述力矩输出杆位于丝杆壳体内的近端和远端均套接有活塞滑环，且活塞滑环与丝杆壳体的内壁滑动配合。

优选地，所述第一减速机的输出法兰盘通过级联架与第二电机固定连接，所述第一减速机的端部设有用于限制所述级联架转动角度的限位块。

为实现上述目的，本实用新型还提供另一种多足机器人腿部总成，包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、曲轴连杆机构、小腿支架，所述第一舵机包括装配连接的第一电机和第一减速机，所述第二舵机包括装配连接第二电机和第二减速机，所述第三舵机包括装配连接第三电机和丝杆机构，所述第一电机、第二电机、第三电机均包括电机壳体，电机输出轴，所述电机输出轴转动设于电机壳体的中心轴线上，所述第一电机、第二电机的电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述第一电机、第二电机的电机输出轴的后端固设有霍尔磁铁；所述第一电机的电机输出轴与第一减速机的输入端连接，所述第二电机的电机输出轴与第二减速机的输入端连接，所述第三电机的电机输出轴与丝杆机构的输入端连接；所述第二电机设于第一减速机的输出端，且第二电机的轴向与第一电机的轴向垂直，所述第三电机设于第二减速机的输出端，且第三电机的轴向与第二电机的轴向垂直，所述丝杆机构的驱动端通过曲轴连杆机构与小腿支架连接并驱动小腿支架转动，所述曲轴连杆机构上设有用于测量所述小腿支架转动信息的角度编码器。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型在舵机中采用内置扁平式的霍尔阵列编码芯片和霍尔磁铁，霍尔磁铁跟随电机输出轴作旋转运动，这样霍尔阵列编码芯片内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁产生的磁场，霍尔阵列编码芯片会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子相对于霍尔阵列编码芯片的机械位置，通过上述机械结构加软件算法配合来获取转子相对定子的角度，并解析出关节的绝对角度信息，该输出角度精确。而且通过该紧凑型结构设计，显著减短了舵机的轴端尺寸，可以减小舵机的体积和重量，便于腿部总成的小型化。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的第一舵机和第二舵机剖开结构示意图；

图3是本实用新型的第二舵机结构示意图；

图4是本实用新型的第二舵机俯视图；

图5是图4的A-A处剖面示意图；

图6是本实用新型的第二舵机的输出法兰盘与第二电机连接结构示意图；

图7是本实用新型的第三舵机剖面示意图。

附图标号说明：

1-第一舵机；2-第二舵机；3-第三舵机；4-曲轴连杆机构；5-小腿支架； 6-级联架；

11-第一电机；12-第一减速机；21-第二电机；22-第二减速机；31-第三电机；32-丝杆机构；

121-限位块；

211-电机前端盖；212-电机外壳；213-电机后端盖；2131-出线孔；214-电机输出轴；215-定子；216-转子；2161-转子轴承；217-霍尔阵列编码芯片；218- 霍尔磁铁；2191-同心连接环；2192-第一预紧螺丝；2193-第二预紧螺丝；

221-减速机外壳；222-柔性轴承；223-波发生器；224-柔轮；2241-齿圈； 225-钢轮；226-交叉滚子轴承；2261-固定孔；227-柔轮压紧盖；228-输出压紧螺丝；229-限位槽；

231-输出法兰盘；232-凸块；233-安装孔；234-法兰锁紧螺丝孔；235-止动销钉孔；

321-丝杆壳体；322-丝杆；323-丝杆螺母；324-力矩输出杆；325-活塞滑环；326-固定轴承；327-调心滑块；

41-连接器；42-连杆轴；411-连接片；412-连接盘；

51-足底压力传感器；52-角度编码器；53-转动支点；

61-圆环支架。

具体实施方式

实施例一

请参阅图1-2，本实用新型关于一种多足机器人腿部总成，其特征在于：第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3、曲轴连杆机构4、小腿支架5，所述第一舵机1包括装配连接的第一电机11和第一减速机12，所述第二舵机2包括装配连接第二电机21和第二减速机22，所述第三舵机3包括装配连接第三电机31 和丝杆机构32，请参阅图5，所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均包括电机壳体，电机输出轴214，所述电机输出轴214转动设于电机壳体的中心轴线上，所述电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片217，所述霍尔阵列编码芯片217上设有环形分布的霍尔阵列，所述电机输出轴214的后端固设有霍尔磁铁218；所述第一电机11的电机输出轴214与第一减速机12的输入端连接，所述第二电机21的电机输出轴214与第二减速机22的输入端连接，所述第三电机31的电机输出轴214与丝杆机构32的输入端连接；所述第二电机21 设于第一减速机12的输出端，且第二电机21的轴向与第一电机11的轴向垂直，所述第三电机31设于第二减速机22的输出端，且第三电机31的轴向与第二电机21的轴向垂直，所述丝杆机构32的驱动端通过曲轴连杆机构4与小腿支架5 连接并驱动小腿支架5转动。

本实施例中，第一电机11与第一减速机12装配连接，且第一电机11的中心轴线与第一减速机12的中心轴线重合。第二电机21与第二减速机22装配连接，且第二电机21的中心轴线与第二减速机22的中心轴线重合。第三电机31 与丝杆机构32装配连接，且第三电机31的中心轴线与丝杆机构32的中心轴线重合。

需要说明的是，对于每个舵机来说，电机壳体的前端指的是电机壳体与减速机(或丝杆机构32)连接的一端，相应的，电机壳体的后端指的是相对电机壳体前端的另外一端。其中，第一电机11的电机壳体后端与多足机器人的躯体部分连接。

请参阅图3-5，下面以第二舵机2为例，具体说明第一舵机1和第二舵机2 的工作原理(其中，第一电机11、第二电机21的内部结构及工作原理相同，第一减速机12、第二减速机22的内部结构及工作原理相同，此处不重复叙述)。所述电机壳体包括电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213，所述电机前端盖211和电机后端盖213分别盖设于电机外壳212的前后两端，所述减速机固设于电机前端盖211上，所述电机输出轴214设于电机外壳212的中心轴线上并分别与电机前端盖211和电机后端盖213转动连接，所述电机输出轴214 的前端延伸至减速机内并与减速机的输入端连接，所述转子216固设于电机输出轴214的周侧，所述定子215固设于电机外壳212的内壁。

本实施例中，霍尔阵列编码芯片217通过锁紧盖固定在电机后端盖213的内面中心，电机后端盖213上开设有出线孔2131，电机输出轴214外侧的转子 216通过转子轴承2161与电机前端盖211和电机后端盖213实现转动连接，前后的转子轴承2161保证了转子216和定子215之间的均匀稳定磁场空间。霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁体压缩在5-8毫米内，轴向尺寸只有普通光电编码器的二分之一。

本实用新型的第一舵机1和第二舵机2均采用内置式的霍尔阵列编码芯片 217及霍尔磁铁218，既可输出霍尔开关信号，也可以输出转子216相对定子215 的角度(A，B，Z编码器信号)，以及关节(输出法兰盘231)的绝对角度信息。

具体原理如下：霍尔阵列编码芯片217固定在电机后端盖213上为静止器件，电机的转子216为相对运动器件，在电机输出轴214靠近电机后端盖213 的一端安装一圆柱形的霍尔磁铁218，该霍尔磁铁218跟随电机输出轴214作旋转运动，这样霍尔阵列编码芯片217内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁218 产生的磁场，霍尔阵列编码芯片217会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子216 相对于霍尔阵列编码芯片217的机械位置(角度)，同时输出霍尔开关信号。因为电机的定子215通过电机外壳212与电机后端盖213连接在一起，可视为一体，因此在转子216转动的一个圆周内，转子216相对于定子215位置的机械角度可以经霍尔阵列编码芯片217随时准确读出。

但是，由于减速机的减速作用，此角度并非为关节(输出法兰盘231)的最终角度，仅能代表电机转子216相对于定子215的角度，而在关节运转的0-180 度内，电机输出轴214需要旋转N圈(N＞1，与减速比相关)。因此霍尔阵列编码芯片217必须记录到电机输出轴214转动的圈数，然后加上电机转子216相对于定子215的绝对角度，便能换算出准确的关节(输出法兰盘231)的机械角度位置信息。

由于关节绝对位置信息是由转子216和定子215的位置信息换算出来的，而转子216相对定子215是周期运动，在记录转子216相对定子215的位置的初始，需要确定一个零点。因此，霍尔阵列编码芯片217记录关节的机械角度位置的过程如下：在系统上电后，若关节绝对位置丢失，先让电机输出轴214 以低速小力矩朝机械极限方向运动，当到达极限后，电机被堵转。此时的位置为理论上关节的零点机械位置。但若以此机械位置为参考零点并不精确，因为机械位置会因为机械形变的不确定性引入误差。

本实施例中，当电机输出轴214碰触到机械极限位置后，读取霍尔阵列编码芯片217绝对位置，然后将电机朝反方向运动几步，离开机械限制位置一点，旋转到一个指定的霍尔读数，此读数规定为电机转子216定子215的起始绝对零相位。然后霍尔阵列编码芯片217可以根据霍尔阵列的感应信号随时得知电机输出轴214旋转的圈数，该圈数加上和转子216与定子215的绝对位置就可以准确获取关节的准确位置(角度)。通过上述零点的确定方法，保证了本实用新型中霍尔阵列编码芯片217输出关节位置信息的精确性。

本实用新型的第一舵机1和第二舵机2结构简单、安装方便，通过霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218配合外部机械原点位置，无需额外引入外部零点位置监测即可获知腿部关节的绝对角度和相对增量信息。

请参阅图5，在本实用新型的一种优选实施方式中，所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均为正弦波无刷伺服电机，所述第一减速机12、第二减速机22均为谐波减速机。

传统的多足机器人多是采用BLDC 120度霍尔电机加行星减速机结构方案，该方案存在电机单步误差大，行星减速机精度差的问题。普通的低速电机为获得足够的力矩，必然要使用较大的驱动电流，系统发热严重。不同于普通设计的低速电机，本设计采用高速大扭矩电机加大减速比方案，使关节部分无效能量损耗降至最低，无需考虑散热问题。高速电机配合大减速比谐波减速，使系统在静态站立模式下也能经过很小能量损耗获得足够保持力矩，无需刹车装置。

本实施例中的舵机模组采用无刷斜槽正弦波电机加谐波减速机方案，电机部分采用分数斜槽定子215绕组设计，转子216部分采用耐高温强磁永磁体设计，有效减少槽间抖动，提升精度，用在四足机器人上，在静态站立模式，所需锁定电流小，动力模组不发烫。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述第一减速机12和第二减速机22 均包括减速机外壳221、柔性轴承222、波发生器223、柔轮224、钢轮225，所述减速机外壳221与电机壳体的前端固定连接，所述波发生器223套于电机输出轴214表面，所述柔轮224通过柔性轴承222套于波发生器223表面，所述钢轮225固设于减速机外壳221上，且所述柔轮224与所述钢轮225啮合。

谐波减速机的工作原理如下：转子轴承2161将电机高速旋转力矩传递到波发生器223上，波发生器223周期圆周椭圆形变，引起柔性轴承222在径向上周期椭圆形变，此形变最终传递到柔轮224的齿圈2241上。柔轮224齿圈2241 在波发生器223的作用下，发生周期形变，并和钢轮225连续啮合。在电机旋转一周时，柔轮224会产生一个周期的形变，而柔轮224和钢轮225的连续啮合后，柔轮224和钢轮225相对径向运动一个齿差，达到减速作用，最终，经过减速后的力矩由柔轮224输出。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述柔轮224通过交叉滚子轴承226 连接有输出法兰盘231，所述第二电机21与第一减速机12的输出法兰盘231连接，所述第三电机31与第二减速机22的输出法兰盘231连接。

因为柔轮224是脆弱器件，抗轴向冲击力比较差，因此为了隔离柔轮224 端和负载端之间的不利冲击，交叉滚子轴承226的使用是必要的，交叉滚子轴承226可提高腿部的抗冲击能力。输出法兰盘231上设有两排安装孔233，下一级的部件可以通过螺丝配合安装孔233安装在输出法兰盘231上，柔轮224输出的力矩经过输出法兰盘231输出到下一级部件。

请参阅图3-5，在本实用新型的一种优选实施方式中，所述电机前端盖211 和钢轮225之间设有同心连接环2191，通过第一预紧螺丝2192依次贯穿所述电机后端盖213、电机外壳212、电机前端盖211、同心连接环2191、钢轮225、减速机外壳221，所述电机与减速机固定连接。

对于第一舵机1和第二舵机2来说，因为电机部分与减速机部分为模块化独立单元，为保证两个独立单元组合所需要的精确位置关系，如同心度的要去，特别设计了同心连接环2191(连接钢圈)，同时满足电机与减速机之间的连接定位和以及对同心度的要求，电机与减速机之间的轴向力锁紧通过第一预紧螺丝 2192实现。

对于电机自身部分，通过第二预紧螺丝2193依次贯穿所述电机后端盖213、电机外壳212、电机前端盖211，实现电机前端盖211和电机后端盖213之间的轴向力锁紧。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述电机前端盖211、同心连接环 2191、钢轮225依次插入有销钉。

对于第一舵机1和第二舵机2来说，电机和减速机靠第一预紧螺丝2192实现轴向力锁紧，电机和减速机单元会在负载受力的时候，产生径向扭矩，若径向扭力过大，会造成电机与减速机产生径向偏转，从而影响了最终位置输出的精度，因此本设计在电机前端盖211、同心连接环2191、钢轮225的连接位置内部，采用销钉结构进行贯穿，以此确保即使负载过大的情况，也不会出现电机和减速机部分产生位置偏移，影响精度的问题，从而保证了舵机的高精度。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述柔轮224的内孔设有柔轮压紧盖227，所述交叉滚子轴承226的外圈通过螺丝固设于减速机外壳221的内壁，通过输出压紧螺丝228依次穿过柔轮压紧盖227、交叉滚子轴承226的内圈，所述柔轮224与所述交叉滚子轴承226的内圈固定连接。

输出压紧螺丝228和柔轮压紧盖227将柔轮224与交叉滚子轴承226的内圈预紧结合，最终经过输出法兰盘231，将本单元力矩输出到下一级。柔轮压紧盖227的下端插入交叉滚子轴承226的内孔，柔轮压紧盖227扩大了压紧面积并保证了交叉滚子轴承226的对中度。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述柔轮压紧盖227与所述交叉滚子轴承226的内圈依次插入有销钉。

在负载或者力矩传动时，若力矩过大，柔轮224与交叉滚子轴承226内圈之间会产生径向滑动，影响系统的精度。因此将销钉依次插入柔轮压紧盖227 与所述交叉滚子轴承226的内圈，减小轮压紧盖与交叉滚子轴承226的内圈的相对滑动，保证系统的精度。

请参阅图5，在本实用新型的一种优选实施方式中，通过法兰锁紧螺丝依次穿过输出法兰盘231、交叉滚子轴承226的内圈，所述输出法兰盘231与交叉滚子轴承226的内圈固定连接。

输出法兰盘231起连接减速机输出和下一级的中间件作用。输出法兰盘231 上开设有锁紧螺丝孔，交叉滚子轴承226的内圈开设有固定孔2261，法兰锁紧螺丝依次插入锁紧螺丝孔和固定孔2261，将输出法兰盘231与交叉滚子轴承226 的内圈固定连接。法兰锁紧螺丝主要起轴向预紧作用。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述输出法兰盘231、交叉滚子轴承 226内圈的中心依次插入有销钉。

在负载或者力矩传动时，若力矩过大，输出法兰盘231仅靠轴向预紧力及与减速机交叉滚子轴承226之间产生的摩擦力，不足以保证相对位置不变，力矩过大后，会产生径向相对运动，这样减速机到下一级会产生因为径向滑动所造成的背隙，严重影响系统的精度。因此本设计在输出法兰盘231的中心和交叉滚子轴承226内圈的中心均开设有止动销钉孔235，将止动销钉依次插入输出法兰盘231的和交叉滚子轴承226内圈的止动销钉孔235，解决上述的问题。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述丝杆机构32包括丝杆壳体321、丝杆322、丝杆螺母323、力矩输出杆324，所述丝杆壳体321与第三电机31的电机壳体固定连接，所述丝杆322转动设于所述丝杆壳体321内且第三电机31 的电机输出轴214与丝杆322驱动连接，所述丝杆螺母323套接于丝杆322表面，所述力矩输出杆324为中空结构，所述力矩输出杆324套于所述丝杆322 的外侧并与丝杆螺母323固定连接，所述力矩输出杆324与丝杆壳体321滑动连接并延伸至丝杆壳体321外部。

请参阅图7，下面具体说明第三舵机3的内部结构及工作原理：

其中，第三电机31的内部结构与第一电机11相同。所述电机壳体包括电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213，所述电机前端盖211和电机后端盖213分别盖设于电机外壳212的前后两端，所述丝杆壳体321固设于电机前端盖211上，所述电机输出轴214设于电机外壳212的中心轴线上并分别与电机前端盖211和电机后端盖213转动连接，所述电机输出轴214的前端延伸至丝杆壳体321内并与丝杆322驱动连接，所述转子216固设于电机输出轴214 的周侧，所述定子215固设于电机外壳212的内壁。其中，丝杆322通过固定轴承326与丝杆壳体321转动连接，电机输出轴214通过调心滑块327与丝杆 322一端连接。

其中，霍尔阵列编码芯片217通过锁紧盖固定在电机后端盖213的内面中心，电机后端盖213上开设有出线孔2131，电机输出轴214外侧的转子216通过转子轴承2161与电机前端盖211和电机后端盖213实现转动连接，前后的转子轴承2161保证了转子216和定子215之间的均匀稳定磁场空间。霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁体压缩在5-8毫米内，轴向尺寸只有普通光电编码器的二分之一。

第三舵机3驱动小腿支架5转动的过程如下：第三电机31的电机输出轴214 驱动丝杆322转动，通过丝杆螺母323沿丝杆322移动带动力矩输出杆324沿丝杆壳体321滑动，从而将第三电机31的旋转运动转变为直线运动，进而通过曲轴连杆机构4控制小腿支架5的屈伸运动。本实用新型通过第三电机31加丝杆机构32及曲轴连杆机构4来驱动小腿支架5，使得小腿支架5的肢体动作更为符合人体力学的构造。

本实用新型的第三舵机3采用内置式的霍尔阵列编码芯片217及霍尔磁铁 218，既可输出霍尔开关信号，也可以输出转子216相对定子215的角度(A，B， Z编码器信号)，以及关节(小腿支架5的转动支点53)的绝对角度信息。

第三舵机3检测小腿支架5转动角度的工作原理如下：霍尔阵列编码芯片 217固定在电机后端盖213上为静止器件，电机的转子216为相对运动器件，在电机输出轴214靠近电机后端盖213的一端安装一圆柱形的霍尔磁铁218，该霍尔磁铁218跟随电机输出轴214作旋转运动，这样霍尔阵列编码芯片217内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁218产生的磁场，霍尔阵列编码芯片217会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子216相对于霍尔阵列编码芯片217的机械位置(角度)，同时输出霍尔开关信号。因为电机的定子215通过电机外壳212与电机后端盖213连接在一起，可视为一体，因此在转子216转动的一个圆周内，转子216相对于定子215位置的机械角度可以经霍尔阵列编码芯片217随时准确读出。

但是，由于丝杆机构32及曲轴连杆机构4的转化作用，此角度并非为关节 (小腿支架5的转动支点53)的最终角度，仅能代表电机转子216相对于定子 215的角度，而在关节运转的角度范围内，电机输出轴214需要旋转N圈(N＞1，与丝杆机构32及曲柄连杆机构的结构有关)。因此霍尔阵列编码芯片217必须记录到电机输出轴214转动的圈数，然后加上电机转子216相对于定子215的绝对角度，便能换算出准确的关节(小腿支架5的转动支点53)的机械角度位置信息。

本实用新型的第三舵机3结构简单、安装方便，通过霍尔阵列编码芯片217 和霍尔磁铁218配合外部机械原点位置，无需额外引入外部零点位置监测即可获知腿部关节的绝对角度和相对增量信息。

请参阅图1、2、7，在本实用新型的一种优选实施方式中，所述曲轴连杆机构4包括连接器41、连杆轴42，所述小腿支架5的一端为连接端，所述小腿支架5的另一端为自由端，所述连接器41的一端与丝杆壳体321固定连接，所述连接器41的另一端与小腿支架5两端之间的位置铰接，所述连杆轴42的一端与力矩输出轴铰接，所述连杆轴42的另一端与小腿支架5的连接端铰接。

本实施例中，小腿支架5的转动支点53(连接器41另一端与小腿支架5的连接点)位于小腿支架5两端之间且靠近连接端的位置。丝杆机构32的力矩输出杆324作直线往复运动时，力矩输出杆324会通过连杆轴42带动小腿支架5 的连接端绕小腿支架5的转动支点53作来回摆动，从而实现小腿支架5的屈伸运动。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述小腿支架5的自由端还依次设有足底压力传感器51和足部弹性结构，且所述足部弹性结构与所述足底压力传感器51的检测端连接。

所述小腿支架5的另一端设有足部弹性结构。所述足部弹性结构为与小腿支架5可拆卸连接的悬臂梁形变结构，该足部弹性结构将足部的压力通过形变方式传递至足底压力传感器51的检测端，足底压力传感器51再将该压力转化为电信号反馈至机器人的控制系统。通过足底压力传感器51完成足底触觉，以此进行脚部落地检测和平衡辅助检测。足底压力传感设计可以及时获取动态足部压力信息，辅助仿生动作的精确小冲击的执行。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述力矩输出杆324位于丝杆壳体 321内的近端和远端均套接有活塞滑环325，且活塞滑环325与丝杆壳体321的内壁滑动配合。

需要说明的是，力矩输出杆324的近端指的是力矩输出杆324位于丝杆壳体321内靠近电机输出轴214的一端，力矩输出杆324的远端指的是力矩输出杆324位于丝杆壳体321内靠近小腿支架5的一端，力矩输出杆324的近端及远端均通过活塞滑环325与丝杆壳体321的内壁滑动连接，保证了力矩输出杆 324滑动时的稳定性，有利于小腿支架5动作的稳定性。

另外，可以理解的是，当力矩输出杆324的近端完全缩进至丝杆壳体321 内的极限位置时，力矩输出杆324远端上的活塞滑环325与丝杆壳体321端部的距离应大于力矩输出杆324的直线行程范围。这样，当力矩输出杆324伸出时，力矩输出杆324远端上的活塞滑环325不会与丝杆壳体321的端部发生干涉。

请参阅图1、6，在本实用新型的一种优选实施方式中，所述第一减速机12 的输出法兰盘231通过级联架6与第二电机21固定连接，所述第一减速机12 的端部设有用于限制所述级联架6转动角度的限位块121。

伺服舵机用在关节型足式机器人上的情况，多数关节非旋转型，而在0-180 度。否则关节运动超出范围后，会造成机体或壳体损伤，内置线缆绞断。因此机械上的限位在关节型产品上的安全设计是必须的。本实施例中，第一舵机1 的机械位置的限制结构，主要由减速机外壳221的限位块121对级联架6的转动在一定角度范围内进行阻挡，从而限制了安全运动的极限位置。

具体而言，级联架6包括两块形状相同的圆环支架61，两圆环支架61并排设置在第一减速机12的输出法兰盘231上，第二电机21装设在两圆环支架61 内。限位块121固设于第一减速机12的端部且向第二电机21方向凸出，当第一减速机12的输出法兰盘231转动带动两圆环支架61转动时，两圆环支架61 会受限位块121的阻挡而停止转动，从而通过限位块121将两圆环支架61的转动角度限制在一定范围。

请参阅图6，在本实用新型的一种优选实施方式中，所述第二减速机22的输出法兰盘231的内表面设有凸块232，所述第二减速机22的减速机外壳221 的端部设有环形的限位槽229，且所述凸块232置于所述限位槽229内。

本实施例中，第二舵机2的机械位置的限制结构，主要由输出法兰盘231 上的凸块232在减速机外壳221上的限位槽229内滑动，从而限制了安全运动的极限位置。且该限位结构为内置形式，额外组件少，结构简洁。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213均为铝合金材质。

为降低电机的总质量,电机前端盖211、电机外壳212、电机后端盖213均采用高强度牌号铝合金。

在本实用新型的一种优选实施方式中，所述减速机外壳221为铝合金材质。

为降低减速机的总质量,减速机外壳221采用高强度牌号铝合金。

以上实施例示出的为多足机器人的单个腿部总成，该腿部总成包括大腿动力单元(第一舵机1)、大腿前后运动单元(第二舵机2)、小腿收缩动力单元(第三舵机3)。第二电机21的轴向与第一电机11的轴向垂直，第三电机31的轴向与第二电机21的轴向垂直，分别对应三维空间中的三个方向。该腿部总成具有三个自由度，分别为第一舵机1的转动，第二舵机2的转动以及第三舵机3驱动小腿支架5的摆动，而且该腿部总成的结构符合人体肢体的力学构造。在一个具体实施例中，该多足机器人共有四个腿部，四个腿部分别与机器人躯体部分连接，该四足机器人的腿部共具有十二个自由度，使得机器人的足部动作灵活，便于机器人多体态的呈现。

本实用新型中的第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3均采用内置扁平式的霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218，通过机械结构加软件算法配合，来获取转子216相对定子215的角度，并解析出关节的绝对角度信息，输出角度精确。通过该紧凑型结构设计，显著减短了舵机的轴端尺寸，可以减小舵机的体积和重量，并且无需在输出端布线，使得机械臂动力单元可以与机械本体拆分，便于机械臂的小型化和模块化，提高替换性。

实施例二

请参阅图1-2，为实现上述目的，本实用新型还提供另一种多足机器人腿部总成，包括第一舵机1、第二舵机2、第三舵机3、曲轴连杆机构4、小腿支架5，所述第一舵机1包括装配连接的第一电机11和第一减速机12，所述第二舵机2 包括装配连接第二电机21和第二减速机22，所述第三舵机3包括装配连接第三电机31和丝杆机构32，所述第一电机11、第二电机21、第三电机31均包括电机壳体，电机输出轴214，所述电机输出轴214转动设于电机壳体的中心轴线上，所述第一电机11、第二电机21的电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片 217，所述霍尔阵列编码芯片217上设有环形分布的霍尔阵列，所述第一电机11、第二电机21的电机输出轴214的后端固设有霍尔磁铁218；所述第一电机11的电机输出轴214与第一减速机12的输入端连接，所述第二电机21的电机输出轴214与第二减速机22的输入端连接，所述第三电机31的电机输出轴214与丝杆机构32的输入端连接；所述第二电机21设于第一减速机12的输出端，且第二电机21的轴向与第一电机11的轴向垂直，所述第三电机31设于第二减速机22的输出端，且第三电机31的轴向与第二电机21的轴向垂直，所述丝杆机构32的驱动端通过曲轴连杆机构4与小腿支架5连接并驱动小腿支架5转动，所述曲轴连杆机构4上设有用于测量所述小腿支架5转动信息的角度编码器52。

与实施例一的多足机器人腿部总成相比，本实施例二的多组机器人腿部总成的区别之处在于，第三电机31的电机壳体后端没有设置霍尔阵列编码芯片 217，第三电机31的电机输出轴214后端没有设置霍尔磁铁218，即第三电机 31的轴向长度比第一电机11和第二电机21更短。与第三电机31缺少霍尔阵列编码芯片217和霍尔磁铁218相对应的，在曲轴连杆机构4上设有用于测量所述小腿支架5转动信息的角度编码器52。

请参阅图1、2、7，与实施例一相同地，所述曲轴连杆机构4包括连接器 41、连杆轴42，所述小腿支架5的一端为连接端，所述小腿支架5的另一端为自由端，所述连接器41的一端与丝杆壳体321固定连接，所述连接器41的另一端与小腿支架5两端之间的位置铰接，所述连杆轴42的一端与力矩输出轴铰接，所述连杆轴42的另一端与小腿支架5的连接端铰接。

本实施例中，小腿支架5的转动支点53(连接器41另一端与小腿支架5的连接点)位于小腿支架5两端之间且靠近连接端的位置。丝杆机构32的力矩输出杆324作直线往复运动时，力矩输出杆324会通过连杆轴42带动小腿支架5 的连接端绕小腿支架5的转动支点53作来回摆动，从而实现小腿支架5的屈伸运动。

具体地，所述小腿支架5与连接器41的连接处设有一铰接轴，所述小腿支架5通过所述铰接轴与所述连接器41另一端铰接，所述连接器41另一端设有用于测量所述铰接轴转动信息的角度编码器52。

更进一步地，连接器41包括两连接板和一连接盘412，两连接板的一端固定设置在连接盘412上，连接盘412套设在丝杆壳体321的端部，小腿支架5 的转动支点53位于两连接板之间，小腿支架5的转动支点53上设有铰接轴，铰接轴的两头分别与两连接板转动连接。连接板另一端的外侧面设有一角度编码器52，该编码器用于读取铰接轴的转动角度信息，以此获知小腿支架5的屈伸运动角度。

通过上述设计，实施例二中的第三电机31轴向长度更短，减去了第三电机 31内检测元件的安装，通过角度编码器52可更为准确直接地获取小腿支架5的转动角度，减少了软件换算的复杂。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多足机器人腿部总成，其特征在于：包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、曲轴连杆机构、小腿支架，所述第一舵机包括装配连接的第一电机和第一减速机，所述第二舵机包括装配连接第二电机和第二减速机，所述第三舵机包括装配连接第三电机和丝杆机构，所述第一电机、第二电机、第三电机均包括电机壳体，电机输出轴，所述电机输出轴转动设于电机壳体的中心轴线上，所述电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述电机输出轴的后端固设有霍尔磁铁；所述第一电机的电机输出轴与第一减速机的输入端连接，所述第二电机的电机输出轴与第二减速机的输入端连接，所述第三电机的电机输出轴与丝杆机构的输入端连接；所述第二电机设于第一减速机的输出端，且第二电机的轴向与第一电机的轴向垂直，所述第三电机设于第二减速机的输出端，且第三电机的轴向与第二电机的轴向垂直，所述丝杆机构的驱动端通过曲轴连杆机构与小腿支架连接并驱动小腿支架转动。

2.根据权利要求1所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述第一电机、第二电机、第三电机均为正弦波无刷伺服电机，所述第一减速机、第二减速机均为谐波减速机。

3.根据权利要求2所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述第一减速机和第二减速机均包括减速机外壳、柔性轴承、波发生器、柔轮、钢轮，所述减速机外壳与电机壳体的前端固定连接，所述波发生器套于电机输出轴表面，所述柔轮通过柔性轴承套于波发生器表面，所述钢轮固设于减速机外壳上，且所述柔轮与所述钢轮啮合。

4.根据权利要求3所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述柔轮通过交叉滚子轴承连接有输出法兰盘，所述第二电机与第一减速机的输出法兰盘连接，所述第三电机与第二减速机的输出法兰盘连接。

5.根据权利要求1所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述丝杆机构包括丝杆壳体、丝杆、丝杆螺母、力矩输出杆，所述丝杆壳体与第三电机的电机壳体固定连接，所述丝杆转动设于所述丝杆壳体内且第三电机的电机输出轴与丝杆驱动连接，所述丝杆螺母套接于丝杆表面，所述力矩输出杆为中空结构，所述力矩输出杆套于所述丝杆的外侧并与丝杆螺母固定连接，所述力矩输出杆与丝杆壳体滑动连接并延伸至丝杆壳体外部。

6.根据权利要求5所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述曲轴连杆机构包括连接器、连杆轴，所述小腿支架的一端为连接端，所述小腿支架的另一端为自由端，所述连接器的一端与丝杆壳体固定连接，所述连接器的另一端与小腿支架两端之间的位置铰接，所述连杆轴的一端与力矩输出轴铰接，所述连杆轴的另一端与小腿支架的连接端铰接。

7.根据权利要求6所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述小腿支架的自由端还依次设有足底压力传感器和足部弹性结构，且所述足部弹性结构与所述足底压力传感器的检测端连接。

8.根据权利要求5所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述力矩输出杆位于丝杆壳体内的近端和远端均套接有活塞滑环，且活塞滑环与丝杆壳体的内壁滑动配合。

9.根据权利要求4所述的多足机器人腿部总成，其特征在于：所述第一减速机的输出法兰盘通过级联架与第二电机固定连接，所述第一减速机的端部设有用于限制所述级联架转动角度的限位块。

10.一种多足机器人腿部总成，其特征在于：包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、曲轴连杆机构、小腿支架，所述第一舵机包括装配连接的第一电机和第一减速机，所述第二舵机包括装配连接第二电机和第二减速机，所述第三舵机包括装配连接第三电机和丝杆机构，所述第一电机、第二电机、第三电机均包括电机壳体，电机输出轴，所述电机输出轴转动设于电机壳体的中心轴线上，所述第一电机、第二电机的电机壳体的后端中心固设有霍尔阵列编码芯片，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述第一电机、第二电机的电机输出轴的后端固设有霍尔磁铁；所述第一电机的电机输出轴与第一减速机的输入端连接，所述第二电机的电机输出轴与第二减速机的输入端连接，所述第三电机的电机输出轴与丝杆机构的输入端连接；所述第二电机设于第一减速机的输出端，且第二电机的轴向与第一电机的轴向垂直，所述第三电机设于第二减速机的输出端，且第三电机的轴向与第二电机的轴向垂直，所述丝杆机构的驱动端通过曲轴连杆机构与小腿支架连接并驱动小腿支架转动，所述曲轴连杆机构上设有用于测量所述小腿支架转动信息的角度编码器。