CN210361331U - 拟人机器人的小腿组件及拟人机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种拟人机器人的小腿组件，包括并列设置的小腿齿轮箱体、小腿齿轮箱盖，小腿齿轮箱体与小腿齿轮箱盖组成小腿齿轮箱；小腿齿轮箱内设置有上下两组小腿直齿轮组，上部小腿直齿轮组的输入端与膝关节驱动电机连接，上部小腿直齿轮组的输出齿轮轴固定连接大腿下端；下部小腿直齿轮组的输入端与踝关节驱动电机连接，下部小腿直齿轮组的输出齿轮轴固定连接踝关节。本实用新型具有膝关节自由度和踝关节自由度，能够完成大腿与小腿之间的前后弯曲动作，以及小腿与脚部之间的前后弯曲动作。本实用新型还公开了一种具有该小腿组件的拟人机器人。

Description

拟人机器人的小腿组件及拟人机器人

技术领域

本实用新型涉及一种拟人机器人的零件，具体涉及一种拟人机器人的小腿组件。本实用新型还涉及一种具有该小腿组件的拟人机器人。

背景技术

随着技术的飞速发展，拟人机器人代表了机器人领域中的最高水平。由于拟人机器人能够模仿人类的动作，因此其可以真正代替人类去完成各种工作，如在高危、高温的工作环境中工作，以彻底改变人类的工作和生活方式。

要使拟人机器人完成人类的动作，就要求拟人机器人具有人类一样灵活的关节。人体主要的大关节有髋关节、肩关节、肘关节、膝关节、踝关节等。而机器人关节的主要任务是完成旋转动作，包括如绕X轴方向的旋转，绕Y轴方向的旋转以及绕Z轴方向的旋转。现有的机器人关节的旋转动作一般采用舵机完成，舵机的优点是控制精度高，但却只具有一个自由度。而人体各关节至少有两个自由度，这就需要在同一关节处使用两个甚至三个舵机，由于舵机是独立于机器人的身体骨架的，舵机的个数增加，必然导致关节的长度增大，身体的刚度则随之变差。为保持机器人身体的稳定性，只能增大舵机的功率，舵机本身的尺寸随之增大，又进一步导致关节变得更长，身体的刚度更差。

因此，采用舵机的拟人机器人只能作为玩具，不能真正完成人类的动作而代替人类去工作。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种拟人机器人的小腿组件，它可以实现两个自由度的X向旋转运动而无需额外增加小腿的长度。

为解决上述技术问题，本实用新型拟人机器人的小腿组件的技术解决方案为：

包括并列设置的小腿齿轮箱体9-1、小腿齿轮箱盖9-2，小腿齿轮箱体9-1与小腿齿轮箱盖9-2组成小腿齿轮箱；小腿齿轮箱内设置有上下两组小腿直齿轮组，上部小腿直齿轮组9-10的输入端与膝关节驱动电机9-4连接，上部小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴固定连接大腿下端；膝关节驱动电机9-4带动上部小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴旋转，从而带动大腿下端相对于小腿旋转；下部小腿直齿轮组9-3的输入端与踝关节驱动电机9-5连接，下部小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴9-3-1固定连接踝关节；踝关节驱动电机9-5带动下部小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴旋转，从而带动踝关节相对于小腿旋转。

在另一实施例中，所述上部小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴与大腿下端的圆形凸台8-10-1所组成的固定连接部活动穿设于小腿齿轮箱体9-1上端的上销孔9-1-1内，实现小腿上端与大腿下端的活动连接，形成膝关节自由度。

在另一实施例中，所述大腿下端的圆形凸台8-10-1上沿周向开设有多个径向凹槽，所述上部小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴具有多个径向凸块，径向凸块与径向凹槽相配合。

在另一实施例中，所述下部小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴9-3-1与踝关节的圆形凸台10-1-1所组成的固定连接部活动穿设于小腿齿轮箱体9-1下端的下销孔9-1-2内，实现小腿下端与踝关节10的活动连接，形成踝关节自由度。

在另一实施例中，所述踝关节的圆形凸台10-1-1上沿周向开设有多个径向凹槽，所述下部小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴具有多个径向凸块，径向凸块与径向凹槽相配合

在另一实施例中，还包括并列设置的小腿电子箱体9-6、小腿电子箱盖9-7，小腿电子箱体9-6与小腿电子箱盖9-7组成小腿电子箱；小腿电子箱体9-6固定连接所述小腿齿轮箱体9-1。

在另一实施例中，所述小腿电子箱的上部设置有膝关节霍尔传感器9-8，膝关节霍尔传感器9-8与固定于大腿下端的磁铁相对应。

在另一实施例中，所述小腿电子箱的下部设置有踝关节霍尔传感器9-9，踝关节霍尔传感器9-9与固定于踝关节的磁铁相对应。

本实用新型还提供一种具有该小腿组件的拟人机器人，其技术解决方案为：

包括躯干骨架1、腰部2、右腿3、左腿4；腰部2通过腰部旋转平台5连接躯干骨架1，腰部2的左右两侧分别通过双自由度髋关节连接左腿3和右腿4；左腿4包括依次连接的左大腿12、左小腿13、左脚掌15，右腿3包括依次连接的右大腿8、右小腿9、右脚掌11；左小腿13和右小腿9采用所述的小腿组件。

本实用新型可以达到的技术效果是：

本实用新型具有膝关节自由度和踝关节自由度，能够完成大腿与小腿之间的前后弯曲动作，以及小腿与脚部之间的前后弯曲动作。

本实用新型的驱动机构与输出端之间采用凹槽与凸块的配合实现固定连接并活动穿设于销孔内，从而实现膝关节自由度和踝关节自由度，能够在保证稳定传动的同时能够尽可能缩小膝关节和踝关节的宽度，使膝关节和踝关节具有人类关节的灵活度。

本实用新型的小腿宽度尺寸主要取决于膝关节驱动电机和踝关节驱动电机的长度，因此本实用新型的小腿宽度更加接近于人类的身形。

本实用新型能够将实现小腿关节自由度的驱动及传动机构与机器人的身体骨架有机地结合在一起，使小腿的结构更加接近于人类，完成动作的姿态也更加接近于人类，因此能够真正代替人类完成工作。

附图说明

本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本实用新型的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本实用新型的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的实用新型构思。

结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施方式，并且与上文的总体说明和下列附图的详细说明一起用于解释本实用新型的原理。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是本实用新型拟人机器人的示意图；

图2是本实用新型拟人机器人的腰部的示意图；

图3是本实用新型拟人机器人的左腿的示意图；

图4是本实用新型拟人机器人的右腿的示意图；

图5是本实用新型的右小腿及右踝关节的分解示意图；

图6是右大腿骨架与右小腿的上部右小腿直齿轮组的配合示意图；

图7是踝关节齿轮箱体与右小腿的下部右小腿直齿轮组的配合示意图。

图中附图标记说明：

1为身体骨架， 2为腰部，

3为右腿， 4为左腿，

5为腰部旋转平台， 6为右双自由度髋关节，

7为左双自由度髋关节， 8为右大腿，

9为右小腿， 10为右踝关节，

11为右脚掌， 12为左大腿，

13为左小腿， 14为左踝关节，

15为左脚掌，

8-10为右大腿骨架，

8-10-1为右大腿骨架下端的圆形凸台，

9-1为右小腿齿轮箱体， 9-2为右小腿齿轮箱盖，

9-3为下部右小腿直齿轮组， 9-4为膝关节驱动电机，

9-5为踝关节驱动电机， 9-6为右小腿电子箱体，

9-7为右小腿电子箱盖， 9-8为膝关节霍尔传感器，

9-9为踝关节霍尔传感器， 9-10为上部右小腿直齿轮组，

9-1-1为上销孔， 9-1-2为下销孔，

9-3-1为下部右小腿直齿轮组的输出齿轮轴，

9-10-1为上部右小腿直齿轮组的输出齿轮轴，

10-1为踝关节齿轮箱体，

10-1-1为踝关节齿轮箱体的圆形凸台。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，本实用新型拟人机器人，包括躯干骨架1、腰部2、右腿3、左腿4；以腰部2为中心，腰部2通过腰部旋转平台5向上连接躯干骨架1，腰部2的左右两侧分别通过右双自由度髋关节6和左双自由度髋关节7连接左腿3和右腿4；

如图2所示，腰部2包括腰部壳体2-1，腰部壳体2-1的顶部设置有腰部旋转平台5，腰部壳体2-1的下部固定设置有右双自由度髋关节6和左双自由度髋关节7；通过腰部旋转机构带动腰部旋转平台5旋转，从而带动躯干骨架1绕Z轴左右旋转；腰部旋转机构设置于腰部壳体2-1的内部；

如图3所示，右腿3包括依次连接的右大腿8、右小腿9、右脚掌11，右小腿9的下端通过右踝关节10连接右脚掌11；

如图4所示，左腿4包括依次连接的左大腿12、左小腿13、左脚掌15，左小腿13的下端通过左踝关节14连接左脚掌15。

如图5所示，右小腿9包括并列设置的右小腿齿轮箱体9-1、右小腿齿轮箱盖9-2、右小腿电子箱体9-6、右小腿电子箱盖9-7，右小腿齿轮箱体9-1与右小腿齿轮箱盖9-2组成右小腿齿轮箱，右小腿电子箱体9-6与右小腿电子箱盖9-7组成右小腿电子箱；右小腿齿轮箱体9-1固定连接右小腿电子箱体9-6；

右小腿齿轮箱内设置有上下两组小腿直齿轮组，上部小腿直齿轮组9-10的输入端与膝关节驱动电机9-4连接，上部右小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴固定连接右大腿骨架8-10下端的圆形凸台8-10-1；膝关节驱动电机9-4的输出轴沿X向延伸；膝关节驱动电机9-4带动上部右小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴旋转，从而带动右大腿下端相对于右小腿9绕X方向旋转；

下部右小腿直齿轮组9-3的输入端与踝关节驱动电机9-5连接，下部小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴9-3-1固定连接踝关节齿轮箱体10-1的圆形凸台10-1-1；踝关节驱动电机9-5的输出轴沿X向延伸；踝关节驱动电机9-5带动下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴旋转，从而带动右踝关节10相对于右小腿9绕X方向旋转；

右小腿齿轮箱体9-1的上端开设有上销孔9-1-1，上部右小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴与设置于右大腿骨架8-10下端的圆形凸台8-10-1固定连接并活动穿设于上销孔9-1-1内，从而实现右大腿下端与右小腿9上端的活动连接，形成膝关节自由度；

右小腿齿轮箱体9-1的下端开设有下销孔9-1-2，下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴与踝关节齿轮箱体10-1的圆形凸台10-1-1固定连接并活动穿设于下销孔9-1-2内，从而实现右小腿下端与右踝关节10的活动连接，形成踝关节自由度；

为尽可能节省空间，踝关节齿轮箱体10-1的圆形凸台10-1-1与下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴之间的固定连接采用凹槽与凸块的配合连接方式；如图7所示，在踝关节齿轮箱体10-1的圆形凸台10-1-1上沿周向开设有多个径向凹槽，而下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴则具有多个径向凸块；径向凸块与径向凹槽相配合，输出齿轮轴的多个径向凸块能够同时插入圆形凸台10-1-1的径向凹槽，从而实现圆形凸台10-1-1与下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴之间的固定连接。安装时，将踝关节齿轮箱体10-1的圆形凸台10-1-1和下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴分别从下销孔9-1-2的两端穿入，径向凹槽与径向凸块在下销孔9-1-2内实现配合连接；

如图6所示的右大腿骨架8-10下端的圆形凸台8-10-1与上部右小腿直齿轮组9-10的输出齿轮轴之间的固定连接方式相同，不再赘述。

由于上部小腿直齿轮组9-10和下部右小腿直齿轮组9-3的各齿轮可以沿Z向分布，而X向的尺寸可以很小，本实用新型的小腿宽度尺寸主要取决于膝关节驱动电机9-4和踝关节驱动电机9-5的长度，因此本实用新型的小腿宽度更加接近于人类的身形。

本实用新型的驱动机构(如下部右小腿直齿轮组9-3的输出齿轮轴)与输出端(如踝关节齿轮箱体10-1的圆形凸台10-1-1)之间采用凹槽与凸块的配合实现固定连接并活动穿设于销孔内，从而实现膝关节自由度和踝关节自由度，能够使驱动机构与输出端的连接部的长度与右小腿齿轮箱体9-1的厚度一致，在保证稳定传动的同时能够尽可能缩小膝关节和踝关节的宽度，使膝关节和踝关节具有人类关节的灵活度。

右小腿电子箱内设置有电路板以及线缆；右小腿电子箱的上部设置有膝关节霍尔传感器9-8，右小腿电子箱的下部设置有踝关节霍尔传感器9-9；膝关节霍尔传感器9-8与固定于右大腿骨架盖8-6下端的磁铁相对应，能够侦测右大腿骨架盖8-6下端磁铁的旋转角度，从而监测膝关节的旋转角度；踝关节霍尔传感器9-9与固定于踝关节齿轮箱体10-1的磁铁相对应，能够侦测踝关节齿轮箱体10-1上磁铁的旋转角度，从而监测踝关节的旋转角度。

本实用新型具有结构紧凑，设计合理，并且可以减少后期正逆矩阵运算等优点。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形，而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (9)

1.一种拟人机器人的小腿组件，其特征在于：包括并列设置的小腿齿轮箱体(9-1)、小腿齿轮箱盖(9-2)，小腿齿轮箱体(9-1)与小腿齿轮箱盖(9-2)组成小腿齿轮箱；

小腿齿轮箱内设置有上下两组小腿直齿轮组，上部小腿直齿轮组(9-10)的输入端与膝关节驱动电机(9-4)连接，上部小腿直齿轮组(9-10)的输出齿轮轴固定连接大腿下端；膝关节驱动电机(9-4)带动上部小腿直齿轮组(9-10)的输出齿轮轴旋转，从而带动大腿下端相对于小腿旋转；

下部小腿直齿轮组(9-3)的输入端与踝关节驱动电机(9-5)连接，下部小腿直齿轮组(9-3)的输出齿轮轴(9-3-1)固定连接踝关节；踝关节驱动电机(9-5)带动下部小腿直齿轮组(9-3)的输出齿轮轴旋转，从而带动踝关节相对于小腿旋转。

2.根据权利要求1所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：所述上部小腿直齿轮组(9-10)的输出齿轮轴(9-10-1)与大腿下端的圆形凸台(8-10-1)所组成的固定连接部活动穿设于小腿齿轮箱体(9-1)上端的上销孔(9-1-1)内，实现小腿上端与大腿下端的活动连接，形成膝关节自由度。

3.根据权利要求2所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：所述大腿下端的圆形凸台(8-10-1)上沿周向开设有多个径向凹槽，所述上部小腿直齿轮组(9-10)的输出齿轮轴(9-10-1)具有多个径向凸块，径向凸块与径向凹槽相配合。

4.根据权利要求1所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：所述下部小腿直齿轮组(9-3)的输出齿轮轴(9-3-1)与踝关节的圆形凸台(10-1-1)所组成的固定连接部活动穿设于小腿齿轮箱体(9-1)下端的下销孔(9-1-2)内，实现小腿下端与踝关节(10)的活动连接，形成踝关节自由度。

5.根据权利要求4所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：所述踝关节的圆形凸台(10-1-1)上沿周向开设有多个径向凹槽，所述下部小腿直齿轮组(9-3)的输出齿轮轴(9-3-1)具有多个径向凸块，径向凸块与径向凹槽相配合。

6.根据权利要求1所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：还包括并列设置的小腿电子箱体(9-6)、小腿电子箱盖(9-7)，小腿电子箱体(9-6)与小腿电子箱盖(9-7)组成小腿电子箱；小腿电子箱体(9-6)固定连接所述小腿齿轮箱体(9-1)。

7.根据权利要求6所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：所述小腿电子箱的上部设置有膝关节霍尔传感器(9-8)，膝关节霍尔传感器(9-8)与固定于大腿下端的磁铁相对应。

8.根据权利要求6所述的拟人机器人的小腿组件，其特征在于：所述小腿电子箱的下部设置有踝关节霍尔传感器(9-9)，踝关节霍尔传感器(9-9)与固定于踝关节的磁铁相对应。

9.一种具有权利要求1至8任一项所述的小腿组件的拟人机器人，其特征在于：包括躯干骨架(1)、腰部(2)、右腿、左腿；腰部(2)通过腰部旋转平台(5)连接躯干骨架(1)，腰部(2)的左右两侧分别通过双自由度髋关节连接左腿和右腿；左腿包括依次连接的左大腿(12)、左小腿(13)、左脚掌(15)，右腿包括依次连接的右大腿(8)、右小腿(9)、右脚掌(11)；左小腿(13)和右小腿(9)采用权利要求1至8任一项所述的小腿组件。

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