CN211442538U - 一种仿人双足机器人行走结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种仿人双足机器人行走结构，包括大腿框架(300)、小腿框架(600)、膝关节驱动机构(400)以及弹簧储能机构(500)；所述膝关节驱动机构(400)设置于所述大腿框架(300)的下端，且所述膝关节驱动机构(400)与所述小腿框架(600)的上端连接、并可驱动所述小腿框架(600)转动；所述弹簧储能机构(500)的一端与所述大腿框架(300)连接，所述弹簧储能机构(500)的另一端与所述小腿框架(600)，且所述弹簧储能机构(500)具有压缩储能的第一状态和回复释能的第二状态。上述方案能解决目前的仿人双足机器人在行走过程中存在的稳定性差以及耗能较大的问题。

Description

一种仿人双足机器人行走结构

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种仿人双足机器人行走结构。

背景技术

相较于轮式、履带式机器人，仿人双足机器人因具有更为灵活的运动能力、更强的环境适应性和拟人性，所以关于双足机器人行走机构的研究已经成机器人领域的一个重要研究课题。

目前，国内外已有各类仿人双足机器人，如日本的ASIMO机器人、HRP机器人，美国波士顿的Altas机器人以及国内优必选的walker机器人等；其中，机器人的行走结构是通过设置于机器人双腿膝关节处的驱动电机驱动小腿框架转动、进而进行屈膝和伸展动作；但是，现有的仿人双足机器人在行走过程中仍存在稳定性差以及耗能较大的问题。

实用新型内容

本实用新型公开一种仿人双足机器人行走结构，以解决目前的仿人双足机器人在行走过程中存在的稳定性差以及耗能较大的问题。

为了解决上述问题，本实用新型采用下述技术方案：

一种仿人双足机器人行走结构，包括大腿框架、小腿框架、膝关节驱动机构以及弹簧储能机构；所述膝关节驱动机构设置于所述大腿框架的下端，且所述膝关节驱动机构与所述小腿框架的上端连接、并可驱动所述小腿框架转动；所述弹簧储能机构的一端与所述大腿框架连接，所述弹簧储能机构的另一端与所述小腿框架，且所述弹簧储能机构具有压缩储能的第一状态和回复释能的第二状态；在所述弹簧储能机构处于所述第一状态时，所述膝关节驱动机构驱动所述小腿框架转动至屈膝动作位置的同时、所述小腿框架抵动压缩所述弹簧储能机构，进行储能；在所述弹簧储能机构处于所述第二状态时，所述膝关节驱动机构驱动所述小腿框架转动至伸展动作位置的同时、所述弹簧储能机构复位抵动所述小腿框架转动伸展，进行释能。

本实用新型采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本实用新型公开的仿人双足机器人行走结构，通过弹簧储能机构不仅可以对仿人双足机器人行走结构起到缓冲作用，提高仿人双足机器人行走结构移动的稳定性；而且，在膝关节驱动机构驱动小腿框架转动屈膝的过程中，弹簧储能机构可以存储回收膝关节驱动机构的部分能量、并于膝关节驱动机构驱动小腿框架转动伸展的过程中释放，弹簧储能机构复位抵动小腿框架转动伸展，从而使得弹簧储能机构与机器人的行走步态相匹配，并降低小腿框架伸展动作过程中的膝关节驱动机构的能耗，使膝关节驱动机构工作在一个较平稳的高效率状态区间，有利于降低仿人双足机器人行走结构的整体能耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例公开的仿人双足机器人行走结构；

图2为本实用新型实施例公开的膝关节驱动机构的结构示意图；

图3为本实用新型实施例公开的弹簧储能机构的第一种结构示意图；

图4为本实用新型实施例公开的弹簧储能机构的第二种结构示意图；

附图标记说明：

100-腰部支撑结构、200-髋关节驱动机构、300-大腿框架、400-膝关节驱动机构、500-弹簧储能机构、600-小腿框架、700-踝关节驱动机构、800-足底、410-第一驱动电机、411-第一法兰盘、412-第二法兰盘、413-轴承、420-第二驱动电机、421-第三法兰盘、430-主动轮-、440-从动轮、450-同步带、

510-支撑杆、511-第一连接头、512-螺纹杆、513-第二连接头、520-滑块、521-销轴、530-导向杆、540-弹簧、550-第一滑动接头、560-滑杆、570-第二滑动接头、580-第二弹簧。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

以下结合附图，详细说明本实用新型各个实施例公开的技术方案。

请参考图1-图4所示，本实用新型实施例公开了一种仿人双足机器人行走结构，所公开的包括仿人双足机器人行走结构大腿框架300、小腿框架600以及膝关节驱动机构400。

通常如图1所示，大腿框架300的上端通过三个自由度的髋关节驱动机构200与仿人双足机器人的腰部支撑结构100连接，大腿框架300的下端通过一个自由度的膝关节驱动机构400与小腿框架600的上端连接，小腿框架600的下端通过两个自由的的踝关节驱动机构700与仿人双足机器人的足底800连接，从而使得仿人双足机器人的双腿可以模仿人类的行走动作进行行走移动。

本实用新型实施例中，如图2所示，公开的膝关节驱动机构400包括第一驱动电机410、第二驱动电机420、主动轮430和从动轮440；第一驱动电机410设置于大腿框架300的下端，且第一驱动电机410的输出轴与小腿框架600的上端连接、并可驱动小腿框架600转动；第二驱动电机420设置于大腿框架300、并位于第一驱动电机410的上方，主动轮430设置于第二驱动电机420的输出轴上；从动轮440设置于小腿框架600的一侧，且从动轮440的中心轴线与第一驱动电机410的输出轴的转动轴线位于同一直线上；从动轮440和主动轮430位于仿人双足机器人行走结构的同一侧，从动轮440通过传动组件与主动轮430传动连接。

在膝关节驱动机构400驱动小腿框架600转动进行屈膝和伸展动作的过程中，不仅通过第一驱动电机410的输出轴可以直接驱动控制小腿框架600转动，为小腿框架600的转动提供驱动力矩；而且，还可以通过第二驱动电机420的输出轴驱动主动轮430转动、并通过主动轮430的转动经传动组件控制从动轮440的转动，进而通过从动轮440带动小腿框架600的转动，为小腿框架600的转动提供驱动力矩；因此，小腿的屈膝和伸展动作的转动驱动力矩为第一驱动电机410的输出轴以及从动轮440转动输出的力矩之和，从而有效地增大了膝关节驱动机构400的驱动力和驱动力矩，使小腿框架600可以大范围快速转动。

同时，第二驱动电机420和第一驱动电机410均设置于大腿框架300，且第二驱动电机420位于第一驱动电机410的上方，从而不仅避免了膝关节驱动机构400的组件在大腿框架300的下端的聚集，而且使得大腿框架300的重心上移，进而有利于减小膝关节处的尺寸和重量，降低膝关节的转动惯量，提高仿人双足机器人行走的稳定性及行走结构的外观性能。

其中，传动组件可以为同步带450，同步带450的两端分别套设于主动轮430和从动轮440上；主动轮430和从动轮440为与同步带450匹配的同步带450轮；其中，同步带450具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振的优选，从而可以吸收第一驱动电机410的输出轴和从动轮440转动之间细微的不同步差异，保证小腿框架600转动的连贯性和稳定性。

当然，主动轮430和从动轮440之间也可以采用其他结构种类的传动组件进行传动连接，以使主动轮430带动从动轮440转动，例如传动链条或齿轮组件等；本实用新型实施例不限制传动组件的结构种类。

同时，第一驱动电机410可以设置有支撑轴，支撑轴和第一驱动电机410的输出轴分别位于第一驱动电机410的相对两侧，小腿框架600的上端具有相对的第一侧壁和第二侧壁，第一驱动电机410位于第一侧壁和第二侧壁之间，第一驱动电机410的输出轴与第一侧壁固定连接，支撑轴与第二侧壁转动连接；从动轮440设置于第二侧壁的背离第一驱动电机410的一侧，从而提高第一驱动电机410与小腿框架600转动连接的稳定性。

具体地，第一驱动电机410的输出轴上可以固定设置有第一法兰盘411，且第一法兰盘411与第一侧壁通过紧固螺栓或螺钉等可拆卸连接，从而通过第一法兰盘411不仅方便于第一驱动电机410的输出轴与第一侧壁的安装拆卸，而且还提高了第一驱动电机410的输出轴与第一侧壁安装固定的结构强度，有利于通过第一法兰盘411驱动小腿框架600转动。

支撑轴上可以设置有第二法兰盘412，第二法兰盘412设置有穿孔，支撑轴插入穿孔内、并与第二法兰盘412转动配合；第二法兰盘412与第二侧壁通过紧固螺栓或螺钉等可拆卸连接，从而通过第二法兰盘412方便于支撑轴的转动承载设置；并且，支撑轴与第二法兰盘412之间可以设置有轴承413，支撑轴固定于轴承413的内圈，穿孔固定于轴承413的外圈，从而通过轴承413可以减小第二法兰盘412与支撑轴之间的转动摩擦力，有利于小腿框架600的顺利转动。

第二驱动电机420的输出轴上可以固定设置有第三法兰盘421，且第三法兰板与主动轮430通过紧固螺栓或螺钉等可拆卸连接，第三法兰盘421的转动轴线与主动轮430的中心轴线位于同一直线上，从而第二驱动电机420的输出轴便于通过第三法兰盘421驱动主动轮430转动。

本实用新型实施例中，公开的仿人双足机器人行走结构还包可以括弹簧储能机构500；弹簧储能机构500的一端与大腿框架300连接，弹簧储能机构500的另一端与小腿框架600，且弹簧储能机构500具有压缩储能的第一状态和回复释能的第二状态；

在弹簧储能机构500处于第一状态时，第一驱动电机410和从动轮440驱动小腿框架600转动至屈膝动作位置，小腿框架600抵动压缩弹簧储能机构500，从而通过弹簧储能机构500的压缩形变可以将膝关节驱动机构400驱动小腿框架600屈膝的部分动力存储；

在弹簧储能机构500处于第二状态时，第一驱动电机410和从动轮440驱动小腿框架600转动至伸展动作位置，弹簧储能机构500在回复力的作用下进行弹性复位、并抵动小腿框架600转动伸展。

因此，通过弹簧储能机构500不仅可以对仿人双足机器人行走结构起到缓冲作用，提高仿人双足机器人行走结构移动的稳定性；而且，弹簧储能机构500利用小腿框架600屈膝动作过程中存储动力、并于小腿框架600伸展动作过程中释放推动小腿框架600转动，从而与机器人的行走步态相匹配，能够降低小腿框架600伸展动作过程中膝关节驱动机构400的能耗，使膝关节驱动机构400工作在一个较平稳的高效率状态区间，有利于降低仿人双足机器人行走结构的整体功耗。

作为弹簧储能机构500的第一种结构，如图3所示，弹簧储能机构500包括支撑杆510、导向杆530、滑块520以及第一弹簧540；导向杆530沿小腿框架600的长度方向设置于小腿框架600上，滑块520滑动设置于导向杆530上，第一弹簧540套设于导向杆530上，且第一弹簧540的一端抵靠于滑块520、第一弹簧540的另一端抵靠于导向杆530与小腿框架600的连接端；支撑杆510沿大腿框架300的长度方向设置，支撑杆510的一端可以通过转轴与大腿框架300转动连接，支撑杆510的另一端可以通过销轴521与滑块520转动连接。

在膝关节驱动机构400驱动小腿框架600转动进行屈膝动作的过程中，由于支撑杆510的两端分别与大腿框架300和滑块520转动连接，所以支撑杆510可以随着小腿框架600的转动与滑块520进行适应性的转动调节，使导向杆530与支撑杆510相对折叠转动、并通过支撑杆510推动滑块520沿导向杆530滑动，进而通过滑块520沿滑杆560的滑动抵动压缩第一弹簧540实现存储动力；在膝关节驱动机构400驱动小腿框架600转动进行伸展动作的过程中，第一弹簧540在弹性回复力的作用下推动滑块520沿导向杆530滑动、并使导向杆530与支撑杆510展开，从而释放动力辅助推动小腿框架600进行伸展动作。

为了使支撑杆510更好地适用于小腿框架600的屈膝和伸展动作的范围，支撑杆510可以为伸缩杆，从而通过伸缩杆的伸缩调节实现支撑杆510的长度调节，使支撑杆510的长度与小腿框架600的屈膝和伸展动作的范围适应，既有利于弹簧储能机构500动力的存储和释放动作，又保证仿人双足机器人行走结构的屈膝和伸展动作的顺利进行。

其中，伸缩杆可以包括第一连接头511、螺纹杆512以及第二连接头513；第一连接头511和第二连接头513分别设置有与螺纹杆512匹配的螺纹孔，第一连接头511和第二连接头513分别通过螺纹孔套设于螺纹杆512的两端，第一连接头511与大腿框架300转动连接，第二连接头513与滑块520转动连接，从而通过转动第一连接头511和第二连接头513即可以对螺纹杆512的长度进行伸缩调节。

同时，螺纹杆512的两端还可以分别设置紧固螺母，从而在转动第一连接头511和第二连接头513调节好螺纹杆512的长度后，可以通过转动相应的紧固螺母使紧固螺母与相应的第一连接头511和第二连接头513顶紧，防止第一连接头511和第二连接头513发生松动。

作为弹簧储能机构500的第二种结构，如图4所示，弹簧储能机构500可以包括第一滑动接头550，滑杆560、第二滑动接头570和第二弹簧580；第一滑动接头550和第二滑动接头570分别设置有与滑杆560适配的盲孔，第一滑动接头550和第二滑动接头570分别通过盲孔滑动套设于滑杆560的两端，第二弹簧580套设于滑杆560上，且第二弹簧580的一端与第一滑动接头550连接，第二弹簧580的另一端与第二滑动接头570连接；第一滑动接头550与大腿框架300转动连接，第二滑动接头570与小腿框架600转动连接。

在膝关节驱动机构400驱动小腿框架600转动进行屈膝动作的过程中，小腿框架600抵动第二滑动接头570沿滑杆560移动，进而使得与第一滑动接头550和第二滑动接头570连接的第二弹簧580压缩实现存储动力；在膝关节驱动机构400驱动小腿框架600转动进行伸展动作的过程中，第二弹簧580在弹性回复力的作用下推动第二滑动接头570沿滑杆560移动、并通过第二滑动接头570抵动小腿框架600转动，进而释放动力辅助推动小腿框架600进行伸展动作。

其中，第一滑动接头550和第二滑动接头570可以分别通过相应的转动轴承或转轴等结构件转动设置于大腿框架300和小腿框架600上；本实用新型实施例不限制第一滑动接头550转动设置于大腿框架300以及第二滑动接头570转动设置于小腿框架600上的方式结构。

需要说明的是，本实用新型实施例公开的膝关节驱动机构400也可以仅包括第一驱动电机410，第一驱动电机410设置于大腿框架300的下端，且第一驱动电机410的输出轴与小腿框架600的上端连接，从而通过单电机驱动方式驱动小腿框架600转动实现屈膝和伸展动作。

但是，相较于上述的包括第一驱动电机410、第二驱动电机420、主动轮430和从动轮440的膝关节驱动机构400；由于单电机驱动方式的驱动电机的功率受限，所以会降低仿人双足机器人的膝关节驱动力和驱动力矩，使仿人双足机器人与人体的真实运动步态产生差别、行走速度较慢；同时，若增大单电机的功率或提高减速器减速比、以提高输出力矩，则会导致仿人双足机器人的行走结构尺寸增大、重量增加，不仅使转动惯量增加，而且还会影响仿人双足机器人的行走及外观性能。

本实用新型上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种仿人双足机器人行走结构，其特征在于，包括大腿框架(300)、小腿框架(600)、膝关节驱动机构(400)以及弹簧储能机构(500)；所述膝关节驱动机构(400)设置于所述大腿框架(300)的下端，且所述膝关节驱动机构(400)与所述小腿框架(600)的上端连接、并可驱动所述小腿框架(600)转动；所述弹簧储能机构(500)的一端与所述大腿框架(300)连接，所述弹簧储能机构(500)的另一端与所述小腿框架(600)，且所述弹簧储能机构(500)具有压缩储能的第一状态和回复释能的第二状态；

在所述弹簧储能机构(500)处于所述第一状态时，所述膝关节驱动机构(400)驱动所述小腿框架(600)转动至屈膝动作位置的同时、所述小腿框架(600)抵动压缩所述弹簧储能机构(500)，进行储能；

在所述弹簧储能机构(500)处于所述第二状态时，所述膝关节驱动机构(400)驱动所述小腿框架(600)转动至伸展动作位置的同时、所述弹簧储能机构(500)复位抵动所述小腿框架(600)转动伸展，进行释能。

2.根据权利要求1所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述弹簧储能机构(500)包括支撑杆(510)、导向杆(530)、滑块(520)以及第一弹簧(540)；所述导向杆(530)沿所述小腿框架(600)的长度方向设置于所述小腿框架(600)上，所述滑块(520)滑动设置于所述导向杆(530)上，所述第一弹簧(540)套设于所述导向杆(530)上，且所述第一弹簧(540)的一端抵靠于所述滑块(520)、所述第一弹簧(540)的另一端抵靠于所述导向杆(530)与小腿框架(600)的连接端；所述支撑杆(510)沿所述大腿框架(300)的长度方向设置，所述支撑杆(510)的一端与所述大腿框架(300)转动连接，所述支撑杆(510)的另一端与所述滑块(520)转动连接。

3.根据权利要求2所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述支撑杆(510)为伸缩杆；所述伸缩杆包括第一连接头(511)、螺纹杆(512)以及第二连接头(513)；所述第一连接头(511)和所述第二连接头(513)分别设置有与所述螺纹杆(512)匹配的螺纹孔，所述第一连接头(511)和所述第二连接头(513)分别通过螺纹孔套设于所述螺纹杆(512)的两端，所述第一连接头(511)与所述大腿框架(300)转动连接，所述第二连接头(513)与所述滑块(520)转动连接。

4.根据权利要求1所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述弹簧储能机构(500)包括第一滑动接头(550)，滑杆(560)、第二滑动接头(570)和第二弹簧(580)；所述第一滑动接头(550)和所述第二滑动接头(570)分别设置有与所述滑杆(560)适配的盲孔，所述第一滑动接头(550)和所述第二滑动接头(570)分别通过所述盲孔滑动套设于滑杆(560)的两端，所述第二弹簧(580)套设于所述滑杆(560)上，且所述第二弹簧(580)的一端与所述第一滑动接头(550)连接，所述第二弹簧(580)的另一端与所述第二滑动接头(570)连接；所述第一滑动接头(550)与所述大腿框架(300)转动连接，所述第二滑动接头(570)与所述小腿框架(600)转动连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述膝关节驱动机构(400)包括第一驱动电机(410)；所述第一驱动电机(410)设置于所述大腿框架(300)的下端，且所述第一驱动电机(410)的输出轴与所述小腿框架(600)的上端连接。

6.根据权利要求5所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述膝关节驱动机构(400)还包括第二驱动电机(420)、主动轮(430)和从动轮(440)；所述第二驱动电机(420)设置于所述大腿框架(300)、并位于所述第一驱动电机(410)的上方，所述主动轮(430)设置于所述第二驱动电机(420)的输出轴上；所述从动轮(440)设置于所述小腿框架(600)的一侧，且所述从动轮(440)的转动轴线与所述第一驱动电机(410)的输出轴的转动轴线位于同一直线上；所述从动轮(440)和所述主动轮(430)位于所述仿人双足机器人行走结构的同一侧，所述从动轮(440)通过传动组件与所述主动轮(430)传动连接。

7.根据权利要求6所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述传动组件为同步带(450)，所述同步带(450)的两端分别套设于所述主动轮(430)和所述从动轮(440)上；所述主动轮(430)和所述从动轮(440)为与所述同步带(450)匹配的同步带轮。

8.根据权利要求6所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述第一驱动电机(410)设置有支撑轴，所述支撑轴和所述第一驱动电机(410)的输出轴分别位于所述第一驱动电机(410)的相对两侧，所述小腿框架(600)的上端具有相对的第一侧壁和第二侧壁，所述第一驱动电机(410)位于所述第一侧壁和所述第二侧壁之间，所述第一驱动电机(410)的输出轴与所述第一侧壁固定连接，所述支撑轴与所述第二侧壁转动连接；所述从动轮(440)设置于所述第二侧壁的背离所述第一驱动电机(410)的一侧。

9.根据权利要求8所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述第一驱动电机(410)的输出轴上固定设置有第一法兰盘(411)，且所述第一法兰盘(411)与所述第一侧壁可拆卸连接。

10.根据权利要求8所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述支撑轴上设置有第二法兰盘(412)，所述第二法兰盘(412)设置有穿孔，所述支撑轴插设于所述穿孔之内、并与所述第二法兰盘(412)转动配合；所述第二法兰盘(412)与所述第二侧壁可拆卸连接。

11.根据权利要求10所述的仿人双足机器人行走结构，其特征在于，所述支撑轴与所述第二法兰盘(412)之间设置有轴承(413)；所述支撑轴固定于所述轴承(413)的内圈，所述穿孔固定于所述轴承(413)的外圈。

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