CN211592758U - 冗余混联电液混合驱动拟人机械腿 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,包括胯关节模块、膝关节模块、踝关节模块、脚掌和六维传感器;所述胯关节模块固定在机器人的身体上,所述膝关节模块连接在胯关节下面,所述踝关节固定在膝关节模块上,所述脚掌固定在踝关节上,所述六维力传感器固定在脚掌上;本实用新型拟人机械腿整体机构有七个自由度,胯关节三个自由度,膝关节一个自由度,踝关节三个自由度,符合人体运动自由度分布。采用串并混联机构充分发挥了串联和并联的优点,具有承载能力强、运动惯性小、动态特性好等优点,且有位置冗余自由度,运动比非冗余机械腿更加灵活。
Description
技术领域
本实用新型涉及拟人机械腿技术领域,更具体的说,一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿。
背景技术
随着科技的高速发展,机器人技术应用到人们生活、工作、娱乐等各个领域,仿人机器人技术是机器人领域的重要分支,是目前国内外机器人技术领域专家学者研究的热点之一。而机械腿机构是仿人机器人实现双足步行的关键,其性能直接影响人形机器人的整体性能。
目前,拟人机械腿大多数采用串联机构或者并联机构,串联机构存在运动负荷大、动态性能差等缺点,并联机构存在工作空间小等缺点,混联机构兼具串联和并联机构的优点。拟人机械腿大多数均为六自由度或者少于六自由度,运动不灵活,存在奇异位姿,不利于机器人的稳定行走。大多数机械腿采用液压驱动或者电动机驱动,液压驱动力矩大但自身重量大,电动机质量轻但驱动力小。
针对上述焊接机器人存在的问题,设计了一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,有效地弥补了上述的缺点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于为了解决目前大多数拟人机械腿的的不足提出一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,可以在复杂的地形上灵活、迅速地行走。
本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的:一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,包括胯关节模块、膝关节模块、踝关节模块、脚掌和六维力传感器;所述胯关节模块固定在机器人的身体上,所述膝关节模块连接在胯关节下面,所述踝关节固定在膝关节模块上,所述脚掌固定在踝关节上,所述六维力传感器固定在脚掌上;
所述胯关节模块包括胯关节定平台、胯关节变向支链、第一中间块、第一主轴、第一大腿杆、谐波减速器、侧面连接板、第一电机、第一侧轴和侧轴支座;两个侧轴支座均固定在胯关节定平台上,第一侧轴的两端分别安装在两个侧轴支座上,第一中间块套装在第一侧轴上;所述第一主轴穿过第一中间块且第一主轴的两端分别内嵌在两个第一大腿杆内;所述胯关节变向支链包括支撑垫板、虎克铰支座、第二中间块、第二主轴、第二侧轴、第一液压缸、第一液压杆、第一输出轴、输出轴支座;所述支撑垫板通过螺栓固定在胯关节定平台上,所述虎克铰支座固定在支撑垫板上,所述第二侧轴的两端连接在虎克铰支座上,第二侧轴的中部穿过第二中间块并与第二中间块相铰接,所述第二主轴穿过第二中间块和所述第一液压缸,所述第一液压杆的一端伸入第一液压缸内,第一液压杆的另一端铰接在所述第一输出轴上,所述第一输出轴通过两个所述输出轴支座进行支撑;所述侧面连接板固定在第一大腿杆内侧,所述第一电机固定在第一大腿杆上,所述谐波减速器固定在第一大腿杆上,所述谐波减速器的输入轴通过键与固定在第一大腿杆上的第一电机的输出轴相连接;其中一个胯关节变相支链的两个所述输出轴支座固定在其中一个第一大腿杆上,另一个胯关节变相支链的两个所述输出轴支座固定在侧面连接板的外侧面上,侧面连接板的外侧面与第一大腿杆相互垂直;所述膝关节模块包括大腿连接板、第二大腿杆、第一连接轴支座、第一连接轴、第二液压缸、第三输出轴、第二液压杆、小腿杆、第二连接轴支座、第二连接轴和小腿连接板;所述大腿连接板一端面与谐波减速器的输出端固定连接,大腿连接板的两侧侧面上固定有两个第二大腿杆,两根第二大腿杆和两根小腿杆的一端均铰接在第三输出轴上,两根小腿杆的另一端通过小腿连接板固定连接;所述第一连接轴支座固定在第二大腿杆内侧,所述第一连接轴穿过第二液压缸的底座,所述第一连接轴的两端穿过两个第一连接轴支座并通过两个第一连接轴支座进行支撑;所述第二液压杆一端伸入第二液压缸内,第二液压杆的另一端铰接在所述第二连接轴上,所述第二连接轴的两端穿过两个第二连接轴支座并通过两个第二连接轴支座分别固定在两个小腿杆上,所述第二连接轴支座固定在所述小腿杆内侧;
所述踝关节模块电动伸缩底座包括踝关节定平台电动伸缩底座、六维力传感器电动伸缩底座、脚掌、六维力传感器电动伸缩底座、踝关节动平台电动伸缩底座、支撑球杆电动伸缩底座、固定连接板和三根踝关节运动支链;所述踝关节定平台电动伸缩底座固定在膝关节模块的小腿连接板上;三根踝关节运动支链的一端对称分布在踝关节定平台电动伸缩底座上,三根踝关节运动支链的另一端对称分布在踝关节动平台电动伸缩底座上;所述踝关节运动支链包括第一球铰支座电动伸缩底座、电动伸缩底座电动伸缩底座、电动伸缩球杆电动伸缩底座和第二球铰支座电动伸缩底座,所述第一球铰支座电动伸缩底座固定在踝关节定平台电动伸缩底座上,所述电动伸缩底座电动伸缩底座的底端与第一球铰支座电动伸缩底座通过球铰配合,电动伸缩球杆电动伸缩底座的一端伸入电动伸缩底座电动伸缩底座内部,所述电动伸缩球杆电动伸缩底座的另一端与所述第二球铰支座电动伸缩底座通过球副连接,所述第二球铰支座电动伸缩底座固定在踝关节动平台电动伸缩底座上;所述支撑球杆电动伸缩底座一端通过所述固定连接板固定在踝关节定平台电动伸缩底座的中部,支撑球杆电动伸缩底座的另一端通过球副与踝关节动平台电动伸缩底座的中部连接,所述踝关节动平台电动伸缩底座下端固定连接连接法兰盘电动伸缩底座的上端面,连接法兰盘电动伸缩底座的下端面与所述脚掌固定连接,所述六维力传感器电动伸缩底座固定在脚掌上。
进一步的,所述第一中间块和第二中间块前后面设置为通孔,左右面设置有盲孔,可完成两个垂直自由度转动。
进一步的,所述虎克铰支座其中一个转动中心与所述第一中间块的转动中心在同一条直线上。
进一步的,所述第一输出轴和第二输出轴在空间垂直分布,切第一输出轴设置在第二输出轴的上方。
进一步的,所述支撑球杆底端为长方体状,便于和所述固定连接板装配。
进一步的,踝关节动平台主体设置为圆柱状,在圆柱上端外侧均匀设置有三个长弧形连接板。
所述胯关节模块三自由度转动串并混联联机构,包括两个转动自由度并联机构和一个转动串联机构,所述并联机构设置在上端且同液压驱动,可以减轻下面连接关节的负重,所述串联机构通过电机驱动。具有工作空间大、运动灵活等优点。
所述膝关节模块为四杆机构,通过液压驱动,配合胯关节构成四自由度混联机构,使得拟人机械腿的位置自由度存在冗余自由度,可避开奇异位置,灵活运动。
所述踝关节模块采用直线电机驱动,电机负重均在踝关节定平台上,结构紧凑、刚度高、承载能力大,可实现三个自由度的转动。在足部设置六维力传感器可精确测量足部的受力情况,易于实现拟人机械腿的柔性控制。
本实用新型的有益效果在于:本实用新型拟人机械腿整体机构有七个自由度,胯关节三个自由度,膝关节一个自由度,踝关节三个自由度,符合人体运动自由度分布。采用串并混联机构充分发挥了串联和并联的优点,具有承载能力强、运动惯性小、动态特性好等优点,且有位置冗余自由度,运动比非冗余机械腿更加灵活。采用电液混合驱动,液压驱动器基本集中在机械腿定平台上,减轻关节负重,减少能源消耗。
附图说明
图1是本实用新型一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿的结构示意图。
图2是本实用新型胯关节模块的结构示意图。
图3是本实用新型膝关节模块的结构示意图。
图4是本实用新型踝关节模块的结构示意图。
图中,1-胯关节模块、2-膝关节模块、3-踝关节模块、4-脚掌、201-胯关节定平台、202- 第一中间块、203-第一主轴、204-支撑垫板、205-虎克铰支座、206-第二中间块、207-第二主轴、208-第二侧轴、209-第一液压缸、210-第一液压杆、211-第一大腿杆、212-谐波减速器、213-第一输出轴、214-输出轴支座、215-侧面连接板、216-第一电机、217-第一侧轴、218-侧轴支座、301-大腿连接板、302-第二大腿杆、303-第一连接轴支座、304-第一连接轴、305-第二液压缸、306-第三输出轴、307-第二液压杆、308-小腿杆、309-第二连接轴支座、310-第二连接输出轴、311-小腿连接板、401-踝关节定平台、402-第一球铰支座、403-电动伸缩底座、 404-电动伸缩球杆、405-第二球铰支座、406-六维力传感器、407-连接法兰盘、408-踝关节动平台、409-支撑球杆、410-固定连接板
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
如图1~4所示,一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,包括胯关节模块1、膝关节模块2、踝关节模块3、脚掌4和六维力传感器406;所述胯关节模块1固定在机器人的身体上,所述膝关节模块2连接在胯关节下面,所述踝关节固定在膝关节模块2上,所述脚掌4固定在踝关节上,所述六维力传感器406固定在脚掌4上。
所述胯关节模块1包括胯关节定平台201、胯关节变向支链、第一中间块202、第一主轴203、第一大腿杆211、谐波减速器212、侧面连接板215、第一电机216、第一侧轴217 和侧轴支座218;两个侧轴支座218均固定在胯关节定平台201上,第一侧轴217的两端分别安装在两个侧轴支座218上,第一中间块202套装在第一侧轴217上;所述第一主轴203 穿过第一中间块202且第一主轴203的两端分别内嵌在两个第一大腿杆211内;所述胯关节变向支链包括支撑垫板204、虎克铰支座205、第二中间块206、第二主轴207、第二侧轴208、第一液压缸209、第一液压杆210、第一输出轴213、输出轴支座214;所述支撑垫板204通过螺栓固定在胯关节定平台201上,所述虎克铰支座205固定在支撑垫板204上,所述第二侧轴208的两端连接在虎克铰支座205上,第二侧轴208的中部穿过第二中间块206并与第二中间块206相铰接,所述第二主轴207穿过第二中间块206和所述第一液压缸209,所述第一液压杆210的一端伸入第一液压缸209内,第一液压杆210的另一端铰接在所述第一输出轴213上,所述第一输出轴213通过两个所述输出轴支座214进行支撑;所述侧面连接板 215固定在第一大腿杆211内侧,所述第一电机216固定在第一大腿杆211上,所述谐波减速器212固定在第一大腿杆211上,所述谐波减速器212的输入轴通过键与固定在第一大腿杆211上的第一电机216的输出轴相连接;其中一个胯关节变相支链的两个所述输出轴支座 214固定在其中一个第一大腿杆211上,另一个胯关节变相支链的两个所述输出轴支座214 固定在侧面连接板215的外侧面上,侧面连接板215的外侧面与第一大腿杆211相互垂直。
所述膝关节模块2包括大腿连接板301、第二大腿杆302、第一连接轴支座303、第一连接轴304、第二液压缸305、第三输出轴306、第二液压杆307、小腿杆308、第二连接轴支座309、第二连接轴310和小腿连接板311;所述大腿连接板301一端面与谐波减速器212 的输出端固定连接,大腿连接板301的两侧侧面上固定有两个第二大腿杆302,两根第二大腿杆302和两根小腿杆308的一端均铰接在第三输出轴306上,两根小腿杆308的另一端通过小腿连接板311固定连接;所述第一连接轴支座303固定在第二大腿杆302内侧,所述第一连接轴304穿过第二液压缸305的底座,所述第一连接轴304的两端穿过两个第一连接轴支座303并通过两个第一连接轴支座303进行支撑;所述第二液压杆307一端伸入第二液压缸305内,第二液压杆307的另一端铰接在所述第二连接轴310上,所述第二连接轴310的两端穿过两个第二连接轴支座309并通过两个第二连接轴支座309分别固定在两个小腿杆308 上,所述第二连接轴支座309固定在所述小腿杆308内侧。
所述踝关节模块3包括踝关节定平台401、六维力传感器406、脚掌4、六维力传感器406、踝关节动平台408、支撑球杆409、固定连接板410和三根踝关节运动支链;所述踝关节定平台401固定在膝关节模块2的小腿连接板311上;三根踝关节运动支链的一端对称分布在踝关节定平台401上,三根踝关节运动支链的另一端对称分布在踝关节动平台408上;所述踝关节运动支链包括第一球铰支座402、电动伸缩底座403、电动伸缩球杆404和第二球铰支座405,所述第一球铰支座402固定在踝关节定平台401上,所述电动伸缩底座403的底端与第一球铰支座402通过球铰配合,电动伸缩球杆404的一端伸入电动伸缩底座403内部,所述电动伸缩球杆404的另一端与所述第二球铰支座405通过球副连接,所述第二球铰支座405固定在踝关节动平台408上;所述支撑球杆409一端通过所述固定连接板410固定在踝关节定平台401的中部,支撑球杆409的另一端通过球副与踝关节动平台408的中部连接,所述踝关节动平台408下端固定连接连接法兰盘407的上端面,连接法兰盘407的下端面与所述脚掌4固定连接,所述六维力传感器406固定在脚掌4上。
所述第一中间块202和第二中间块206前后面设置为通孔,左右面设置有盲孔,可完成两个垂直自由度转动。所述虎克铰支座205其中一个转动中心与所述第一中间块202的转动中心在同一条直线上。所述第一输出轴213和第二输出轴在空间垂直分布,切第一输出轴 213设置在第二输出轴的上方。
所述支撑球杆409底端为长方体状,便于和所述固定连接板410装配。踝关节动平台 408主体设置为圆柱状,在圆柱上端外侧均匀设置有三个长弧形连接板。
本实用新型的工作过程如下:拟人机械腿在运动过程中,通过脚掌4位置处的六维力传感器406测量脚掌4处的受力情况,并反馈到机械腿的控制系统,根据受力的模拟信号转换成数字信号,通过第一液压缸209和第一电机216控制调整胯关节1的位姿,通过第二液压缸305控制调整膝关节2的转动角度,通过直线电机403控制调整踝关节3的姿态,最后,实现机械腿的灵活运动。
上述实施例只是本实用新型的较佳实施例,并不是对本实用新型技术方案的限制,只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案,均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。
Claims (6)
1.一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,其特征在于:包括胯关节模块(1)、膝关节模块(2)、踝关节模块(3)、脚掌(4)和六维力传感器(406);所述胯关节模块(1)固定在机器人的身体上,所述膝关节模块(2)连接在胯关节下面,所述踝关节固定在膝关节模块(2)上,所述脚掌(4)固定在踝关节上,所述六维力传感器(406)固定在脚掌(4)上;
所述胯关节模块(1)包括胯关节定平台(201)、胯关节变向支链、第一中间块(202)、第一主轴(203)、第一大腿杆(211)、谐波减速器(212)、侧面连接板(215)、第一电机(216)、第一侧轴(217)和侧轴支座(218);两个侧轴支座(218)均固定在胯关节定平台(201)上,第一侧轴(217)的两端分别安装在两个侧轴支座(218)上,第一中间块(202)套装在第一侧轴(217)上;所述第一主轴(203)穿过第一中间块(202)且第一主轴(203)的两端分别内嵌在两个第一大腿杆(211)内;所述胯关节变向支链包括支撑垫板(204)、虎克铰支座(205)、第二中间块(206)、第二主轴(207)、第二侧轴(208)、第一液压缸(209)、第一液压杆(210)、第一输出轴(213)、输出轴支座(214);所述支撑垫板(204)通过螺栓固定在胯关节定平台(201)上,所述虎克铰支座(205)固定在支撑垫板(204)上,所述第二侧轴(208)的两端连接在虎克铰支座(205)上,第二侧轴(208)的中部穿过第二中间块(206)并与第二中间块(206)相铰接,所述第二主轴(207)穿过第二中间块(206)和所述第一液压缸(209),所述第一液压杆(210)的一端伸入第一液压缸(209)内,第一液压杆(210)的另一端铰接在所述第一输出轴(213)上,所述第一输出轴(213)通过两个所述输出轴支座(214)进行支撑;所述侧面连接板(215)固定在第一大腿杆(211)内侧,所述第一电机(216)固定在第一大腿杆(211)上,所述谐波减速器(212)固定在第一大腿杆(211)上,所述谐波减速器(212)的输入轴通过键与固定在第一大腿杆(211)上的第一电机(216)的输出轴相连接;其中一个胯关节变相支链的两个所述输出轴支座(214)固定在其中一个第一大腿杆(211)上,另一个胯关节变相支链的两个所述输出轴支座(214)固定在侧面连接板(215)的外侧面上,侧面连接板(215)的外侧面与第一大腿杆(211)相互垂直;
所述膝关节模块(2)包括大腿连接板(301)、第二大腿杆(302)、第一连接轴支座(303)、第一连接轴(304)、第二液压缸(305)、第三输出轴(306)、第二液压杆(307)、小腿杆(308)、第二连接轴支座(309)、第二连接轴(310)和小腿连接板(311);所述大腿连接板(301)一端面与谐波减速器(212)的输出端固定连接,大腿连接板(301)的两侧侧面上固定有两个第二大腿杆(302),两根第二大腿杆(302)和两根小腿杆(308)的一端均铰接在第三输出轴(306)上,两根小腿杆(308)的另一端通过小腿连接板(311)固定连接;所述第一连接轴支座(303)固定在第二大腿杆(302)内侧,所述第一连接轴(304)穿过第二液压缸(305)的底座,所述第一连接轴(304)的两端穿过两个第一连接轴支座(303)并通过两个第一连接轴支座(303)进行支撑;所述第二液压杆(307)一端伸入第二液压缸(305)内,第二液压杆(307)的另一端铰接在所述第二连接轴(310)上,所述第二连接轴(310)的两端穿过两个第二连接轴支座(309)并通过两个第二连接轴支座(309)分别固定在两个小腿杆(308)上,所述第二连接轴支座(309)固定在所述小腿杆(308)内侧;
所述踝关节模块(3)包括踝关节定平台(401)、六维力传感器(406)、脚掌(4)、六维力传感器(406)、踝关节动平台(408)、支撑球杆(409)、固定连接板(410)和三根踝关节运动支链;所述踝关节定平台(401)固定在膝关节模块(2)的小腿连接板(311)上;三根踝关节运动支链的一端对称分布在踝关节定平台(401)上,三根踝关节运动支链的另一端对称分布在踝关节动平台(408)上;所述踝关节运动支链包括第一球铰支座(402)、电动伸缩底座(403)、电动伸缩球杆(404)和第二球铰支座(405),所述第一球铰支座(402)固定在踝关节定平台(401)上,所述电动伸缩底座(403)的底端与第一球铰支座(402)通过球铰配合,电动伸缩球杆(404)的一端伸入电动伸缩底座(403)内部,所述电动伸缩球杆(404)的另一端与所述第二球铰支座(405)通过球副连接,所述第二球铰支座(405)固定在踝关节动平台(408)上;所述支撑球杆(409)一端通过所述固定连接板(410)固定在踝关节定平台(401)的中部,支撑球杆(409)的另一端通过球副与踝关节动平台(408)的中部连接,所述踝关节动平台(408)下端固定连接连接法兰盘(407)的上端面,连接法兰盘(407)的下端面与所述脚掌(4)固定连接,所述六维力传感器(406)固定在脚掌(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,其特征在于:所述第一中间块(202)和第二中间块(206)前后面设置为通孔,左右面设置有盲孔,可完成两个垂直自由度转动。
3.根据权利要求1所述的一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,其特征在于:所述虎克铰支座(205)其中一个转动中心与所述第一中间块(202)的转动中心在同一条直线上。
4.根据权利要求1所述的一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,其特征在于:所述第一输出轴(213)和第二输出轴在空间垂直分布,切第一输出轴(213)设置在第二输出轴的上方。
5.根据权利要求1所述的一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,其特征在于:所述支撑球杆(409)底端为长方体状,便于和所述固定连接板(410)装配。
6.根据权利要求1所述的一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿,其特征在于:踝关节动平台(408)主体设置为圆柱状,在圆柱上端外侧均匀设置有三个长弧形连接板。
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CN110696941A (zh) * | 2019-09-19 | 2020-01-17 | 浙江工业大学 | 一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿 |
CN113876474A (zh) * | 2021-09-22 | 2022-01-04 | 复旦大学 | 一种模块化动力假肢 |
CN116161141A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-05-26 | 成都理工大学 | 一种重载六足机器人自复位减震足端 |
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2019
- 2019-09-19 CN CN201921563643.1U patent/CN211592758U/zh active Active
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110696941A (zh) * | 2019-09-19 | 2020-01-17 | 浙江工业大学 | 一种冗余混联电液混合驱动拟人机械腿 |
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GR01 | Patent grant | ||
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