CN214689836U - 腿部结构及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种腿部结构及机器人，腿部结构包括：大腿部；小腿部和第一直线驱动机构，小腿部摆动安装于大腿部，第一直线驱动机构的一端与大腿部铰接，第一直线驱动机构的另一端与小腿部铰接；脚部和并联设置的两个第二直线驱动机构，脚部活动连接于小腿部，第二直线驱动机构的一端通过第一旋转关节与小腿部铰接，第二直线驱动机构的另一端通过第二旋转关节与脚部铰接。本实用新型提供的腿部结构，大腿部与小腿部、小腿部与脚部之间均采用直线驱动机构进行驱动，使得腿部堆叠所需的空间更小，能减小尺寸，整体惯量更小，能满足力矩需求，可有效地提升机器人的运动能力；整体结构简单，结构紧凑，成本低。

Description

腿部结构及机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种腿部结构及机器人。

背景技术

人形机器人的腿部结构一般包括髋部自由度、膝部自由度和踝部自由度。现有的机器人，其腿部结构大都使用旋转舵机来控制关节自由度。采用旋转舵机会造成机器人腿部结构尺寸较大，堆叠困难，整体惯量大，对旋转舵机的力矩需求也比较大，因此造成现有人形机器人运动能力有限，运动能力的提升比较困难。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种腿部结构及机器人，以解决现有技术中存在的采用旋转舵机控制关节自由度的腿部结构整体惯量大，机器人的运动能力提升较为困难的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种腿部结构，包括：

大腿部；

小腿部和第一直线驱动机构，所述小腿部摆动安装于所述大腿部的下方，所述第一直线驱动机构的一端与所述大腿部铰接，所述第一直线驱动机构的另一端与所述小腿部铰接；

脚部和并联设置的两个第二直线驱动机构，所述脚部活动连接于所述小腿部的下方，所述第二直线驱动机构的一端通过第一旋转关节与所述小腿部铰接，所述第二直线驱动机构的另一端通过第二旋转关节与所述脚部铰接。

进一步地，所述第一直线驱动机构和所述第二直线驱动机构均包括电机、减速器、丝杆、丝杆螺母和套筒，所述电机通过所述减速器与所述丝杆驱动连接，所述丝杆螺母螺合于所述丝杆，所述套筒套于所述丝杆外周，所述套筒的一端与所述丝杆螺母固定，所述套筒能沿所述丝杆的轴向移动。

进一步地，所述减速器设于外壳中，所述第一旋转关节的一端固定安装于所述外壳的上表面，所述电机固定安装于所述外壳的下表面，所述丝杆螺母和所述套筒位于所述外壳的下方，所述电机的输出轴穿过所述外壳并与所述减速器的输入端连接，所述丝杆的一端伸入所述外壳并与所述减速器的输出端连接。

进一步地，所述外壳中设有套于所述丝杆的至少一个支撑轴承，所述支撑轴承的外圈与所述外壳固定，所述支撑轴承的内圈与所述丝杆固定。

进一步地，所述丝杆远离所述外壳的一端套装有直线轴承，所述直线轴承与所述丝杆滑动配合，所述直线轴承的外圈固定于所述套筒的内壁上。

进一步地，两个所述第二直线驱动机构和所述小腿部三者与所述脚部的连接处呈三角形状分布。

进一步地，所述第一直线驱动机构位于所述大腿部的前侧，两个所述第二直线驱动机构位于所述小腿部的前侧或后侧。

进一步地，所述第一旋转关节和所述第二旋转关节为万向节、关节轴承或球形铰链。

进一步地，所述第一直线驱动机构的两端分别通过单向铰链与所述大腿部和所述小腿部铰接。

本实用新型的另一目的在于提供一种机器人，包括上述腿部结构。

进一步地，所述机器人还包括髋部，所述髋部包括髋部支架和髋部驱动机构，所述髋部支架通过髋部驱动机构与大腿部连接，所述髋部支架的顶面用于与所述机器人的躯干连接。

进一步地，所述髋部驱动机构为双自由度舵机，所述双自由度舵机的四周侧分别具有输出轴，其中一组输出轴与所述大腿部连接，另一组输出轴与所述髋部支架连接。

本实用新型提供的腿部结构的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型腿部结构，大腿部与小腿部、小腿部与脚部之间均采用直线驱动机构进行驱动，使得腿部堆叠所需的空间更小，能减小尺寸，通过第一直线驱动机构驱动小腿部转动，通过并联设置的两个第二直线驱动机构驱动脚部转动，腿部的质心提高，整体惯量更小，能满足力矩需求，可有效地提升机器人的运动能力；整体结构简单，结构紧凑，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的腿部结构的立体图；

图2为本实用新型另一实施例提供的腿部结构的立体图；

图3为图1所示腿部结构中第一直线驱动机构的剖切视图。

其中，图中各附图标记：

100-大腿部；200-小腿部；300-脚部；400-髋部；510-第一直线驱动机构；520-第二直线驱动机构；610-第一旋转关节；620-第二旋转关节；630-第三旋转关节；640-第四旋转关节；110-大腿骨架；120-支撑部；210-小腿骨架；211-第一延伸部；212-第二延伸部；221-第一部分；222-第二部分；223-第三部分；410-髋部支架；420-髋部驱动机构；511-电机；512-丝杆；513-丝杆螺母；514-套筒；515-减速器；516-外壳；517-支撑轴承；518-直线轴承。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本实用新型实施例提供的腿部结构进行说明。该腿部结构包括大腿部100、小腿部200、脚部300、第一直线驱动机构510和两个第二直线驱动机构520。大腿部100与机器人的髋部支架410连接，小腿部200摆动安装于大腿部100的下方，脚部300设于小腿部200下方且活动连接于小腿部200的下方。第一直线驱动机构510的一端与大腿部100铰接，另一端与小腿部200铰接。两个第二直线驱动机构520并联设置，第二直线驱动机构520的一端通过第一旋转关节610实现与小腿部200的铰接，第二直线驱动机构520的另一端通过第二旋转关节620实现与脚部300的铰接。也就是说，第一直线驱动机构510构成机器人的膝盖驱动件，两个第二直线驱动机构520构成机器人的踝部驱动件，膝关节和踝关节均采用直线驱动，使得腿部堆叠所需空间更小，质心提高，惯量更小，机器人腿部关节力矩也更大。

本实用新型提供的腿部结构，与现有技术相比，大腿部100与小腿部200、小腿部200与脚部300之间均采用直线驱动机构进行驱动，使得腿部堆叠所需的空间更小，能减小尺寸，通过第一直线驱动机构510驱动小腿部200转动，通过并联设置的两个第二直线驱动机构520驱动脚部300转动，腿部的质心提高，整体惯量更小，能满足力矩需求，可有效地提升机器人的运动能力；整体结构简单，结构紧凑，成本低。

在一实施例中，第一旋转关节610和第二旋转关节620均可以采用万向节、关节轴承或球形铰链，其可以实现任意角度的旋转运动。请参阅图1，第一旋转关节610和第二旋转关节620均采用关节轴承，关节轴承具有两个转轴，与脚部300连接的关节轴承中，其中的一个转轴与脚部300的宽度方向平行，另一个转轴与脚部300的长度方向平行，两个转轴呈十字交叉布设。

在一实施例中，参阅图3，第一直线驱动机构510和第二直线驱动机构520均包括电机511、丝杆512、丝杆螺母513、套筒514和减速器515。电机511通过减速器515与丝杆512驱动连接，带动丝杆512转动，设置减速器515，能降低转速以提高输出扭矩。电机511的输出轴与减速器515的输入端连接，丝杆512的输入端与减速器515的输出端连接；丝杆螺母513螺合在丝杆512上，套筒514套于丝杆512外，套筒514的内径大于丝杆512的外径，套筒514能沿丝杆512的轴线方向移动；套筒514的一端与丝杆螺母513固定，套筒514的另一端与第二旋转关节620连接固定。电机511的输出轴可以直接和丝杆512连接，也可以通过减速器515间接地和丝杆512连接。减速器515可以是一级或多级直齿轮减速器、行星减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器、带传动等，电机511可以是外转子无刷电机、内转子无刷电机、有刷电机、空心杯电机、步进电机，丝杆512可以但不限于是滚珠丝杆、梯形丝杆和行星滚柱丝杆。

在一实施例中，请参阅图3，电机511通过减速器515间接地与丝杆512连接，并且减速器515外罩设有外壳516。电机511的输出轴穿过该外壳516后与减速器515的输入端连接，电机511固定安装于外壳516的下表面，丝杆螺母513和套筒514位于外壳516的下方，这样，对应的直线驱动机构较重的部分集中于上部，其质心较高，机器人腿部的质心提升，降低惯量。第一旋转关节610的一端固定安装于外壳516的上表面，丝杆512的一端伸入外壳516且与减速器515的输出端连接。

具体地，外壳516的宽度呈渐变式设置，其宽度从靠近小腿部200至远离小腿部200的方向逐渐变大；外壳516包括相连接的上壳体和下壳体，下壳体开设有供电机511输出轴穿过的通孔，以及供丝杆512穿过的穿孔，第一旋转关节610固定在上壳体顶面的一端，电机511的输出轴及丝杆512均与下壳体的下表面垂直，丝杆512位于小腿部200与电机511之间。

在一实施例中，参阅图3，套筒514的内壁面固定有直线轴承518，该直线轴承518的内圈套于丝杆512外周，直线轴承518与丝杆512滑动配合，直线轴承518的设置可用于辅助丝杆512在套筒514中直线移动时的导向，并能承受一定弯矩，使套筒514和螺杆保持相对同心的状态。具体地，直线轴承518套装于丝杆512远离丝杆螺母513一端的非螺纹段，直线轴承518可采用滚珠直线轴承、滑动轴承套、滚珠衬套等，能较好地提供直线的导向和承受径向方向的力。

丝杆512靠近减速器515的一端套有至少一个支撑轴承517，支撑轴承517可设置一个或多个，如图3所示，丝杆512上间隔套设有两个支撑轴承517，支撑轴承517的外圈与外壳516固定，支撑轴承517的内圈与丝杆512固定。支撑轴承517用于支撑丝杆512靠近减速器515的一端，能承受一定的侧向弯矩；支撑轴承517可以是深沟球轴承、角接触球轴承、四点接触球轴承。

在一实施例中，参阅图1，两个第二直线驱动机构520和小腿部200三者与脚部300的连接处呈三角形状分布。脚部300呈左右对称的结构，脚部300的左右两侧关于中心线对称布设，小腿部200与脚部300的连接处位于脚部300的中心线上，两个第二直线驱动机构520与脚部300的连接处对称布设于脚部300中心线的两侧。也就是说，两个第二直线驱动机构520和小腿部200三者与脚部300的连接处形成等腰三角形三端点分布，采用三角形分布，能够实现脚部300的俯仰运动与翻转运动，在机器人需要保持站立时，机器人的重力经小腿部200和脚部300传递至地面，确保小腿部200相对脚部300的稳定性。

在一实施例中，如图1所示，第一直线驱动机构510位于大腿部100的前侧，两个第二直线驱动机构520位于小腿部200的前侧，即两个第二旋转关节620位于脚部300的前端处，两个第二旋转关节620位于小腿部200的前侧，当两个第二直线驱动机构520向同一个方向移动时，实现踝关节的俯仰运动，即脚部300前端上下摆动；当两个第二直线驱动机构520向不同的方向移动时，实现踝关节翻滚运动和俯仰运动的复合运动，即脚部300前端的左右摆动和上下摆动。

在一实施例中，参阅图1，小腿部200包括小腿骨架210、第一延伸部211和第二延伸部212。小腿骨架210为中间镂空的结构，小腿骨架210包括框体和设于框体内的横梁及支撑梁；第一延伸部211向小腿部200前端水平延伸，第一旋转关节610的一端固定于第一延伸部211的底面，另一端固定于上壳体的顶面；第二延伸部212自框架底部竖向延伸，即自小腿骨架210的底部竖向向下延伸，第二延伸部212的宽度从上至下逐渐减小，第二延伸部212底部的宽度小于小腿骨架210底部的宽度，第二延伸部212通过第四旋转关节640与脚部300活动连接，第四旋转关节640为万向节、关节轴承或球形铰链。

大腿部100包括呈U形的大腿骨架110，以及连接于大腿骨架110底面的支撑部120。大腿骨架110用于安装髋部400，大腿骨架110转动安装有髋部驱动机构420，髋部驱动机构420的两侧转动安装有呈U形的髋部支架410。

在另一实施例中，请参阅图2，第一直线驱动机构510位于大腿部100的前侧，两个第二直线驱动机构520位于小腿部200的后侧，即底部的第二旋转关节620位于脚部300的后端处，两个第一旋转关节610及两个第二旋转关节620位于小腿部200的后侧；当两个第二直线驱动机构520向同一个方向移动时，实现踝关节的俯仰运动，即脚部300前端上下摆动；当两个第二直线驱动机构520向不同的方向移动时，实现踝关节翻滚运动和俯仰运动的复合运动，即脚部300前端的左右摆动和上下摆动。

在一实施例中，请参阅图2，大腿部100包括呈U形的大腿骨架110和连接于大腿骨架110底部后端的支撑部120。第一直线驱动机构510的两端分别通过第三旋转关节630与大腿骨架110和小腿部200连接，两个第三旋转关节630中，位于上部的第三旋转关节630安装于大腿骨架110底面的前端，位于下部的第三旋转关节630安装于第一部分221的中央位置，这样第一直线驱动机构510倾斜布设，且收容在大腿骨架110下方的空间内，大腿骨架110和第一直线驱动机构510的装配结构紧凑，整体占用空间小。

在一实施例中，请参阅图2，小腿部200包括三部分，该三部分分别为从上至下依次连接的第一部分221、第二部分222和第三部分223，支撑部120的底端铰接于第一部分221顶面的后端，第二部分222竖向连接于第一部分221底面的前端，第三部分223远离第二部分222的一端朝脚部300后侧的方向倾斜设置。第一部分221呈平板状且水平布设，第二部分222为中间镂空的平板，且竖向或倾斜布设，第三部分223为中间镂空的倾斜板，第三部分223的宽度从上至下逐渐减小，即小腿部200整体大致呈“7”字形，底部的第三部分223倾斜向脚部300的后端方向延伸，第三部分223通过第四旋转关节640与脚部300活动连接，第四旋转关节640为万向节、关节轴承或球形铰链。小腿骨架210整体重量小，两个第二直线驱动机构520位于第一部分221的下方，两者的电机511收容于第一部分221下方的空间内，这样小腿骨架210和第二直线驱动机构520的装配结构更为紧凑，整体占用的空间更小。

在一实施例中，请参阅图2，第三旋转关节630采用单向铰链，该单向铰链的一端安装固定于第一直线驱动机构510的外壳516的顶面，单向铰链的另一端安装固定于大腿骨架110的内底面上。

本实施例提供的机器人，包括上述实施例的腿部结构，通过设置上述腿部结构，能有效减少机器人整体占用的空间，具体机器人的腿部与小腿部200、小腿部200与脚部300之间均采用直线驱动机构进行驱动，使得腿部结构能减小尺寸，无需堆叠，整体惯量较小，能满足力矩需求，同时也有效地提升了机器人的运动能力。

在一实施例中，参阅图1，机器人还包括髋部400，该髋部400包括髋部支架410和髋部驱动机构420。髋部支架410通过髋部驱动机构420与大腿部100连接，髋部支架410用于与机器人的躯干连接。在一实施方式中，髋部支架410呈U形，髋部驱动机构420能够控制髋部400进行俯仰和翻滚两个方向的运动，髋部驱动机构420可以是双自由度舵机，也可以是两个单自由度舵机堆叠组成的。

如图2所示，髋部驱动机构420为双自由度舵机，双自由度舵机的四周侧分别具有输出轴，其中一组输出轴与大腿部100连接，另一组输出轴与髋部支架410连接。髋部驱动机构420采用双自由度舵机，该双自由度舵机具有两个呈十字交叉布设的输出轴，其中一个输出轴的两端与大腿骨架110连接，另一个输出轴的两端与髋部支架410连接。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种腿部结构，其特征在于：包括：

大腿部；

小腿部和第一直线驱动机构，所述小腿部摆动安装于所述大腿部的下方，所述第一直线驱动机构的一端与所述大腿部铰接，所述第一直线驱动机构的另一端与所述小腿部铰接；

脚部和并联设置的两个第二直线驱动机构，所述脚部活动连接于所述小腿部的下方，所述第二直线驱动机构的一端通过第一旋转关节与所述小腿部铰接，所述第二直线驱动机构的另一端通过第二旋转关节与所述脚部铰接。

2.如权利要求1所述的腿部结构，其特征在于：所述第一直线驱动机构和所述第二直线驱动机构均包括电机、减速器、丝杆、丝杆螺母和套筒，所述电机通过所述减速器与所述丝杆驱动连接，所述丝杆螺母螺合于所述丝杆，所述套筒套于所述丝杆外周，所述套筒的一端与所述丝杆螺母固定，所述套筒能沿所述丝杆的轴向移动。

3.如权利要求2所述的腿部结构，其特征在于：所述减速器设于外壳中，所述第一旋转关节的一端固定安装于所述外壳的上表面，所述电机固定安装于所述外壳的下表面，所述丝杆螺母和所述套筒位于所述外壳的下方，所述电机的输出轴穿过所述外壳并与所述减速器的输入端连接，所述丝杆的一端伸入所述外壳并与所述减速器的输出端连接。

4.如权利要求3所述的腿部结构，其特征在于：所述外壳中设有套于所述丝杆的至少一个支撑轴承，所述支撑轴承的外圈与所述外壳固定，所述支撑轴承的内圈与所述丝杆固定。

5.如权利要求3所述的腿部结构，其特征在于：所述丝杆远离所述外壳的一端套装有直线轴承，所述直线轴承与所述丝杆滑动配合，所述直线轴承的外圈固定于所述套筒的内壁上。

6.如权利要求1所述的腿部结构，其特征在于：两个所述第二直线驱动机构和所述小腿部三者与所述脚部的连接处呈三角形状分布。

7.如权利要求6所述的腿部结构，其特征在于：所述第一直线驱动机构位于所述大腿部的前侧，两个所述第二直线驱动机构位于所述小腿部的前侧或后侧。

8.如权利要求1-7任一项所述的腿部结构，其特征在于：所述第一旋转关节和所述第二旋转关节为万向节、关节轴承或球形铰链。

9.如权利要求1-7任一项所述的腿部结构，其特征在于：所述第一直线驱动机构的两端分别通过单向铰链与所述大腿部和所述小腿部铰接。

10.一种机器人，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的腿部结构。

11.如权利要求10所述的机器人，其特征在于：所述机器人还包括髋部，所述髋部包括髋部支架和髋部驱动机构，所述髋部支架通过髋部驱动机构与大腿部连接，所述髋部支架的顶面用于与所述机器人的躯干连接。

12.如权利要求11所述的机器人，其特征在于：所述髋部驱动机构为双自由度舵机，所述双自由度舵机的四周侧分别具有输出轴，其中一组输出轴与所述大腿部连接，另一组输出轴与所述髋部支架连接。

Images