CN113815744A - 一种仿人行走机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿人行走机械腿，包括臀支架、大腿支架、小腿支架、足支撑板以及驱动单元，驱动单元包括驱动大腿支架相对臀支架转动的髋关节单元、驱动小腿支架相对于大腿支架转动的膝关节单元、驱动足支撑板相对于小腿支架转动的踝关节单元，可以实现髋关节单元三个自由度、膝关节单元一个自由度、踝关节单元两个自由度，通过不同传动结构使驱动电机和伸缩件位置更灵活，本发明中可将第一髋驱动电机和第一髋传动轴完全置于骨盆内部，可将第三髋驱动电机放置于大腿内侧，减少髋关节部位的机构复杂度；可将膝伸缩件置于大腿内侧，提供更大更稳定的驱动力；使得踝关节转轴附近无需安装驱动或传动机构，降低机构复杂度，减轻重量，提高灵敏度。

Description

一种仿人行走机械腿

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种仿人行走机械腿。

背景技术

现有技术中，机器人腿部设计大多采用驱动电机与自由度同轴的方案，驱动电机本身较大，十分占用空间，其内部空间不能得到合理的利用，影响其他部件在机器人体内的设置，因而若想使机器人体型不至于过于臃肿，则会导致对电机和减速器的体积形状等限制较大，出现限制驱动的功率等问题，影响机器人的动作准确性和力量强度。具体的在腿部的设计中情况尤为明显，因为腿部需要更强的支撑力量，需要更大体积的驱动电机。

髋关节需要有3个自由度（为大腿的前后摆动、左右摆动、垂直转动），需要三个驱动电机，占用空间较大。髋关节在上下方向上的驱动采用同轴减速机构，从电机至髋关节的上下方向均同轴，电机呈竖直状态，空间利用率不高；髋关节在前后、左右方向上的驱动，驱动电机均安装于髋关节部位附近，导致髋关节机构复杂、臃肿，将电机置于大腿内部时，电机的轴向为大腿的宽度方向，对电机和减速器的长度限制较大，限制驱动功率。膝关节需要有1个自由度（为小腿的前后摆动），现有技术将驱动电机置于膝关节的轴上，若想精简膝关节部位的体积，则空间小，驱动力有限，空间利用率不高；踝关节需要有2个自由度（为脚的前后转动、左右转动），现有技术将电机置于踝关节两个转轴上或采用同步带传动，机构较为复杂、臃肿，占用空间大，空间利用率不高。并且由于无法平衡驱动力的强度和体积的大小，现有机器人控制为刚性控制，无法实现柔性控制。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿人行走机械腿，用于提供髋关节具有三个自由度的机械腿、膝关节具有一个自由度的机械腿、踝关节具有两个自由度的机械腿，使该机械腿既满足足够驱动力，又满足体积精简不臃肿，实现两者间的平衡。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种仿人行走机械腿，包括臀支架、大腿支架、小腿支架、足支撑板以及驱动单元，所述驱动单元包括髋关节单元、膝关节单元、踝关节单元中的至少一种，

所述髋关节单元：用于驱动所述大腿支架相对所述臀支架转动，其包括第一髋支架、第二髋支架、第一髋驱动电机、第二髋驱动电机以及第三髋驱动电机，所述第一髋支架、臀支架之间通过第一髋转动轴转动连接，所述第一髋驱动电机与所述第一髋转动轴传动连接以带动所述第一髋支架绕所述第一髋转动轴转动；所述第二髋驱动电机的输出轴与所述第一髋支架固定连接，所述第二髋驱动电机的主体与所述第二髋支架固定连接以带动所述第二髋支架绕所述第二驱动电机的输出轴转动；所述第二髋支架、大腿支架之间通过第二髋转动轴转动连接，所述第三髋驱动电机设置在所述大腿支架上与所述第二髋转动轴传动连接以带动所述大腿支架绕所述第二髋转动轴转动；

所述膝关节单元：用于驱动所述小腿支架相对于所述大腿支架转动，其包括膝伸缩件、膝转动轴，所述膝伸缩件的一端与所述大腿支架连接，所述膝伸缩件的另一端与所述小腿支架连接，所述大腿支架、小腿支架之间通过所述膝转动轴转动连接，所述膝伸缩件伸缩以带动所述小腿支架绕所述膝转动轴转动；

所述踝关节单元：用于驱动所述足支撑板相对于所述小腿支架转动，所述踝关节单元包括踝驱动机构、踝连接支架，所述踝驱动机构设置有多组，所述踝驱动机构包括踝伸缩件、踝连接杆，所述踝伸缩件的一端与所述小腿支架连接，所述踝伸缩件的另一端与所述踝连接杆的一端通过球铰连接，所述踝连接杆的另一端与所述足支撑板通过球铰连接，所述踝连接支架与所述小腿支架通过第一足转动轴转动连接，所述踝连接支架与所述足支撑板通过第二足转动轴转动连接，所述踝伸缩件伸缩以带动所述足支撑板绕所述第一足转动轴转动、第二足转动轴转动；

在初始状态下，所述第一髋转动轴沿所述机械腿的上下方向延伸，所述第二髋驱动电机的输出轴、第二足转动轴沿所述机械腿的前后方向延伸，所述第二髋转动轴、膝转动轴、第一足转动轴沿所述机械腿的左右方向延伸。

优选地，所述第一髋驱动电机设置在所述臀支架内且所述第一髋驱动电机的输出轴沿水平方向延伸，所述第一髋驱动电机的输出轴与所述第一髋转动轴之间通过锥齿轮传动连接。

优选地，所述髋关节单元还包括髋传动组件，所述髋传动组件包括髋传动轴、同步带，所述髋传动轴连接在所述大腿支架上，所述髋传动轴与所述第三髋驱动电机的输出轴传动连接，所述同步带同时套设在所述髋传动轴、第二髋转动轴上，在初始状态下，所述髋传动轴沿所述机械腿的左右方向延伸。

进一步优选地，所述第三髋驱动电机的输出轴与所述髋传动轴垂直，所述第三髋驱动电机的输出轴与所述髋传动轴之间通过锥齿轮传动连接。

优选地，所述膝驱动单元还包括第一膝连接杆、第二膝连接杆，所述第一膝连接杆固定连接在所述大腿支架上，所述第二膝连接杆固定连接在所述小腿支架上，所述膝伸缩件的一端与所述第一膝连接杆转动连接、另一端与所述第二膝连接杆转动连接，在初始状态下，所述第一膝连接杆、第二膝连接杆沿所述机械腿的左右方向延伸。

优选地，所述足支撑板上表面具有足支架、足连接杆，所述足支架通过所述第二足转动轴与所述踝连接支架转动连接，所述足连接杆与所述踝连接杆通过球铰连接。

优选地，所述踝驱动机构设置有两组，当两组所述踝伸缩件同步伸缩时，所述足支撑板绕所述第一足转动轴转动；当两组所述踝伸缩件不同步伸缩时，所述足支撑板绕所述第二足转动轴转动。

优选地，所述膝伸缩件、踝伸缩件采用液压推杆、气泵推杆或电动推杆中的一种或多种。

优选地，所述大腿支架、小腿支架、足支撑板、驱动单元设置有两组，并分别位于所述机械腿的左右两侧。

优选地，所述足支撑板的下表面设置有多个力学传感器，每个所述力学传感器均用于感知足支撑板下表面各自对应区域的接触压力。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明中的髋关节垂直转动的驱动方案，相比同轴传动，可以将第一髋驱动电机和第一髋传动轴完全置于骨盆内部，提高空间利用率；髋关节前后摆动的第三髋驱动电机的方案，可将驱动电机放置于大腿内侧，提升减速机构的放置空间，可减少髋关节部位的机构复杂度；膝关节可以将膝伸缩件置于大腿内侧，为减速机构提供更大的安装空间，从而提供更大更稳定的驱动力；踝关节通过多个踝伸缩件驱动踝连接杆，使得踝关节的转轴附近无需安装驱动或传动机构，降低了机构复杂度，减轻了踝关节的重量，便于降低操控踝关节的驱动力大小，提高踝关节的灵敏度。

附图说明

附图1为本实施例的正面立体示意图；

附图2为本实施例的背面立体示意图；

附图3为本实施例中第一髋驱动电机设置状态的示意图；

附图4为本实施例中第二髋驱动电机和同步带设置状态的示意图；

附图5为本实施例中第三髋驱动电机设置状态的示意图；

附图6为本实施例中膝关节单元设置状态的示意图；

附图7为本实施例中踝关节单元设置状态的示意图；

附图8为本实施例中足支撑板底部视角的示意图。

以上附图中：11、臀支架；12、大腿支架；13、小腿支架；14、足支撑板；141、足支架；211、第一髋支架；212、第二髋支架；22、第一髋驱动电机；23、第二髋驱动电机；24、第三髋驱动电机；25、第一髋转动轴；26、第二髋转动轴；27、髋传动轴；28、同步带；31、膝伸缩件；32、膝转动轴；33、第一膝连接杆；34、第二膝连接杆；41、踝连接支架；42、第一足转动轴；43、第二足转动轴；44、踝伸缩件；45、踝连接杆；5、力学传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，一种仿人行走机械腿，包括臀支架11、大腿支架12、小腿支架13、足支撑板14以及驱动单元，驱动单元包括髋关节单元、膝关节单元、踝关节单元。髋关节单元用于驱动大腿支架12相对臀支架11转动并具有3个转动自由度，膝关节单元用于驱动小腿支架13相对于大腿支架12转动并具有1个转动自由度，踝关节单元用于驱动足支撑板14相对于小腿支架13转动并具有2个转动自由度。

机械腿的设计结构采用双足行走的形式，包括一个臀支架11、两个大腿支架12、两个小腿支架13、两个足支撑板14，两个大腿支架12的上端分别连接在臀支架11的下面并位于机械腿的左右两侧，每个大腿支架12的下端连接一个小腿支架13的上端，每个小腿支架13的下端连接一个足支撑板14，足支撑板14用于将机械腿支撑在地面上并交替行走。臀支架11具有仿人形的骨盆样式的形状，其底部为板体，侧部具有竖直连接在其底部的板体上表面上的板体。大腿支架12具有位于其左右两侧和前侧的板体并且其左右两侧的板体的侧边连接在其前侧的板体的左右两侧边上。小腿支架13具有位于其左右两侧的板体，并在其板体的前侧边通过连接块连接起来。臀支架11、大腿支架12、小腿支架13各自的板体均围合出一定大小空间用于设置驱动单元的部分（特别是驱动用的动力源）结构，实际臀支架11、大腿支架12、小腿支架13、足支撑板14可以不限于上述的板体连接情况，但均具有仿人形的形状结构。

如图3-5所示，髋关节单元可以驱动大腿支架12相对臀支架11前后、左右转动以及在竖直方向绕自身转动。髋关节单元包括第一髋支架211、第二髋支架212、第一髋驱动电机22、第二髋驱动电机23以及第三髋驱动电机24，各驱动电机的输出端均连接有减速器再与其他部件相连接，降低电机的转速增加其转矩。第一髋支架211、臀支架11之间通过第一髋转动轴25转动连接，第二髋支架212与第一髋支架211转动连接，第二髋支架212、大腿支架12之间通过第二髋转动轴26转动连接，三个转动方向均不相同，使髋关节单元具有三个转动自由度。

第一髋支架211位于臀支架11的下方，第一髋转动轴25的上端伸出至臀支架11底部板体的上方、其下端穿过臀支架11与第一髋支架211固定连接。第一髋驱动电机22连接在臀支架11的底板上、设置在臀支架11的空间内，第一髋驱动电机22与第一髋转动轴25的上端传动连接，第一髋驱动电机22工作驱动第一髋转动轴25转动，以带动第一髋支架211绕第一髋转动轴25转动。第一髋驱动电机22水平设置使其可以完全置于臀支架11的内部，提高空间利用率，增加减速器的放置空间，第一髋驱动电机22的输出轴沿水平方向延伸，第一髋驱动电机22的输出轴与第一髋转动轴25垂直，第一髋驱动电机22的输出轴与第一髋转动轴25之间通过90°锥齿轮传动连接，第一髋驱动电机22的驱动力矩通过锥齿轮转换为第一髋转动轴25同轴的力矩。分别与左右两侧大腿支架12传动连接的第一髋驱动电机22均设置在臀支架11内，若电机长度较大，通过错位放置以实现更高的空间利用度。

第二髋驱动电机23位于第一髋支架211的下方，第二髋驱动电机23的输出轴与第一髋支架211固定连接，第二髋驱动电机23的主体与第二髋支架212固定连接，第二髋支架212可以套设在第二髋驱动电机23主体的外侧，由于第二髋驱动电机23的输出轴相当于与机械腿直接连接而无法带动机械腿整体转动，则使其输出轴相对不动而主体相对转动，以带动第二髋支架212绕第二驱动电机的输出轴转动。

第三髋驱动电机24设置在大腿支架12上并跟随大腿支架12一同摆动，第二髋转动轴26与第二髋支架212固定连接，髋关节单元还包括髋传动组件，第三髋驱动电机24与第二髋转动轴26通过髋传动组件传动连接以带动大腿支架12绕第二髋转动轴26转动。髋传动组件包括髋传动轴27、同步带28，髋传动轴27连接在大腿支架12上，髋传动轴27与第三髋驱动电机24的输出轴传动连接，同步带28同时套设在髋传动轴27、第二髋转动轴26上，同步带28位于大腿支架12的外侧，为便于同步带28传动，髋传动轴27与第二髋转动轴26平行设置，第三髋驱动电机24的驱动力矩经过同步带28传送为与第二髋传动轴27同轴的力矩，从而驱动大腿支架12绕第二髋传动轴27转动，通过同步带28的传动，可以将第三髋驱动电机24和髋传动组件移动至大腿支架12与臀支架11转动部位以外的地方，减少髋关节部位的机构复杂度，可以将第三髋驱动电机24放置于大腿内侧，增加减速器的放置空间。第三髋驱动电机24的输出轴与髋传动轴27垂直，第三髋驱动电机24的输出轴与髋传动轴27之间通过90°锥齿轮传动连接，可以使第三髋驱动电机24的机身较长的长度方向与大腿支架12的延伸方向一致，便于将第三髋驱动电机24隐藏在大腿支架12内。

在初始状态下，第一髋转动轴25沿机械腿的上下方向延伸，第二髋驱动电机23的输出轴沿机械腿的前后方向延伸，第二髋转动轴26、髋传动轴27沿机械腿的左右方向延伸。使得，第一髋驱动电机22带动第一髋支架211及其下端连接的其他结构绕第一髋转动轴25旋转，即大腿垂直旋转，第二髋驱动电机23带动第二髋支架212及其下端连接的其他结构绕第二髋驱动电机23的输出轴旋转，即大腿左右摆动，第三髋驱动电机24带动大腿支架12及其下端连接的其他结构绕第二髋转动轴26旋转，即大腿前后摆动。

如图6所示，膝关节单元可以驱动小腿支架13相对于大腿支架12前后方向转动。膝关节单元包括膝伸缩件31、膝转动轴32、第一膝连接杆31、第二膝连接杆34。第一膝连接杆31固定连接在大腿支架12左右两侧的板体之间，第二膝连接杆34固定连接在小腿支架13左右两侧的板体之间上。膝伸缩件31的一端与第一膝连接杆31转动连接、另一端与第二膝连接杆34转动连接，膝伸缩件31自身具有可以伸长和收缩的结构，可以采用液压推杆、气泵推杆或电动推杆等驱动装置。大腿支架12、小腿支架13之间通过膝转动轴32转动连接，膝伸缩件31、大腿支架12、小腿支架13则可以形成三角结构，膝伸缩件31伸缩则可以带动小腿支架13绕膝转动轴32转动，实现小腿支架13的后抬和伸直动作。同时，可以将膝伸缩件31的主体部分隐藏于大腿支架12的空间内，可供减速器安装的空间较大，从而提供较大的驱动力。在初始状态下，第一膝连接杆31、第二膝连接杆34、膝转动轴32沿机械腿的左右方向延伸，即小腿前后摆动。

如图7所示，踝关节单元可以驱动足支撑板14相对于小腿支架13前后、左右转动。踝关节单元包括踝驱动机构、踝连接支架41，踝驱动机构设置有两组。踝连接支架41与小腿支架13通过第一足转动轴42转动连接，踝连接支架41与足支撑板14通过第二足转动轴43转动连接，足支撑板14上表面具有足支架141，第二足转动轴43转动连接在足支架141上。每组踝驱动机构包括踝伸缩件44、踝连接杆45，踝伸缩件44的一端与小腿支架13固定连接，踝伸缩件44的另一端与踝连接杆45的一端通过球铰连接，足支撑板14上表面具有足连接杆，足连接杆与踝连接杆45的另一端通过球铰连接，踝伸缩件44自身具有可以伸长和收缩的结构，可以采用液压推杆、气泵推杆或电动推杆等驱动装置，踝伸缩件44伸缩以带动足支撑板14绕第一足转动轴42转动、第二足转动轴43转动。在初始状态下，第一足转动轴42沿机械腿的左右方向延伸，第二足转动轴43沿机械腿的前后方向延伸，即脚前后、左右摆动。当两组踝伸缩件44同步伸缩时，足支撑板14绕第一足转动轴42转动；当两组踝伸缩件44不同步伸缩时，足支撑板14绕第二足转动轴43转动。通过两调整组踝伸缩件44伸缩动作的配合控制足支撑板14在前后方向、左右方向的转动角度。使得踝关节附近无需安装驱动或传动机构，降低了机构复杂度，减轻了踝关节的重量。

如图8所示，足支撑板14的下表面设置有多个力学传感器5，每个力学传感器5均用于感知足支撑板14下表面各自对应区域的接触压力。为控制程序提供数据，根据接触压力实现对驱动单元的柔性控制，尽可能减小刚性碰撞。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人行走机械腿，包括臀支架、大腿支架、小腿支架、足支撑板以及驱动单元，其特征在于：所述驱动单元包括髋关节单元、膝关节单元、踝关节单元中的至少一种，

所述髋关节单元：用于驱动所述大腿支架相对于所述臀支架转动，其包括第一髋支架、第二髋支架、第一髋驱动电机、第二髋驱动电机以及第三髋驱动电机，所述第一髋支架、臀支架之间通过第一髋转动轴转动连接，所述第一髋驱动电机与所述第一髋转动轴传动连接以带动所述第一髋支架绕所述第一髋转动轴转动；所述第二髋驱动电机的输出轴与所述第一髋支架固定连接，所述第二髋驱动电机的主体与所述第二髋支架固定连接以带动所述第二髋支架绕所述第二驱动电机的输出轴转动；所述第二髋支架、大腿支架之间通过第二髋转动轴转动连接，所述第三髋驱动电机设置在所述大腿支架上与所述第二髋转动轴传动连接以带动所述大腿支架绕所述第二髋转动轴转动；

所述膝关节单元：用于驱动所述小腿支架相对于所述大腿支架转动，其包括膝伸缩件、膝转动轴，所述膝伸缩件的一端与所述大腿支架连接，所述膝伸缩件的另一端与所述小腿支架连接，所述大腿支架、小腿支架之间通过所述膝转动轴转动连接，所述膝伸缩件伸缩以带动所述小腿支架绕所述膝转动轴转动；

所述踝关节单元：用于驱动所述足支撑板相对于所述小腿支架转动，所述踝关节单元包括踝驱动机构、踝连接支架，所述踝驱动机构设置有多组，所述踝驱动机构包括踝伸缩件、踝连接杆，所述踝伸缩件的一端与所述小腿支架连接，所述踝伸缩件的另一端与所述踝连接杆的一端通过球铰连接，所述踝连接杆的另一端与所述足支撑板通过球铰连接，所述踝连接支架与所述小腿支架通过第一足转动轴转动连接，所述踝连接支架与所述足支撑板通过第二足转动轴转动连接，所述踝伸缩件伸缩以带动所述足支撑板绕所述第一足转动轴转动、第二足转动轴转动；

在初始状态下，所述第一髋转动轴沿所述机械腿的上下方向延伸，所述第二髋驱动电机的输出轴、第二足转动轴沿所述机械腿的前后方向延伸，所述第二髋转动轴、膝转动轴、第一足转动轴沿所述机械腿的左右方向延伸。

2.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述第一髋驱动电机设置在所述臀支架内且所述第一髋驱动电机的输出轴沿水平方向延伸，所述第一髋驱动电机的输出轴与所述第一髋转动轴之间通过锥齿轮传动连接。

3.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述髋关节单元还包括髋传动组件，所述髋传动组件包括髋传动轴、同步带，所述髋传动轴连接在所述大腿支架上，所述髋传动轴与所述第三髋驱动电机的输出轴传动连接，所述同步带同时套设在所述髋传动轴、第二髋转动轴上，在初始状态下，所述髋传动轴沿所述机械腿的左右方向延伸。

4.根据权利要求3所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述第三髋驱动电机的输出轴与所述髋传动轴垂直，所述第三髋驱动电机的输出轴与所述髋传动轴之间通过锥齿轮传动连接。

5.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述膝驱动单元还包括第一膝连接杆、第二膝连接杆，所述第一膝连接杆固定连接在所述大腿支架上，所述第二膝连接杆固定连接在所述小腿支架上，所述膝伸缩件的一端与所述第一膝连接杆转动连接、另一端与所述第二膝连接杆转动连接，在初始状态下，所述第一膝连接杆、第二膝连接杆沿所述机械腿的左右方向延伸。

6.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述足支撑板上表面具有足支架、足连接杆，所述足支架通过所述第二足转动轴与所述踝连接支架转动连接，所述足连接杆与所述踝连接杆通过球铰连接。

7.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述踝驱动机构设置有两组，当两组所述踝伸缩件同步伸缩时，所述足支撑板绕所述第一足转动轴转动；当两组所述踝伸缩件不同步伸缩时，所述足支撑板绕所述第二足转动轴转动。

8.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述膝伸缩件、踝伸缩件采用液压推杆、气泵推杆或电动推杆中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述大腿支架、小腿支架、足支撑板、驱动单元设置有两组，并分别位于所述机械腿的左右两侧。

10.根据权利要求1所述的仿人行走机械腿，其特征在于：所述足支撑板的下表面设置有多个力学传感器，每个所述力学传感器均用于感知足支撑板下表面各自对应区域的接触压力。

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