CN105690419B - 髋关节与踝关节通用机构及仿人机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种髋关节与踝关节通用机构及仿人机器人，该髋关节与踝关节通用机构包括支撑架、X向转动单元，X向转动单元以X向为轴线转动连接于支撑架上，其特征在于，还包括Y向转动单元，Y向转动单元以Y向为轴线转动连接于X向转动单元上；支撑架上设置有第一固接部，X向转动单元上设置有第二固接部，第一固接部为Y向转动单元和仿人机器人的脚掌的通用固接部，第二固接部为仿人机器人的大腿和小腿的通用固接部，Y向转动单元上还设置有连接仿人机器人的腰部的第三固接部。本发明提供的仿人机器人的髋关节与踝关节通用机构，实现了髋关节与踝关节的通用，减少了机器人总零部件的类型数量。

Description

髋关节与踝关节通用机构及仿人机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体涉及一种髋关节与踝关节通用机构及仿人机器人。

背景技术

仿人机器人指的是模仿人的形态和行为而设计制造的机器人，仿人机器人具有四肢、躯干以及头部，四肢中腿部的髋关节、膝关节以及踝关节均为转动结构，通过驱动单元驱动转动结构实现髋关节、膝关节以及踝关节的拟人运动。

现有技术中髋关节和踝关节模拟不同关节的不同运动形式，其组成结构各不相同，如此两个关节结构具有不相同的诸多零部件，使得机器人的总零部件众多，给机器人的设计、加工以及装配带来不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种髋关节与踝关节通用机构及仿人机器人，以解决现有技术中的仿人机器人的总零部件众多的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种仿人机器人的髋关节与踝关节通用机构，包括支撑架、X向转动单元，所述X向转动单元以X向为轴线转动连接于所述支撑架上，还包括Y向转动单元，所述Y向转动单元以Y向为轴线转动连接于所述X向转动单元上；

所述支撑架上设置有第一固接部，所述X向转动单元上设置有第二固接部，所述第一固接部为Y向转动单元和所述仿人机器人的脚掌的通用固接部，所述第二固接部为所述仿人机器人的大腿和小腿的通用固接部，所述Y向转动单元上还设置有连接所述仿人机器人的腰部的第三固接部；

所述Y向和X向相垂直。

上述的髋关节与踝关节通用机构，所述Y向转动单元为谐波减速器。

上述的髋关节与踝关节通用机构，所述X向转动单元包括电机、传动单元以及被驱动件，所述电机固接于所述支撑架上，所述电机的输出轴通过所述传动单元驱动所述被驱动件，所述被驱动件以X向为轴线转动连接于所述支撑架上，所述第二固接部开设于所述被驱动件上。

上述的髋关节与踝关节通用机构，所述传动单元为同步带带传动结构，所述传动结构外置于所述支撑架。

上述的髋关节与踝关节通用机构，所述被驱动件为十字件，所述十字件上其中相对的两端通过轴承转动连接于所述支撑架上，所述十字件的另一端上设置有所述第二固接部。

上述的髋关节与踝关节通用机构，所述十字件的至少一个端部设置有端盖，所述端盖通过螺纹件固定于所述十字件上，所述轴承设置于所述端盖上。

上述的髋关节与踝关节通用机构，所述第一固接部、第二固接部以及第三固接部中至少一者为多个固定孔。

一种仿人机器人，包括脚掌、大腿、小腿以及腰部，还包括至少两个上述的髋关节与踝关节通用机构；

所述脚掌连接一个所述髋关节与踝关节通用机构的第一固接部，所述小腿连接一个所述髋关节与踝关节通用机构的第二固接部；

所述腰部连接另一个所述髋关节与踝关节通用机构的第三固接部，所述大腿连接另一个所述髋关节与踝关节通用机构的第二固接部。

在上述技术方案中，本发明提供的仿人机器人的髋关节与踝关节通用机构，连接Y向转动单元时通过通用固接部作为腰部和大腿的连接件，不连接Y向转动单元时通过通用固接部作为小腿和脚掌的连接件，如此实现了髋关节与踝关节的通用，减少了机器人总零部件的类型数量，使得机器人的设计、加工以及装配更加方便。

由于上述髋关节与踝关节通用机构具有上述技术效果，包含该髋关节与踝关节通用机构的仿人机器人也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的髋关节与踝关节通用机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的十字件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的髋关节与踝关节通用机构的***示意图；

图4为本发明实施例提供的仿人机器人腰部和大腿的连接示意图；

图5为本发明实施例提供的仿人机器人小腿和脚掌的连接示意图。

附图标记说明：

1、支撑架；2、X向转动单元；21、电机；22、传动单元；23、被驱动件；231、十字件；232、端盖；3、Y向转动单元；4、第一固接部；5、第二固接部；6、第三固接部；7、脚掌；8、大腿；9、小腿；10、腰部。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1-5所示，本发明实施例提供的一种仿人机器人的髋关节与踝关节通用机构，包括支撑架1、X向转动单元2，X向转动单元2以X向为轴线转动连接于支撑架1上，还包括Y向转动单元3，Y向转动单元3以Y向为轴线转动连接于X向转动单元2上；支撑架1上设置有第一固接部4，X向转动单元2上设置有第二固接部5，第一固接部4为Y向转动单元3和仿人机器人的脚掌7的通用固接部，第二固接部5为仿人机器人的大腿8和小腿9的通用固接部，Y向转动单元3上还设置有连接仿人机器人的腰部10的第三固接部6；Y向和X向相垂直。

具体的，髋关节与踝关节通用机构(以下简称通用机构)既可作为仿人机器人的髋关节使用，也可作为踝关节使用，支撑架1为通用机构的主体结构，其一方面作为通用机构的骨架，其余各部件均安装于支撑架1上，另一方面支撑架1为承重机构，其连接的结构如腰部10或小腿9的重量全部由支撑架1支撑。优选的，支撑架1为一整块航空铝材加工而成的框架结构，框架结构内侧通过肋板和加强筋进行加强设计，显然的，除了上述框架结构外，支撑架1还可以参见现有技术中仿人机器人的关节骨架结构。X向转动单元2为通用结构的活动单元，其包括一固定部分和一活动部分，固定部分和活动部分以X向为轴线转动连接，其固定部分固接于支撑架1上，活动部分连接其它结构如Y向转动单元3或者小腿9，如此实现其它结构与支撑架1的转动连接，X向转动单元2可以参见现有技术中各类的转动连接结构，如轴承、齿轮传动结构或者带传动结构，Y向转动单元3同样为通用结构的活动单元，其结构可参见X向转动单元2，其与X向转动单元2的主要不同在于轴线安装方向的不同，两者的转向轴线相垂直，如此单独的X向转动单元2可以实现通用结构一个方向上的转动，而相连的X向转动单元2和Y向转动单元3则可实现相垂直的两个方向上的转动。

本实施例中，支撑架1上设置有第一固接部4，X向转动单元2上设置有第二固接部5，Y向转动单元3上还设置有第三固接部6，各固接部用于连接仿人机器人的各组成部分，其为可拆卸连接结构，如卡接结构、螺接结构等等，如第一固接部4为多个通孔，Y向转动单元3同步设置有多个相对设置的通孔，通过螺母与穿过通孔的螺栓实现Y向转动单元3和X向转动单元2的固接。当通用机构作为踝关节使用时，支撑架1通过第一固接部4与仿人机器人的脚掌7固接，X向转动单元2通过第二固接部5实现与仿人机器人的小腿9固接，此时X向为水平方向，如此，通过X向转动单元2的转动实现脚掌7相对于小腿9的俯仰转动，通用机构作为踝关节使用时不连接Y向转动单元3；当通用机构作为髋关节使用时，支撑架1通过第一固接部4与Y向转动单元3连接，Y向转动单元3上背离支撑架1的一端通过第三固接部6与仿人机器人的腰部10固接，同时，X向转动单元2通过第二固接部5实现与仿人机器人的大腿8固接，如此通用机构连接了仿人机器人的大腿8和腰部10，此时，腰部10和大腿8可分别实现Y向和X向的转动，即偏转和翻滚转动。

本实施例中，第一固接部4与第二固接部5为通用固接部，通用固接部这里应做广义理解，即第一固接部4上开设的部分或全部结构用于连接Y向转动单元3，第一固接部4上开设的部分或全部结构用于连接脚掌7，如第一固接部4上具有两组呈环状的通孔，其中外环的通孔用于连接Y向转动单元3，内环的通孔用于脚掌7，当然优选的，第一固接部4上仅有一组呈环状的通孔，Y向转动单元3和脚掌7均通过该组通孔与支撑架1固接；第二固接部5亦然。

本实施例中，为实现仿人机器人的其它动作，支撑架1内还设置有Z向转动单元，其为髋关节与踝关节的通用单元，其结构及工作原理可参见Y向转动单元3，X向、Y向以及Z向构成三维直角坐标系，不赘述。

本实施例中，各转动单元均使用电机作为驱动单元，驱动单元为现有技术中仿人机器人的必备单元，相关结构可参见现有技术，不赘述。

本实施例提供的仿人机器人的髋关节与踝关节通用机构，连接Y向转动单元3时通过通用固接部作为腰部10和大腿8的连接件，不连接Y向转动单元3时通过通用固接部作为小腿9和脚掌7的连接件，如此实现了髋关节与踝关节的通用，减少了机器人总零部件的类型数量，使得机器人的设计、加工以及装配更加方便。

本实施例中，优选的，Z向转动单元和Y向转动单元3为谐波减速器，谐波减速器包括固定的内齿刚轮、柔轮、以及使柔轮发生径向变形的波发生器，其具有高精度、高承载力等优点，当作为髋关节使用时，支撑架1与谐波减速器的柔轮通过螺钉固定连接，谐波减速器的钢轮与仿人机器人的腰部10通过螺钉固定连接。

本实施例中，进一步的，X向转动单元2包括电机21、传动单元22以及被驱动件23，电机21固接于支撑架1上，电机21的输出轴通过传动单元22驱动被驱动件23，被驱动件23以X向为轴线转动连接于支撑架1上，第二固接部5开设于被驱动件23上，即通用结构的驱动单元为电机21，且该电机21固接于支撑架1上。

本实施例中，优选的，传动单元22为同步带传动结构，同步带传动结构外置于支撑架1，电机21轴上固接主动带轮，被驱动件23上固接从动带轮，两个带轮相互传动，如此实现电机21对被驱动件23的驱动，外置的同步带传动结构较为直观，便于维护。

本实施例中，更优选的，被驱动件23为十字件231，十字件231上其中相对的两端通过轴承转动连接于支撑架1上，十字件231的另一端上设置有第二固接部5，十字件231结构对称，均匀受力。再优选的，十字件231的至少一个端部设置有端盖232，端盖232通过螺纹件固定于十字件231上，轴承设置于端盖232上，端盖232可通过定位销实现与十字件231的准确定位，通过端盖232实现十字件231与其它部件的便宜连接。

本发明实施例还提供一种仿人机器人，包括脚掌7、大腿8、小腿9以及腰部10，还包括至少两个上述的髋关节与踝关节通用机构；脚掌7连接一个髋关节与踝关节通用机构的第一固接部4，小腿9连接一个髋关节与踝关节通用机构的第二固接部5；腰部10连接另一个髋关节与踝关节通用机构的第三固接部6，大腿8连接另一个髋关节与踝关节通用机构的第二固接部5。

由于上述髋关节与踝关节通用机构具有上述技术效果，包含该髋关节与踝关节通用机构的仿人机器人也应具有相应的技术效果。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (4)

1.一种仿人机器人的髋关节与踝关节通用机构，包括支撑架、X向转动单元，所述X向转动单元以X向为轴线转动连接于所述支撑架上，其特征在于，所述髋关节与踝关节通用机构既可作为仿人机器人的髋关节使用，也可作为踝关节使用；所述支撑架用于作为通用机构的骨架和承重机构；

还包括Y向转动单元，所述Y向转动单元以Y向为轴线转动连接于所述X向转动单元上；

所述支撑架上设置有第一固接部，所述X向转动单元上设置有第二固接部，所述第一固接部为Y向转动单元和所述仿人机器人的脚掌的通用固接部，所述第二固接部为所述仿人机器人的大腿和小腿的通用固接部，所述Y向转动单元上还设置有连接所述仿人机器人的腰部的第三固接部；

所述Y向和X向相垂直，

在连接所述Y向转动单元时，则通过所述第三固接部和所述第二固接部作为腰部和大腿的连接件，

在不连接所述Y向转动单元时，则通过所述第二固接部和所述第一固接部作为小腿和脚掌的连接件，

当所述髋关节与踝关节通用机构作为踝关节使用时，所述支撑架通过第一固接部与所述仿人机器人的脚掌固接，所述X向转动单元通过第二固接部实现与所述仿人机器人的小腿固接，此时X向为水平方向；通过所述X向转动单元的转动实现对脚掌相对于小腿的俯仰转动，所述髋关节与踝关节通用机构用于作为踝关节使用时不连接Y向转动单元；

当所述髋关节与踝关节通用机构作为髋关节使用时，所述支撑架通过第一固接部与Y向转动单元连接，所述Y向转动单元上背离支撑架的一端通过第三固接部与所述仿人机器人的腰部固接，同时，所述X向转动单元通过所述第二固接部实现与所述仿人机器人的大腿固接，所述髋关节与踝关节通用机构连接所述仿人机器人的大腿和腰部，所述腰部和所述大腿用于分别实现Y向和X向的转动；

所述Y向转动单元为谐波减速器，所述X向转动单元包括：电机、齿轮传动结构以及十字件，所述电机固接于所述支撑架上，所述电机的输出轴通过齿轮传动结构驱动所述十字件，所述十字件以X向为轴线转动连接于所述支撑架上，所述第二固接部开设于所述十字件上，所述齿轮传动结构外置于所述支撑架，

所述十字件上其中相对的两端通过轴承转动连接于所述支撑架上，所述十字件上的另一端设置有所述第二固接部。

2.根据权利要求1所述的髋关节与踝关节通用机构，其特征在于，所述十字件的至少一个端部设置有端盖，所述端盖通过螺纹件固定于所述十字件上，所述轴承和/或第二固接部均设置于所述端盖上。

3.根据权利要求1所述的髋关节与踝关节通用机构，其特征在于，所述第一固接部、第二固接部以及第三固接部中至少一者为多个固定孔。

4.一种仿人机器人，包括脚掌、大腿、小腿以及腰部，其特征在于，还包括至少两个如权利要求1-3任一项所述的髋关节与踝关节通用机构；所述脚掌连接一个所述髋关节与踝关节通用机构的第一固接部，所述小腿连接一个所述髋关节与踝关节通用机构的第二固接部；所述腰部连接另一个所述髋关节与踝关节通用机构的第三固接部，所述大腿连接另一个所述髋关节与踝关节通用机构的第二固接部。