CN106741277A - 一种混合式机械腿机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混合式机械腿机构，包括脚板、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节和躯干；脚板，用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台；踝关节，用于连接脚板和小腿，踝关节采用并联型关节，可以控制滚动自由度与俯仰自由度运动；小腿，用于安装驱动踝关节的第一电机和第二电机，两台电机通过滚轴丝杠、连杆以及球形关节与脚板连接；膝关节，用于连接大腿和小腿；大腿，用于安装驱动膝关节的第三电机和驱动髋关节的第四电机；髋关节，用于连接所述躯干和大腿，并且安装驱动髋关节的第五电机；躯干，用于安装驱动髋关节的第六电机。

Description

一种混合式机械腿机构
【技术领域】
本发明涉及双足机器人技术领域，尤其涉及一种新型混合式机械腿机构。
【背景技术】
传统的仿人机器人腿部机构采用串联型关节结构或者并联型关节结构。
串联型关节结构式为大多数仿人机器人所采用的关节结构，可以实现六自由度的腿部结构，并且在机器人的髋关节处实现标准的球型关节，使用标准的逆运动学计算方法。
但是，串联型关节的踝关节处需将一个驱动电机和减速器，安装在机器人的脚板处，导致机器人存在一个重量较大的脚板，影响机器人动态响应能力。
并联型关节结构可以将踝关节处的电机安置在小腿部位，以减轻脚板的重量，提高机械腿末端的响应能力；然而，机械腿的髋关节部位难以形成标准的球型关节，导致并联型关节结构的仿人机器人控制较为复杂。
现代机器人的发展要求机器人具有较好的运动能力以及反应速度，这就需要机器人关节结构合理，在保证末端响应速度的同时具有标准的结构以及控制算法。
【发明内容】
基于此，本发明的目的在于提供一种混合式机械腿机构，实现减小脚板的重量，提高响应速度。
为了实现本发明的目的，提供一种混合式机械腿机构，包括脚板、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节和躯干；所述脚板，用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台；所述踝关节，用于连接所述脚板和小腿，所述踝关节采用并联型关节；所述小腿，用于安装驱动踝关节的第一电机与第二电机，所述第一电机和第二电机通过连杆与所述脚板连接；所述膝关节，用于连接所述大腿和小腿；所述大腿，用于安装驱动膝关节的第三电机和驱动髋关节的第四电机；所述髋关节，用于连接所述躯干和大腿并且安装驱动髋关节的第五电机；所述躯干，用于安装驱动髋关节的第六电机。
优选地，所述脚板的重心与踝关节的一端固定。
优选地，所述踝关节为万向节；所述万向节的一端与脚板固定，所述万向节的另一端与小腿固定。
优选地，所述膝关节为单自由度关节；所述单自由度关节的一端与大腿相连接，所述单自由度关节的另一端与所述小腿相连接。
优选地，所述第三电机和第四电机通过滚轴丝杆将电机的旋转运动转换为滑块的直线运动；所述滑块通过连杆传动驱动膝关节和髋关节的旋转运动。
优选地，所述连动驱动髋关节的连杆为叉形连杆。
优选地，所述髋关节为球型关节，所述髋关节安装驱动机械腿滚动的第五电机。
优选地，所述第五电机通过两级齿轮传动。
优选地，所述躯干通过轴承与所述髋关节连接。
区别于现有技术，上述混合式机械腿机构，由脚板、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节以及躯干构成，其中，踝关节，用于连接脚板和小腿，踝关节采用并联型关节；小腿，用于安装驱动踝关节的第一电机与第二电机，该第一电机和第二电机通过连杆与脚板连接；膝关节，用于连接大腿和小腿；大腿，用于安装驱动膝关节的第三电机和驱动髋关节的第四电机；髋关节，用于连接躯干和大腿并且安装驱动髋关节的第五电机；躯干，用于安装驱动髋关节的第六电机。采用本发明在踝关节处采用并联型关节结构，本在踝关节处采用并联型关节结构，将驱动电机安装在小腿处，通过滚轴丝杠以及连杆传动的方式驱动机器人的脚板实现滚动与俯仰自由度，使机械腿的脚板部位不安置电机，实现运动末端的轻量化，提高响应速度；髋关节处采用连杆传动与齿轮传动相结合的混合传动方式，并以此形成了串联型关节结构，实现标准的球形关节，在满足髋关节运动需求的情况下，极大限度的避免了不同自由度之间的干涉。
【附图说明】
图1为本发明一个实施例中一种混合式机械腿机构的正面结构示意图。
图2为本发明一个实施例中一种混合式机械腿机构的侧面结构示意图。
附图标记说明：
1、脚板；2、踝关节；3、小腿；4、膝关节；5、大腿；
6、髋关节；7、躯干；8、第一电机；9、第二电机；10、第三电机；
11、第四电机；12、第五电机；13、第六电机。
【具体实施方式】
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。
一种混合式机械腿机构，包括脚板、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节和躯干。
所述脚板，用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台；所述踝关节，用于连接所述脚板和小腿，所述踝关节采用并联型关节；所述小腿，用于安装驱动踝关节的第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机通过连杆与所述脚板连接；所述膝关节，用于连接所述大腿和小腿；所述大腿，用于安装驱动膝关节的第三电机和驱动髋关节的第四电机；所述髋关节，用于连接所述躯干和大腿并安装驱动髋关节的第五电机；所述躯干，用于安装驱动髋关节的第六电机。
本发明的混合式机械腿机构，由脚板、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节以及躯干构成，其中，踝关节，用于连接脚板和小腿，踝关节采用并联型关节；小腿，用于安装驱动踝关节的第一电机和第二电机，该第一电机和第二电机通过连杆与脚板连接；膝关节，用于连接大腿和小腿；大腿，用于安装驱动膝关节的第三电机和驱动髋关节的第四电机；髋关节，用于连接所述躯干和大腿并安装驱动髋关节的第五电机；躯干，用于安装驱动髋关节的第六电机。采用本发明在踝关节处采用并联型关节结构，将驱动电机安装在小腿处，通过连杆传动的方式驱动机器人的脚板实现滚动与俯仰自由度，使机械腿的脚板部位不安置电机，实现运动末端的轻量化，提高响应速度。
实施例1
请参阅图1和图2所示，本发明实施例1提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
其中，小腿3处安装的第一电机8和第二电机9通过滚轴丝杆的传动方式将电机旋转运动转化为直线运动，并进一步通过连杆传动经踝关节2与脚板1连接，从而根据电机输出角度的不同实现踝关节2俯仰自由度与滚动自由度的控制。
实施例2
请参阅图1和图2所示，本发明实施例2提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
进一步优化方案中，脚板1的重心与踝关节2的一端固定，使机器腿更加稳固的设置，并在脚板1后端设置两个球型连接零件。该脚板1为机械腿的末端，当脚板1完全与地面接触后，用于为机械腿提供一姿态与位置不变的平台。
实施例3
请参阅图1和图2所示，本发明实施例3提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
进一步优化方案中，踝关节2为万向节的关节方式；该万向节的一端与脚板1固定，万向节的另一端与小腿3固定，用于实现脚板1和小腿3之间的俯仰与滚动自由度的运动，同时限制其他自由度的运动。
实施例4
请参阅图1和图2所示，本发明实施例4提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
进一步优化方案中，上述膝关节4为单自由度关节；其中，该单自由度关节的一端与大腿5相连接，单自由度关节的另一端与小腿3相连接，通过膝关节4的旋转实现机器腿的弯曲功能。
实施例5
请参阅图1和图2所示，本发明实施例5提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
进一步优化方案中，大腿5处安装的用于驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6俯仰自由度运动的第四电机11，该第三电机10和第四电机11通过滚轴丝杆传动方式将电机的旋转运动转换为滑块的直线运动；进一步地，该滑块通过连杆传动驱动膝关节4和髋关节6的旋转运动。
大腿5处安装俯仰运动驱动电机，通过连杆传动的方式，实现对髋关节6的俯仰运动控制。
可优选的，该用于连动驱动髋关节6的连杆为叉形连杆，从而保证机器人髋关节6进行滚动运动时，俯仰运动与滚动运动不发生干涉。
实施例6
请参阅图1和图2所示，本发明实施例6提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
进一步优化方案中，上述髋关节6为球型关节，具体可以采用标准球型关节连接躯干7和大腿5，从而使三个旋转轴的轴线相互垂直并交与一点；进一步地，该髋关节6安装用于驱动机械腿滚动的第五电机12。
可优选的，该第五电机12通过两级齿轮传动的方式驱动髋关节6的滚动运动，具体通过电机的安装位置及齿轮的大小，保证机械腿具有较大的滚动范围。
髋关节6处采用连杆与齿轮结合的混合传动方式，一方面减小不同驱动轴之间的干涉，使各个自由度具有较大的运动范围，另一方面采用标准的球型关节结构，可利用标准的逆运动学算法，方便控制。
实施例7
请参阅图1和图2所示，本发明实施例7提供一种混合式机械腿机构，包括脚板1、踝关节2、小腿3、膝关节4、大腿5、髋关节6和躯干7。
脚板1，该脚板1用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台，整体支撑作用；踝关节2，用于连接上述脚板1和小腿3，该踝关节2采用并联型关节；小腿3，用于安装驱动踝关节2的第一电机8和第二电机9，该第一电机8和第二电机9通过连杆与脚板1连接；膝关节4，用于连接该大腿5和小腿3；大腿5，用于安装驱动膝关节4的第三电机10和驱动髋关节6的第四电机11；髋关节6，用于连接上述躯干7和大腿5并安装驱动髋关节6的第五电机12；躯干7，用于安装驱动髋关节6的第六电机13。
进一步优化方案中，该躯干7通过轴承与髋关节6连接，驱动机械腿髋关节6偏摆运动的电机与躯干7固定，并通过齿轮传动的方式驱动髋关节6的偏转运动，用于机器腿可以方便的进行转弯。
本发明的混合式机械腿机构，在踝关节处采用并联的驱动方式，实现机械腿脚板上不安装驱动电机的情况下实现踝关节的俯仰与滚动的万向节控制，以此减轻机械腿的末端重量，提高响应速度；膝关节采用电机与连杆传动的方式驱动，实现膝关节的单自由度的俯仰运动；髋关节采用连杆传动与齿轮传动相结合，实现髋关节的球型关节结构；大腿处安装俯仰运动驱动电机，通过连杆传动，实现对髋关节的俯仰运动控制；偏转运动与滚动运动采用电机结合齿轮传动的方式进行驱动，采用本发明混合方式可以使各个旋转自由度之间具有较小的干涉，并且保证各个旋转轴相互垂直，并且交予一点，形成标准的球型关节，利于双足行走中的控制。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上上述仅为本发明型的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合式机械腿机构，其特征在于，包括脚板、踝关节、小腿、膝关节、大腿、髋关节和躯干；所述脚板，用于为机械腿提供一姿态和位置不变平台；所述踝关节，用于连接所述脚板和小腿，所述踝关节采用并联型关节；所述小腿，用于安装驱动踝关节的第一电机和第二电机，所述第一电机以及第二电机分别通过各自的滚轴丝杠以及连杆与所述脚板连接；所述膝关节，用于连接所述大腿和小腿；所述大腿，用于安装驱动膝关节的第三电机和驱动髋关节的第四电机；所述髋关节，用于连接所述躯干和大腿并且安装驱动髋关节的第五电机；所述躯干，用于安装驱动髋关节的第六电机。
2.根据权利要求1所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述脚板与踝关节的一端固定。
3.根据权利要求1所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述踝关节为万向节；所述万向节的一端与脚板固定，所述万向节的另一端与小腿固定。
4.根据权利要求1所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述膝关节为单自由度关节；所述单自由度关节的一端与大腿相连接，所述单自由度关节的另一端与所述小腿相连接。
5.根据权利要求1所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述第三电机和第四电机通过滚轴丝杆将电机的旋转运动转换为滑块的直线运动；所述滑块通过连杆传动驱动膝关节和髋关节的旋转运动。
6.根据权利要求5所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述连动驱动髋关节的连杆为叉形连杆。
7.根据权利要求1所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述髋关节为球型关节，所述髋关节安装驱动机械腿滚动的第五电机。
8.根据权利要求7所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述第五电机通过两级齿轮传动。
9.根据权利要求1所述的混合式机械腿机构，其特征在于，所述躯干通过轴承与所述髋关节连接。
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