CN107719506A - 一种腿部结构及采用该结构的足式移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种腿部结构及采用该结构的足式移动平台，腿部结构包括大腿支杆、小腿支杆、膝关节调节机构；膝关节调节机构包括大腿支撑板、膝关节驱动电机、连杆组件，大腿支杆固定连接大腿支撑板；连杆组件包括大腿驱动杆、大腿传动杆、膝关节连接部；小腿支杆通过膝关节连接部转动连接大腿支杆；大腿驱动杆包括固定端、自由端；大腿传动杆包括上连接端、下连接端；固定端连接膝关节驱动电机，上连接端转动连接自由端；下连接端转动连接膝关节连接部；大腿驱动杆驱动大腿传动杆转动，进一步带动小腿支杆转动。本发明采用连杆结构，加工安方便；驱动电机数量少，成本低；大大降低了自由度，控制灵敏，适应性能强。

Description

一种腿部结构及采用该结构的足式移动平台

技术领域

本发明涉及一种腿部结构及采用该结构的足式移动平台。

背景技术

足式机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构的智能型机器人，涉及到生物学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高技术产品。足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性，表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景，因此被广泛应用于抢险救灾、排雷排爆、地址勘探、娱乐及民用等领域。

中国专利201510648107.1公开了一种腿式机器人腿部结构，包括支撑机构和拉杆机构，支撑机构包括上腿支撑件、中腿支撑件和下腿支撑件，拉杆机构包括上拉杆和下拉杆；下腿支撑件与中腿支撑件转动连接；中腿支撑件与上腿支撑件转动连接；下拉杆的一端与上腿支撑件转动连接；下拉杆的另一端与下腿支撑件转动连接；下拉杆、上腿支撑件、下腿支撑件、中腿支撑件构成一个平行四边形结构；上拉杆一端与中腿支撑件转动连接，另一端与腿式机器人本体的髋关节电机中的减速齿轮连接。

中国专利201010147716.6公开了一种两足步行仿生机器人，包括机身、两个连接杆机构、两个足部机构和控制装置，机身与两个足部机构连接，足部机构分别为左足部机构和右足部机构，左足部机构和右足部机构并列在机身下方的左右两侧，连接杆机构分别连接机身和足部机构，左足部机构的结构和右足部机构的结构相同，均包括腿支杆、转弯舵机、转动杆、脚板、舵机连接器和转盘，腿支杆的上下两端分别与机身和转动杆连接，转动杆的两端连接于脚板上，转弯舵机固定于脚板的上方，转盘设于脚板下方，舵机连接器固定于转弯舵机的下方并与转盘连接；控制装置分别与机身和足部机构连接。

中国专利201410551408.8公开了一种快速行走的双足机器人，该双足机器人由伺服电机，电机支架，主动锥齿轮，从动锥齿轮，止回棘爪，棘轮凸轮组，棘爪连接销，主动棘爪，摆杆，滚子连接销，滚子，小腿，压缩弹簧，螺杆，大腿和脚组成。伺服电机带动主动锥齿轮转动，从而驱动对称安装的一对从动锥齿轮相向转动，进而使得大腿前后摆动；小腿在压缩弹簧的作用下始终与棘轮凸轮组中的凸轮接触，通过小腿的“伸缩”使得支撑腿长于摆动腿。

上述技术方案的缺陷在于：

1、整体质量大，所用驱动电机较多；

2、腿部结构复杂，运动惯量大；

3、控制过程繁琐，控制精度低。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种腿部结构及采用该机构的足式移动平台，其结构简单，控制灵敏，具有较强的负载能力；驱动电机数量少，加工安装方便、成本低、可靠性高；腿部结构采用拉杆实现远端驱动，运动惯量小。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种腿部结构，包括：大腿支杆、小腿支杆、用于驱动小腿支杆摆动的膝关节调节机构；

膝关节调节机构包括大腿支撑板、膝关节驱动电机、连杆组件，大腿支杆固定连接大腿支撑板；连杆组件包括大腿驱动杆、大腿传动杆、膝关节连接部；小腿支杆通过膝关节连接部转动连接大腿支杆；

大腿驱动杆包括固定端、自由端；大腿传动杆包括上连接端、下连接端；固定端连接膝关节驱动电机，上连接端转动连接自由端；下连接端转动连接膝关节连接部；

大腿驱动杆驱动大腿传动杆转动，进一步带动小腿支杆转动。

本发明通过设置连杆式腿部结构，实现多个相互关联的自由度部件之间的藕合，通过膝关节驱动电机实现小腿支杆的转动，达到仿人运动的效果。

根据本发明的另一种具体实施方式，腿部结构进一步包括拟足板，拟足板上设有连接件，拟足板通过连接件转动连接小腿支杆。

根据本发明的另一种具体实施方式，腿部结构还包括用于调整踝关节调节机构。

根据本发明的另一种具体实施方式，踝关节调节机构为连杆式调节机构，其包括踝关节驱动电机、小腿驱动杆、小腿传动杆；小腿驱动杆的固定端固定连接踝关节驱动电机，小腿传动杆的上连接端转动连接小腿驱动杆的自由端；小腿传动杆的下连接端转动连接拟足板。

本方案中，通过连杆机构实现踝关节的动作过程，实现拟足板的仿人设计。同大腿支杆的驱动原理，拟足板的驱动方式与小腿支杆的驱动方式相仿，通过踝关节驱动电机驱动小腿驱动杆的动作，从而带动小腿传动杆，实现拟足板的转动过程。

根据本发明的另一种具体实施方式，踝关节调节机构为伸缩式调节机构，其包括用于驱动小腿支杆伸缩的伸缩电机、硬性连接件、弹性连接件，拟足板后脚掌通过硬性连接件连接踝关节连接部，拟足板前脚掌通过弹性连接件连接小腿支杆。本方案中，硬性连接件为钢丝绳，弹性连接件为弹簧，通过改变伸缩式小腿支杆的运动，实现拟足板的转动过程，由于小腿支杆在伸出或缩回的过程中，拟足板上与钢丝绳连接的部分距离不变，连接拟足板和小腿支杆的弹簧相应的出现拉伸或者压缩(即不受外力的状态)，从而实现拟足板与小腿支杆连接处的仿踝关节的动作。

根据本发明的另一种具体实施方式，膝关节驱动电机上设有传动组件。常规的电机最小转速较大，一般在使用过程中需要对电机进行降速处理，调整到合适足式移动平台的速率，以达到平稳运动的状态。

根据本发明的另一种具体实施方式，传动组件为锥齿轮传动组件或皮带传动组件。

本发明中将膝关节、踝关节中相关联的部件通过连杆机构或者伸缩机构进行藕合处理，大大减少了腿部结构中的自由度，简化了结构，减少了电机的使用数量，降低了成本。

另一方面，本发明提供了一种采用上述结构的移动平台，其进一步包括髋部，髋部包括髋部支撑板、设在髋部支撑板上的横轴、相对设置的两组侧摆机构；侧摆机构包括活动支架、传动轴，活动支架与横轴转动配合，传动轴转动设置在活动支架上，传动轴与横轴相互垂直；横轴上设有主动锥齿轮，传动轴上设有与主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮，传动轴上还设有减速组件；大腿支撑板通过减速组件连接传动轴。

本发明中通过减速组件，减缓了腿部结构在运动过程中的不平稳性，很大程度上消减了齿轮传动过程中由于配合间隙或者配合部件之间的位移造成的晃动等问题。

根据本发明的另一种具体实施方式，移动平台还包括用于调整活动支架位置的升降机构，升降机构包括、升降电机、丝杆、滑块、活动连接件；升降电机设在髋部支撑板上，丝杆固定在髋部支撑板上，滑块可升降地设在丝杆上，活动连接件一端转动连接滑块，另一端转动连接活动活动支架。

根据本发明的另一种具体实施方式，升降电机与丝杆之间设有带轮传动件或链轮传动件或齿轮传动件。

本发明中，通过将髋关节、膝关节、踝关节之间存在相互关联的动作进行简化，一方面减少了驱动电机的数目，减轻了整体的重量，另一方便简化了整体的控制过程，使动作更加灵敏。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1、采用连杆结构，加工安方便；

2、驱动电机数量少，成本低；

3、大大降低了自由度，控制灵敏，适应性能强。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是实施例1的一种腿部结构的整体结构示意图；

图2是实施例1的一种腿部结构的状态结构示意图；

图3是实施例2的一种足式移动平台的整体结构示意图；

图4是实施例2的一种足式移动平台的部分结构示意图，其显示了髋部。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种腿部结构，如图1－2所示，其包括大腿支杆11、小腿支杆12、膝关节调节机构13、拟足板14、踝关节调节机构15。

其中，膝关节调节机构13包括大腿支撑板131、膝关节驱动电机132、大腿驱动杆133、大腿传动杆134、膝关节连接部135、第一传动齿轮136、第二传动齿轮137，大腿支杆11固定连接大腿支撑板131；小腿支杆12通过膝关节连接部135转动连接大腿支杆11；膝关节驱动电机通过第一传动齿轮、第二传动齿轮驱动连接大腿驱动杆133的一端，大腿驱动杆133的另一端通过第一转轴138连接大腿传动杆134的上端，大腿传动杆134的下端通过第二转轴139连接膝关节连接部。

膝关节调节机构的动作过程为：膝关节驱动电机—第一传动齿轮—第二传动齿轮—大腿驱动杆—第一转轴—大腿传动杆—膝关节连接部—小腿支杆。

踝关节调节机构15为连杆式调节机构，包括踝关节驱动电机151、小腿驱动杆152、小腿传动杆153；小腿驱动杆152的一端固定连接踝关节驱动电机，小腿驱动杆152的另一端通过第三转轴154连接小腿传动杆153的上端，小腿传动杆153的下端通过第四转轴155连接拟足板14，拟足板14上设有连接件141，拟足板14通过该连接件141连接小腿支杆12。

踝关节调节机构的动作过程为：踝关节驱动电机—小腿驱动杆—小腿传动杆—拟足板。

实施例2

本实施例提供了一种足式移动平台，如图3－4所示，其包括平台本体21、第一侧摆机构22、第二侧摆机构23、升降机构24、大腿支杆25、小腿支杆26、膝关节调节机构27、拟足板28、踝关节调节机构29。

其中，平台本体21上设有髋部支撑板211、横轴212，横轴212设在髋部支撑板211靠近底部的位置，其上设有主动锥齿轮213及用于驱动横轴212转动的横轴驱动电机213。第一侧摆机构22包括第一活动支架221、第一传动轴222、第一从动锥齿轮223；第二侧摆机构23包括第二活动支架231、第二传动轴232、第二从动锥齿轮233；第一活动支架221、第二活动支架231相对设置，横轴212同时穿过第一活动支架221、第二活动支架231，且第一活动支架221、第二活动支架231均相对横轴212转动设置，第一传动轴222、第二传动轴232均垂直于横轴212设置在同一平面内，在第一传动轴222上设有与主动锥齿轮213啮合的第一从动锥齿轮223，在第二传动轴232上设有与主动锥齿轮213啮合的第二从动锥齿轮233。在第一传动轴222、第二传动轴232与腿部连接的位置均设有减速机214，设置减速机214的目的是为了减少腿部在分开与并拢的过程中，由于齿轮啮合空间啮合位置的偏移造成的整个移动平台的前倾或者后仰。

第一侧摆机构、第二侧摆机构实现腿部的前后动作，其工作过程为：横轴驱动电机驱动横轴正转(或者反转)，从而驱动主动锥齿轮转动，由于第一从动锥齿轮、第二从动锥齿轮相对设置且均垂直于主动锥齿轮，故与第一传动轴相连的腿部、与第二传动轴相连的腿部分别向前和向后运动，实现两条腿部的前后动作。

升降机构24包括升降电机、丝杆241、升降滑块242、第一活动连接件245、第二活动连接件256，其中，升降电机通过皮带驱动丝杆241转动，进一步带动升降滑块242的升降运动，在升降滑块242上设有第一水平轴243、第二水平轴244。第一活动连接件245一端通过第一水平轴243转动连接升降滑块242，另一端连接第一活动支架221；第二活动连接件256一端通过第二水平轴244转动连接升降滑块242，另一端连接第二活动支架231。

升降机构实现腿部结构的分开与合拢，其工作过程为：升降电机带动丝杆转动，升降滑块沿着丝杠升降，进一步地，升降滑块驱动与第一活动连接件相连接的第一活动架转动、与第二活动连接件相连接的第二活动架转动，实现第一传动轴、第二传动轴之间夹角的改变，实现两条腿部的分开与合拢。

膝关节调节机构27包括大腿支撑板271、膝关节驱动电机272、大腿驱动杆273、大腿传动杆274、膝关节连接部275、第一传动齿轮276、第二传动齿轮277，大腿支杆25固定连接大腿支撑板273；小腿支杆26通过膝关节连接部275转动连接大腿支杆25；膝关节驱动电机272通过第一传动齿轮276、第二传动齿轮277驱动连接大腿驱动杆273的一端，大腿驱动杆273的另一端通过第一转轴278连接大腿传动杆274的上端，大腿传动杆274的下端通过第二转轴279连接膝关节连接部275。

膝关节调节机构的动作过程为：膝关节驱动电机—第一传动齿轮—第二传动齿轮—大腿驱动杆—第一转轴—大腿传动杆—膝关节连接部—小腿支杆。

踝关节调节机构29为连杆式调节机构，包括踝关节驱动电机291、小腿驱动杆292、小腿传动杆293；小腿驱动杆292的一端固定连接踝关节驱动电机291，小腿驱动杆292的另一端通过第三转轴294连接小腿传动杆293的上端，小腿传动杆293的下端通过第四转轴295连接拟足板28，拟足板28上设有连接件281，拟足板28通过该连接件281连接小腿支杆26。

踝关节调节机构的动作过程为：踝关节驱动电机—小腿驱动杆—小腿传动杆—拟足板。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种腿部结构，其特征在于，所述腿部结构包括大腿支杆、小腿支杆、用于驱动所述小腿支杆摆动的膝关节调节机构；

所述膝关节调节机构包括大腿支撑板、膝关节驱动电机、连杆组件，所述大腿支杆固定连接所述大腿支撑板；所述连杆组件包括大腿驱动杆、大腿传动杆、膝关节连接部；所述小腿支杆通过所述膝关节连接部转动连接所述大腿支杆；

所述大腿驱动杆包括固定端、自由端；所述大腿传动杆包括上连接端、下连接端；所述固定端连接所述膝关节驱动电机，所述上连接端转动连接所述自由端；所述下连接端转动连接所述膝关节连接部；

所述大腿驱动杆驱动所述大腿传动杆转动，进一步带动所述小腿支杆转动。

2.如权利要求1所述的腿部结构，其特征在于，所述腿部结构进一步包括拟足板，所述拟足板上设有连接件，所述拟足板通过所述连接件转动连接所述小腿支杆。

3.如权利要求2所述的腿部结构，其特征在于，所述腿部结构还包括用于调整所述拟足板的踝关节调节机构。

4.如权利要求3所述的腿部结构，其特征在于，所述踝关节调节机构为连杆式调节机构，其包括踝关节驱动电机、小腿驱动杆、小腿传动杆；所述小腿驱动杆的固定端固定连接所述踝关节驱动电机，所述小腿传动杆的上连接端转动连接所述小腿驱动杆的自由端；所述小腿传动杆的下连接端转动连接所述拟足板。

5.如权利要求3所述的腿部结构，其特征在于，所述踝关节调节机构为伸缩式调节机构，其包括用于驱动所述小腿支杆伸缩的伸缩电机、硬性连接件、弹性连接件，所述拟足板后脚掌通过所述硬性连接件连接所述踝关节连接部，所述拟足板前脚掌通过所述弹性连接件连接所述小腿支杆。

6.如权利要求1所述的腿部结构，其特征在于，所述膝关节驱动电机上设有传动组件。

7.如权利要求6所述的腿部结构，其特征在于，所述传动组件为锥齿轮传动组件或皮带传动组件。

8.一种采用权利要求1－7之一所述腿部结构的移动平台，其特征在于，所述移动平台进一步包括髋部，所述髋部包括髋部支撑板、设在所述髋部支撑板上的横轴、相对设置的两组侧摆机构；所述侧摆机构包括活动支架、传动轴，所述活动支架与所述横轴转动配合，所述传动轴转动设置在所述活动支架上，所述传动轴与所述横轴相互垂直；所述横轴上设有主动锥齿轮，所述传动轴上设有与所述主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮，所述传动轴上还设有减速组件；所述大腿支撑板通过所述减速组件连接所述传动轴。

9.如权利要求8所述的移动平台，其特征在于，所述移动平台还包括用于调整所述活动支架位置的升降机构，所述升降机构包括、升降电机、丝杆、滑块、活动连接件；所述升降电机设在所述髋部支撑板上，所述丝杆固定在所述髋部支撑板上，所述滑块可升降地设在所述丝杆上，所述活动连接件一端转动连接所述滑块，另一端转动连接所述活动活动支架。

10.如权利要求9所述的移动平台，其特征在于，所述升降电机与所述丝杆之间设有带轮传动件或链轮传动件或齿轮传动件。