CN110394782B - 小腿复合结构以及包含该小腿复合结构的仿人机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小腿复合结构和包含该小腿复合结构的仿人机器人，该小腿复合结构包括：支撑侧板、夹设在支撑侧板之间的内嵌填充结构以及包裹在支撑侧板和内嵌填充结构外周的外壳。其中，支撑侧板包括左右两侧间隔预定距离固定安装的小腿外侧板和小腿内侧板，小腿外侧板和小腿内侧板的上端具有用于支撑和连接膝关节组件的上端连接支撑部，下端具有下端连接支撑部。内嵌填充结构包括：位于上端连接支撑部的下方且与支撑侧板固定连接的上堵头；位于下端连接支撑部的上方的下堵头；固定在上堵头和下堵头之间与支撑侧板固定连接的内腔结构体，内腔结构体上具有容纳腔。该结构在各方向上具有良好的强度和刚度，充分利用了小腿的内部空间。

Description

小腿复合结构以及包含该小腿复合结构的仿人机器人

技术领域

本发明涉及仿人机器人领域，尤其涉及一种小腿复合结构以及包含该小腿复合结构的仿人机器人。

背景技术

仿人机器人是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动和动力学等诸多方面的研究和发展水平，是一个很复杂的综合***。其中，仿人机器人腿部躯体结构是仿人机器人设计中的重要环节。目前仿人机器人的腿部连接结构设计要求在能够满足运动和作业的条件下尽可能的精简，以达到减少控制复杂度和提高控制精度的要求。仿人机器人腿部既要实现灵活的旋转功能，又要在运动碰撞中具有一定的强度，同时要具有重量轻的特性。

通常来说，腿部机构是与驱动电机输出力矩相关的，腿部连接结构重量越大，达到相同速度其所需电机输出力矩越大。目前，为了减轻仿人机器人的躯体机构重量，在加工仿人机器人的躯体机构时，躯体机构的骨架部分或全部选用铝合金。铝合金材料属于传统材料，虽然铝合金在重量上比一般金属轻，但并没有重量优势。

现有技术中的仿人机器人腿部连接结构一般是半封闭式的连接结构。例如，在小腿关节部分采用整体式的U型支架或者铝合金推板夹持电机的方式，小腿躯体部分一般仅起到支撑作用。在小腿躯干部分的内部空间假如全部为空腔结构，容易导致前后侧支撑强度不足；在小腿躯干部分的内部空间假如全部为密实的铝合金填充结构，又容易导致腿部结构整体重量大大增加，所需电机输出增加，增加设计难度和成本。此外，关节部位的驱动电机、电机驱动器以及各种线路无法合理分布，内部空间没有有效的利用。假如在机器人躯体外侧走线，即影响美观，又容易导致线路受损。综上所述，目前，仿人机器人的腿部结构存在很多不足之处，非常需要改进，以满足设计与应用的需要。

发明内容

为了解决或缓解现有技术的仿人机器人腿部连接结构的前后侧支撑强度不足、小腿部内部空间没有有效的利用的问题，本发明提供了一种小腿复合结构以及包含该小腿复合结构的仿人机器人。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一方面，在一些实施例中，该小腿复合结构包括：支撑侧板、夹设在所述支撑侧板之间的内嵌填充结构以及包裹在所述支撑侧板和所述内嵌填充结构外周的外壳。其中，所述支撑侧板包括左右两侧间隔预定距离固定安装的小腿外侧板和小腿内侧板，所述小腿外侧板和所述小腿内侧板的上端具有用于支撑和连接膝关节组件的上端连接支撑部，所述小腿外侧板和所述小腿内侧板的下端具有下端连接支撑部。所述内嵌填充结构包括：位于所述上端连接支撑部的下方且与所述支撑侧板固定连接的上堵头；位于所述下端连接支撑部的上方的下堵头；固定在所述上堵头和所述下堵头之间与所述支撑侧板固定连接的内腔结构体，所述内腔结构体上具有容纳腔。

在一些实施例中，所述上端连接支撑部为上端环形部，所述小腿外侧板的上端环形部和所述小腿内侧板的上端环形部同轴配合。

在一些实施例中，所述小腿外侧板和小腿内侧板为PEEK材质的成型件；所述内腔结构体为PMI材质的成型件；所述外壳为碳纤维壳体。

在一些实施例中，所述小腿复合结构还包括安装在所述小腿外侧板和所述小腿内侧板的上端环形部处的膝关节组件。

在一些实施例中，所述膝关节组件包括电机、传动轮以及将所述电机和传动轮套置其内且由所述传动轮致动的关节套；所述关节套上具有与所述支撑侧板的上端环形部固定连接的轴环。

在一些实施例中，所述上堵头具有左右贯穿的通孔，在所述通孔内穿设有连接柱，所述连接柱的两个端面具有螺纹孔；在所述小腿外侧板和小腿内侧板配合连接所述上堵头的位置，具有固定所述连接柱的沉头孔和连接螺钉。

在一些实施例中，所述上堵头和下堵头具有上下贯穿的穿线孔。

在一些实施例中，所述支撑侧板的小腿外侧板和小腿内侧板上对应所述内腔结构体的容纳腔的部位具有通透的散热槽。

在一些实施例中，所述小腿复合结构还包括安装在所述散热槽处的散热片。

在一些实施例中，所述内腔结构体的与所述小腿外侧板和小腿内侧板通过螺钉连接。

根据本发明的另一方面，也提供了一种仿人机器人，该仿人机器人包括上述小腿复合结构。

根据本发明的小腿复合结构，在各方向上具有良好的强度和刚度，充分利用了小腿的内部空间，在腿部实现全封闭式连接。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例中的仿人机器人的左腿结构示意图。

图2为本发明一实施例中的小腿复合结构及膝关节组件的结构示意图。

图3为本发明一实施例中的小腿复合结构的组合结构示意图。

图4为本发明一实施例中的小腿复合结构的***结构示意图。

图5为本发明一实施例中的小腿外侧板的结构示意图。

图6为本发明一实施例中的小腿内侧板的结构示意图。

图7为本发明一实施例中的支撑侧板的上端环形部与内嵌填充结构的结构示意图。

图8为本发明一实施例中的内嵌填充结构的结构示意图。

图9为本发明一实施例中的上堵头的结构示意图。

图10为本发明一实施例中的下堵头的结构示意图。

图11为本发明一实施例中的外壳的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

现有技术中半封闭式的腿部连接结构采用U型支架或铝合金腿板，为了解决或缓解该连接方式前后侧支撑强度不足、小腿部内部空间没有有效的利用的问题，本发明提供了一种仿人机器人的小腿复合结构。

图1为本发明一实施例中的仿人机器人的左腿结构示意图。如图1所示，该左腿结构包括大腿躯体3、膝关节组件2和小腿躯体1，其中，仿人机器人运动时，小腿躯体1可作为小腿部分绕膝关节组件2在一定角度范围内转动。

根据本发明的一方面，在一些实施例中，图3和图4分别为本发明一实施例中的小腿复合结构的组合结构示意图和***结构示意图。如图3(不含外壳)和图4所示，该小腿复合结构包括：支撑侧板、夹设在支撑侧板之间的内嵌填充结构以及包裹在支撑侧板和内嵌填充结构外周的外壳。其中，支撑侧板作为小腿复合结构左右两侧的支撑板，起到骨架的作用。即小腿外侧板110和小腿内侧板120主要起到左右支撑和竖向支撑的作用。内嵌填充结构作为支撑侧板的横向支撑结构，也起到可内置电机驱动器和各种线路等的作用，并且，内嵌填充结构可增强小腿复合结构的前后侧支撑强度。外壳用于保护和封闭小腿复合结构的内部结构。根据本发明的小腿复合结构，在各方向上具有良好的强度和刚度，充分利用了小腿的内部空间，在腿部实现全封闭式连接，又减轻了重量。

在一些实施例中，支撑侧板包括左右两侧间隔预定距离固定安装的小腿外侧板110和小腿内侧板120，小腿外侧板110和小腿内侧板120的上端具有用于支撑和连接膝关节组件的上端连接支撑部，此外，小腿外侧板110和小腿内侧板120的下端具有用于支撑和连接踝关节组件的连接支撑部。此处所述的上端连接支撑部是将关节组件固定在侧板两端的部位，可以是环形部，也可以是半环形部，或者两点固定、三点固定等的结构，优选为环形部。在一些实施例中，上端连接支撑部可为上端环形部，下端连接支撑部可为下端环形部。小腿外侧板110的环形部111和小腿内侧板的上端环形部121同轴配合，可用于连接和固定膝关节组件2，也可借助膝关节组件2与大腿躯体3连接。

在一些实施例中，内嵌填充结构包括：位于上端环形部(111/121)的下方且与支撑侧板固定连接的上堵头210、位于下端环形部(112/122)的上方下堵头220、固定在上堵头210和下堵头220之间且与支撑侧板固定连接的内腔结构体230。内腔结构体230上具有容纳腔。上堵头210和下堵头220主要用于连接两个支撑侧板，也起到限位内腔结构体230的作用，即将内腔结构体230上下固定在腿复合结构中间的内部空间。内腔结构体230容纳腔可以放置电机驱动器，合理利用小腿复合结构的内部空间。此外，内嵌填充结构是与支撑侧板固定连接的，也可增强小腿复合结构的前后侧支撑强度和左右侧支撑强度。

在一些实施例中，小腿外侧板110和小腿内侧板120可为PEEK材质的成型件；内腔结构体230可为PMI材质的成型件；外壳310可为碳纤维壳体。上堵头210和下堵头220也可为PMI材质的成型件。本发明中，小腿复合结构两侧的PEEK材料、中间的PMI材料和最外层的碳纤维即可组成PMI-PEEK-碳纤维复合结构，该复合结构不仅有一定强度和刚度，而且充分利用新材料，利用腿部内侧的空间，在腿部实现全封闭式连接。在提高腿部强度和刚度的同时，减少仿人机器人腿部自重，从而提高仿人机器人的运动能力。

聚醚醚酮(PEEK)树脂是分子主链中含有链节的线性芳香族高分子化合物，与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性能可用于高端的机械、核工程和航空等科技。

聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫是一种交联型硬质结构型泡沫材料，该泡沫塑料是目前强度和刚度最高的耐热泡沫塑料(180～240℃)，能够满足中高温、高压固化和预浸料工艺要求。与各种类型树脂之间具有良好的兼容性，适合作为高性能夹层结构中的芯层材料使用，容易经过机械加工成为各种形状复杂的截面形状。

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa，亦高于钢。

本发明采用碳纤维外壳包覆、PEEK材料作为骨架、PMI泡沫作为填充，实现轻质、高强度的机器人小腿结构。

在一些实施例中，如图1和图2所示，本发明的小腿复合结构可还包括安装在小腿外侧板和所述小腿内侧板的上端环形部处的膝关节组件2。膝关节组件2可包括电机、传动轮以及将电机和传动轮套置其内且由传动轮致动的关节套；关节套上具有与支撑侧板的上端环形部固定连接的轴环。

在该实施例中，关节套可为一侧敞口、一端具有小口开放的套筒件，且关节套的外周的两侧具有两个与支撑侧板固定的轴环，轴环的轴肩端面可以开有均匀环形分布的螺纹孔，可通过螺钉与支撑侧板的上端环形部固定安装。

在该实施例中，电机及减速器可以固定安装在关节套的内部空间，且内部设有安装在电机轴上的传动轮，传动轮和关节套可以构成传动结构，例如行星轮机构或谐波齿轮传动机构。该传动轮驱动关节套进行转动，即可驱动小腿复合结构的支撑侧板，带动小腿躯体进行运动。具体实施时，关节套内可套接安装电机套，电机套和电机可固定在大腿躯体的一个侧板上，而关节套相对于电机套转动，从而带动小腿躯体进行运动。在采用谐波齿轮传动机构时，刚轮可以和关节套固定安装，柔轮可以关节套固定安装，柔轮在刚轮内转动带动关节套转动，从而带动小腿复合结构的支撑侧板，带动小腿躯体进行运动。

在一些实施例中，如图5所示，小腿外侧板110主要为包括小腿外侧板的上端环形部111、下端环形部112，中部的结构可以为仿人小腿的造型，中部可开有上堵头沉头孔114和下堵头沉头孔115。如图6所示，小腿内侧板120主要为包括小腿内侧板的上端环形部121、下端环形部122，中部的结构可以为仿人小腿的造型，中部可开有上堵头沉头孔124和下堵头沉头孔125。

在一些实施例中，如图4、图5、图6和图8所示，支撑侧板的小腿外侧板110和小腿内侧板120上对应内腔结构体230的容纳腔231的部位具有通透的散热槽113/123；小腿复合结构还包括安装在散热槽113/123处的散热片。以便安装在内腔结构体230的容纳腔231的电机驱动器进行散热。

在一些实施例中，如图7、图8和图9所示，上堵头210具有较大的厚度，其具有左右两侧贯穿的通孔，在通孔内穿设有连接柱211，连接柱211的两个端面具有螺纹孔212。在小腿外侧板110和小腿内侧板120配合连接上堵头210的位置，具有固定连接柱211的沉头孔和连接螺钉。上堵头210具有上下贯穿的穿线孔213。如图10所示，下堵头220具有较小的厚度，其左右两侧开槽，可卡接在两个支撑侧板之间，下堵头220具有贯穿上下两侧的穿线孔223，实现踝关节组件、膝关节组件的电气连接。此外，上堵头210和下堵头220可开有上下通透的进风口，以便内腔结构体230的电器元件进行散热和通风。

在一些实施例中，如图8所示，内腔结构体230可具有螺纹孔232，用于和散热片、支撑侧板连接在一起。内腔结构体230可与小腿外侧板110和小腿内侧板120螺钉连接。位于上端的螺纹孔232用于固定散热片和支撑侧板，下端的螺纹孔232只用于固定支撑侧板。

在一些实施例中，如图8所示，上堵头210可设有电极槽，安装小腿电极214，用于和大腿躯体的电极连接。

在一些实施例中，图11为本发明一实施例中的外壳的结构示意图。如图11所示，外壳11可为碳纤维外壳，留有安装散热片的缺口。在实际应用时，外壳11可由单层的碳纤维布层层环绕包裹而成，缠绕后再进行固化。碳纤维的外壳11可包裹位于其内的支撑侧板和内嵌填充结构，有利于提高机器人腿部的刚度和强度，有利于保护内部结构、电子器件和线路。

根据本发明的另一方面，也提供了一种仿人机器人，包括上述小腿复合结构。

本发明的小腿复合结构和包含该小腿复合结构的仿人机器人，大量使用了非金属新型材料，小腿左右两侧的支撑侧板为PEEK材料，侧板外部为碳纤维外壳，侧板内部为PMI内嵌填充结构，PMI内嵌填充结构上下连接填充堵头，关节电机及减速器部分与小腿左右侧板的上下端连接。这种设计是仿照人体骨骼的构造，保证机械特性的同时还能减轻重量，提高机器人的强度。

本发明的小腿复合结构外部包裹的碳纤维外壳层层缠绕固化后，起到支承和保护作用，内部的PMI内嵌填充结构有效利用了腿板之间的空间，PEEK材料的支撑侧板骨架结构在保证连接的前提下减轻了重量。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，该小腿复合结构包括：支撑侧板、夹设在所述支撑侧板之间的内嵌填充结构以及包裹在所述支撑侧板和所述内嵌填充结构外周的外壳；

其中，所述支撑侧板包括左右两侧间隔预定距离固定安装的小腿外侧板和小腿内侧板，所述小腿外侧板和所述小腿内侧板的上端具有用于支撑和连接膝关节组件的上端连接支撑部，所述小腿外侧板和所述小腿内侧板的下端具有下端连接支撑部；

其中，所述内嵌填充结构包括：

位于所述上端连接支撑部的下方且与所述支撑侧板固定连接的上堵头；

位于所述下端连接支撑部的上方的下堵头；

固定在所述上堵头和所述下堵头之间与所述支撑侧板固定连接的内腔结构体，所述内腔结构体上具有容纳腔。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述小腿外侧板和小腿内侧板为PEEK材质的成型件；所述内腔结构体为PMI材质的成型件；所述外壳为碳纤维壳体。

3.根据权利要求1或2所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述上端连接支撑部为上端环形部，所述小腿外侧板的上端环形部和所述小腿内侧板的上端环形部同轴配合。

4.根据权利要求3所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述小腿复合结构还包括安装在所述小腿外侧板和所述小腿内侧板的上端环形部处的膝关节组件；

所述膝关节组件包括电机、传动轮以及将所述电机和传动轮套置其内且由所述传动轮致动的关节套；

所述关节套上具有与所述支撑侧板的上端环形部固定连接的轴环。

5.根据权利要求1或2所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述上堵头具有左右贯穿的通孔，在所述通孔内穿设有连接柱，所述连接柱的两个端面具有螺纹孔；

在所述小腿外侧板和小腿内侧板配合连接所述上堵头的位置，具有固定所述连接柱的沉头孔和连接螺钉。

6.根据权利要求1或2所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述上堵头和下堵头具有上下贯穿的穿线孔。

7.根据权利要求1或2所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述支撑侧板的小腿外侧板和小腿内侧板上对应所述内腔结构体的容纳腔的部位具有通透的散热槽。

8.根据权利要求7所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述小腿复合结构还包括安装在所述散热槽处的散热片。

9.根据权利要求1或2所述的仿人机器人的小腿复合结构，其特征在于，所述内腔结构体与所述小腿外侧板和小腿内侧板通过螺钉连接。

10.一种仿人机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的小腿复合结构。

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