CN110588833B - 一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供的适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，包括髋关节驱动模块、髋关节模块、侧摆关节驱动模块、膝关节模块、踝关节模块、小腿模块；膝关节模块与髋关节模块相连，输出的旋转动力实现机器人腿结构的髋关节运动；侧摆关节驱动模块的动力输出接口与膝关节模块相连，输出的旋转动力实现机器人腿结构的侧摆关节运动；膝关节模块的动力输出接口与踝关节模块相连，输出的旋转动力实现机器人腿结构的膝关节运动；踝关节模块的动力输出接口与小腿模块相连，输出的旋转动力实现机器人腿结构的踝关节运动。本发明具有3个运动自由度，且每个自由度均可实现大幅度的转动，运动灵活性好，带负载能力强。

Description

一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构

技术领域

本发明涉及电动机器人技术领域，特别涉及一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构。

背景技术

哺乳动物的多段式腿结构具有灵活的运动能力，是足式机器人结构设计的重要仿生依据。其中，三段式腿结构既保留了运动灵活性和死点支撑特性，又较大限度地降低了肢体结构的复杂度，是足式仿生机器人腿结构的主流方案之一。为了降低控制难度并提升腿足结构的带负载能力，现有的三段腿式仿生机器人主要采用四自由度构型，以液压或者电机***作为动力源，并以四连杆机构作为传动链。

专利201811653218.1公开了一种仿生机器人腿，该机器人包括固定座、髋部、大腿部和小腿部，其中髋部电机、大腿部电机、小腿部电机通过齿轮***分别驱动固定座、大腿部、小腿部，但因驱动能力较弱使得该方案仅适用于小型及轻载机器人。

专利201310214762.7公开了一种仿生机器人腿机构，该机器人腿机构包括肩胛骨、肩关节、大腿、膝关节、小腿、被动踝关节、脚掌及驱动模块。该方案采用滚珠丝杠驱动关节，传动机构为四连杆构型，动态控制难度较大。

足式仿生机器人正在向高动态、电动化、高负载方向发展，但目前缺乏具有高运动灵活度和高负载性能的电动式腿结构方案。

因此，如何提供一种具有高运动灵活度和高负载性能的电动式机器人腿结构是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，具有3个运动自由度，且每个自由度均可实现大幅度的转动，运动灵活性好，带负载能力强。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，包括髋关节驱动模块、髋关节模块、侧摆关节驱动模块、膝关节模块、踝关节模块、小腿模块；

其中，髋关节驱动模块、侧摆关节驱动模块、膝关节模块、踝关节模块均设有动力装置及动力输出接口，以为各运动关节提供旋转动力；髋关节驱动模块、髋关节模块、侧摆关节驱动模块均与机器人机身结构相连接；

所述髋关节驱动模块的动力输出接口与髋关节模块相连，膝关节模块与髋关节模块相连并绕髋关节模块的输出端轴线转动；髋关节模块输出的旋转动力经由髋关节模块带动膝关节模块、踝关节模块、小腿模块屈曲伸张，实现机器人腿结构的髋关节运动；

所述侧摆关节驱动模块的动力输出接口与膝关节模块相连，输出的旋转动力带动膝关节模块、踝关节模块、小腿模块侧向摆动，实现机器人腿结构的侧摆关节运动；

所述膝关节模块的动力输出接口与踝关节模块相连，踝关节模块绕膝关节模块的输出端轴线转动，膝关节模块输出的旋转动力带动踝关节模块、小腿模块屈曲伸张，实现机器人腿结构的膝关节运动；

所述踝关节模块的动力输出接口与小腿模块相连，小腿模块绕踝关节模块的输出端轴线转动；踝关节模块输出的旋转动力带动小腿模块屈曲伸张，实现机器人腿结构的踝关节运动。

优选的，所述髋关节驱动模块包括髋关节机壳、髋关节电机、髋关节减速器、髋关节机壳端盖、髋关节第一锥齿轮；髋关节机壳固连在机器人机身结构上，为髋关节驱动模块提供安装定位，髋关节电机的定子连接盘固连在髋关节机壳内，髋关节减速器的输入轴与髋关节电机的转子相连，髋关节减速器的输出轴与髋关节第一锥齿轮相连，髋关节减速器的外连接盘与髋关节机壳端盖固连，髋关节机壳端盖与髋关节机壳固连；髋关节电机、髋关节减速器均与髋关节第一锥齿轮的主旋转轴相共轴；

髋关节电机产生的旋转动力经由髋关节减速器变速后传递给髋关节第一锥齿轮，作为髋关节驱动模块的动力输出，髋关节第一锥齿轮为髋关节驱动模块的动力输出接口。

优选的，所述髋关节模块包括髋关节第二锥齿轮、髋关节第一轴承、髋关节基座、髋关节第二轴承、髋关节第三轴承、髋关节框架；其中髋关节第二锥齿轮、髋关节第一轴承、髋关节基座均与髋关节框架的主旋转轴相共轴，且轴线为髋关节模块的主旋转轴；其中髋关节基座与机器人机身结构固连，为髋关节模块提供安装定位，髋关节第二锥齿轮与髋关节基座通过髋关节第一轴承相连，髋关节框架一端与髋关节第二锥齿轮固连，另一端与髋关节第二轴承、髋关节第三轴承相连，髋关节第二轴承、髋关节第三轴承分列于髋关节框架的主旋转轴的两侧，髋关节第二轴承、髋关节第三轴承相共轴，其共轴轴线为髋关节模块的副旋转轴；

所述髋关节第一锥齿轮与髋关节第二锥齿轮相连接形成锥齿轮副，髋关节模块绕其自身的主旋转轴转动以实现髋关节运动。

优选的，所述髋关节模块的主旋转轴与副旋转轴相交并垂直；所述髋关节第一锥齿轮的轴线与髋关节第二锥齿轮的轴线相交并垂直。

优选的，所述侧摆关节驱动模块包括侧摆关节机壳、侧摆关节电机、侧摆关节减速器、侧摆关节机壳端盖、侧摆关节第一锥齿轮；侧摆关节机壳固连在机器人机身结构上，为侧摆关节驱动模块提供安装定位，侧摆关节电机的定子连接盘固连在侧摆关节机壳内，侧摆关节减速器的输入轴与侧摆关节电机的转子相连，输出轴与侧摆关节第一锥齿轮相连，侧摆关节减速器的外连接盘与侧摆关节机壳端盖固连，侧摆关节机壳端盖与侧摆关节机壳固连；侧摆关节电机旋转轴、侧摆关节减速器旋转轴、侧摆关节第一锥齿轮主旋转轴相共轴；

侧摆关节电机产生的旋转动力经由侧摆关节减速器变速后传递给侧摆关节第一锥齿轮，作为侧摆关节驱动模块的动力输出，侧摆关节第一锥齿轮为侧摆关节驱动模块的动力输出接口。

优选的，所述膝关节模块包括膝关节机壳、膝关节电机、膝关节减速器、膝关节第一锥齿轮、膝关节框架、膝关节第一轴承、膝关节第二轴承；膝关节机壳、膝关节电机、膝关节减速器、膝关节第一锥齿轮均与膝关节框架相共轴，且共轴轴线为膝关节模块的主旋转轴，膝关节电机的定子连接盘固连在膝关节机壳内，膝关节减速器的输入轴与膝关节电机的转子相连，输出轴与膝关节第一锥齿轮相连，膝关节框架一端依次与膝关节减速器的外连接盘、膝关节机壳固连，另一端与膝关节第一轴承、膝关节第二轴承相连，膝关节第一轴承、膝关节第二轴承分列于膝关节框架的两侧，膝关节第一轴承、膝关节第二轴承相共轴，其共轴轴线为膝关节模块的副旋转轴；

所述膝关节机壳包含有圆锥齿轮结构，以用于与侧摆关节第一锥齿轮相连接形成锥齿轮副，膝关节机壳与膝关节框架配有轴承座，以分别与髋关节第二轴承、髋关节第三轴承相连接，膝关节模块绕髋关节模块的副旋转轴转动以实现侧摆关节运动；

膝关节电机产生的旋转动力经由膝关节减速器变速后传递给膝关节第一锥齿轮，作为膝关节模块的动力输出，膝关节第一锥齿轮为膝关节模块的动力输出接口。

优选的，所述膝关节模块的主旋转轴与副旋转轴相交并垂直；所述侧摆关节第一锥齿轮的轴线与膝关节模块的主旋转轴相交并垂直。

优选的，所述踝关节模块包括踝关节机壳、踝关节电机、踝关节减速器、第一链轮、大腿结构体、第二链轮心轴、链条；其中踝关节机壳、踝关节电机、踝关节减速器、第一链轮分别与大腿结构体相共轴，共轴轴线为踝关节模块的主旋转轴，踝关节电机的定子连接盘固连在踝关节机壳内，踝关节减速器的输入轴与踝关节电机的转子相连，输出轴与第一链轮相连，踝关节减速器的外连接盘与踝关节框架固连，第一链轮与链条相啮合，大腿结构体一端与踝关节机壳固连，另一端与第二链轮心轴相连，第二链轮心轴的轴线为踝关节模块的副旋转轴；

所述踝关节机壳包含有圆锥齿轮结构，以与膝关节第一锥齿轮相连接形成锥齿轮副；踝关节机壳与大腿结构体均包含有轴承安装结构，以分别与膝关节第一轴承、膝关节第二轴承相连接，踝关节模块绕膝关节模块的副旋转轴转动以实现膝关节运动；

所述小腿模块包括第二链轮、小腿板、仿生足；其中小腿版一端与第二链轮固连，另一端与仿生足相连，第二链轮与第二链轮心轴相连并绕踝关节模块的副旋转轴转动，第一链轮、链条、第二链轮相互连接，共同构成链传动副；

踝关节电机产生的旋转动力经由踝关节减速器变速后传递给第一链轮，第一链轮带动链条运动，链条为踝关节模块的动力输出，链条为踝关节模块的动力输出接口。

优选的，所述踝关节模块的主旋转轴与副旋转轴相平行；所述膝关节第一锥齿轮的轴线与踝关节模块的主旋转轴相交并垂直。

优选的，所述髋关节驱动模块、髋关节模块、侧摆关节驱动模块、膝关节模块、踝关节模块、小腿模块相互结合，分别形成传动链A、传动链B、传动链C、传动链D；

传动链A依次包括髋关节减速器、髋关节第一锥齿轮、髋关节第二锥齿轮、髋关节框架、髋关节第二轴承、髋关节第三轴承；

传动链B依次包括侧摆关节减速器、侧摆关节第一锥齿轮、膝关节机壳、膝关节框架、膝关节第一轴承、膝关节第二轴承；

传动链C依次包括膝关节减速器、膝关节第一锥齿轮、踝关节机壳、大腿结构体、第二链轮心轴；

传动链D依次包括踝关节减速器、第一链轮、链条、第二链轮；

所述髋关节电机产生的旋转动力经由传动链A输出到膝关节模块上，驱动髋关节模块、膝关节模块、踝关节模块、小腿模块屈曲伸张，从而控制机器人腿结构进行髋关节运动；

所述侧摆关节电机产生的旋转动力经由传动链B输出到踝关节模块上，驱动膝关节模块、踝关节模块、小腿模块侧向摆动，从而实现机器人腿结构的侧摆关节运动；

所述膝关节电机产生的旋转动力经由传动链C输出到小腿模块上，驱动踝关节模块、小腿模块屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的膝关节运动；

所述踝关节电机产生的旋转动力经由传动链D输出到小腿模块上，驱动小腿模块屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的踝关节运动。

所述髋关节第二锥齿轮、髋关节基座、侧摆关节第一锥齿轮三者处于共轴线状态，髋关节第二锥齿轮与侧摆关节第一锥齿轮采用了嵌套布局，使传动链A与传动链B处于并联状态，以相对独立地传动扭矩，避免了常规串联布局中各关节驱动力矩相互耦合的问题，降低了控制难度；

传动链A中，髋关节第一锥齿轮与髋关节第二锥齿轮之间通过锥齿轮副相连接，传动链B中，侧摆关节第一锥齿轮与膝关节机壳之间通过锥齿轮副相连接，使髋关节驱动模块与侧摆关节驱动模块均直接安装于机器人机身结构上，从而使髋关节驱动模块与侧摆关节驱动模块的惯性力作用于机器人机身，相比于传统设计方案的串联式布局，机器人腿结构的质量及转动惯量更低，驱动模块的负载更小，使腿结构有更多的动能用于髋关节运动、侧摆关节运动，提升了机器人腿结构中髋关节、侧摆关节的带负载能力。

传动链C中膝关节第一锥齿轮、踝关节机壳通过锥齿轮副进行连接，使膝关节电机、膝关节减速器与髋关节模块的旋转轴相邻，从而降低了膝关节电机、膝关节减速器对机器人腿结构的惯性力影响；传动链D中第一链轮、链条、第二链轮通过链传动副进行连接，使踝关节电机、踝关节减速器与膝关节模块的旋转轴相邻，相比传统设计方案，踝关节电机、踝关节减速器的质心距离髋关节转动轴线更近，减少了踝关节与髋关节的距离，从而降低了踝关节电机、踝关节减速器对机器人腿结构的惯量，即，降低了踝关节带来的腿部惯性分量；传动链C与传动链D使膝关节模块、踝关节模块中的驱动模块布置于机器人腿结构的近身端，相比于传统设计方案的串联式布局，腿结构的转动惯量更低，驱动模块的负载更小，使腿结构有更多的动能用于膝关节运动、踝关节运动，提升了机器人腿结构中膝关节、踝关节的带负载能力。

本发明相较现有技术具有以下有益效果：

1、本发明提出的电机驱动型的三段式腿足结构方案，相较于传统的液压或电动推杆驱动方式，具有更大的关节摆角，以及更高的自由度，保证了运动的灵活性；且旋转关节内部带有闭式减速器，关节驱动力矩更大，腿结构的带负载能力更强。

2、髋关节、侧摆关节的传动链采用了并联的设计方案，髋关节第二锥齿轮和侧摆关节第一锥齿轮相嵌套，可同时分别传递髋关节驱动力和侧摆关节驱动力，通过使髋关节、侧摆关节中电机驱动装置的安装位置向上方布置并分别与机架直接固连，有效降低了腿结构中的运动质量及转动惯量，进而一方面提升了腿结构的运动动态，另一方面提升了腿结构的结构刚度以及带负载运行能力。

3、膝关节、踝关节的驱动模块通过传动链位置向上方布置，并使其分别位于髋关节、膝关节的主旋转轴附近，相较于常规的串联式腿足传动方案，本发明方案的膝关节及踝关节具有更低的转动惯量，结构刚度更大，负载能力更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的高负载三段式腿结构的总体结构示意图；

图2是本发明提供的高负载三段式腿结构中的髋关节驱动模块的结构示意图；

图3是本发明提供的高负载三段式腿结构中的髋关节模块的结构示意图；

图4是本发明提供的高负载三段式腿结构中的侧摆关节驱动模块的结构示意图；

图5是本发明提供的高负载三段式腿结构中的膝关节模块的结构示意图；

图6是本发明提供的高负载三段式腿结构中的踝关节模块的结构示意图；

图7是本发明提供的高负载三段式腿结构中的小腿模块的结构示意图；

图8是本发明提供的高负载三段式腿结构的机构传动简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

下面结合附图1-8对本发明的实施例作详细的描述。

如图1所示，一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：包括髋关节驱动模块1、髋关节模块2、侧摆关节驱动模块3、膝关节模块4、踝关节模块5、小腿模块6；其中，髋关节驱动模块1、侧摆关节驱动模块3、膝关节模块4、踝关节模块5内部含有动力装置及动力输出接口，以为各运动关节提供旋转动力；髋关节驱动模块1、髋关节模块2、侧摆关节驱动模块3均与机器人机身结构0相连接；膝关节模块4与髋关节模块2相连并绕髋关节模块2的输出端轴线转动；踝关节模块5与膝关节模块4相连并绕膝关节模块4的输出端轴线转动；小腿模块6与踝关节模块5相连并绕踝关节模块5的输出端轴线转动。所述髋关节驱动模块1的动力输出接口与髋关节模块2相连，输出的旋转动力经由髋关节模块2带动膝关节模块4、踝关节模块5、小腿模块6屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的髋关节运动；所述侧摆关节驱动模块3的动力输出接口与膝关节模块4相连，输出的旋转动力带动膝关节模块4、踝关节模块5、小腿模块6侧向摆动，从而实现机器人腿结构的侧摆关节运动；所述膝关节模块4的动力输出接口与踝关节模块5相连，输出的旋转动力带动踝关节模块5、小腿模块6屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的膝关节运动；所述踝关节模块5的动力输出接口与小腿模块6相连，输出的旋转动力带动小腿模块6屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的踝关节运动。

如图2所示，所述髋关节驱动模块1包括髋关节机壳11、髋关节电机12、髋关节减速器13、髋关节机壳端盖14、髋关节第一锥齿轮15；髋关节机壳11固连在机器人机身结构0上，为髋关节驱动模块1提供安装定位，髋关节电机12的定子连接盘固连在髋关节机壳11内，髋关节减速器13的输入轴与髋关节电机12的转子相连，外连接盘与髋关节机壳端盖14固连，输出轴与髋关节第一锥齿轮15相连，髋关节机壳端盖14与髋关节机壳11固连；髋关节电机12、髋关节减速器13均与髋关节第一锥齿轮15的主旋转轴相共轴。

如图3所示，所述髋关节模块2包括髋关节第二锥齿轮21、髋关节第一轴承22、髋关节基座23、髋关节第二轴承24、髋关节第三轴承25、髋关节框架26；其中髋关节第二锥齿轮21、髋关节第一轴承22、髋关节基座23分别与髋关节框架26的主旋转轴相共轴，且共轴轴线为髋关节模块2的主旋转轴；其中髋关节基座23与机器人机身结构0固连，为髋关节模块2提供安装定位，髋关节第二锥齿轮21与髋关节基座23通过髋关节第一轴承22相连，髋关节框架26一端与髋关节第二锥齿轮21固连，另一端分别与髋关节第二轴承24、髋关节第三轴承25相连；髋关节第二轴承24、髋关节第三轴承25分列于髋关节框架26的主旋转轴的两侧，并相共轴，其共轴轴线为髋关节模块2的副旋转轴；优选地，髋关节模块2的主旋转轴与副旋转轴相交并垂直；髋关节第一锥齿轮15与髋关节第二锥齿轮21相连接形成锥齿轮副，优选地，所述髋关节第一锥齿轮15的轴线与髋关节第二锥齿轮21的轴线相交并垂直；髋关节模块2绕其自身的主旋转轴转动以实现髋关节运动。

如图4所示，所述侧摆关节驱动模块3包括侧摆关节机壳31、侧摆关节电机32、侧摆关节减速器33、侧摆关节机壳端盖34、侧摆关节第一锥齿轮35；侧摆关节机壳31固连在机器人机身结构0上，为侧摆关节驱动模块3提供安装定位，侧摆关节电机32的定子连接盘固连在侧摆关节机壳31内，侧摆关节减速器33的输入轴与侧摆关节电机32的转子相连，外连接盘与侧摆关节机壳端盖34固连，输出轴与侧摆关节第一锥齿轮35相连，侧摆关节机壳端盖34与侧摆关节机壳31固连；侧摆关节电机32主旋转轴、侧摆关节减速器33主旋转轴、侧摆关节第一锥齿轮35主旋转轴相共轴。

如图5所示，所述膝关节模块4包括膝关节机壳41、膝关节电机42、膝关节减速器43、膝关节第一锥齿轮44、膝关节框架45、膝关节第一轴承46、膝关节第二轴承47；膝关节机壳41、膝关节电机42、膝关节减速器43、膝关节第一锥齿轮44分别与膝关节框架45的主旋转轴相共轴，且共轴轴线为膝关节模块4的主旋转轴，膝关节电机42的定子连接盘固连在膝关节机壳41内，膝关节减速器43的输入轴与膝关节电机42的转子相连，外连接盘与膝关节框架45固连，输出轴与膝关节第一锥齿轮44相连，膝关节框架45一端与膝关节机壳41固连，另一端与膝关节第一轴承46、膝关节第二轴承47相连，膝关节第一轴承46、膝关节第二轴承47分列于膝关节框架45的两侧，膝关节第一轴承46、膝关节第二轴承47相共轴，共轴轴线为膝关节模块4的副旋转轴；优选地，膝关节模块4的主旋转轴与副旋转轴相交并垂直；所述膝关节机壳41包含有圆锥齿轮结构，以用于与侧摆关节第一锥齿轮35相连接形成锥齿轮副，优选地，所述侧摆关节第一锥齿轮35的轴线与膝关节模块4的主旋转轴相交并垂直；膝关节机壳41与膝关节框架45配有轴承座，以分别与髋关节第二轴承24、髋关节第三轴承25相连接，膝关节模块4绕髋关节模块2的副旋转轴转动以实现侧摆关节运动。

如图6所示，所述踝关节模块5包括踝关节机壳51、踝关节电机52、踝关节减速器53、第一链轮54、大腿结构体55、第二链轮心轴56、链条57；其中踝关节机壳51、踝关节电机52、踝关节减速器53、第一链轮54分别与大腿结构体55的主旋转轴相共轴，共轴轴线为踝关节模块5的主旋转轴，踝关节电机52的定子连接盘固连在踝关节机壳51内，踝关节减速器53的输入轴与踝关节电机52的转子相连，外连接盘与踝关节框架55固连，输出轴与第一链轮54相连，第一链轮54与链条57相连，大腿结构体55一端与踝关节机壳51固连，另一端与第二链轮心轴56相连，第二链轮心轴56的轴线为踝关节模块5的副旋转轴；优选地，踝关节模块5的主旋转轴与副旋转轴相平行。所述踝关节机壳51包含有圆锥齿轮结构，以与膝关节第一锥齿轮44相连接形成锥齿轮副，优选地，所述膝关节第一锥齿轮44的轴线与踝关节模块5的主旋转轴相交并垂直；踝关节机壳51与大腿结构体55均包含有轴承安装结构，以分别与膝关节第一轴承46、膝关节第二轴承47相连接，踝关节模块5绕膝关节模块4的副旋转轴转动以实现膝关节运动。

如图7所示，所述小腿模块6包括第二链轮61、小腿板62、仿生足63；其中小腿版62一端与第二链轮61固连，另一端与仿生足63相连，第二链轮62与第二链轮心轴56相连并可绕踝关节模块5的副旋转轴转动，第一链轮54、链条57、第二链轮61相互连接，共同构成链传动副。

该腿结构中的减速器采用闭式减速器，驱动力矩较常规方案更大，髋关节驱动模块、侧摆关节驱动模块直接与机器人机身结构相连，膝关节模块、踝关节模块的安装位置分别上置于髋关节、膝关节的主旋转轴附近，有效降低了腿足结构的运动质量与转动惯量，从而提升了腿结构的动态运动能力，并使腿结构具有更高的带载荷能力。

如图8(a)所示，为本发明的整体传动简图。髋关节电机12产生的旋转动力经由髋关节减速器13变速后传递给髋关节第一锥齿轮15，作为髋关节驱动模块1的动力输出，髋关节第一锥齿轮15为髋关节驱动模块1的动力输出接口。侧摆关节电机32产生的旋转动力经由侧摆关节减速器33变速后传递给侧摆关节第一锥齿轮35，作为侧摆关节驱动模块3的动力输出，侧摆关节第一锥齿轮35为侧摆关节驱动模块3的动力输出接口。膝关节电机42产生的旋转动力经由膝关节减速器43变速后传递给膝关节第一锥齿轮44，作为膝关节模块4的动力输出，膝关节第一锥齿轮44为膝关节模块4的动力输出接口。踝关节电机52产生的旋转动力经由踝关节减速器53变速后传递给第一链轮54，第一链轮54带动链条57运动，链条57为踝关节模块5的动力输出，链条57为踝关节模块5的动力输出接口。髋关节驱动模块1、髋关节模块2、侧摆关节驱动模块3、膝关节模块4、踝关节模块5、小腿模块6相互结合，分别形成传动链A、传动链B、传动链C、传动链D；传动链A依次包括髋关节减速器13、髋关节第一锥齿轮15、髋关节第二锥齿轮21、髋关节框架26、髋关节第二轴承24、髋关节第三轴承25；传动链B依次包括侧摆关节减速器33、侧摆关节第一锥齿轮35、膝关节机壳41、膝关节框架45、膝关节第一轴承46、膝关节第二轴承47；传动链C依次包括膝关节减速器43、膝关节第一锥齿轮44、踝关节机壳51、大腿结构体54、第二链轮心轴56；传动链D依次包括踝关节减速器53、第一链轮54、链条57、第二链轮61；髋关节电机12产生的旋转动力经由传动链A输出到膝关节模块4上，驱动髋关节模块2、膝关节模块4、踝关节模块5、小腿模块6屈曲伸张，从而控制机器人腿结构进行髋关节运动；侧摆关节电机32产生的旋转动力经由传动链B输出到踝关节模块5上，驱动膝关节模块4、踝关节模块5、小腿模块6侧向摆动，从而实现机器人腿结构的侧摆关节运动；膝关节电机42产生的旋转动力经由传动链C输出到小腿模块上，驱动踝关节模块5、小腿模块6屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的膝关节运动；所述踝关节电机52产生的旋转动力经由传动链D输出到小腿模块上，驱动小腿模块6屈曲伸张，从而实现机器人腿结构的踝关节运动。

如图8(b)与图8(c)所示，分别为本发明传动链A和传动链B的示意图。髋关节第二锥齿轮21、髋关节基座23、侧摆关节第一锥齿轮35三者处于共轴线状态，髋关节第二锥齿轮21与侧摆关节第一锥齿轮35采用了嵌套布局，使传动链A与传动链B处于并联状态，以相对独立地传动扭矩，避免了常规串联布局中各关节驱动力矩相互耦合的问题，降低了控制难度；传动链A中，髋关节第一锥齿轮15与髋关节第二锥齿轮21之间通过锥齿轮副相连接，传动链B中，侧摆关节第一锥齿轮35与膝关节机壳41之间通过锥齿轮副相连接，使髋关节驱动模块1与侧摆关节驱动模块3均直接安装于机器人机身结构上，从而使髋关节驱动模块1与侧摆关节驱动模块3的惯性力作用于机器人机身，相比于传统设计方案的串联式布局，机器人腿结构的质量及转动惯量更低，驱动模块的负载更小，使腿结构有更多的动能用于髋关节运动、侧摆关节运动，提升了机器人腿结构中髋关节、侧摆关节的带负载能力。

如图8(d)与图8(e)所示，分别为本发明传动链C和传动链D的示意图。传动链C中膝关节第一锥齿轮44、踝关节机壳51通过锥齿轮副进行连接，使膝关节电机42、膝关节减速器43布置于髋关节模块2的旋转轴附近，从而降低了膝关节电机42、膝关节减速器43对机器人腿结构的惯性力影响；传动链D中第一链轮54、链条57、第二链轮61通过链传动副进行连接，使踝关节电机52、踝关节减速器53布置于膝关节模块4的旋转轴附近，从而降低了踝关节电机52、踝关节减速器53对机器人腿结构的惯量；传动链C与传动链D使膝关节模块4、踝关节模块5中的驱动模块布置于机器人腿结构的近身端，相比于传统设计方案的串联式布局，腿结构的转动惯量更低，驱动模块的负载更小，使腿结构有更多的动能用于膝关节运动、踝关节运动，提升了机器人腿结构中膝关节、踝关节的带负载能力。

以上对本发明所提供的适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：包括髋关节驱动模块(1)、髋关节模块(2)、侧摆关节驱动模块(3)、膝关节模块(4)、踝关节模块(5)、小腿模块(6)；

其中，髋关节驱动模块(1)、侧摆关节驱动模块(3)、膝关节模块(4)、踝关节模块(5)均设有动力装置及动力输出接口，以为各运动关节提供旋转动力；髋关节驱动模块(1)、髋关节模块(2)、侧摆关节驱动模块(3)均与机器人机身结构(0)相连接；

所述髋关节驱动模块(1)的动力输出接口与髋关节模块(2)相连，膝关节模块(4)与髋关节模块(2)相连并绕髋关节模块(2)的输出端轴线转动；髋关节模块(2)输出的旋转动力经由髋关节模块(2)带动膝关节模块(4)、踝关节模块(5)、小腿模块(6)屈曲伸张，实现机器人腿结构的髋关节运动；

所述侧摆关节驱动模块(3)的动力输出接口与膝关节模块(4)相连，输出的旋转动力带动膝关节模块(4)、踝关节模块(5)、小腿模块(6)侧向摆动，实现机器人腿结构的侧摆关节运动；

所述膝关节模块(4)的动力输出接口与踝关节模块(5)相连，踝关节模块(5)绕膝关节模块(4)的输出端轴线转动，膝关节模块(4)输出的旋转动力带动踝关节模块(5)、小腿模块(6)屈曲伸张，实现机器人腿结构的膝关节运动；

所述踝关节模块(5)的动力输出接口与小腿模块(6)相连，小腿模块(6)绕踝关节模块(5)的输出端轴线转动；踝关节模块(5)输出的旋转动力带动小腿模块(6)屈曲伸张，实现机器人腿结构的踝关节运动。

2.根据权利要求1所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：

所述髋关节驱动模块(1)包括髋关节机壳(11)、髋关节电机(12)、髋关节减速器(13)、髋关节机壳端盖(14)、髋关节第一锥齿轮(15)；髋关节机壳(11)固连在机器人机身结构(0)上，为髋关节驱动模块(1)提供安装定位，髋关节电机(12)的定子连接盘固连在髋关节机壳(11)内，髋关节减速器(13)的输入轴与髋关节电机(12)的转子相连，髋关节减速器(13)的输出轴与髋关节第一锥齿轮(15)相连，髋关节减速器(13)的外连接盘与髋关节机壳端盖(14)固连，髋关节机壳端盖(14)与髋关节机壳(11)固连；髋关节电机(12)、髋关节减速器(13)均与髋关节第一锥齿轮(15)的主旋转轴相共轴；

髋关节电机(12)产生的旋转动力经由髋关节减速器(13)变速后传递给髋关节第一锥齿轮(15)，作为髋关节驱动模块(1)的动力输出，髋关节第一锥齿轮(15)为髋关节驱动模块(1)的动力输出接口。

3.根据权利要求2所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：

所述髋关节模块(2)包括髋关节第二锥齿轮(21)、髋关节第一轴承(22)、髋关节基座(23)、髋关节第二轴承(24)、髋关节第三轴承(25)、髋关节框架(26)；其中髋关节第二锥齿轮(21)、髋关节第一轴承(22)、髋关节基座(23)均与髋关节框架(26)的主旋转轴相共轴，且轴线为髋关节模块(2)的主旋转轴；其中髋关节基座(23)与机器人机身结构(0)固连，为髋关节模块(2)提供安装定位，髋关节第二锥齿轮(21)与髋关节基座(23)通过髋关节第一轴承(22)相连，髋关节框架(26)一端与髋关节第二锥齿轮(21)固连，另一端与髋关节第二轴承(24)、髋关节第三轴承(25)相连，髋关节第二轴承(24)、髋关节第三轴承(25)分列于髋关节框架(26)的主旋转轴的两侧，髋关节第二轴承(24)、髋关节第三轴承(25)相共轴，其共轴轴线为髋关节模块(2)的副旋转轴；

所述髋关节第一锥齿轮(15)与髋关节第二锥齿轮(21)相连接形成锥齿轮副，髋关节模块(2)绕其自身的主旋转轴转动以实现髋关节运动。

4.根据权利要求3所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：所述髋关节模块(2)的主旋转轴与副旋转轴相交并垂直；所述髋关节第一锥齿轮(15)的轴线与髋关节第二锥齿轮(21)的轴线相交并垂直。

5.根据权利要求3所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：

所述侧摆关节驱动模块(3)包括侧摆关节机壳(31)、侧摆关节电机(32)、侧摆关节减速器(33)、侧摆关节机壳端盖(34)、侧摆关节第一锥齿轮(35)；侧摆关节机壳(31)固连在机器人机身结构(0)上，为侧摆关节驱动模块(3)提供安装定位，侧摆关节电机(32)的定子连接盘固连在侧摆关节机壳(31)内，侧摆关节减速器(33)的输入轴与侧摆关节电机(32)的转子相连，输出轴与侧摆关节第一锥齿轮(35)相连，侧摆关节减速器(33)的外连接盘与侧摆关节机壳端盖(34)固连，侧摆关节机壳端盖(34)与侧摆关节机壳(31)固连；侧摆关节电机(32)旋转轴、侧摆关节减速器(33)旋转轴、侧摆关节第一锥齿轮(35)主旋转轴相共轴；

侧摆关节电机(32)产生的旋转动力经由侧摆关节减速器(33)变速后传递给侧摆关节第一锥齿轮(35)，作为侧摆关节驱动模块(3)的动力输出，侧摆关节第一锥齿轮(35)为侧摆关节驱动模块(3)的动力输出接口。

6.根据权利要求5所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：

所述膝关节模块(4)包括膝关节机壳(41)、膝关节电机(42)、膝关节减速器(43)、膝关节第一锥齿轮(44)、膝关节框架(45)、膝关节第一轴承(46)、膝关节第二轴承(47)；膝关节机壳(41)、膝关节电机(42)、膝关节减速器(43)、膝关节第一锥齿轮(44)均与膝关节框架(45)相共轴，且共轴轴线为膝关节模块(4)的主旋转轴，膝关节电机(42)的定子连接盘固连在膝关节机壳(41)内，膝关节减速器(43)的输入轴与膝关节电机(42)的转子相连，输出轴与膝关节第一锥齿轮(44)相连，膝关节框架(45)一端依次与膝关节减速器(43)的外连接盘、膝关节机壳(41)固连，另一端与膝关节第一轴承(46)、膝关节第二轴承(47)相连，膝关节第一轴承(46)、膝关节第二轴承(47)分列于膝关节框架(45)的两侧，膝关节第一轴承(46)、膝关节第二轴承(47)相共轴，其共轴轴线为膝关节模块(4)的副旋转轴；

所述膝关节机壳(41)包含有圆锥齿轮结构，以用于与侧摆关节第一锥齿轮(35)相连接形成锥齿轮副，膝关节机壳(41)与膝关节框架(45)配有轴承座，以分别与髋关节第二轴承(24)、髋关节第三轴承(25)相连接，膝关节模块(4)绕髋关节模块(2)的副旋转轴转动以实现侧摆关节运动；

膝关节电机(42)产生的旋转动力经由膝关节减速器(43)变速后传递给膝关节第一锥齿轮(44)，作为膝关节模块(4)的动力输出，膝关节第一锥齿轮(44)为膝关节模块(4)的动力输出接口。

7.根据权利要求6所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：所述膝关节模块(4)的主旋转轴与副旋转轴相交并垂直；所述侧摆关节第一锥齿轮(35)的轴线与膝关节模块(4)的主旋转轴相交并垂直。

8.根据权利要求6所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：

所述踝关节模块(5)包括踝关节机壳(51)、踝关节电机(52)、踝关节减速器(53)、第一链轮(54)、大腿结构体(55)、第二链轮心轴(56)、链条(57)；其中踝关节机壳(51)、踝关节电机(52)、踝关节减速器(53)、第一链轮(54)分别与大腿结构体(55)相共轴，共轴轴线为踝关节模块(5)的主旋转轴，踝关节电机(52)的定子连接盘固连在踝关节机壳(51)内，踝关节减速器(53)的输入轴与踝关节电机(52)的转子相连，输出轴与第一链轮(54)相连，踝关节减速器(53)的外连接盘与踝关节框架(55)固连，第一链轮(54)与链条(57)相啮合，大腿结构体(55)一端与踝关节机壳(51)固连，另一端与第二链轮心轴(56)相连，第二链轮心轴(56)的轴线为踝关节模块(5)的副旋转轴；

所述踝关节机壳(51)包含有圆锥齿轮结构，以与膝关节第一锥齿轮(44)相连接形成锥齿轮副；踝关节机壳(51)与大腿结构体(55)均包含有轴承安装结构，以分别与膝关节第一轴承(46)、膝关节第二轴承(47)相连接，踝关节模块(5)绕膝关节模块(4)的副旋转轴转动以实现膝关节运动；

所述小腿模块(6)包括第二链轮(61)、小腿板(62)、仿生足(63)；其中小腿版(62)一端与第二链轮(61)固连，另一端与仿生足(63)相连，第二链轮(62)与第二链轮心轴(56)相连并绕踝关节模块(5)的副旋转轴转动，第一链轮(54)、链条(57)、第二链轮(61)相互连接，共同构成链传动副；

踝关节电机(52)产生的旋转动力经由踝关节减速器(53)变速后传递给第一链轮(54)，第一链轮(54)带动链条(57)运动，链条(57)为踝关节模块(5)的动力输出，链条(57)为踝关节模块(5)的动力输出接口。

9.根据权利要求8所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：所述踝关节模块(5)的主旋转轴与副旋转轴相平行；所述膝关节第一锥齿轮(44)的轴线与踝关节模块(5)的主旋转轴相交并垂直。

10.根据权利要求8所述的一种适用于电动足式机器人的高负载三段式腿结构，其特征在于：

所述髋关节驱动模块(1)、髋关节模块(2)、侧摆关节驱动模块(3)、膝关节模块(4)、踝关节模块(5)、小腿模块(6)相互结合，分别形成传动链A、传动链B、传动链C、传动链D；

传动链A依次包括髋关节减速器(13)、髋关节第一锥齿轮(15)、髋关节第二锥齿轮(21)、髋关节框架(26)、髋关节第二轴承(24)、髋关节第三轴承(25)，髋关节第一锥齿轮(15)与髋关节第二锥齿轮(21)之间通过锥齿轮副相连接；

传动链B依次包括侧摆关节减速器(33)、侧摆关节第一锥齿轮(35)、膝关节机壳(41)、膝关节框架(45)、膝关节第一轴承(46)、膝关节第二轴承(47)，传动链B中，侧摆关节第一锥齿轮(35)与膝关节机壳(41)之间通过锥齿轮副相连接；

传动链C依次包括膝关节减速器(43)、膝关节第一锥齿轮(44)、踝关节机壳(51)、大腿结构体(54)、第二链轮心轴(56)，膝关节第一锥齿轮(44)、踝关节机壳(51)通过锥齿轮副进行连接，使膝关节电机(42)、膝关节减速器(43)与髋关节模块(2)的旋转轴相邻；

传动链D依次包括踝关节减速器(53)、第一链轮(54)、链条(57)、第二链轮(61)，第一链轮(54)、链条(57)、第二链轮(61)通过链传动副进行连接，使踝关节电机(52)、踝关节减速器(53)与膝关节模块(4)的旋转轴相邻；

所述髋关节电机(12)产生的旋转动力经由传动链A输出到膝关节模块(4)上，驱动髋关节模块(2)、膝关节模块(4)、踝关节模块(5)、小腿模块(6)屈曲伸张；

所述侧摆关节电机(32)产生的旋转动力经由传动链B输出到踝关节模块(5)上，驱动膝关节模块(4)、踝关节模块(5)、小腿模块(6)侧向摆动；髋关节第二锥齿轮(21)、髋关节基座(23)、侧摆关节第一锥齿轮(35)三者处于共轴线状态，髋关节第二锥齿轮(21)与侧摆关节第一锥齿轮(35)采用了嵌套布局，使传动链A与传动链B相对独立地传动扭矩；

所述膝关节电机(42)产生的旋转动力经由传动链C输出到小腿模块(6)上，驱动踝关节模块(5)、小腿模块(6)屈曲伸张；

所述踝关节电机(52)产生的旋转动力经由传动链D输出到小腿模块(6)上，驱动小腿模块(6)屈曲伸张；

髋关节第二锥齿轮(21)、髋关节基座(23)、侧摆关节第一锥齿轮(35)三者处于共轴线状态；髋关节第二锥齿轮(21)与侧摆关节第一锥齿轮(35)采用嵌套布局，使传动链A与传动链B处于并联状态，以相对独立地传动扭矩。

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