CN111071365A - 一种高能效步行的双足机器人腿足结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高能效步行的双足机器人腿足结构，其包括驱动单元、膝关节、可伸缩的小腿、可伸缩的连杆单元、足，驱动单元安装在膝关节内部，驱动单元、可伸缩的小腿、足、可伸缩的连杆单元、驱动单元收尾连接组成四连杆机构。本发明通过四边形连杆机构驱动足与踝关节的运动，能有效优化双足机器人腿足结构的质量分布，降低双足机器人腿足结构的转动惯量，减少驱动腿足运动所需的能量，提高双足机器人的步行能效。此外，小腿部分及连杆部分均加入了减震缓冲装置，能有效吸收及利用双足机器人步行过程足与地面之间的冲击能量，从而进一步提高双足机器人的步行能效。

Description

一种高能效步行的双足机器人腿足结构
技术领域
本发明涉及一种双足机器人腿足结构，尤其是涉及一种高能效步行的双足机器人腿足结构。
背景技术
双足机器人由于类人的外观特征，可以协助或代替人类完成各种作业，具有广泛的应用前景。国内外学者针对双足机器人开展了相关研究，并推出了系列双足机器人，如美国波士顿动力公司的Atlas机器人、日本本田公司的Asimo机器人，我国优必选公司的Walker机器人等。
然而，双足机器人目前仍主要处于研究阶段，离实际应用尚有一定距离，其中一个重要原因便是双足机器人的步行能效低，功耗大，续航能力弱。如何提高其步行能效，改善其续航能力，直接关系到双足机器人是否具有真正的实用性，是双足机器人的重要研究方向。
腿足结构是双足机器人的关键结构，是影响双足机器人步行能效的核心因素之一。目前，驱动双足机器人的腿足关节运动的方式，主要是在关节处安装电机，通过电机直接驱动腿足关节运动。然而，这种在关节处安装电机直接驱动的方式，电机的重量会大大增大腿足结构的转动惯量，使得驱动腿足运动时需较大能量，从而降低了双足机器人的步行能效。尤其是在踝关节处安装驱动电机，由于踝关节与髋部的距离较大，踝关节质量的增加对腿足转动惯量的影响尤为明显，因此对双足机器人步行能效的影响也尤为明显。
此外，双足机器人在行走过程中，足与地面之间有较大的冲击力，一方面会直接对驱动电机造成冲击，使得驱动电机需增加额外的防护措施，增加了重量；另一方面，足与地面之间的冲击力会造成较大的能量耗散，从而进一步影响双足机器人的步行能效。
发明内容
针对目前双足机器人腿足结构的不足之处，本发明的目的在于提供一种高能效步行的双足机器人腿足结构，一方面优化双足机器人腿足结构的质量分布，降低双足机器人腿足结构的转动惯量，减少驱动腿足运动时所需的能量；另一方面加入减震缓冲装置，有效吸收及利用双足机器人步行过程中足与地面之间的冲击能量，进一步提高双足机器人的步行能效。
本发明采用的技术方案是：
一种高能效步行的双足机器人腿足结构，该腿足结构包括驱动单元、膝关节、可伸缩的小腿、可伸缩的连杆单元、足，所述的驱动单元安装在所述的膝关节内部，所述的驱动单元、可伸缩的小腿、足、可伸缩的连杆单元、驱动单元首尾连接组成四连杆机构。
进一步地，所述的可伸缩的小腿包括小腿上段、小腿活塞缸、小腿活塞杆、小腿下段、脚踝，所述的小腿上段上端与所述的膝关节固定连接，下端与所述的小腿活塞缸固定连接，小腿活塞杆装在小腿活塞缸内，所述的小腿活塞杆的另一端、小腿下段、脚踝依次固定连接，所述的脚踝还与所述的足可转动连接。
进一步地，所述的可伸缩的连杆单元包括连杆下段、连杆活塞杆、连杆活塞缸、连杆上段，所述的连杆下段与所述的足可转动连接，连杆活塞杆一端与连杆下段固定连接，连杆活塞杆另一端伸入所述的连杆活塞缸中，所述的连杆活塞缸与所述的连杆上段固定连接，所述的连杆上段与所述的驱动单元可转动连接。
进一步地，所述的可伸缩的小腿还包括小腿弹簧，所述的小腿弹簧固定在所述的小腿活塞杆伸入所述的小腿活塞缸内的一端。
进一步地，所述的可伸缩的连杆单元还包括连杆弹簧，所述的连杆弹簧固定在所述的连杆活塞杆伸入所述的连杆活塞缸的一端。
进一步地，所述的驱动单元包括驱动块和驱动电机，所述的驱动电机的输出轴与所述的驱动块连接，带动所述的驱动块转动，所述的驱动块与所述的连杆上段可转动连接，所述的驱动电机固定在所述的膝关节内。
进一步地，所述的驱动块与所述的连杆上段的可转动连接具体为通过柱销一、球铰一、螺母一连接，所述的柱销一一端与所述的驱动块固定连接，所述的球铰一安装在所述的柱销一的中部，所述的连杆上段套设在所述的球铰一上，且通过连接在所述的柱销一的另一端的螺母一进行限位。
进一步地，连杆下段与足可转动连接的具体结构与所述的驱动块和所述的连杆上段的连接结构相同。
进一步地，小腿上段、小腿活塞杆和小腿下段采用中空圆管，小腿上段和小腿下段材料为碳纤维；小腿活塞杆材料为铝合金。
进一步地，连杆下段、连杆活塞杆和连杆上段采用实心圆管，材料为铝合金。
本发明的有益效果如下：
(1)通过四边形连杆结构，将驱动踝关节运动的驱动电机布置在膝关节处，优化双足机器人腿足结构的质量分布，有效降低双足机器人腿足结构的转动惯量，减少驱动腿足运动时所需的能量，提高双足机器人的步行能效。
(2)在小腿部分、连杆部分加入了减震缓冲装置，一方面可以吸收足与地面接触过程的冲击，另一方面可以在足与地面接触、分离过程对冲击能量进行储存、释放，实现双足机器人在行走过程足与地面之间冲击能量的高效利用，进一步提高步行能效。
附图说明
图1是本发明双足机器人腿足结构的结构示意图。
图2是本发明双足机器人腿足结构的驱动块局部视图。
图3是本发明双足机器人腿足结构的足局部视图；
图4为本发明双足机器人电机、驱动块连接部分示意图。
图中：1.驱动电机，2.膝关节，3.小腿上段，4.小腿弹簧，5.小腿活塞缸，6.小腿活塞杆，7.小腿下段，8.脚踝，9.枢轴，10.足，11.球铰二，12.连杆下段，13.连杆活塞杆，14.连杆活塞缸，15.连杆弹簧，16.连杆上段，17.球铰一，18.驱动块，19.柱销一，20.螺母一，21.柱销二，22.螺母二，23.螺栓一、24.螺栓二，1-1.电机基体、1-2.输出轴。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明具体实施包括驱动电机1、膝关节2、小腿上段3、小腿弹簧4、小腿活塞缸5、小腿活塞杆6、小腿下段7、脚踝8、枢轴9、足10、球铰二11、连杆下段12、连杆活塞杆13、连杆活塞缸14、连杆弹簧15、连杆上段16、球铰一17、驱动块18、柱销一19、螺母一20、柱销二21、螺母二22，螺栓一23和螺栓二24。驱动电机1安装在膝关节2内，小腿上段3与膝关节2和小腿活塞缸5连接，小腿弹簧4和小腿活塞杆6装在小腿活塞缸5内，小腿下段7与小腿活塞缸5和脚踝8连接，脚踝8通过枢轴9与足10连接。连杆下段12通过足部球铰11与连杆活塞杆13连接，连杆活塞杆13和连杆弹簧15装在连杆活塞缸14内，连杆上段16通过驱动块球铰17与连杆活塞缸14连接，驱动块18与驱动块球铰17连接，驱动块18安装在膝关节2内。
如图4所示，驱动电机1包括电机基体1-1及输出轴1-2两部分，电机基体1-1上有螺纹孔，膝关节2上对应加工有螺纹孔，通过螺栓一23，将驱动电机1安装固定在膝关节内。驱动电机1的输出轴1-2上也有螺纹孔，驱动块18上也对应加工有螺纹孔，通过螺栓二24，将驱动块18与驱动电机1的输出轴1-2连接，驱动电机1输出轴1-2可以带动驱动块18的转动如图2所示，柱销一19的一端安装在驱动块18内，柱销一19中间装有球铰一17，柱销一19的另一端与螺母一20连接，螺母一20用于限制球铰一17的位置，驱动块18与连杆上段16可以绕着球铰一17的中心转动。
如图2所示，柱销一19的一端安装在驱动块18内，柱销一19中间装有球铰一17，柱销一19的另一端与螺母一20连接，螺母一20用于限制球铰一17的位置，驱动块18与连杆上段16可以绕着球铰一17的中心转动。
如图3所示，柱销二21的一端安装在足10内，柱销二21中间装有球铰二11，柱销二21的另一端与螺母二22连接，螺母二22用于限制球铰二11的位置，足10与连杆下段12可以绕着球铰二11的中心转动。
如图1所示，小腿上段3、小腿活塞杆6和小腿下段7采用中空圆管，小腿上段3和小腿下段7材料为碳纤维；小腿活塞杆6材料为铝合金。
如图1所示，连杆下段12、连杆活塞杆13和连杆上段16采用实心圆管，材料为铝合金。
本发明的具体实施工作过程如下：
在双足机器人的腿足结构中，驱动电机的质量占总体质量比重较大，驱动电机的布置位置直接影响腿足结构的转动惯量，从而影响腿足结构的步行能效。其中，由于踝关节与髋部的距离较大，如果将驱动踝关节的驱动电机布置在踝关节，会明显增大腿足结构的转动惯量，降低双足机器人的步行能效。此外，由于驱动电机质量较大，如果在踝关节处布置驱动电机，为满足强度要求，需增大腿足结构的整体尺寸，从而导致步行能效的进一步下降。
如图1所示，本发明将驱动踝关节的驱动电机1布置在膝关节处。由小腿上段3、小腿弹簧4、小腿活塞缸5、小腿活塞杆6、小腿下段7和脚踝8组成了小腿部分；由连杆下段12、连杆活塞杆13、连杆活塞缸14、连杆弹簧15和连杆上段16组成了连杆部分。驱动块18、小腿部分、连杆部分以及足10形成了四边形连杆机构，其中驱动块18与连杆部分采用球铰一17连接，足与连杆部分采用球铰二11连接，足与小腿部分形成踝关节，采用枢轴9连接。
驱动电机1输出轴带动驱动块18转动，进而带动连杆部分的转动，通过连杆部分的转动进一步带动足10的转动从而实现踝关节的驱动。通过对驱动块18、小腿部分、连杆部分以及足10的长度的合理配置，可以有效获取驱动电机1的输出轴的转动角度与足10转动角度的关系，进而可以实现在膝关节处布置电机来驱动踝关节的目的。
本发明将驱动踝关节的驱动电机1布置在膝关节处，减小了质量较大的驱动电机与髋部的距离，降低了腿足结构运动时的转动惯量。此外，由于将质量较大的驱动电机1上移至膝关节，因此小腿部分、连杆部分可采用碳纤维、铝合金等质量轻、强度高的材料，并且在保证强度的前提下小腿部分采用中空结构，大大减轻了小腿部分、连杆部分的质量，进一步降低了腿足结构的转动惯量。通过上述设计，可以降低腿足的运动时所需的能量，提高了腿足结构的步行能效。
本发明在小腿部分加入了由小腿弹簧4、小腿活塞缸5、小腿活塞杆6组成的减震缓冲装置，在连杆部分加入了由连杆活塞杆13、连杆活塞缸14、连杆弹簧15组成的减震缓冲装置。该减震缓冲装置一方面可以吸收足与地面接触过程的冲击，降低对驱动电机1的冲击，因此在相同驱动力的情况下，可以选择更加轻巧的驱动电机；另一方面，可以在足与地面接触过程通过压缩弹簧储存冲击能量，在足离开地面过程通过恢复弹簧长度将冲击能量释放，实现双足机器人在行走过程足与地面之间冲击能量的高效利用，进一步提高步行能效。
另外，这里的小腿弹簧4和连杆弹簧15也可以不设置，仅通过活塞杆密闭的活塞缸中压缩空气也可以实现减震缓冲作用。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，该腿足结构包括驱动单元、膝关节(2)、可伸缩的小腿、可伸缩的连杆单元、足(10)，所述的驱动单元安装在所述的膝关节(2)内部，所述的驱动单元、可伸缩的小腿、足(10)、可伸缩的连杆单元、驱动单元首尾连接组成四连杆机构。
2.根据权利要求1所述的高能效步行的双足机器人腿足，其特征在于，所述的可伸缩的小腿包括小腿上段(3)、小腿活塞缸(5)、小腿活塞杆(6)、小腿下段(7)、脚踝(8)，所述的小腿上段(3)上端与所述的膝关节(2)固定连接，下端与所述的小腿活塞缸(5)固定连接，小腿活塞杆(6)装在小腿活塞缸(5)内，所述的小腿活塞杆(6)的另一端、小腿下段(7)、脚踝(8)依次固定连接，所述的脚踝(8)还与所述的足(10)可转动连接。
3.根据权利要求1所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，所述的可伸缩的连杆单元包括连杆下段(12)、连杆活塞杆(13)、连杆活塞缸(14)、连杆上段(16)，所述的连杆下段(12)与所述的足(10)可转动连接，连杆活塞杆(13)一端与连杆下段(12)固定连接，连杆活塞杆(13)另一端伸入所述的连杆活塞缸(14)中，所述的连杆活塞缸(14)与所述的连杆上段(16)固定连接，所述的连杆上段(16)与所述的驱动单元可转动连接。
4.根据权利要求2所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，所述的可伸缩的小腿还包括小腿弹簧(4)，所述的小腿弹簧(4)固定在所述的小腿活塞杆(6)伸入所述的小腿活塞缸(5)内的一端。
5.根据权利要求3所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，所述的可伸缩的连杆单元还包括连杆弹簧(15)，所述的连杆弹簧(15)固定在所述的连杆活塞杆(13)伸入所述的连杆活塞缸(14)的一端。
6.根据权利要求3所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，所述的驱动单元包括驱动块(18)和驱动电机(1)，所述的驱动电机(1)的输出轴与所述的驱动块(18)连接，带动所述的驱动块(18)转动，所述的驱动块(18)与所述的连杆上段(16)可转动连接，所述的驱动电机(1)固定在所述的膝关节(2)内。
7.根据权利要求6所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，所述的驱动块(18)与所述的连杆上段(16)的可转动连接具体为通过柱销一(19)、球铰一(17)、螺母一(20)连接，所述的柱销一(19)一端与所述的驱动块(18)固定连接，所述的球铰一(17)安装在所述的柱销一(19)的中部，所述的连杆上段(16)套设在所述的球铰一(17)上，且通过连接在所述的柱销一(19)的另一端的螺母一(20)进行限位。
8.根据权利要求7所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，连杆下段(12)与足(10)可转动连接的具体结构与所述的驱动块(18)和所述的连杆上段(16)的连接结构相同。
9.根据权利要求2所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，小腿上段(3)、小腿活塞杆(6)和小腿下段(7)采用中空圆管，小腿上段(3)和小腿下段(7)材料为碳纤维；小腿活塞杆(6)材料为铝合金。
10.根据权利要求3所述的高能效步行的双足机器人腿足结构，其特征在于，连杆下段(12)、连杆活塞杆(13)和连杆上段(16)采用实心圆管，材料为铝合金。
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