CN112758209B - 一种基于七连杆的机器人腿部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人七连杆腿部结构，包括机架，机架的两端分别安装一个髋/膝关节电机，该髋/膝关节电机的输出轴固连髋关节连接器；所述髋关节连接器的连接部固定连接大腿连杆；每个大腿连杆通过膝关节自由绞连接小腿连杆；两个小腿连杆中，第一小腿连杆、第一副腿连杆与摩擦足共同铰接于一点，第二小腿连杆与第二副腿连杆共同铰接于一点且铰接处安装滑动轮；第一副腿连杆与第二副腿连杆相互铰接；第一副腿连杆与第一小腿连杆之间、第二副腿连杆与通过弹簧第二小腿连杆之间均连接有连接弹簧；副腿连杆、小腿连杆和连接弹簧三者形成三角关系。本发明能够减小足端惯量，从而提升机器人单腿负重能力以及足部控制度。

Description

一种基于七连杆的机器人腿部结构

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种基于七连杆的机器人腿部结构。

背景技术

双足机器人是一种仿生类型的机器人，能够实现机器人的双足行走和相关动作。在未来的生产生活中，类人型双足行走机器人可以帮助人类解决很多问题比如驮物、抢险等一系列危险或繁重的工作。

双足竞步机器人的腿部结构类似于人类的双足，可以实现像人类一样的行走。如何既保持平衡又不牺牲速度是双足机器人的发展障碍之一。如今，最先进的双足机器人能够以相对较高的速度行走和跑步。然而，在复杂环境中，像人类一样抗干扰地行走和跑步的能力，对于双足机器人来说依旧“欠缺”。

现有机器人串联结构和四连杆结构具有负重低，强度弱，能量损耗大，腿部惯量大等不足，亟需进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于七连杆的机器人腿部结构，能够减小足端惯量，从而提升机器人单腿负重能力以及足部控制度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种机器人七连杆腿部结构，包括机架，所述机架的两端分别安装一个髋/膝关节电机，该髋/膝关节电机的输出轴固连髋关节连接器；所述髋关节连接器的连接部固定连接大腿连杆；每个大腿连杆通过膝关节自由绞连接小腿连杆；两个小腿连杆中，第一小腿连杆、第一副腿连杆与摩擦足共同铰接于一点，第二小腿连杆与第二副腿连杆共同铰接于一点且铰接处安装滑动轮；第一副腿连杆与第二副腿连杆相互铰接；第一副腿连杆与第一小腿连杆之间、第二副腿连杆与通过弹簧第二小腿连杆之间均连接有连接弹簧；副腿连杆、小腿连杆和连接弹簧三者形成三角关系。

优选地，所述大腿连杆为双连杆结构，双杆相互平行。

优选地，两个小腿连杆具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。

优选地，所述小腿连杆为两段结构；其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段***弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器。

优选地，所述髋/膝关节电机均采用如下电机单元：

电机单元包括制动器、制动器编码器连接器、编码器、电机转子轴、电机和谐波减速器；

制动器编码器连接器连接制动器的固定端和编码器的磁头，实现制动器和编码器的固定；电机转子轴的一端固接编码器的磁环和制动器的转动端，另一端固接电机的转子；电机转子的另一侧固连谐波减速器的输入端；谐波减速器的输出端为整个电机单元的输出。

优选地，所述电机单元中的电机采用无框力矩电机。

优选地，所述谐波减速器的外壳与电机的外壳固接。

优选地，所述电机的外壳提供空间容纳制动器和编码器；该电机单元进一步包括电机后盖，电机后盖与电机的外壳固连。

优选地，所述机架提供两个电机安装位，髋关节连接器设置在该电机安装位中；电机单元的输出端依次固连所述髋关节连接器和髋关节编码器；髋关节轴承为一深沟球轴承，内侧固接于机架，外侧固接于髋关节连接器。

优选地，所述大腿杆件和小腿连杆均分为两端的端部和中间的杆状连接部，端部采用铝合金材料，杆状连接部采用碳纤维材料；所述机器人足部采用铝合金制造，机器人足部与地面接触位置连接一层乳胶。

有益效果：

(1)本发明将七连杆机构作为双足机器人的主体结构。髋/膝关节电机担负了髋部和膝部的控制任务，在副腿和小腿之间分别添加一高刚度的弹簧用于吸收足端冲击，使得在无外力作用的情况下，七连杆机构“退化”为五连杆机构，从而将处于髋关节的电机力矩转化为七连杆平面内任意方向的足端力矩，那么通过调整髋/膝关节电机的角度就可以控制足端位置，而不需要在膝关节设置额外的电机，相当于将膝关节电机上移到髋关节。电机的上移有效减小了腿部惯量，提高了机器人单腿的负重能力，为实现机器人高速重载提供了硬件基础。本发明所提出的“足+轮”的足端设计模仿了人类在行走过程中的足部收缩和舒张的过程，同时“足+轮”的足端设计相较于传统足端设计可以吸收更多的来自于足端的冲击。

(2)本发明膝关节下方的缓冲器设计，以分散足部受力，使得来自任意方向的高负载冲击可以被缓冲器所吸收。在机器人“落腿”阶段，压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，提高能量利用率。

(3)腿部惯量和关节冲击的减小可以提升足部控制度，使得在极端工况和复杂工况下机器人腿部结构也运行在工作良好的位置和姿态下，也可以说机器人在复杂工况和极端工况下具有良好鲁棒性。

(4)本发明实施例提供的方案，无需采用专用的机器人关节电机，只需要采用无框力矩电机即可实现对步伐的大小、快慢、幅度的控制。无框力矩电机可以采用国产无框电机，大大降低了机器人成本。

(5)本发明对电机单元进行了重新设计，最大限度地利用了电机的轴向空间，使得机器人的空间占用率大大提升。而且电机单元的集成和布局均为自主设计，进一步降低了成本。

(6)本发明采用铝合金和碳纤维来制作机器人的腿部结构件，其中碳纤维杆用于搭建机器人大腿和小腿的骨架，类似于人类的骨骼，铝合金用于构造机器人的关节，两者结合从而来支撑机器人。用铝合金和乳胶来制作机器人的脚板，模拟人类的脚掌，从而来支持机器人的行走与稳定。

附图说明

图1为本发明七连杆腿部结构示意图；

图2为小腿结构及缓冲器结构图；

图3为小腿结构及缓冲器剖面结构图；

图4为电机单元等轴测图；

图5为电机单元展开的侧视图；

图6为机架和髋/膝关节电机的等轴测图；

图7为机架和髋/膝关节电机的俯视图；

图8为机架和髋/膝关节电机安装后的俯视图；

其中，1-机架，2,3-髋/膝关节电机，4-第一大腿连杆，5-第一小腿连杆，6-第一副腿连杆，7-第二副腿连杆，8-第二小腿连杆，9-第二大腿连杆，10-摩擦足，11-滑动轮，12-缓冲器，13-电机后盖，14-制动器，15-制动器编码器连接器，16-编码器，17-电机转子轴，18-电机，19-谐波减速器，20-髋关节编码器，21-髋关节连接器，21a-连接部，21b-转动环部，22-髋关节轴承，23-连接弹簧。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种机器人七连杆腿部结构，参见图1，主要包括机架1、大腿连杆(第一大腿连杆4和第二大腿连杆9)、小腿连杆(第一小腿连杆5和第二小腿连杆8)、副腿连杆(第一副腿连杆6和第二副腿连杆7)、摩擦足10和滑动轮11。机架1的两端分别安装一个髋/膝关节电机2,3，该髋/膝关节电机2,3的输出轴固连髋关节连接器21。参见图6，本实施例中，髋关节连接器21嵌入机架1所提供的槽中，髋关节连接器21具有相互连接的转动环部21b和连接部21a。转动环部21b固定于髋/膝关节电机2,3的输出轴上，在髋/膝关节电机2,3的带动下转动。连接部21a连接大腿连杆。髋关节连接器21的连接令大腿连杆能够绕髋/膝关节电机2,3的输出轴转动。优选地，大腿连杆为双连杆结构，双杆相互平行。

第一大腿连杆4通过膝关节自由绞连接第一小腿连杆5；第二大腿连杆9通过膝关节自由绞连接第二小腿连杆8。第一小腿连杆5、第一副腿连杆6与摩擦足10共同铰接于一点，第二小腿连杆8与第二副腿连杆7共同铰接于一点且铰接处安装滑动轮11。第一副腿连杆6与第二副腿连杆7未连接摩擦足/滑动轮的一端相互铰接。第一副腿连杆6与第一小腿连杆5之间、第二副腿连杆7与通过弹簧第二小腿连杆8之间均连接有连接弹簧23，用于提供副腿与小腿之间的回复力。副腿连杆、小腿连杆和连接弹簧三者形成三角关系。

为贴合三质点弹簧振子控制模型，在机器人膝关节下方设置缓冲器吸收足端冲击，提高能量利用率。参见图2和图3，小腿连杆具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。这种膝关节下方的缓冲设计，在机器人“落腿”阶段，压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，提高能量利用率。本实施例中，所述小腿连杆为两段结构，其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段***弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器12。缓冲器12可以是弹簧。

本发明进一步提供了一种适用于本机构的电机单元，可以用作髋/膝关节电机2,3。

参见图4-图5，该电机单元从左到右结构依次为电机后盖13、制动器14、制动器编码器连接器15、编码器16、电机转子轴17、电机18和谐波减速器19。其中，制动器编码器连接器15连接制动器14的固定端和编码器16的磁头，实现制动器14和编码器16的固定。电机转子轴17的一端固接编码器16的磁环和制动器14的转动端，另一端固接电机18的转子，从而实现转动力矩的传递。电机18转子的另一侧固连谐波减速器19的输入端。谐波减速器19的输出端为整个电机单元的输出。谐波减速器19的外壳与电机18的外壳固接。电机18的外壳提供空间容纳制动器14和编码器16；该电机单元进一步包括电机后盖13，电机后盖13与电机18的外壳固连，起到防水防尘的作用。这种电机单元结构中的电机可以采用无框力矩电机，而不用采用进口的机器人关节电机，因此能够大大降低成本。

参见图6和图7，将电机单元安装到机架时，机架1需要提供两个电机安装位，髋关节连接器21设置在该电机安装位中；电机单元的输出端穿入安装位固连所述髋关节连接器21，以带动髋关节连接器21转动。电机单元的输出端还连接髋关节编码器20实现角度检测。髋关节轴承22为一深沟球轴承，内侧固接于机架1，外侧固接于髋关节连接器21。

本实施例中，器件选型为：电机单元中的电机21选用德国TQ公司的无框力矩电机，型号是ILM85x13STD VSS；谐波减速器选用日本哈默纳科公司的组合型谐波减速器，型号是CSG-25-100；编码器选择以色列雷尼绍公司编码器，型号为RD85－AKSIM；制动器选用德国麦尔公司的制动器RD85-RSV80。

本发明机器人七连杆腿部结构的运行方式如下：

首先，由控制算法得出足部末端的位置与力，通过运动学和动力学算法解算两个髋/膝关节电机2,3所需的位置和力矩。接着，控制器发出信号，控制两电机输出既定的角度与力矩。在无外力作用的情况下，由于连接弹簧的存在，七连杆机构“退化”为五连杆机构，从而将处于髋关节的电机力矩转化为七连杆平面内任意方向的足端力矩，那么通过调整两个髋/膝关节电机2,3的角度就可以控制足端位置。通过控制适当的控制算法可以令机器人腿部从摆动项变为支撑项(脚落地)时，摩擦足首先接触地面，此时滑动轮不接触地面，而小腿和副腿之间的弹簧在地面给摩擦足的支撑力作用下产生形变，迫使小腿和副腿之间的夹角发生变化，使得滑动轮接触地面，从而实现足端冲击的转化与吸收。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人七连杆腿部结构，其特征在于，包括机架(1)，所述机架(1)的两端分别安装一个髋/膝关节电机(2,3)，该髋/膝关节电机(2,3)的输出轴固连髋关节连接器(21)；所述髋关节连接器的连接部(21a)固定连接大腿连杆(4,9)；每个大腿连杆通过膝关节自由绞连接小腿连杆(5,8)；两个小腿连杆中，第一小腿连杆(5)、第一副腿连杆(6)与摩擦足(10)共同铰接于一点，第二小腿连杆(8)与第二副腿连杆(7)共同铰接于一点且铰接处安装滑动轮(11)；第一副腿连杆(6)与第二副腿连杆(7)相互铰接；第一副腿连杆(6)与第一小腿连杆(5)之间、第二副腿连杆(7)与第二小腿连杆(8)之间均连接有连接弹簧(23)；副腿连杆、小腿连杆和连接弹簧三者形成三角关系；

所述髋/膝关节电机(2,3)均采用如下电机单元：

电机单元包括制动器(14)、制动器编码器连接器(15)、编码器(16)、电机转子轴(17)、电机(18)和谐波减速器(19)；

制动器编码器连接器(15)连接制动器(14)的固定端和编码器(16)的磁头，实现制动器(14)和编码器(16)的固定；电机转子轴(17)的一端固接编码器(16)的磁环和制动器(14)的转动端，另一端固接电机(18)的转子；电机(18)转子的另一侧固连谐波减速器(19)的输入端；谐波减速器(19)的输出端为整个电机单元的输出。

2.如权利要求1所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，所述大腿连杆(4,9)为双连杆结构，双杆相互平行。

3.如权利要求1所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，两个小腿连杆具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。

4.如权利要求3所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，所述小腿连杆为两段结构；其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段***弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器(12)。

5.如权利要求1所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，所述电机单元中的电机(18)采用无框力矩电机。

6.如权利要求1所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，所述谐波减速器(19)的外壳与电机(18)的外壳固接。

7.如权利要求1所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，所述电机(18)的外壳提供空间容纳制动器(14)和编码器(16)；该电机单元进一步包括电机后盖(13)，电机后盖(13)与电机(18)的外壳固连。

8.如权利要求7所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，所述机架(1)提供两个电机安装位，髋关节连接器(21)设置在该电机安装位中；电机单元的输出端依次固连所述髋关节连接器(21)和髋关节编码器(20)；髋关节轴承(22)为一深沟球轴承，内侧固接于机架(1)，外侧固接于髋关节连接器(21)。

9.如权利要求1所述的机器人七连杆腿部结构，其特征在于，大腿杆件和小腿连杆均分为两端的端部和中间的杆状连接部，端部采用铝合金材料，杆状连接部采用碳纤维材料；机器人足部采用铝合金制造，机器人足部与地面接触位置连接一层乳胶。

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