CN113147950A - 一种腿足式机器人的腿部动力***机构及腿足式机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腿足式机器人的腿部动力***机构及腿足式机器人，其中该***机构包括髋关节动力单元、大腿动力单元、小腿动力单元和躯干单元。其中髋关节电机带动大腿连杆及小腿连杆在身体两侧一定范围内的摆动，大腿电机带动大腿连杆在身体前后一定范围内的摆动，小腿电机驱动均衡动力传动机构实现小腿连杆在身体前后一定范围内的摆动。本发明的一种腿足式机器人的腿部动力***机构及腿足式机器人其腿部动力***机构在运动过程中无奇异位置，实现动力***的平稳均衡扭矩输出且精准可控、提升整体承载能力。并且提升腿足式机器人的腿部动力***控制位置的精准性及轨迹运动的可靠性。具有良好的刚性、抗冲击能力、长寿命、易维护。

Description

一种腿足式机器人的腿部动力***机构及腿足式机器人
技术领域
本发明涉及腿足式机器人领域，尤其涉及一种腿足式机器人的腿部动力***机构及腿足式机器人。
背景技术
现有腿足式机器人的腿部动力***机构，主要有同步带式、链条式及平面四连杆式；其中同步带式腿部动力***机构在耐久性、动力承载能力、结构刚度、可维护性方面均较差，不适合商业化应用；链条式腿部动力***机构虽然动力承载能力大，但由于链条重量大、造成腿部的惯量大、不利于运动控制，链条传动也会造成运动噪声大、不适用轻量化腿足式机器人；而平面四连杆式腿部动力***机构存在奇异位置的特性，动力扭矩传输波动大，可维护性方面均较差，在接近小腿动作两端的极限位置(靠近奇异位置)处，所传输扭矩最小，而在中间某个位置处，所传输扭矩最大，这就造成无法充分发挥小腿关节电机的效能，降低整体承载能力、动作爆发能力及越障能力，并且机构控制位置的精准性较差，轨迹运动误差较大。本发明专利的腿部动力***机构采用精准可控式“均衡动力传动机构”，能很好的解决上述两种腿足式机器人的腿部动力***机构的不足。
通过对现有专利技术方案检索，同步带式、链条式及平面四连杆式的腿足式机器人的腿部动力***机构技术方案有：
1.在同步带式、链条式腿足式机器人的应用场合，如2020年09月16日公开的申请号为202010974839.0的中国专利一种用于足式机器人的腿总成，公开了一种足式机器人的腿部动力***结构，小腿传动***总体包括输入轮、输出轮以及连接两者的链条或皮带。输入轮设置在大腿关节臂的大腿根附近并且与电机的输出端连接，并由此由电机驱动转动。链条或皮带将输入轮的转动传递至输出轮。输出轮设置在大腿关节臂与小腿关节臂连接的位置。小腿关节臂随着输出轮的转动而相应地枢转，从而实现小腿的前后移动。此发明无论采用同步带式或是链条式均存在前面所述的同步带式、链条式腿足式机器人的腿部动力***机构的应用缺陷。
2.在平面四连杆式腿足式机器人的应用场合，如2017年03月10日公开的申请号为201710149070.7一种电驱动四足机器人的腿部动力***结构，公开了一种足式机器人的腿部动力***结构，每一个独立的腿模块包括大腿电机总成、小腿电机总成、髋关节电机总成及其相关连杆和固定座。其中髋关节电机通过平行四边形机构驱动大小腿总成，大腿电机总成直接驱动大腿杆总成，小腿电机总成通过反平行四边形机构驱动小腿总成。此发明采用平行四边形机构，即平面四连杆的方式驱动小腿运动，存在前面所述的平面四连杆式腿足式机器人的腿部动力***机构的应用缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足，提出一种具备动力传输扭矩均衡不会发生变化并且精准可控，小腿连杆运动无奇异位置、控制精准，承载能力大、维护使用方便的一种腿足式机器人的腿部动力***机构及应用其的腿足式机器人。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供如下技术方案，一种腿足式机器人的腿部动力***机构，该***机构包括髋关节动力单元(1)、大腿动力单元(2)、小腿动力单元(3)和躯干单元(4)，其特征在于，所述髋关节动力单元(1)包括髋关节电机(1.1)和髋关节法兰(1.2)，所述髋关节电机(1.1)通过躯干法兰(4.1)与躯干单元(4)连接，所述髋关节法兰(1.2)一端与髋关节电机(1.1)转子固定连接，所述髋关节法兰(1.2)另一端与大腿电机(2.1)固定连接，所述髋关节法兰(1.2)外表面一侧设置有髋关节法兰限位结构A(1.2.1)，所述髋关节法兰(1.2)上表面和下表面分别设置有髋关节法兰限位结构B(1.2.2)，所述髋关节法兰限位结构A(1.2.1)与躯干法兰限位结构(4.1.1)组合实现限位；所述大腿动力单元(2)包括大腿电机(2.1)、大腿法兰(2.2)和大腿连杆(2.3)，所述大腿电机(2.1)与大腿法兰(2.2)连接，所述大腿法兰(2.2)与小腿电机(3.1)固定连接，所述大腿法兰限位结构(2.2.1)与髋关节法兰限位结构B(1.2.2)组合实现限位；所述小腿动力单元(3)包括小腿电机(3.1)、均衡动力传动机构
(3.2)和小腿连杆(3.3)，所述小腿电机(3.1)与大腿连杆(2.3)固定连接，所述小腿电机(3.1)通过均衡动力传动机构(3.2)与小腿连杆(3.3)连接。
优选地，所述髋关节电机(1.1)、大腿电机(2.1)及小腿电机(3.1)为一体式集成电机。
优选地，所述大腿连杆(2.3)与小腿连杆(3.3)通过膝关节连接轴(3.3.2)形成转动副，所述大腿连杆(2.3)内部安装有第一上限位块(2.3.1)和第一下限位块(2.3.2)。
优选地，所述均衡动力传动机构(3.2)包括主动力齿轮法兰(3.2.1)、主传动齿轮(3.2.2)、齿条(3.2.3)、从动力齿轮组件(3.2.4)、小腿驱动齿轮组件(3.2.5)、导轨组件(3.2.6)和导向轮组件(3.2.7)，所述主动力齿轮法兰(3.2.1)与主传动齿轮(3.2.2)固定连接，所述主动力齿轮(3.2.2)与齿条(3.2.3)一端啮合，所述从动力齿轮组件(3.2.4)与齿条(3.2.3)另一端啮合，所述从动力齿轮组件(3.2.4)与小腿驱动齿轮组件(3.2.5)啮合。
优选地，所述从动力齿轮组件(3.2.4)包括从动力齿轮(3.2.4.1)、深沟球轴承A(3.2.4.2)和从动力齿轮连接轴(3.2.4.3)，所述从动力齿轮(3.2.4.1)内置深沟球轴承A(3.2.4.2)，所述从动力齿轮(3.2.4.1)通过从动力齿轮连接轴(3.2.4.3)与大腿连杆(2.3)连接。
可选的，其中深沟球轴承A也可用角接触球轴承代替。
优选地，所述小腿驱动齿轮组件(3.2.5)包括小腿驱动齿轮(3.2.5.1)和深沟球轴承B(3.2.5.2)，所述小腿驱动齿轮(3.2.5.1)内置深沟球轴承B(3.2.5.2)，所述小腿连杆(3.3)外侧内置推力轴承(3.3.1)，所述膝关节连接轴(3.3.2)分别穿过大腿连杆(2.3)、小腿连杆(3.3)及小腿驱动齿轮组件(3.2.5)，所述小腿连杆(3.3)通过螺栓与小腿驱动齿轮组件(3.2.5)固定连接。
可选的，其中深沟球轴承B也可用角接触球轴承代替。
优选地，所述导轨组件(3.2.6)包括导轨A(3.2.6.1)和导轨B(3.2.6.2)，所述均衡动力传动机构(3.2)中的齿条(3.2.3)与导轨组件(3.2.6)中的导轨A(3.2.6.1)、导轨B(3.2.6.2)通过螺栓固定连接，所述导轨A(3.2.6.1)和导轨B(3.2.6.2)一体加工成型。
优选地，所述均衡动力传动机构(3.2)中的导轨组件(3.2.6)固定连接止动块(3.2.6.3)，所述止动块(3.2.6.3)与导轨A(3.2.6.1)和导轨B(3.2.6.2)一体加工成型，所述大腿连杆(2.3)内部安装有第二上限位块(2.3.3)及第二下限位块(2.3.4)，所述第二上限位块(2.3.3)及第二下限位块(2.3.4)与均衡动力传动机构(3.2)中的止动块(3.2.6.3)配合连接。
第二方面，本发明提供如下技术方案，所述腿部动力***机构为权利要求1-8任一项所述的腿部动力***机构。
本发明腿足式机器人的腿部动力***机构，髋关节动力单元、大腿动力单元、小腿动力单元均为独立控制单元。小腿动力单元中的均衡动力传动机构实现了在小腿连杆运动过程中的不同位置，传输扭矩均衡不会发生变化并且精准可控，小腿连杆运动无奇异位置，可充分发挥小腿关节电机的效能，提高整体承载能力、动作爆发能力及越障能力。并且提升机构控制位置的精准性及轨迹运动的可靠性、运行维护使用方便。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、腿足式机器人的腿部动力***机构在运动过程中无奇异位置，实现动力***的平稳均衡扭矩输出且精准可控、提升整体承载能力。较简单的动力学模型及控制算法。
2、提升腿足式机器人的腿部动力***控制位置的精准性及轨迹运动的可靠性。
3、腿足式机器人的腿部动力***机构具有良好的刚性、抗冲击能力、长寿命、易维护。
附图说明
图1为本发明的机器人整体结构示意图；
图2为本发明的机器人腿部动力***总成结构示意图；
图3为本发明的均衡动力传动机构总成结构示意图；
图4为本发明的髋关节法兰与躯干法兰的限位结构示意图；
图5为本发明的大腿法兰与髋关节法兰的限位结构示意图；
图6为本发明的机器人腿部动力***的局部拆解示意图；
图7为本发明的机器人腿部动力***的***结构示意图；
图8为本发明的小腿连杆与小腿驱动齿轮组件结构示意图；
图9为本发明的小腿驱动齿轮组件部分即膝关节剖视图；
图10为本发明的小腿连杆摆动限位结构示意图；
图11为本发明的齿条、导轨、止动块组件结构示意图。
图中：1、髋关节动力单元；1.1、髋关节电机；1.2、髋关节法兰；1.2.1、髋关节法兰限位结构A；1.2.2、髋关节法兰限位结构B；2、大腿动力单元；2.1、大腿电机；2.2、大腿法兰；2.3、大腿连杆；2.2.1、大腿法兰限位结构；2.3.1、第一上限位块；2.3.2、第一下限位块；2.3.3、第二上限位块；2.3.4、第二下限位块；3、小腿动力单元；3.1、小腿电机；3.2、均衡动力传动机构；3.2.1、主动力齿轮法兰；3.2.2、主传动齿轮；3.2.3、齿条；3.2.4、从动力齿轮组件；3.2.5、小腿驱动齿轮组件；3.2.6、导轨组件；3.2.7、导向轮组件，3.2.4.1、从动力齿轮；3.2.4.2深沟球轴承A；3.2.4.3、从动力齿轮连接轴；3.2.5.1、小腿驱动齿轮；3.2.5.2、深沟球轴承B；3.2.6.1、导轨A；3.2.6.2、导轨B；3.2.6.3、止动块；3.3、小腿连杆；3.3.1推力轴承；3.3.2、膝关节连接轴；4、躯干单元；4.1、躯干法兰；4.1.1、躯干法兰限位结构。
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。
请参阅图1，本发明实施例中：提供一种腿足式机器人的腿部动力***机构及应用其的腿足式机器人，腿足式机器人由躯干(4)及四条腿部动力***组成，四条腿部动力***通过躯干法兰与躯干连接，每一条腿部动力***由髋关节动力单元(1)、大腿动力单元(2)及小腿动力单元(3)组成。
请参阅图2-5，髋关节动力单元(1)包括髋关节电机(1.1)、髋关节法兰(1.2)；大腿动力单元(2)包括大腿电机(2.1)、大腿法兰(2.2)、大腿连杆(2.3)；小腿动力单元(3)包括小腿电机(3.1)、小腿连杆(3.3)及内部的均衡动力传动机构(3.2)。
髋关节电机(1.1)定子外壳通过躯干法兰(4.1)与腿足式机器人的躯干(4)连接，髋关节法兰(1.2)一端与髋关节电机(1.1)转子固定连接，髋关节法兰(1.2)另一端与大腿电机(2.1)的定子外壳固定连接。髋关节法兰(1.2)限位结构A(1.2.1)与躯干法兰(4.1)中的限位结构(4.1.1)用于对髋关节动力单元(1)转动范围进行限位。
大腿电机(2.1)的转子与大腿法兰(2.2)连接，大腿法兰(2.2)与小腿电机(3.1)的定子外壳的驱动板侧固定连接，大腿法兰(2.2)限位结构(2.2.1)与髋关节法兰(1.2)中的限位结构B(1.2.2)用于大腿动力单元(2)转动范围进行限位。
小腿电机(3.1)的定子外壳的转子侧与大腿连杆(2.3)固定连接，小腿电机(3.1)的转子通过均衡动力传动机构(3.2)驱动小腿连杆(3.3)运动。
请参阅图6-9，均衡动力传动机构(3.2)包括，主动力齿轮法兰(3.2.1)、主动力齿轮(3.2.2)、齿条(3.2.3)、从动力齿轮组件(3.2.4)、小腿驱动齿轮组件(3.2.5)、导轨组件(3.2.6)、导向轮组件(3.2.7)。从动力齿轮(3.2.4.1)内置深沟球轴承或角接触球轴承(3.2.4.2)，与大腿连杆(2.3)形成旋转副，并通过从动力齿轮连接轴(3.2.4.3)进行连接。小腿驱动齿轮(3.2.5.1)内置深沟球轴承或角接触球轴承(3.2.5.2)，小腿连杆(3.3)外侧内置推力轴承(3.3.1)，膝关节连接轴(3.3.2)分别穿过大腿连杆(2.3)、小腿连杆(3.3)及小腿驱动齿轮组件(3.2.5)，形成旋转副。小腿连杆(3.3)通过螺栓或铆接的形式与小腿驱动齿轮组件(3.2.5)固定连接为一体。均衡动力传动机构可实现传输扭矩均衡不会发生变化并且精准可控。
请参阅图10-11，均衡动力传动机构(3.2)中的齿条(3.2.3)与导轨组件(3.2.6)中的导轨A(3.2.6.1)、导轨B(3.2.6.2)可通过螺栓或铆接的形式固定连接。导轨A(3.2.6.1)及导轨B(3.2.6.2)可作为单独的零件也可与齿条一体加工成型。导向轮组件(3.2.7)约束导轨组件(3.2.6)上下运动，从而约束齿条(3.2.3)上下运动。
导轨组件(3.2.6)固定连接止动块(3.2.6.3)。止动块(3.2.6.3)不限于单独的零件，也可以作为导轨A(3.2.6.1)或导轨B(3.2.6.2)的一部分一体加工成型。大腿连杆(2.3)内部安装或一体成型相应第二上限位块(2.3.3)及第二下限位块(2.3.4)，配合均衡动力传动机构(3.2)中的止动块(3.2.6.3)实现对均衡动力传动机构(3.2)的上下限位，继而实现对小腿上下摆动范围的限位，此限位为冗余限位设计，增加小腿限位可靠性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种腿足式机器人的腿部动力***机构，该***机构包括髋关节动力单元(1)、大腿动力单元(2)、小腿动力单元(3)和躯干单元(4)，其特征在于，所述髋关节动力单元(1)包括髋关节电机(1.1)和髋关节法兰(1.2)，所述髋关节电机(1.1)通过躯干法兰(4.1)与躯干单元(4)连接，所述髋关节法兰(1.2)一端与髋关节电机(1.1)固定连接，所述髋关节法兰(1.2)另一端与大腿电机(2.1)固定连接，所述髋关节法兰(1.2)外表面一侧设置有髋关节法兰限位结构A(1.2.1)，所述髋关节法兰(1.2)上表面和下表面分别设置有髋关节法兰限位结构B(1.2.2)，所述髋关节法兰限位结构A(1.2.1)与躯干法兰限位结构(4.1.1)配合连接；
所述大腿动力单元(2)包括大腿电机(2.1)、大腿法兰(2.2)和大腿连杆(2.3)，所述大腿电机(2.1)与大腿法兰(2.2)连接，所述大腿法兰(2.2)与小腿电机(3.1)固定连接，所述大腿法兰限位结构(2.2.1)与髋关节法兰限位结构B(1.2.2)配合连接；
所述小腿动力单元(3)包括小腿电机(3.1)、均衡动力传动机构(3.2)和小腿连杆(3.3)，所述小腿电机(3.1)与大腿连杆(2.3)固定连接，所述小腿电机(3.1)通过均衡动力传动机构(3.2)与小腿连杆(3.3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，其特征在于，所述髋关节电机(1.1)、大腿电机(2.1)及小腿电机(3.1)为一体式集成电机。
3.根据权利要求1所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，其特征在于，所述大腿连杆(2.3)与小腿连杆(3.3)通过膝关节连接轴(3.3.2)形成转动副，所述大腿连杆(2.3)内部安装有第一上限位块(2.3.1)和第一下限位块(2.3.2)。
4.根据权利要求1所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，其特征在于，所述均衡动力传动机构(3.2)包括主动力齿轮法兰(3.2.1)、主传动齿轮(3.2.2)、齿条(3.2.3)、从动力齿轮组件(3.2.4)、小腿驱动齿轮组件(3.2.5)、导轨组件(3.2.6)和导向轮组件(3.2.7)，所述主动力齿轮法兰(3.2.1)与主传动齿轮(3.2.2)固定连接，所述主动力齿轮(3.2.2)与齿条(3.2.3)一端啮合，所述从动力齿轮组件(3.2.4)与齿条(3.2.3)另一端啮合，所述从动力齿轮组件(3.2.4)与小腿驱动齿轮组件(3.2.5)啮合。
5.根据权利要求4所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，其特征在于，所述从动力齿轮组件(3.2.4)包括从动力齿轮(3.2.4.1)、深沟球轴承A(3.2.4.2)和从动力齿轮连接轴(3.2.4.3)，所述从动力齿轮(3.2.4.1)内置深沟球轴承A(3.2.4.2)，所述从动力齿轮(3.2.4.1)通过从动力齿轮连接轴(3.2.4.3)与大腿连杆(2.3)连接。
6.根据权利要求4所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，其特征在于，所述小腿驱动齿轮组件(3.2.5)包括小腿驱动齿轮(3.2.5.1)和深沟球轴承B(3.2.5.2)，所述小腿驱动齿轮(3.2.5.1)内置深沟球轴承B(3.2.5.2)，所述小腿连杆(3.3)外侧内置推力轴承(3.3.1)，所述膝关节连接轴(3.3.2)分别穿过大腿连杆(2.3)、小腿连杆(3.3)及小腿驱动齿轮组件(3.2.5)，所述小腿连杆(3.3)通过螺栓与小腿驱动齿轮组件(3.2.5)固定连接。
7.根据权利要求4所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，所述导轨组件(3.2.6)包括导轨A(3.2.6.1)和导轨B(3.2.6.2)，所述均衡动力传动机构(3.2)中的齿条(3.2.3)与导轨组件(3.2.6)中的导轨A(3.2.6.1)、导轨B(3.2.6.2)通过螺栓固定连接，所述导轨A(3.2.6.1)和导轨B(3.2.6.2)一体加工成型。
8.根据权利要求4所述的一种腿足式机器人的腿部动力***机构，所述均衡动力传动机构(3.2)中的导轨组件(3.2.6)固定连接止动块(3.2.6.3)，所述止动块(3.2.6.3)与导轨A(3.2.6.1)和导轨B(3.2.6.2)一体加工成型，所述大腿连杆(2.3)内部安装有第二上限位块(2.3.3)及第二下限位块(2.3.4)，所述第二上限位块(2.3.3)及第二下限位块(2.3.4)与均衡动力传动机构(3.2)中的止动块(3.2.6.3)配合连接。
9.一种腿足式机器人，包括腿部动力***机构，其特征在于，所述腿部动力***机构为权利要求1-8任一项所述的腿部动力***机构。
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