CN113335416A - 一种髋关节机构及足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种髋关节机构及足式机器人，所述的一种髋关节机构，包括：角度调节机构、左摆驱动机构、右摆驱动机构、两前后驱动机构；角度调节机构用于调节左摆驱动机构、右摆驱动机构之间的夹角，当与足式机器人的腿部、足部连接后，可带动腿部、足部移动，实现两足部之间角度的调整；左摆驱动机构、右摆驱动机构相配合用于驱动角度调节机构向左、向右弯曲摆动；两前后驱动机构用于驱动所述左摆驱动机构、右摆驱动机构、角度调节机向前或向后弯曲摆动。本发明通过角度调节机构可实现两足部之间角度的调整，有效提高足部运动的灵活性；足式机器人的下半身具有9个自由度，对比现有技术可减少7驱动装置，有效减轻整体重量，驱动扭矩低。

Description

一种髋关节机构及足式机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种髋关节机构及足式机器人。

背景技术

足式机器人腿部设计的关键在于如何设计出刚度高、转动惯量低、质量低的髋关节和腿部结构。目前传统的设计思路是分别在各关节处直接使用关节模组，这样设计的好处是模块化设计，方便更换维修，然而采用上述设计思路，会造成机器人整体比较笨重，腿部转动惯量高，需要更高的驱动扭矩，且动态性能不足。

为解决上述问题，申请号为201911345580.7，名称为一种机器人及其髋关节结构公开了一种在髋关节处设置三组驱动机构，从而实现髋关节的前后摆动、左右摆动、旋转，保证髋关节结构的六个自由度。然而由于每两个自动度均通过一组驱动机构进行控制，导致转动惯量高、驱动扭矩高，且结构较复杂，不利于足式机器人髋关节、腿部的驱动；另一方面，现有技术无法实现足式机器人两足部之间角度调节，导致足式机器人腿部、足部运动的灵活性较低，且无法满足不同功能要求。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种髋关节机构及足式机器人，解决现有技术中，足式机器人的转动惯量高、驱动扭矩高的问题；解决无法实现两足部之间角度调节，导致运动的灵活性较低，无法满足不同功能要求的问题。

本发明提供一种髋关节机构，包括：角度调节机构、左摆驱动机构、右摆驱动机构；所述角度调节机构包括：第一固定座、安装在所述第一固定座上的第一旋转驱动装置、与所述第一旋转驱动装置输出端连接的第一滚珠丝杆、套在所述第一滚珠丝杆上的滑动组件、两摇臂组件、安装在所述第一固定座底部的延长轴，所述摇臂组件包括：摇臂、可旋转的安装于所述摇臂上的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴与所述滑动组件连接；所述左摆驱动机构包括：移动座、第二旋转驱动装置、与所述第二旋转驱动装置输出端连接的第二滚珠丝杆、套在所述第二滚珠丝杆上的滑动座、三轴联动组件、第二固定座，所述三轴联动组件包括：与所述滑动座连接的第三转轴、设置在所述第二固定座上的第四转轴、连接在所述第一旋转驱动装置外侧的第五转轴，所述第二固定座套在所述三转轴上，所述移动座套在所述第四转轴、第五转轴上；所述右摆驱动机构与所述所述左摆驱动机构结构相同；所述左摆驱动机构、右摆驱动机构的移动座均套在所述延长轴上，且所述左摆驱动机构的移动座与两组摇臂组件中的一组摇臂组件的第二转轴连接，所述右摆驱动机构与另一组摇臂组件的第二转轴连接。所述角度调节机构用于调节所述左摆驱动机构、右摆驱动机构之间的夹角，当与足式机器人的腿部、足部连接后，可进一步带动腿部、足部移动，实现两足部之间角度的调整；所述左摆驱动机构、右摆驱动机构相配合用于驱动所述角度调节机构向左、向右弯曲摆动。

进一步地，所述的一种髋关节机构，还包括：两前后驱动机构，所述的两前后驱动机构用于驱动所述左摆驱动机构、右摆驱动机构、角度调节机构向前或向后弯曲摆动。

进一步地，所述前后驱动机构包括：第三旋转驱动装置，所述左摆驱动机构、右摆驱动机构的移动座分别与所述的两组前后驱动机构的第三旋转驱动装置的输出端连接。

进一步地，所述滑动组件包括：滑轨、设置在所述滑轨上的直线滑台，所述直线滑台与所述第一滚珠丝杆螺纹连接，所述第一转轴与所述直线滑台连接。

本发明还提供一种足式机器人，包括：上述的一种髋关节机构、腿部、足部、用于驱动所述腿部的膝关节和足部的踝关节弯曲的弯曲驱动机构。

进一步地，所述腿部包括：大腿部、小腿部，所述前后驱动机构可旋转的连接于所述大腿部上。

进一步地，所述弯曲驱动机构包括：安装在所述大腿部上的第四旋转驱动装置和第五旋转驱动装置、设置在所述大腿部一端上的第一传动轴、套在所述第一传动轴上的第一转盘、设置在所述小腿部一端上的第二传动轴、套在所述第二转动轴上的第二转盘、第一钢丝、第二钢丝，所述第一钢丝套在所述第四旋转驱动装置输出端、第一转动盘上，所述第二钢丝套在所述第五旋转驱动装置输出端、第二转动盘上。

进一步地，所述小腿部与所述第一转盘连接，所述足部与所述第二转盘连接。

进一步地，所述的一种足式机器人，还包括：与所述角度调节机构连接的躯干部、设置在所述躯干部内的电池、控制板。

采用上述方案，本发明提供一种髋关节机构及足式机器人，具有以下有益效果：

1、角度调节机构、左右弯曲摆动、前后弯曲摆动均通过两组机构配合完成，使得髋关节结构驱动更加灵活，转动惯量低，保证了髋关节的5个自由度；

2、通过角度调节机构可实现两足部之间角度的调整，有效提高足部运动的灵活性，可满足不同的功能需求；

3、足式机器人的下半身具有9个自由度，对比现有技术可减少7驱动装置，有效减轻整体重量，驱动扭矩低；

4、灵活性、转动惯量低、刚度高，且结构紧凑。

附图说明

图1为本发明中一种足式机器人的结构示意图；

图2为本发明中一种髋关节机构的结构示意图；

图3为本发明中一种髋关节机构另一角度的结构示意图；

图4为本发明角度调节机构的结构示意图；

图5为本发明角度调节机构另一角度的结构示意图；

图6为本发明角度调节机构、移动座的结构示意图；

图7为本发明左摆驱动机构、右摆驱动机构、前后驱动机构的结构示意图；

图8为本发明腿部、足部、弯曲驱动机构的结构示意图。

其中：角度调节机构1、第一固定座10、第一旋转驱动装置11、第一滚珠丝杆12、延长轴13、摇臂14、第一转轴15、第二转轴16、滑轨17、直线滑台18、左摆驱动机构2、移动座20、第二旋转驱动装置21、第二滚珠丝杆22、滑动座23、第二固定座24、第三转轴25、第四转轴26、第五转轴27、右摆驱动机构3、前后驱动机构4、大腿部5、小腿部6、足部7、弯曲驱动机构8、第四旋转驱动装置80、第五旋转驱动装置81、第一传动轴82、第一转盘83、第二传动轴84、第二转盘85、躯干部9、电池90、控制板91。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参照图2-图7，本发明提供一种髋关节机构，包括：角度调节机构1、左摆驱动机构2、右摆驱动机构3、两前后驱动机构4；所述角度调节机构1用于调节所述左摆驱动机构2、右摆驱动机构3之间的夹角，当与足式机器人的腿部、足部7连接后，可进一步带动腿部、足部7移动，实现两足部7之间角度的调整；所述左摆驱动机构2、右摆驱动机构3相配合用于驱动所述角度调节机构1向左、向右弯曲摆动；所述的两前后驱动机构4用于驱动所述左摆驱动机构2、右摆驱动机构3、角度调节机构1向前或向后弯曲摆动；保证了髋关节的五个自由度(角度调节机构1的调节为一个自由度)，且进行左右弯曲摆动、前后弯曲摆动均通过两组机构配合完成，使得髋关节结构驱动更加灵活，转动惯量低。

请参照图2-图6，具体地，在本实施例中，所述角度调节机构1包括：第一固定座10、安装在所述第一固定座10上的第一旋转驱动装置11、与所述第一旋转驱动装置11输出端连接的第一滚珠丝杆12、套在所述第一滚珠丝杆12上的滑动组件、两摇臂组件、安装在所述第一固定座10底部的延长轴13，所述摇臂组件包括：摇臂14、可旋转的安装于所述摇臂14上的第一转轴15和第二转轴16，所述第一转轴15与所述滑动组件连接；所述滑动组件包括：滑轨17、设置在所述滑轨17上的直线滑台18，所述直线滑台18与所述第一滚珠丝杆12螺纹连接，所述第一转轴15与所述直线滑台18连接。

请参照图2、图3、图7，具体地，在本实施例中，所述左摆驱动机构2包括：移动座20、第二旋转驱动装置21、与所述第二旋转驱动装置21输出端连接的第二滚珠丝杆22、套在所述第二滚珠丝杆22上的滑动座23、三轴联动组件、第二固定座24，所述三轴联动组件包括：与所述滑动座23连接的第三转轴25、设置在所述第二固定座24上的第四转轴26、连接在所述第一旋转驱动装置11外侧的第五转轴27，所述第二固定座24套在所述三转轴上，所述移动座20套在所述第四转轴26、第五转轴27上；所述右摆驱动机构3与所述左摆驱动机构2结构相同；所述三轴联动组件的第三转轴25、第四转轴26、第五转轴27一端的连线，形成封闭三角形，第四转轴26为主动轴、第三转轴25、第五转轴27为从动轴，在左摆驱动机构2、右摆驱动机构3驱动过程中可实现联动效果；具体地，所述左摆驱动机构2、右摆驱动机构3驱动所述角度调节机构1向左弯曲摆动的具体驱动过程为：分别启动左摆驱动机构2、右摆驱动机构3的第二旋转驱动装置21，带动第二滚珠丝杆22转动，左摆驱动机构2的滑动座23与第二滚珠丝杆22发生相对位移，向靠近所述第二旋转驱动装置21一侧移动，右摆驱动机构3的滑动座23与第二滚珠丝杆22发生相对位移，向远离右摆驱动机构3的第二旋转驱动装置21一侧移动，右摆驱动机构3、左摆驱动机构2各自的滑动座23均拉动对应的第三转轴25移动，由于第三转轴25与第二固定座24连接，进一步可带动第二固定座24上的第四转轴26转动，在第三转轴25、第四转轴26、第五转轴27的联动作用下，可带动移动座20转动，从而实现向左弯曲，需要说明的是右摆驱动机构3与左摆驱动机构2的驱动过程相同，但在驱动角度调节机构1向左或向右弯曲摆动时，右摆驱动机构3与左摆驱动机构2的第二旋转驱动装置21的旋转方向相反，使得滑动座23的移动方向保持一致；本发明中设置左摆驱动机构2、右摆驱动机构3，通过左摆驱动机构2、右摆驱动机构3同步驱动，实现向左或向右弯曲摆动，且驱动过程中采用三轴联动组件实现联动过程，稳定性高，联动效果好，对比现有技术，有效提高弯曲过程中的灵活性，降低转动惯量。

具体地，在本实施例中，所述左摆驱动机构2、右摆驱动机构3的移动座20均套在所述延长轴13上，且所述左摆驱动机构2的移动座20与两组摇臂组件中的一组摇臂组件的第二转轴16连接，所述右摆驱动机构3与另一组摇臂组件的第二转轴16连接；左摆驱动机构2的移动座20套在摇臂组件的第二转轴16上后，延长轴13与第二转轴16之间形成第一连杆，第二转轴16与第一转轴15之间形成第二连杆(通过摇臂14连接)，第一转轴15与直线滑台18之间形成第三连杆，直线滑台18可在滑轨17上移动，其移动过程中则形成第四连杆，可形成四连杆状，在移动时可实现连动；具体地，所述角度调节机构1的调节过程为：启动第一旋转驱动装置11，带动第一滚珠丝杆12转动，直线滑台18在滑轨17上移动，拉动第一转轴15，在摇臂14的作用下进而拉动第二转轴16转动，进一步在第二转轴16的作用下带动移动座20在延长轴13上转动，实现左摆驱动机构2、右摆驱动机构3的旋转，由于左摆驱动机构2、右摆驱动机构分别设置在延长轴13的两侧，处于对称状态，在角度调节机构1的驱动过程中，左摆驱动机构2、右摆驱动机构3的旋转方向相反，将左摆驱动机构2、右摆驱动机构3从平行状态调整至具有一定角度，角度变化范围为1°～90°，从而实现两足部7之间角度的调整，有效提高足部7运动的灵活性，可满足不同的功能需求。

请参照图2-图3，具体地，在本实施例中，所述前后驱动机构4包括：第三旋转驱动装置，所述左摆驱动机构2、右摆驱动机构3的移动座20分别与所述的两组前后驱动机构4的第三旋转驱动装置的输出端连接；启动第三旋转驱动装置，即可带动左摆驱动机构2、右摆驱动机构3、角度调节机构1整体向前或向后旋转，具体旋转方向则通过调整第三旋转驱动装置的旋转方向确定。

请参照图1-图8，本发明还提供一种足式机器人，包括：上述的一种髋关节机构、腿部、足部7、用于驱动所述腿部的膝关节和足部7的踝关节弯曲的弯曲驱动机构8、与所述角度调节机构1连接的躯干部9、设置在所述躯干部9内的电池90和控制板91，具体地，在本实施例中，所述电池90为可充电电池90。在角度调节机构1的作用下，可调整两腿部和两足部7之间的角度，左摆驱动机构2、右摆驱动机构3可带动躯干部9向左、向右弯曲摆动，两前后驱动机构4可带动躯干部9向前、向后弯曲摆动。

请参照图1、图8，具体地，在本实施例中，所述腿部包括：大腿部5、小腿部6，所述前后驱动机构4可旋转的连接于所述大腿部5上；所述弯曲驱动机构8包括：安装在所述大腿部5上的第四旋转驱动装置80和第五旋转驱动装置81、设置在所述大腿部5一端上的第一传动轴82、套在所述第一传动轴82上的第一转盘83、设置在所述小腿部6一端上的第二传动轴84、套在所述第二转动轴上的第二转盘85、第一钢丝、第二钢丝(第一钢丝、第二钢丝附图中未示出)，所述第一钢丝套在所述第四旋转驱动装置80输出端、第一转动盘上，所述第二钢丝套在所述第五旋转驱动装置81输出端、第二转动盘上；所述小腿部6与所述第一转盘83连接，所述足部7与所述第二转盘85连接。第四旋转驱动装置80与第一钢丝、第一转盘83相配合，用于驱动膝关节弯曲，第五驱动装置与第二钢丝、第二转盘85相配合用于驱动踝关节弯曲，驱动过程快、传递效率高，刚度高；第四旋转驱动装置80、第五旋转驱动装置81对称设置在大腿部5上，使得结构更加紧凑，稳定性高；另一方面，在本发明一种髋关节机构提供的5个自由度的基础上，通过弯曲驱动机构8在腿部(左右腿部)增加了4个自由度，使得本发明中的一种足式机器人的下半身具有9个自由度，对比现有技术可减少7驱动装置，有效减轻整体重量，驱动扭矩低。

具体地，在本实施例中，所述第一旋转驱动装置11、第二旋转驱动装置21、第三旋转驱动装置、第四旋转驱动装置80、第五旋转驱动装置81均为旋转电机，所述第三旋转驱动装置、第四旋转驱动装置80、第五旋转驱动装置81的一侧上均设置有电机驱动板，且所述电机驱动板的型号为BLDC。

综上所述，本发明提供一种髋关节机构及足式机器人，具有以下有益效果：

1、角度调节机构、左右弯曲摆动、前后弯曲摆动均通过两组机构配合完成，使得髋关节结构驱动更加灵活，转动惯量低，保证了髋关节的5个自由度；

2、通过角度调节机构可实现两足部之间角度的调整，有效提高足部运动的灵活性，可满足不同的功能需求；

3、足式机器人的下半身具有9个自由度，对比现有技术可减少7驱动装置，有效减轻整体重量，驱动扭矩低；

4、灵活性、转动惯量低、刚度高，且结构紧凑。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种髋关节机构，其特征在于，包括：角度调节机构、左摆驱动机构、右摆驱动机构；

所述角度调节机构包括：第一固定座、安装在所述第一固定座上的第一旋转驱动装置、与所述第一旋转驱动装置输出端连接的第一滚珠丝杆、套在所述第一滚珠丝杆上的滑动组件、两摇臂组件、安装在所述第一固定座底部的延长轴，所述摇臂组件包括：摇臂、可旋转的安装于所述摇臂上的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴与所述滑动组件连接；

所述左摆驱动机构包括：移动座、第二旋转驱动装置、与所述第二旋转驱动装置输出端连接的第二滚珠丝杆、套在所述第二滚珠丝杆上的滑动座、三轴联动组件、第二固定座，所述三轴联动组件包括：与所述滑动座连接的第三转轴、设置在所述第二固定座上的第四转轴、连接在所述第一旋转驱动装置外侧的第五转轴，所述第二固定座套在所述三转轴上，所述移动座套在所述第四转轴、第五转轴上；

所述右摆驱动机构与所述所述左摆驱动机构结构相同；所述左摆驱动机构、右摆驱动机构的移动座均套在所述延长轴上，且所述左摆驱动机构的移动座与两组摇臂组件中的一组摇臂组件的第二转轴连接，所述右摆驱动机构与另一组摇臂组件的第二转轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种髋关节机构，其特征在于，还包括：两前后驱动机构，所述的两前后驱动机构用于驱动所述左摆驱动机构、右摆驱动机构、角度调节机构向前或向后弯曲摆动。

3.根据权利要求2所述的一种髋关节机构，其特征在于，所述前后驱动机构包括：第三旋转驱动装置，所述左摆驱动机构、右摆驱动机构的移动座分别与所述的两组前后驱动机构的第三旋转驱动装置的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的一种髋关节机构，其特征在于，所述滑动组件包括：滑轨、设置在所述滑轨上的直线滑台，所述直线滑台与所述第一滚珠丝杆螺纹连接，所述第一转轴与所述直线滑台连接。

5.一种足式机器人，其特征在于，包括：权利要求1-4任一项所述的一种髋关节机构、腿部、足部、用于驱动所述腿部的膝关节和足部的踝关节弯曲的弯曲驱动机构。

6.根据权利要求5所述的一种足式机器人，其特征在于，所述腿部包括：大腿部、小腿部，所述前后驱动机构可旋转的连接于所述大腿部上。

7.根据权利要求6所述的一种足式机器人，其特征在于，所述弯曲驱动机构包括：安装在所述大腿部上的第四旋转驱动装置和第五旋转驱动装置、设置在所述大腿部一端上的第一传动轴、套在所述第一传动轴上的第一转盘、设置在所述小腿部一端上的第二传动轴、套在所述第二转动轴上的第二转盘、第一钢丝、第二钢丝，所述第一钢丝套在所述第四旋转驱动装置输出端、第一转动盘上，所述第二钢丝套在所述第五旋转驱动装置输出端、第二转动盘上。

8.根据权利要求7所述的一种足式机器人，其特征在于，所述小腿部与所述第一转盘连接，所述足部与所述第二转盘连接。

9.根据权利要求5所述的一种足式机器人，其特征在于，还包括：与所述角度调节机构连接的躯干部、设置在所述躯干部内的电池、控制板。

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