CN115367017A - 一种机器腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器腿，本发明通过将机器人伺服关节两两连接，组成腿部运动的三个自由度伺服关节，最后一个伺服关节连接大腿结构，其输出轴连接着一个独特的双连杆机构并带动着小腿结构的运动，降低了对连杆的要求，减轻了质量，同时节省了额外的限位结构；通过在伺服关节的外壳内侧留有中空走线孔，使得电源线和信号线得以覆盖，避免了线束在运动过程中可能遇到的风险；不同于传统设计，将最后一个伺服关节位置安装在上一个伺服关节的中轴线外侧，降低了运动时腿部结构产生的惯性，同时降低了能耗。

Description

一种机器腿

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人腿部结构总成。

背景技术

使用腿足式机器人替代人来从事一些特殊区域的安放巡逻、灾区救援、侦察探测等任务，能够有效降低人员的伤亡。这些环境往往伴随着复杂的地形，对腿足式机器人的越野能力提出了较高的要求。腿足式机器人具有对地形适应性强、运动轨迹离散的特点，特别适合在丛林山地、台阶等地形上运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人腿部结构总成，以解决相关技术中存在的四足机器人运动中伺服关节与自由度资源配置，以及实现高自由度情况下，结构复杂，重量较大，布线复杂的问题。

为了达到以上目的，本发明的实施例提供一种机器人腿部结构总成，包括第一自由度单元，第二自由度单元，第三自由度单元，大腿总成，小腿总成，所述第二自由度单元轴线垂直于第一自由度单元轴线布置，所述第三自由度单元轴线平行于第二自由度单元轴线布置但两者轴线不重合，所述大腿总成固定在第三自由度单元输出端表面，所述小腿总成一端置于大腿总成内侧，且与第三自由度单元相连接。

进一步地，所述第一自由度单元包括第一伺服关节、第一连接件，所述第一连接件为虎口式结构，所述第一连接件圆柱部分同轴连接于第一伺服关节输出端。

进一步地，所述第二自由度单元包括第二伺服关节、第二连接件，所述第二伺服关节侧面固定在第一连接件虎口处，所述第二连接件为圆环状，所述第二连接件同轴连接于第二伺服关节输出端。

进一步地，所述第三自由度单元包括第三伺服关节、双连杆传动结构，所述第三伺服关节后盖固定于第二连接件，所述第三伺服关节与第二伺服关节不同轴布置，所述双连杆传动结构主动端连接于第三伺服关节输出端。

进一步地，所述大腿总成包括大腿内侧件、大腿外侧件、腿间圆轴件，所述大腿内侧件固定于第三伺服关节输出端表面，所述大腿外侧件固定于大腿内侧件，所述双连杆传动结构布置于大腿内侧件与大腿外侧件内部，所述腿间圆轴件连接于大腿内侧件且顶部固定于大腿外侧件内侧。

进一步地，所述小腿总成包括小腿件、足底座垫，所述小腿件上端连接于腿间连接件，所述小腿件上端固定于双连杆传动结构传动端，所述足底座垫固定于小腿件下端。

进一步地，所述双连杆传动结构包括主动端法兰盘、右连杆、左连杆、传动端轴承、传动端基座，所述主动法兰盘固定于第三伺服关节输出端，所述右连杆一端连接于主动法兰盘，另一端连接于传动端基座，所述左连杆一端连接于主动法兰盘，另一端连接于传动端基座且平行于右连杆，所述传动端轴承平行置于传动端基座内外两侧，所述传动端轴承内侧皆固定于腿间圆轴件，所述传动端轴承外侧皆固定于传动端基座。

根据本发明上述实施例，将机器人伺服关节两两连接，实现三个自由度单元配置，第三自由度单元输出轴位置连接的独特的双连杆机构带动小腿结构的运动，降低了对连杆的要求，减轻了质量，通过在伺服关节的外壳内侧留有中空走线孔，使得电源线和信号线得以覆盖，避免了线束在运动过程中遇到的风险，通过第二第三自由度单元偏心设计，降低了运动时腿部机构产生的惯性，同时降低了能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中地技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附体获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供一种机器腿正面的整体外观图；

图2是本发明实施例提供一种机器腿侧面的整体外观图；

图3是本发明实施例提供一种机器腿的立体图；

图4是本发明实施例提供一种机器腿的整体***图；

图5是本发明实施例提供双连杆传动结构的整体外观图；

图6是本发明实施例提供伺服关节偏心设计的整体外观图；

图7是本发明实施例提供三个伺服关节间布线方案的整体外观图；

图8是本发明实施例提供伺服关节内部布线方案的立体图；

图中：1-第一自由单元、11-第一伺服关节、12-第一连接件、2-第二自由单元、21-第二伺服关节、22-第二连接件、3-第三自由单元、31-第三伺服关节、32-双连杆传动结构、321-法兰盘、322-右连杆、323-左连杆、324传动端轴承、325-传动端基座、4-大腿总成、41-大腿内侧件、42-大腿外侧件、 43-腿间圆轴件、5-小腿总成、51-小腿件、52-足底坐垫。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1-4所示，本发明地实施例提供一种机器人腿部结构总成，包括第一自由度单元1，第二自由度单元2，第三自由度单元3，大腿总成4，小腿总成5，所述第二自由度单元2轴线垂直于第一自由度单元1轴线布置，所述第三自由度单元3轴线平行于第二自由度单元2轴线布置但两者轴线不重合，所述大腿总成4固定在第三自由度单元3输出端表面，所述小腿总成5一端置于大腿总成4内侧，且与第三自由度单元3相连接。

根据本发明上述实施例，本发明的一种机器人腿部结构总成，将机器人伺服关节两两连接，实现三个自由度单元配置，第三自由度单元输出轴位置连接的特殊的双连杆机构带动小腿结构的运动，降低了对连杆的要求，减轻了质量，通过在伺服关节的外壳内侧留有中空走线孔，使得电源线和信号线得以覆盖，避免了线束在运动过程中遇到的风险，通过第二第三自由度单元偏心设计，降低了运动时腿部机构产生的惯性，同时降低了能耗。

在本实施例中，如图4所示，所述第一自由度单元1包括第一伺服关节11、第一连接件12，所述第一连接件12为虎口式结构，所述第一连接件12 圆柱部分同轴连接于第一伺服关节11输出端。通过第一伺服关节11和第一连接件12实现大腿总成4左右方向上的自由度及抬腿动作。

在本实施例中，如图4、6所示，所述第二自由度单元2包括第二伺服关节21、第二连接件22，所述第二伺服关节21侧面固定在第一连接件12 虎口处，所述第二连接件22为圆环状，所述第二连接件22同轴连接于第二伺服关节21输出端。这里第二自由度单元2和第三自由度单元3不同轴布置，利用杠杆原理，将第三自由度单元3的一部分自重用以平衡机器人腿部结构的重量，通过第二自由度单元2和第二连接件22带动第三自由度单元3、大腿总成4绕第二自由度单元2中轴线转动，实现大腿总成4前后方向上的自由度及抬腿动作，提升了第二伺服关节21输出效率，降低了运动时腿部机构产生的惯性，同时降低了能耗。

本实施例中，所述第三自由度单元3包括第三伺服关节31、双连杆传动结构32，所述第三伺服关节31后盖固定于第二连接件22，所述第三伺服关节31与第二伺服关节21不同轴布置，所述双连杆传动结构32主动端连接于第三伺服关节31输出端。第三伺服关节31通过带动双连杆传动结构32，控制机器人膝关节运动并带动小腿总成5前后方向上的自由度及收腿动作。

进一步地，如图7-8所示，每个自由度单元内部线束被伺服关节外壳有序压在伺服关节内部支座上，线束从伺服关节内部两侧留有的中空孔中贯穿而出，一般地，线束均位于机器人髋关节的下部，并从侧边穿出连接至第一自由度单元的外侧，即机器人的髋关节内侧，目的是避免在剧烈运动时关节之间的转动副磨损电源线和信号线，同时也避免了线束对关节转动的影响，保证了机器人运动状态下的正常运行。

进一步地，所述双连杆传动结构32包括主动端法兰盘321、右连杆322、左连杆323、传动端轴承324、传动端基座325，所述主动法兰盘321固定于第三伺服关节31输出端，所述右连杆322一端连接于主动法兰盘321，另一端连接于传动端基座325，所述左连杆323一端连接于主动法兰盘321，另一端连接于传动端基座325且平行于右连杆322，所述传动端轴承324平行置于传动端基座325内外两侧，所述传动端轴承324内侧皆固定于腿间圆轴件43，所述传动端轴承324外侧皆固定于传动端基座325。

左连杆323、右连杆322的上下端分别铰接在法兰盘321和传动端基座上，法兰盘上的两个铰接点和传动端基座的两个铰接点自然地形成了一个平行四边形，保证了第三伺服关节31转动的角度与传动端基座325转动的角度相等，即小腿总成5的角度，能够使第三伺服关节31角度环形成闭环，相当于将位于大腿总成4上端髋关节的第二自由度单元转化为位于膝关节同轴相接的自由度单元，即将第三伺服关节31中轴线转化为与腿间圆轴件43同轴，既减轻了膝关节处的质量，布局结构又减少了机器人大腿总成4和小腿总成5的转动惯量，避免了剧烈运动时膝关节处伺服关节的磨损；同时由于拉杆具有一定的延展性和韧性，在小腿总成4剧烈运动或收到猛烈冲击时能够吸收一部分能力，保证了第三伺服关节31的安全，同时，双连杆传动结构32在往同一方向旋转时，无论顺时针还是逆时针，达到限位角度时，双杆并排致使伺服关节不能再往同方向旋转，从而保证旋转的角度的多少，达到限位目的，保证小腿总成5的旋转角度可控，节省了额外的限位结构，使得结构紧凑精炼。

在本实施例中，所述大腿总成4包括大腿内侧件41、大腿外侧件42、腿间圆轴件43，所述大腿内侧件41固定于第三伺服关节31输出端表面，所述大腿外侧件42固定于大腿内侧件41，所述双连杆传动结构32布置于大腿内侧件41与大腿外侧件42内部，所述腿间圆轴件43连接于大腿内侧件41且顶部固定于大腿外侧件42内侧。大腿总成4的作用在于连接第三伺服关节和小腿总成5，法兰盘321穿过大腿内侧件41上端的中空孔与第三伺服关节31输出端直连，并将双连杆传动结构保护起来，以免外界环境的干扰，将转矩输出给下端传动端基座325及小腿件51，结构简单，容易实现。

在本实施例中，所述小腿总成5包括小腿件51、足底座垫52，所述小腿件51上端连接于腿间连接件43，所述小腿件51上端固定于双连杆传动结构32传动端，所述足底座垫52固定于小腿件51下端。小腿总成5在第三伺服关节31和双连杆传动结构32的输出下，完成和地面的接触，并完成一系列需求的精密动作。

本发明的一种机器腿，将机器人伺服关节两两连接，实现三个自由度单元配置，第三自由度单元输出轴位置连接的双连杆机构带动小腿结构的运动，降低了对连杆的要求，减轻了质量，通过在伺服关节的外壳内侧留有中空走线孔，使得电源线和信号线得以覆盖，避免了线束在运动过程中遇到的风险，通过第二第三自由度单元偏心设计，降低了运动时腿部机构产生的惯性，同时降低了能耗。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种机器腿，其特征在于，包括第一自由度单元(1)，第二自由度单元(2)，第三自由度单元(3)，大腿总成(4)，小腿总成(5)；

所述第二自由度单元(2)轴线垂直于第一自由度单元(1)轴线布置；

所述第三自由度单元(3)轴线平行于第二自由度单元(2)轴线布置但两者轴线不重合；

所述大腿总成(4)固定在第三自由度单元(3)输出端表面；

所述小腿总成(5)一端置于大腿总成(4)内侧，且与第三自由度单元(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种机器腿，其特征在于，所述第一自由度单元(1)包括第一伺服关节(11)、第一连接件(12)；

所述第一连接件(12)为虎口式结构；

所述第一连接件(12)圆柱部分同轴连接于第一伺服关节(11)输出端。

3.根据权利要求1所述的一种机器腿，其特征在于，所述第二自由度单元(2)包括第二伺服关节(21)、第二连接件(22)；

所述第二伺服关节(21)侧面固定在第一连接件(12)虎口处；

所述第二连接件(22)为圆环状；

所述第二连接件(22)同轴连接于第二伺服关节(21)输出端。

4.根据权利要求1所述的一种机器腿，其特征在于，所述第三自由度单元(3)包括第三伺服关节(31)、双连杆传动结构(32)；

所述第三伺服关节(31)后盖固定于第二连接件(22)；

所述第三伺服关节(31)与第二伺服关节(21)不同轴布置；

所述双连杆传动结构(32)主动端连接于第三伺服关节(31)输出端。

5.根据权利要求1所述的一种机器腿，其特征在于，所述大腿总成(4)包括大腿内侧件(41)、大腿外侧件(42)、腿间圆轴件(43)；

所述大腿内侧件(41)固定于第三伺服关节(31)输出端表面；

所述大腿外侧件(42)固定于大腿内侧件(41)；

所述双连杆传动结构(32)布置于大腿内侧件(41)与大腿外侧件(42)内部；

所述腿间圆轴件(43)连接于大腿内侧件(41)且顶部固定于大腿外侧件(42)内侧。

6.根据权利要求1所述的一种机器腿，其特征在于，所述小腿总成(5)包括小腿件(51)、足底座垫(52)；

所述小腿件(51)上端连接于腿间连接件(43)；

所述小腿件(51)上端固定于双连杆传动结构(32)传动端；

所述足底座垫(52)固定于小腿件(51)下端。

7.根据权利要求4所述的一种机器腿，其特征在于，所述双连杆传动结构(32)包括主动端法兰盘(321)、右连杆(322)、左连杆(323)、传动端轴承(324)、传动端基座(325)；

所述主动法兰盘(321)固定于第三伺服关节(31)输出端；

所述右连杆(322)一端连接于主动法兰盘(321)，另一端连接于传动端基座(325)；

所述左连杆(323)一端连接于主动法兰盘(321)，另一端连接于传动端基座(325)且平行于右连杆(322)；

所述传动端轴承(324)平行置于传动端基座(325)内外两侧；

所述传动端轴承(324)内侧皆固定于腿间圆轴件(43)；

所述传动端轴承(324)外侧皆固定于传动端基座(325)。

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