CN116605329A - 双足机器人的下肢组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机器人技术领域，公开了一种双足机器人的下肢组件。该下肢组件至少包括髋关节、膝关节、踝关节以及多个执行器；第一执行器设置在髋关节的预设位置，用于串联驱动髋关节运动；第二执行器设置在髋关节的预设位置的相对侧，用于串联驱动膝关节运动；第三执行器设置在膝关节和踝关节之间，用于并联驱动踝关节运动；其中，下肢组件在站立状态下，第一执行器和第二执行器的纵向坐标高于第三执行器的纵向坐标。采用该下肢组件可提高下肢组件的质心，降低下肢组件的控制难度。

Description

双足机器人的下肢组件

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，例如涉及一种双足机器人的下肢组件。

背景技术

目前，双足机器人的实现需要机械结构件以及对应的控制算法。其中，机械结构件中包含了各关节以及驱动各关节运动的执行器，而控制算法通过对执行器的控制，使各关节协调运动，使机器人完成既定动作，并维持机器人的平衡。

例如，在机器人的下肢组件中，机械结构件包含了髋关节、膝关节、踝关节，以及驱动髋关节运动的执行器、驱动膝关节运动的执行器和驱动踝关节运动的执行器。通过控制算法对各执行器进行控制，可使髋关节、膝关节、踝关节的动作相互配合，使下肢组件完成行动动作、站立动作等既定动作并维持机器人平衡。

在实现本申请实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

驱动髋关节运动的执行器设置在髋关节，驱动膝关节运动的执行器设置在膝关节，驱动踝关节运动的执行器设置在踝关节，这种情况下，驱动膝关节运动的执行器所输出的扭矩不仅需要克服小腿结构件以及脚掌结构件本身的转动惯量，还需克服踝关节处执行器的转动惯量，这导致对膝关节处执行器的输出扭矩的需求较高；与此同时，驱动髋关节运动的执行器所输出的扭矩不仅需要克服大腿结构件、小腿结构件以及脚掌结构件本身的转动惯量，还需要克服踝关节处执行器的转动惯量以及膝关节处执行器的转动惯量；踝关节处设置的执行器提高了对膝关节执行器所输出扭矩的需求，膝关节处需设置输出扭矩较高的执行器，又执行器所输出的扭矩大小与其本身的质量大小正相关，因此膝关节处执行器的质量更大，这进一步地提高了对髋关节处执行器的输出扭矩的需求；机器人在静止状态和运动状态切换时，这些执行器所输出的扭矩的变化幅度大，导致下肢组件的控制难度较高；与此同时，踝关节处执行器的转动惯量、膝关节处执行器的转动惯量对机器人平衡控制的不利影响较大，导致机器人的平衡控制难度较高。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本申请实施例提供了一种双足机器人的下肢组件，通过调整执行器的设置位置，使下肢组件的整体质心上移，降低对各执行器的输出扭矩的需求，并降低各执行器的转动惯量，降低机器人的控制难度。

在一些实施例中，双足机器人的下肢组件至少包括髋关节、膝关节、踝关节以及多个执行器；第一执行器设置在所述髋关节的预设位置，用于串联驱动所述髋关节运动；第二执行器设置在所述髋关节的预设位置的相对侧，用于串联驱动所述膝关节运动；第三执行器设置在所述膝关节和所述踝关节之间，用于并联驱动所述踝关节运动；其中，所述下肢组件在站立状态下，所述第一执行器和所述第二执行器的纵向坐标高于所述第三执行器的纵向坐标。

可选地，所述预设位置在所述髋关节的回转轴处，所述回转轴与所述第一执行器的输出端同轴，所述第一执行器驱动所述下肢组件的大腿结构件以所述回转轴为中心转动。

可选地，所述大腿结构件呈板状，所述大腿结构件的一侧面通过所述回转轴与所述髋关节活动连接；所述第二执行器设置在所述大腿结构件的另一侧面，与所述第一执行器相对；所述下肢组件在站立状态下，所述第一执行器的纵向坐标高于所述第二执行器的纵向坐标。

可选地，所述下肢组件的大腿结构件设置中空夹层；所述第二执行器的输出端位于所述中空夹层内，通过设置在所述中空夹层内的传动连接件与所述膝关节传动连接，以驱动所述下肢组件的小腿结构件以所述膝关节为中心转动。

可选地，所述下肢组件的小腿结构件包括第一端部、第二端部和小腿骨部，所述第一端部和所述第二端部分别位于所述小腿骨部沿长度方向的两端，所述第一端部通过所述膝关节与所述下肢组件的大腿结构件连接，所述第二端部通过所述踝关节与所述下肢组件的脚掌结构件连接。

可选地，所述下肢组件还包括第四执行器；所述第三执行器和所述第四执行器中的一个设置在所述小腿骨部，且靠近所述第一端部，另一个设置在所述膝关节；或者，所述第三执行器和所述第四执行器均设置在所述小腿骨部，且靠近所述第一端部。

可选地，所述第三执行器的输出端的轴心与所述第四执行器的输出端的轴心垂直或平行，所述第三执行器和所述第四执行器均与所述踝关节传动连接，用于驱动所述踝关节运动。

可选地，所述小腿骨部开设与所述第三执行器和/或所述第四执行器适配的安装空间，所述安装空间贯穿所述小腿结构件；所述第三执行器和/或所述第四执行器设置在所述安装空间内。

可选地，所述脚掌结构件与所述第二端部万向转动连接；所述脚掌结构件的脚掌端或脚跟端的内外两侧分别通过曲柄与所述第三执行器和所述第四执行器传动连接；或者，所述脚掌结构件的内侧或外侧通过曲柄与所述第三执行器传动连接，所述脚掌结构件的脚掌端或脚跟端通过曲柄与所述第四执行器传动连接；

所述第三执行器和所述第四执行器二者配合驱动所述脚掌结构件相对于所述小腿结构件的第二端部万向转动。

可选地，所述第一执行器的质量大于所述第三执行器的质量，所述第二执行器的质量大于所述第三执行器的质量。

可选地，所述第一执行器的减速比小于所述第三执行器的减速比，所述第二执行器的减速比小于所述第三执行器的减速比。

本申请实施例提供的双足机器人的下肢组件，可以实现以下技术效果：

第三执行器设置在膝关节和踝关节之间，使第三执行器相对于膝关节的转动惯量较小，第三执行器相对于髋关节的转动惯量较小，降低对第二执行器以及第一执行器的输出扭矩的要求；第二执行器设置在髋关节的预设位置的相对侧，使第二执行器相对于髋关节的转动惯量较小，降低了对第一执行器的输出扭矩的需求；与此同时，第三执行器的设置位置降低了对第二执行器的输出扭矩的需求，第二执行器可采用较小输出扭矩的执行器，这降低了第二执行器的质量，也降低了第二执行器相对于髋关节的转动惯量，降低了对第一执行器的输出扭矩的需求，降低了下肢组件的控制难度；

与此同时，第三执行器的设置位置减小了第三执行器的相对于髋关节的转动惯量，使下肢组件的质量分布向髋关节聚集，提高了下肢组件的质心；第二执行器的设置位置，也减小了第二执行器相对于髋关节的转动惯量，使下肢组件的质量分布向髋关节聚集，提高了下肢组件的质心，这样，在降低了第一执行器以及第二执行器的质量的基础上，仍能使下肢组件的质量分布向髋关节聚集，使下肢组件的物理模型更逼近于距离地面较高的刚体，降低踝关节执行器的转动惯量、膝关节执行器的转动惯量对机器人平衡控制的影响，降低了机器人平衡控制的难度。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件视为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本申请实施例提供的双足机器人的下肢组件的一种动作形态的轴测示意图；

图2是本申请实施例提供的双足机器人的下肢组件另一种动作形态的主视图；

图3是本申请实施例提供的双足机器人的下肢组件的另一种动作形态的左视图；

图4是本申请实施例提供的双足机器人的下肢组件的另一种动作形态的右视图。

附图标记：

11、髋关节；111、回转轴；12、膝关节；13、踝关节；21、第一执行器；22、第二执行器；23、第三执行器；24、第四执行器；31、大腿结构件；311、中空夹层；312、第一大腿结构板；313、第二大腿结构板；32、小腿结构件；33、脚掌结构件。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本申请实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本申请实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

结合图1至图4所示，本申请实施例中的下肢组件至少包括髋关节11、膝关节12、踝关节13以及多个执行器；

第一执行器21设置在髋关节11的预设位置，用于串联驱动髋关节11运动；

第二执行器22设置在髋关节11的预设位置的相对侧，用于串联驱动膝关节12运动；

第三执行器23设置在膝关节12和踝关节13之间，用于并联驱动踝关节13运动；

其中，下肢组件在站立状态下，第一执行器21和第二执行器22的纵向坐标高于第三执行器23的纵向坐标。

本申请实施例中的下肢组件可应用于双足机器人。在下肢组件应用于双足机器人之后，前述下肢组件的站立状态，指的是双足机器人的站立状态。

第一执行器21、第二执行器22以及第三执行器23可在同一坐标系内进行位置表示，第一执行器21、第二执行器22以及第三执行器23所在坐标系的纵坐标轴与水平面垂直。第一执行器21和第二坐标系的纵向坐标高于第三执行器23的纵向坐标，表示下肢组件在站立状态下，第一执行器21与下肢组件的脚掌结构件33所在的水平面之间的距离，大于第三执行器23与下肢组件的脚掌结构件33所在的水平面之间的距离；第二执行器22与下肢组件的脚掌结构件33所在的水平面之间的距离，大于第三执行器23与下肢组件的脚掌结构件33所在的水平面之间的距离。

本申请实施例中的第一执行器21、第二执行器22以及第三执行器23可为由电机以及减速器构成的执行器，电机的输出端与减速器的输入端传动连接，减速器的输出端为执行器的输出端。

本申请实施例中的串联驱动，指的是由一个执行器驱动一个机器人结构件运动。第一执行器21串联驱动髋关节11运动，指的是仅由一个第一执行器21驱动髋关节11运动。在实际应用中，髋关节11的运动方向包括三个自由度，本申请实施例中的第一执行器21串联驱动髋关节11运动，可以是仅由第一执行器21驱动髋关节11在前后自由度的运动。第二执行器22串联驱动膝关节12运动，指的是仅由一个第二执行器22驱动膝关节12运动。

在第一执行器21串联驱动髋关节11，第二执行器22串联驱动膝关节12运动的应用场景中，髋关节11和膝关节12均可独立动作。例如，在由第一执行器21驱动髋关节11在前后自由度运动的情况下，双足机器人可实现抬腿动作，而在双足机器人实现抬腿动作的过程中，膝关节12可维持原有角度不变，如膝关节12可维持180°不变(大腿结构件和小腿结构件在一条直线上)，这样实现了前蹬腿动作；或者，膝关节12可由180°弯曲为90°(大腿结构件和小腿结构件由在同一直线的状态，渐变为二者呈90°)，这样实现了高抬腿动作。

本申请实施例中的并联驱动，指的是由至少两个执行器驱动一个机器人结构件运动。第三执行器23并联驱动踝关节13运动，指的是由第三执行器23和另外一个或多个执行器驱动踝关节运动，例如，可以由一个第三执行器23和一个第四执行器24相互配合，实现对踝关节13的驱动。

在本申请实施例提供的双足机器人的下肢组件中，第三执行器23设置在膝关节12和踝关节13之间，使第三执行器23相对于膝关节12的转动惯量较小，第三执行器23相对于髋关节11的转动惯量较小，降低对第二执行器22以及第一执行器21的输出扭矩的要求；第二执行器22设置在髋关节11的预设位置的相对侧，使第二执行器22相对于髋关节11的转动惯量较小，降低了对第一执行器21的输出扭矩的需求；与此同时，第三执行器23的设置位置降低了对第二执行器22的输出扭矩的需求，第二执行器22可采用较小输出扭矩的执行器，这降低了第二执行器22的质量，也降低了第二执行器22相对于髋关节11的转动惯量，降低了对第一执行器21的输出扭矩的需求，降低了下肢组件的控制难度。

与此同时，第三执行器23的设置位置减小了第三执行器23的相对于髋关节11的转动惯量，使下肢组件的质量分布向髋关节11聚集，提高了下肢组件的质心；第二执行器22的设置位置，也减小了第二执行器22相对于髋关节11的转动惯量，使下肢组件的质量分布向髋关节11聚集，提高了下肢组件的质心，这样，在降低了第一执行器21以及第二执行器22的质量的基础上，仍能使下肢组件的质量分布向髋关节11聚集，使下肢组件的物理模型更逼近于距离地面较高的刚体，降低踝关节13的执行器的转动惯量、膝关节12的执行器的转动惯量对机器人平衡控制的影响，降低了机器人平衡控制的难度。

在实际应用中，下肢组件还包括大腿结构件31、小腿结构件32以及脚掌结构件33，大腿结构件31与髋关节11连接，大腿结构件31与小腿结构件32通过膝关节12连接，小腿结构件32与脚掌结构件33通过踝关节13连接。

以下对第一执行器21和第二执行器22进行示例性说明。

预设位置可在髋关节11的回转轴111处，回转轴111与第一执行器21的输出端同轴，第一执行器21驱动下肢组件的大腿结构件31以回转轴111为中心转动。

上述回转轴111可为大腿结构件31与髋关节11的连接轴。进一步地，回转轴111为髋关节11的前后摆动自由度的摆动轴心。下肢组件的髋关节11包括三个自由度，前后摆自由度、侧摆自由度以及旋转自由度，髋关节11在每个自由度的运动可在对应执行器的驱动下完成。其中，前后摆自由度指的是大腿结构件31相对于髋关节11的前后摆动，侧摆自由度指的是大腿结构件31相对于髋关节11的左右摆动，在实际应用中，大腿结构件31在前后摆自由度的摆动幅度大于大腿结构件31在侧摆自由度的摆动幅度，前述回转轴111为髋关节11前后摆自由度的摆动轴心，意味着髋关节11的侧摆自由度的回转轴(图中未示出)和旋转自由度的回转轴的纵向坐标高于前后摆动自由度的回转轴111的纵向坐标，在第一执行器21驱动髋关节11沿前后摆自由度运动的过程中，无需克服驱动髋关节11沿侧摆自由度运动的执行器以及驱动髋关节11沿旋转自由度运动的执行器所带来的转动惯量，降低了对第一执行器21的输出扭矩的需求。

进一步地，下肢组件在站立状态下，第一执行器21的纵向坐标高于第二执行器22的纵向坐标。

以下再次结合大腿结构件31，对该下肢组件进行示例性说明。

可选地，大腿结构件31呈板状，大腿结构件31的一侧面通过回转轴111与髋关节11活动连接；第二执行器22设置在大腿结构件31的另一侧面，与第一执行器21相对；下肢组件在站立状态下，第一执行器21的纵向坐标高于第二执行器22的纵向坐标。这样，第二执行器22相对于髋关节11的转动惯量较小，有利于降低对第一执行器21的输出扭矩的需求。

进一步地，大腿结构件31设置中空夹层311；第二执行器22的输出端位于中空夹层311内，通过设置在中空夹层311中的传动连接件与膝关节12传动连接，以驱动下肢组件的小腿结构件32以膝关节12为中心转动。

例如，大腿结构件31可由第一大腿结构板312和第二大腿结构板313贴合形成；其中，第一大腿结构板312设置折边，第二大腿结构板313设置折边，第一大腿结构板312板的折边与第二大腿结构板313的折边贴合，形成中空夹层311。

大腿结构件31的外层可开设用于安装第二执行器22的安装通孔，第二执行器22的外壳与大腿结构件31的外层固定连接，第二执行器22沿安装通孔深入大腿结构件31的中空夹层311内。

前述传动连接件可为连杆，即第二执行器22的输出端可通过连杆与膝关节12传动连接。

以下结合小腿结构件32，对该下肢组件进行示例性说明。

可选地，下肢组件的小腿结构件32包括第一端部、第二端部和小腿骨部，第一端部和第二端部分别位于小腿骨部沿长度方向的两端，第一端部通过膝关节12与下肢组件的大腿结构件31连接，第二端部通过踝关节13与下肢组件的脚掌结构件33连接；第三执行器23设置在小腿骨部，且第三执行器23与第一端部的距离小于第三执行器23与第二端部的距离；或者，第三执行器23设置在膝关节12(图中未示出)。

这样，有利于降低第三执行器23相对于膝关节12的转动惯量，降低对第二执行器22的输出扭矩的需求，进而有利于降低第二执行器22的质量，降低第二执行器22器相对于髋关节11的转动惯量，有利于降低对第一执行器21的输出扭矩的需求，降低了下肢组件的控制难度。

该下肢组件还可包括第四执行器24，第三执行器23和第四执行器24中的一个设置在小腿骨部，且靠近第一端部，另一个设置在膝关节13；或者，第三执行器23和第四执行器24均设置在小腿骨部，且靠近第一端部；

第三执行器23的输出端的轴心与第四执行器24的输出端的轴心平行，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

或者，第三执行器23的输出端的轴心与第四执行器24的输出端的轴心垂直(图中未示出)，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

这样，有利于降低第四执行器24相对于膝关节12的转动惯量，降低对第二执行器22的输出扭矩的需求，进而有利于降低第二执行器22的质量，降低第二执行器22器相对于髋关节11的转动惯量，有利于降低对第一执行器21的输出扭矩的需求，降低了下肢组件的控制难度。

上述方案中的靠近第一端部，指的是该执行器与第一端部的距离，小于该执行器与第二端部的距离。

上述方案包括以下实施方式：

第一种实施方式：第三执行器23和第四执行器24中的一个设置在小腿骨部，且靠近第一端部，另一个设置在膝关节13；第三执行器23的输出端的轴心与第四执行器24的输出端的轴心平行，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

第二种实施方式，第三执行器23和第四执行器24中的一个设置在小腿骨部，且靠近第一端部，另一个设置在膝关节13；第三执行器23的输出端的轴心与第四执行器24的输出端的轴心垂直(图中未示出)，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

第三种实施方式，第三执行器23和第四执行器24均设置在小腿骨部，且靠近第一端部；第三执行器23的输出端的轴心与第四执行器24的输出端的轴心平行，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

第四种实施方式，第三执行器23和第四执行器24均设置在小腿骨部，且靠近第一端部；第三执行器23的输出端的轴心与第四执行器24的输出端的轴心垂直(图中未示出)，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

本申请实施例中的第四执行器24可为由电机和减速器构成的执行器，电机的输出端与减速器的输入端传动连接，减速器的输出端为执行器的输出端。

进一步地，在第三执行器23和第四执行器24的输出端的轴心平行的情况下，第三执行器23和第四执行器24可相对设置，第三执行器23和第四执行器24均与踝关节13传动连接，用于驱动踝关节13运动。

例如，第三执行器23的输出端指向左右之中的一个方向，第四执行器24的输出端指向左右之中的另一个方向。

具体地，小腿结构件32的小腿骨部开设与第三执行器23和/或第四执行器24适配的安装空间，安装空间贯穿小腿结构件32；第三执行器23和/或第四执行器24设置在安装空间内。这样可缩小小腿结构件的体积。

上述技术方案包含两种实施方式，第一种实施方式：小腿结构件32开设与第三执行器23适配的安装空间，安装空间贯穿小腿结构件32，第三执行器23设置在安装空间内，小腿结构件32不为第四执行器24开设安装空间。第三执行器23设置在小腿骨部，第四执行器24可设置在小腿骨部，第四执行器24也可设置在膝关节13。

第二种实施方式，小腿结构件32分别开设与第三执行器23和第四执行器24适配的安装空间，安装空间贯穿小腿结构件32，第三执行器23和第四执行器24分别设置在对应的安装空间内。第三执行器23和第四执行器24均设置在小腿骨部。

再进一步地，安装空间沿左右方向贯穿小腿结构件32，在第三执行器23和第四执行器24设置在安装空间之后，第三执行器23和第四执行器24中的一个执行器的输出端指向左右之中的一个方向，第三执行器23和第四执行器24中的另一个执行器的输出端指向左右之中的另一个方向。

以下对第三执行器23和第四执行器24驱动踝关节13运动进行示例性说明。

可选地，下肢组件还包括脚掌结构件33，脚掌结构件33与小腿结构件32的第二端部万向转动连接，脚掌结构件33的脚掌端或脚跟端的内外两侧分别通过曲柄与第三执行器23和第四执行器24传动连接，或者，脚掌结构件33的内侧或外侧通过曲柄与第三执行器23传动连接，脚掌结构件33的脚掌端或脚踝端通过曲柄与第四执行器24传动连接；第三执行器23和第四执行器24二者配合驱动脚掌结构件33相对于小腿结构件32的第二端部万向转动。

如果脚掌结构件33的脚掌端的内外两侧分别通过曲柄与第三执行器23和第四执行器24传动连接，则第三执行器23和第四执行器24通过曲柄传动，同时带动脚掌端向上运动，可实现脚掌结构件33的背屈动作；第三执行器23和第四执行器24通过曲柄传动，同时带动脚掌端向下运动，可实现脚掌结构件33的趾屈动作；第三执行器23和第四执行器24中的一个通过曲柄传动，带动脚掌端向上运动，第三执行器23和第四执行器24中的另一个通过曲柄传动，带动脚掌端向下运动，可实现脚掌结构件33的内翻动作或外翻动作。

如果脚跟端的内外两侧分别通过曲柄与第三执行器23和第四执行器24传动连接，则第三执行器23和第四执行器24通过曲柄传动，同时带动脚跟端向下运动，可实现脚掌结构件33的背屈动作；第三执行器23和第四执行器24通过曲柄传动，同时带动脚跟端向上运动，可实现脚掌结构件33的趾屈动作；第三执行器23和第四执行器24中的一个通过曲柄传动，带动脚跟端向下运动，第三执行器23和第四执行器24中的另一个通过曲柄传动，带动脚跟端向上运动，可实现脚掌结构件33的内翻动作或外翻动作。

如果脚掌结构件33的内侧或外侧通过曲柄与第三执行器23传动连接，脚掌结构件33的脚掌端或脚踝端通过曲柄与第四执行器24传动连接，则第三执行器23通过曲柄转动，维持脚掌内外平稳，在第四执行器24通过曲柄与曲柄转动，带动脚掌端向上运动的情况下，可实现脚掌结构件33的背屈动作，则在第四执行器24通过曲柄与曲柄转动，带动脚掌端向下运动的情况下，可实现脚掌结构件33的趾屈动作；第四执行器14通过曲柄转动，维持脚掌端和脚跟端平稳，在第三执行器23通过曲柄转动，带动内侧向上运动的情况下，可实现脚掌结构件33的内翻动作，在第三执行器23通过曲柄转动，带动内侧向下运动的情况下，可实现脚掌结构件33的外翻动作。

脚掌结构件33与小腿结构件32的第二端部可通过万向节实现万向传动连接。

采用上述结构，第三执行器23和第四执行器24可驱动踝关节13运动。

进一步地，第一执行器21的质量大于第三执行器23的质量，第二执行器22的质量大于第三执行器23的质量。

下肢组件在站立状态下，第一执行器21和第二执行器22的纵向坐标高于第三执行器23的纵向坐标，再使第一执行器21和第二执行器22的质量大于第三执行器23的质量，有利于提高下肢组件的质心，并且，有利于下肢组件的质量分布向髋关节11聚集，使下肢组件的物理模型更逼近于距离地面较高的刚体，降低踝关节13的执行器的转动惯量、膝关节12的执行器的转动惯量对机器人平衡控制的不利影响，降低了机器人平衡控制的难度。

或者，第一执行器21的减速比小于第三执行器23的减速比，第二执行器22的减速比小于第三执行器23的减速比。

对于由电机和减速器构成的执行器而言，在最大输出扭矩相同的情况下，执行器的减速比越小，则执行器的电机的最大输出扭矩越大，电机的体积、质量越大，执行器的体积、质量越大；在下肢组件的设计过程中，在对下肢组件对踝关节13、膝关节12以及髋关节11的最大扭矩的需求不变的情况下，第一执行器21的减速比小于第三执行器23的减速比，导致第一执行器21的质量相对较大，使第三执行器23的质量相对较小，第二执行器22的减速比小于第三执行器23的减速比，导致第二执行器22的质量相对较大，第三执行器23质量相对较小，又由于下肢组件在站立状态下，第一执行器21和第二执行器22的纵向坐标高于第三执行器23的纵向坐标，这样，质量相对较大的第一执行器21和第二执行器22，以及质量相对较小的第三执行器23可共同提高下肢组件的质心，使下肢组件的物理模型更逼近于距离地面较高的刚体，降低踝关节13的执行器的转动惯量、膝关节12的执行器的转动惯量对机器人平衡控制的影响，降低了机器人平衡控制的难度。

并且，第三执行器23设置在踝关节13和膝关节12之间，相比于常规的设置在踝关节13的方式，使第三执行器23相对于膝关节12的转动惯量较小，第三执行器23相对于髋关节11的转动惯量较小，降低对第二执行器22以及第一执行器21的输出扭矩的要求，在减速比不变的情况下，对第一执行器21和第二执行器22的输出扭矩的要求越低，第一执行器21和第二执行器22的质量越小；又因为第一执行器21的减速比小于第三执行器23的减速比，以及，第二执行器22的减速比小于第三执行器23的减速比，在对第一执行器21和第二执行器22的输出扭矩的要求不变的情况下，会导致第一执行器21和第二执行器22的质量相对较大。在这种情况下，一方面第三执行器23较小的转动惯量会降低对第一执行器21和第二执行器22输出扭矩的要求，导致第一执行器21和第二执行器22的质量相对较小，与此同时，另一方面较小的减速比又导致第一执行器21和第二执行器22的质量相对较大，二者结合仍可使下肢组件的质量分布向髋关节11聚集，有利于维持下肢组件的距离地面较高的刚体模型，有利于降低机器人平衡控制的难度。

另外，第一执行器21和第二执行器22的减速比相对较小，可提高执行器的透明度，这样，髋关节11的受力变化，更容易反馈为第一执行器21中电机的驱动电流和/或电压的变化；膝关节12的受力变化，更容易反馈为第二执行器22中电机的驱动电流和/或电压的变化。进一步地，机器人的脚掌结构件33的受力变化，会反馈为膝关节12的受力变化以及髋关节11的受力变化，进而反馈为第一执行器21以及第二执行器22中电机的驱动电流和/或电压的变化，这样，在维持机器人平衡的过程中，可通过第一执行器21以及第二执行器22中电机的驱动电流和/或电压的变化来判断机器人的脚掌结构件33的受力变化，进而更快地依据机器人平衡控制算法计算出第一执行器21以及第二执行器22的输出扭矩，在该维持机器人平衡的过程中，脚掌结构件33受力变化的反馈时延小，更有利于机器人平衡控制算法维持机器人的平衡，降低了机器人平衡控制的难度。

最后，第三执行器23的减速比相对较大，使第三执行器23的体积相对较小，有利于缩小踝关节13的体积以及质量。而较小质量的踝关节13在其受力发生变化后，更容易准确地将其受力的变化反馈为机器人膝关节12以及髋关节13的受力变化，进而反馈为第一执行器21以及第二执行器22中电机的驱动电流和/或电压的变化，这进一步地促进机器人平衡控制算法维持机器人的平衡的能力，进一步降低了机器人平衡控制的难度。

以上描述和附图充分地示出了本申请的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本申请的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种双足机器人的下肢组件，其特征在于，至少包括髋关节、膝关节、踝关节以及多个执行器；

第一执行器设置在所述髋关节的预设位置，用于串联驱动所述髋关节运动；

第二执行器设置在所述髋关节的预设位置的相对侧，用于串联驱动所述膝关节运动；

第三执行器设置在所述膝关节和所述踝关节之间，用于并联驱动所述踝关节运动；

其中，所述下肢组件在站立状态下，所述第一执行器和所述第二执行器的纵向坐标高于所述第三执行器的纵向坐标。

2.根据权利要求1所述的下肢组件，其特征在于，所述预设位置在所述髋关节的回转轴处，所述回转轴与所述第一执行器的输出端同轴，所述第一执行器驱动所述下肢组件的大腿结构件以所述回转轴为中心转动。

3.根据权利要求2所述的下肢组件，其特征在于，所述大腿结构件呈板状，所述大腿结构件的一侧面通过所述回转轴与所述髋关节活动连接；

所述第二执行器设置在所述大腿结构件的另一侧面，与所述第一执行器相对；所述下肢组件在站立状态下，所述第一执行器的纵向坐标高于所述第二执行器的纵向坐标。

4.根据权利要求1所述的下肢组件，其特征在于，所述下肢组件的大腿结构件设置中空夹层；

所述第二执行器的输出端位于所述中空夹层内，通过设置在所述中空夹层内的传动连接件与所述膝关节传动连接，以驱动所述下肢组件的小腿结构件以所述膝关节为中心转动。

5.根据权利要求1所述的下肢组件，其特征在于，所述下肢组件的小腿结构件包括第一端部、第二端部和小腿骨部，所述第一端部和所述第二端部分别位于所述小腿骨部沿长度方向的两端，所述第一端部通过所述膝关节与所述下肢组件的大腿结构件连接，所述第二端部通过所述踝关节与所述下肢组件的脚掌结构件连接。

6.根据权利要求5所述的下肢组件，其特征在于，还包括第四执行器；

所述第三执行器和所述第四执行器中的一个设置在所述小腿骨部，且靠近所述第一端部，另一个设置在所述膝关节；或者，所述第三执行器和所述第四执行器均设置在所述小腿骨部，且靠近所述第一端部。

7.根据权利要求6所述的下肢组件，其特征在于，所述第三执行器的输出端的轴心与所述第四执行器的输出端的轴心垂直或平行，所述第三执行器和所述第四执行器均与所述踝关节传动连接，用于驱动所述踝关节运动。

8.根据权利要求6所述的下肢组件，其特征在于，所述小腿骨部开设与所述第三执行器和/或所述第四执行器适配的安装空间，所述安装空间贯穿所述小腿结构件；

所述第三执行器和/或所述第四执行器设置在所述安装空间内。

9.根据权利要求6所述的下肢组件，其特征在于，所述脚掌结构件与所述第二端部万向转动连接；

所述脚掌结构件的脚掌端或脚跟端的内外两侧分别通过曲柄与所述第三执行器和所述第四执行器传动连接；或者，所述脚掌结构件的内侧或外侧通过曲柄与所述第三执行器传动连接，所述脚掌结构件的脚掌端或脚跟端通过曲柄与所述第四执行器传动连接；

所述第三执行器和所述第四执行器二者配合驱动所述脚掌结构件相对于所述小腿结构件的第二端部万向转动。

10.根据权利要求1至9任一项所述的下肢组件，其特征在于，所述第一执行器的质量大于所述第三执行器的质量，所述第二执行器的质量大于所述第三执行器的质量；

或者，所述第一执行器的减速比小于所述第三执行器的减速比，所述第二执行器的减速比小于所述第三执行器的减速比。