CN117262067A - 髋关节结构、腿部结构及六自由度低惯量的机器人仿生腿 - Google Patents
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Abstract
髋关节结构、腿部结构及六自由度低惯量的机器人仿生腿，属于仿生腿。为了解决现有的人形仿生腿无法同时实现多自由度、布局紧凑、轻量化及低惯量的目的。本发明包括髋关节结构和腿部结构；腿部结构包括大腿、膝关节连接轴、小腿、踝关节万向节组件、脚部、膝关节曲柄摇杆驱动组件和踝关节曲柄摇杆驱动组件；大腿与小腿转动连接，小腿通过踝关节万向节组件与脚部转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件的固定端安装在大腿上，驱动端铰连接在小腿上，并驱动小腿进行前后摆动，实现小腿的俯仰动作；踝关节曲柄摇杆驱动组件的固定端安装在大腿上，驱动端连接在踝关节万向节组件上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作。本发明主要用于机器人腿部的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种腿部结构，尤其涉及一种髋关节结构、腿部结构及具有六自由度、低惯量的机器人仿生腿。
背景技术
曾经，人形机器人作为影视作品中的形象给人以无限想象，科技迅猛发展的当今世界，这种想象正在逐步成为现实。当今世界，各国都在积极地进行人形机器人技术的研究，目前人形机器人技术已经获得了许多可喜的研究成果，但人形机器人腿部作为机器人运动的重要部分仍存在许多方面的问题亟待解决。
人形机器人的腿部结构包括大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部，为了实现膝关节与踝关节的弯曲，一般将关节的驱动部件安装在对应的关节的位置处，或者将用于驱动踝关节的驱动器置于小腿或者膝关节处，这就导致小腿惯量增加。例如中国专利“CN111846008A”公开了“一种具有变刚度踝关节的双足机器人”，驱动部件包括电机和齿轮副等，通过电机与齿轮副的配合来实现关节处的弯曲。但是此种方式的设计，导致关节处的质量大，无法实现小腿及脚部的轻量化运动，且对腿部的多自由度运动产生限制。
同时，为了使人形机器人具有更高的跳跃姿态，还需要配备大力矩与高转速的执行器；为了达到更好地效果，腿部也应轻量化设计，这就需要腿部部件布局紧凑；但是由于腿部关节运动范围较大，紧凑布局较难实现，进而导致外观不够“拟人”。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种髋关节结构、腿部结构及具有六自由度、低惯量的机器人仿生腿。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种三自由度的髋关节结构，包括机身连接件、髋关节万向节、大腿连接件、两个推杆伸缩件和髋关节俯仰电机；所述的髋关节万向节包括有y轴方向的销轴和z轴方向的销轴，所述的机身连接件连接到髋关节万向节中y轴方向的销轴的两端，并绕髋关节万向节中y轴方向的销轴进行旋转；所述髋关节万向节中z轴方向的销轴的两端分别安装在大腿连接件上，大腿连接件绕髋关节万向节中z轴方向的销轴进行旋转；两个所述的推杆伸缩件分别设置在机身连接件的前后两侧，推杆伸缩件的连接端通过球轴承连接在机身连接件上，推杆伸缩件的伸出端通过球轴承连接在大腿连接件上，推杆伸缩件和大腿连接件的连接点与推杆伸缩件和机身连接件的连接点分别处于髋关节万向节中z轴方向的销轴的两侧；髋关节俯仰电机输出轴的轴线方向与x轴方向平行，髋关节俯仰电机的输出端与腿部结构的端部固定连接，驱动腿部结构绕髋关节俯仰电机输出轴的轴线方向进行旋转。
一种三自由度的腿部结构，包括大腿、膝关节连接轴、小腿、踝关节万向节组件、脚部、膝关节曲柄摇杆驱动组件和踝关节曲柄摇杆驱动组件；所述大腿的下端与小腿的上端通过膝关节连接轴转动连接，小腿的下端通过踝关节万向节组件与脚部转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件的固定端安装在大腿的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件的驱动端铰连接在小腿的上端，并驱动小腿绕膝关节连接轴的轴线方向进行前后摆动，实现小腿的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件的固定端安装在大腿的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件的驱动端连接在踝关节万向节组件上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作；
所述的踝关节万向节组件包括踝关节万向节和踝关节安装座，所述的踝关节万向节包括x轴方向的销轴和z轴方向的销轴，所述小腿的下端连接在踝关节万向节中x轴方向的销轴的两端，并绕踝关节万向节中x轴方向的销轴进行旋转；所述的踝关节安装座固定安装在脚部的脚面上，踝关节万向节中z轴方向的销轴的两端分别转动安装在踝关节安装座上，踝关节安装座及脚部绕踝关节万向节中z轴方向的销轴进行旋转；所述踝关节安装座上靠近脚部后跟的位置处设置有一根沿x轴方向布置的连接轴；
所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件包括两个相对设置在大腿与小腿两侧的踝关节驱动单元，每个踝关节驱动单元包括依次连接的踝关节驱动电机、踝关节曲柄、踝关节一级连杆、踝关节三角板和踝关节二级连杆，所述的踝关节驱动电机安装在大腿上，踝关节曲柄的一端固定连接在踝关节驱动电机的驱动端，踝关节曲柄的另一端与踝关节一级连杆的一端铰连接，踝关节一级连杆的另一端铰连接在踝关节三角板的顶角一处，踝关节三角板的顶角二与膝关节连接轴的端部铰连接，踝关节三角板的顶角三与踝关节二级连杆的一端通过球轴承铰连接，踝关节二级连杆的另一端通过球轴承铰连接在踝关节安装座的连接轴上；其中，踝关节三角板的顶角一、顶角二与顶角三顺指针依次设置，且踝关节一级连杆与踝关节二级连杆分别处于踝关节三角板的两侧。
一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，它包括髋关节结构和腿部结构；所述的腿部结构包括大腿、膝关节连接轴、小腿、踝关节万向节组件、脚部、膝关节曲柄摇杆驱动组件和踝关节曲柄摇杆驱动组件；所述大腿的下端与小腿的上端通过膝关节连接轴转动连接，小腿的下端通过踝关节万向节组件与脚部转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件的固定端安装在大腿的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件的驱动端铰连接在小腿的上端，并驱动小腿绕膝关节连接轴的轴线方向进行前后摆动，实现小腿的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件的固定端安装在大腿的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件的驱动端连接在踝关节万向节组件上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作；
所述的髋关节结构包括机身连接件、髋关节万向节、大腿连接件、两个推杆伸缩件和髋关节俯仰电机；所述的髋关节万向节包括有y轴方向的销轴和z轴方向的销轴，所述的机身连接件连接到髋关节万向节中y轴方向的销轴的两端，并绕髋关节万向节中y轴方向的销轴进行旋转；所述髋关节万向节中z轴方向的销轴的两端分别安装在大腿连接件上，大腿连接件绕髋关节万向节中z轴方向的销轴进行旋转；两个所述的推杆伸缩件分别设置在机身连接件的前后两侧，推杆伸缩件的连接端通过球轴承连接在机身连接件上，推杆伸缩件的伸出端通过球轴承连接在大腿连接件上，推杆伸缩件和大腿连接件的连接点与推杆伸缩件和机身连接件的连接点分别处于髋关节万向节中z轴方向的销轴的两侧；髋关节俯仰电机输出轴的轴线方向与x轴方向平行，髋关节俯仰电机的输出端与大腿的端部固定连接，驱动大腿绕髋关节俯仰电机输出轴的轴线方向进行旋转。
本发明与现有技术相比产生的有益效果是：
1、本申请通过两方面的设计使得腿部结构整体结构更加紧凑，外观更加“拟人”化。一是，结构上布局的设计：髋关节结构与腿部结构均为对称式设计，髋关节结构的中分面与腿部结构的中分面垂直设计，其中髋关节俯仰电机与膝关节俯仰电机对称布置在腿部结构中分面的两侧，两个踝关节驱动单元对称布置在腿部结构中分面的两侧，且处于髋关节俯仰电机与膝关节俯仰电机的下方，同时处于膝关节的上方，即整个腿部结构的驱动电机均对称布置于大腿上，充分利用了大腿的空间，小腿尺寸得以缩小，整体布局紧凑，外观更加“拟人”。二是，小腿部轻量化的设计，减小驱动装置的体积：将用于驱动踝关节的电机置于大腿上，小腿部分不安装任何机器人腿部的驱动元件，使机器人腿部的质量分布更加靠近大腿根部，减小了小腿部分的惯量，降低了小腿驱动装置的要求，进而减小驱动装置的体积，使布局更加紧凑，更加接近人类腿部外形，同时对实现更高的运动性能提供了可能；而用于驱动髋关节的电缸压缩了高度尺寸，更加“拟人”、美观。
2、本申请通过膝关节曲柄摇杆驱动组件的设计，使得小腿发生俯仰运动的同时，脚部可以一同抬起，并始终保持水平状态，而不会发生姿态的改变；通过踝关节曲柄摇杆驱动组件的设计，使得脚部可以实现俯仰运动或侧摆运动，同时不会影响小腿的位置与运动姿态。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。
图1为本发明实施例3仿生腿的轴侧图一。
图2为本发明实施例2腿部结构中膝关节处的局部放大图。
图3为本发明实施例3仿生腿的左视图。
图4为本发明实施例2腿部结构的右视图。
图5为本发明实施例3仿生腿的主视三维建模图。
图6为本发明实施例3仿生腿的主视线条图。
图7为本发明实施例1髋关节结构的轴侧图。
图8为本发明实施例3仿生腿弯曲状态的结构示意图。
图9为本发明实施例3仿生腿弯曲状态的轴侧图。
图10为本发明实施例1髋关节结构偏摆状态的三维建模图。
图11为本发明实施例1髋关节结构偏摆状态的线条图。
图12为本发明实施例3仿生腿侧摆状态的三维建模图。
图13为本发明实施例3仿生腿侧摆状态的线条图。
附图标记说明：A-髋关节结构；B-腿部结构；1-机身连接件；1-1-连接耳；2-髋关节万向节；2-1-销轴一；2-2-销轴二；3-大腿连接件；3-1-安装座；3-2-第二连接耳；4-推杆伸缩件；5-髋关节俯仰电机；6-大腿；6-1-豁口；6-2-连接环；6-3-连接板；7-膝关节连接轴；8-小腿；9-踝关节万向节组件；9-1-踝关节万向节；9-1-1-销轴三；9-1-2-销轴四；9-2-踝关节安装座；9-2-1-连接轴；10-脚部；11-膝关节曲柄摇杆驱动组件；11-1-膝关节俯仰电机；11-2-膝关节曲柄；11-3-膝关节运动连杆；12-踝关节曲柄摇杆驱动组件；12-1-踝关节驱动电机；12-2-踝关节曲柄；12-3-踝关节一级连杆；12-4-踝关节三角板；12-4-1-顶角一；12-4-2-顶角二；12-4-3-顶角三；12-5-踝关节二级连杆。
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，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例为解决现有的髋关节结构无法实现多自由度的问题，进而提供一种三自由度的髋关节结构，参见图1至图13，所述的髋关节结构A用于腿部结构B与机器人身体部位的连接，并且可以实现腿部结构B三个方向的自由度，分别为腿部结构B的侧摆、偏航与俯仰。参见图1，所述的髋关节结构A包括机身连接件1、髋关节万向节2、大腿连接件3、两个推杆伸缩件4和髋关节俯仰电机5；所述的机身连接件1用于髋关节与机器人身体部位的连接，大腿连接件3用于髋关节与大腿的连接，髋关节万向节2用于机身连接件1与大腿连接件3的连接，同时在两个推杆伸缩件4的作用下实现大腿的侧摆与偏航动作，髋关节俯仰电机5安装在大腿连接件3上，并与大腿6的端部连接，用于实现大腿的俯仰动作。
参见图7、图10、图11，所述的髋关节万向节2包括有两根垂直设置的销轴，分别为y轴方向的销轴一2-1和z轴方向的销轴二2-2，故髋关节万向节2具有两个自由度，分别为绕y轴方向旋转的一个自由度以及绕z轴方向旋转的一个自由度；所述机身连接件1的侧面设置有一个连接耳1-1，并朝向x轴方向进行延伸，连接耳1-1连接到髋关节万向节2中y轴方向的销轴一2-1的两端上，并可以绕销轴一2-1进行旋转；所述大腿连接件3的顶部设置有安装座3-1，髋关节万向节2中z轴方向的销轴二2-2的两端分别安装在安装座3-1的两个支架上，所述的大腿连接件3可以绕髋关节万向节2中z轴方向的销轴二2-2进行旋转；所述安装座3-1背向机身连接件1的一侧还偏心设置有两个第二连接耳3-2，两个第二连接耳3-2相对设置在安装座3-1中z轴方向的两端；两个所述的推杆伸缩件4分别设置在机身连接件1的前后两侧，推杆伸缩件4的连接端通过球轴承连接在机身连接件1上，推杆伸缩件4的伸出端通过球轴承连接在第二连接耳3-2上，推杆伸缩件4和大腿连接件3的连接点与推杆伸缩件4和机身连接件1的连接点分别处于髋关节万向节2中z轴方向的销轴二2-2的两侧；所述的髋关节俯仰电机5安装在大腿连接件3上，髋关节俯仰电机5输出轴的轴线方向与x轴方向平行，髋关节俯仰电机5的输出端与大腿6的端部固定连接，驱动大腿6绕x轴方向旋转。
进一步的，所述的推杆伸缩件4为电缸，以减小髋关节处的体积与质量。
本实施例中，髋关节万向节2为髋关节结构A提供两个自由度，并在两个电缸的耦合作用下，实现腿部结构B的侧摆与偏航动作；髋关节俯仰电机5为髋关节结构A提供一个自由度，通过髋关节俯仰电机5的驱动，实现腿部结构B的俯仰动作。
实施例2：
本实施例为解决现有的腿部结构无法实现多自由度、惯量大且整体结构尺寸较大的问题，进而提供一种三自由度、低惯量的腿部结构，参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图8、图9、图12、图13，其包括大腿6、膝关节连接轴7、小腿8、踝关节万向节组件9、脚部10、膝关节曲柄摇杆驱动组件11和踝关节曲柄摇杆驱动组件12；所述大腿6的下端与小腿8的上端通过膝关节连接轴7转动连接，小腿8的下端通过踝关节万向节组件9与脚部10转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件11的固定端安装在大腿6的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件11的驱动端铰连接在小腿8的上端，并驱动小腿8绕膝关节连接轴7的轴线方向进行前后摆动，实现小腿8的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件12的固定端安装在大腿6的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件12的驱动端连接在踝关节万向节组件9上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作。
参见图4和图6，所述的大腿6为空心壳体结构，大腿6的下端开有前后贯通的豁口6-1，且豁口6-1的左右两侧分别设置有一个连接环6-2，所述小腿8的上端插在大腿6下端的豁口6-1中，且与大腿6分别通过转动轴承套装在沿x轴方向设置的膝关节连接轴7上，所述的豁口6-1为小腿8的旋转提供活动空间；所述大腿6中间位置的左右两侧各设置一个连接板6-3，踝关节曲柄摇杆驱动组件12的固定端安装在两个连接板6-3上。
参见图7、图10和图11，所述的踝关节万向节组件9包括踝关节万向节9-1和踝关节安装座9-2，所述的踝关节万向节9-1包括有两根垂直设置的销轴，分别为x轴方向的销轴三9-1-1和z轴方向的销轴四9-1-2，故踝关节万向节9-1具有两个自由度，分别为绕x轴方向旋转的一个自由度以及绕z轴方向旋转的一个自由度；所述小腿8的下端连接在踝关节万向节9-1中x轴方向的销轴三9-1-1的两端，并可绕销轴三9-1-1进行旋转；所述的踝关节安装座9-2固定安装在脚部10的脚面上，踝关节万向节9-1中z轴方向的销轴四9-1-2的两端分别转动安装在踝关节安装座9-2上，踝关节安装座9-2及脚部10可绕销轴四9-1-2进行旋转；所述踝关节安装座9-2上靠近脚部10后跟的位置处设置有一根沿x轴方向布置的连接轴9-2-1，膝关节曲柄摇杆驱动组件11的驱动端转动连接在连接轴9-2-1上。
参见图4，所述的膝关节曲柄摇杆驱动组件11包括膝关节俯仰电机11-1、膝关节曲柄11-2和膝关节运动连杆11-3；所述的膝关节俯仰电机11-1与髋关节俯仰电机5同轴设置，膝关节俯仰电机11-1的输出端与膝关节曲柄11-2的一端固定连接，膝关节曲柄11-2的另一端与膝关节运动连杆11-3的一端铰连接，膝关节运动连杆11-3的另一端与小腿8顶部的连接耳铰连接。
进一步的，所述的膝关节运动连杆11-3包括连杆一和连杆二，连杆一的一端铰连接在膝关节曲柄11-2的端部，连杆一的另一端与连杆二的一端铰连接，连杆二的另一端与小腿8顶部的连接耳铰连接。
更进一步的，所述的连杆二与小腿8的连接端为弯曲状，以实现腿部的最大弯曲程度。
参见图6，所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件12包括两个相对设置在大腿6与小腿8两侧的踝关节驱动单元，每个踝关节驱动单元包括依次连接的踝关节驱动电机12-1、踝关节曲柄12-2、踝关节一级连杆12-3、踝关节三角板12-4和踝关节二级连杆12-5，所述的踝关节驱动电机12-1安装在大腿6侧面的连接板6-3上，踝关节曲柄12-2的一端固定连接在踝关节驱动电机12-1的驱动端，踝关节曲柄12-2的另一端与踝关节一级连杆12-3的一端铰连接，踝关节一级连杆12-3的另一端铰连接在踝关节三角板12-4的顶角一12-4-1处，踝关节三角板12-4的顶角二12-4-2与膝关节连接轴7的端部铰连接，踝关节三角板12-4的顶角三12-4-3与踝关节二级连杆12-5的一端通过球轴承铰连接，踝关节二级连杆12-5的另一端通过球轴承铰连接在踝关节安装座9-2的连接轴9-2-1上；其中，踝关节三角板12-4的顶角一12-4-1、顶角二12-4-2与顶角三12-4-3顺指针依次设置，且踝关节一级连杆12-3与踝关节二级连杆12-5分别处于踝关节三角板12-4的两侧；所述的踝关节曲柄12-2、踝关节一级连杆12-3、踝关节三角板12-4的顶角一12-4-1与顶角二12-4-2之间的边以及膝关节连接轴7与踝关节驱动电机12-1之间的连线构成一个上平行四边形结构；所述的踝关节三角板12-4的顶角二12-4-2与顶角三12-4-3之间的边、踝关节二级连杆12-5、连接轴9-2-1与踝关节万向节9-1中x轴方向的销轴的连线以及小腿8构成一个下平行四边形结构。
本实施例中，膝关节曲柄摇杆驱动组件11和踝关节曲柄摇杆驱动组件12均对称安装在大腿6上，使得整个腿部结构紧凑，外观更加“拟人”。同时，由于小腿8上并不涉及驱动部件，使得小腿8上的重量较小，腿部惯量减小，驱动腿部的电机、电缸等装置需求进一步减小，同时尺寸和质量进一步降低，进而使腿部轻量化得以实现。
实施例3：
本实施例为了解决现有的人形仿生腿无法同时实现多自由度、布局紧凑、轻量化及低惯量的目的，进而提供一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，参见图1至图13，其包括髋关节结构A和腿部结构B；所述的髋关节结构A用于腿部结构B与机器人身体部位的连接，并且可以实现腿部结构B三个方向的自由度，分别为腿部结构B的侧摆、偏航与俯仰；所述的腿部结构B自身存在三个自由度，分别为膝关节的俯仰运动、踝关节的俯仰与侧摆。
参见图3、图7、图10和图11，所述的髋关节结构A包括机身连接件1、髋关节万向节2、大腿连接件3、两个推杆伸缩件4和髋关节俯仰电机5；所述的机身连接件1用于髋关节与机器人身体部位的连接，大腿连接件3用于髋关节与大腿的连接，髋关节万向节2用于机身连接件1与大腿连接件3的连接，同时在两个推杆伸缩件4的作用下实现大腿的侧摆与偏航动作，髋关节俯仰电机5安装在大腿连接件3上，并与大腿6的端部连接，用于实现大腿的俯仰动作。
参见图10，所述的髋关节万向节2包括有两根垂直设置的销轴，分别为y轴方向的销轴一2-1和z轴方向的销轴二2-2，故髋关节万向节2具有两个自由度，分别为绕y轴方向旋转的一个自由度以及绕z轴方向旋转的一个自由度；所述机身连接件1的侧面设置有一个连接耳1-1，并朝向x轴方向进行延伸，连接耳1-1连接到髋关节万向节2中y轴方向的销轴一2-1的两端上，并可以绕销轴一2-1进行旋转；所述大腿连接件3的顶部设置有安装座3-1，髋关节万向节2中z轴方向的销轴二2-2的两端分别安装在安装座3-1的两个支架上，所述的大腿连接件3可以绕销轴二2-2进行旋转；所述安装座3-1背向机身连接件1的一侧还偏心设置有两个第二连接耳3-2，两个第二连接耳3-2相对设置在安装座3-1中z轴方向的两端；两个所述的推杆伸缩件4分别设置在机身连接件1的前后两侧，推杆伸缩件4的连接端通过球轴承连接在机身连接件1上，推杆伸缩件4的伸出端通过球轴承连接在第二连接耳3-2上；所述的髋关节俯仰电机5安装在大腿连接件3上，髋关节俯仰电机5输出轴的轴线方向与x轴方向平行，髋关节俯仰电机5的输出端与大腿6的端部固定连接，驱动大腿6绕x轴方向旋转。
进一步的，所述的推杆伸缩件4为电缸。
参见图1至图6，所述的腿部结构B包括大腿6、膝关节连接轴7、小腿8、踝关节万向节组件9、脚部10、膝关节曲柄摇杆驱动组件11和踝关节曲柄摇杆驱动组件12；所述大腿6的下端与小腿8的上端通过膝关节连接轴7转动连接，小腿8的下端通过踝关节万向节组件9与脚部10转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件11的固定端安装在大腿6的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件11的驱动端铰连接在小腿8的上端，并驱动小腿8绕膝关节连接轴7的轴线方向进行前后摆动，实现小腿8的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件12的固定端安装在大腿6的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件12的驱动端连接在踝关节万向节组件9上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作。
参见图4和图6，所述的大腿6为空心壳体结构，大腿6的下端开有前后贯通的豁口6-1，且豁口6-1的左右两侧分别设置有一个连接环6-2，所述小腿8的上端插在大腿6下端的豁口6-1中，且与大腿6分别通过转动轴承套装在沿x轴方向设置的膝关节连接轴7上，所述的豁口6-1为小腿8的旋转提供活动空间；所述大腿6中间位置的左右两侧各设置一个连接板6-3，踝关节曲柄摇杆驱动组件12的固定端安装在两个连接板6-3上。
参见图4，所述的踝关节万向节组件9包括踝关节万向节9-1和踝关节安装座9-2，所述的踝关节万向节9-1包括有两根垂直设置的销轴，分别为x轴方向的销轴三9-1-1和z轴方向的销轴四9-1-2，故踝关节万向节9-1具有两个自由度，分别为绕x轴方向旋转的一个自由度以及绕z轴方向旋转的一个自由度；所述小腿8的下端连接在踝关节万向节9-1中x轴方向的销轴三9-1-1的两端，并可绕销轴三9-1-1进行旋转；所述的踝关节安装座9-2固定安装在脚部10的脚面上，踝关节万向节9-1中z轴方向的销轴四9-1-2的两端分别转动安装在踝关节安装座9-2上，踝关节安装座9-2及脚部10可绕销轴四9-1-2进行旋转；所述踝关节安装座9-2上靠近脚部10后跟的位置处设置有一根沿x轴方向布置的连接轴9-2-1，膝关节曲柄摇杆驱动组件11的驱动端转动连接在连接轴9-2-1上。
参见图4，所述的膝关节曲柄摇杆驱动组件11包括膝关节俯仰电机11-1、膝关节曲柄11-2和膝关节运动连杆11-3；所述的膝关节俯仰电机11-1与髋关节俯仰电机5同轴设置，膝关节俯仰电机11-1的输出端与膝关节曲柄11-2的一端固定连接，膝关节曲柄11-2的另一端与膝关节运动连杆11-3的一端铰连接，膝关节运动连杆11-3的另一端与小腿8顶部的连接耳铰连接。
进一步的，所述的膝关节运动连杆11-3包括连杆一和连杆二，连杆一的一端铰连接在膝关节曲柄11-2的端部，连杆一的另一端与连杆二的一端铰连接，连杆二的另一端与小腿8顶部的连接耳铰连接。
更进一步的，所述的连杆二与小腿8的连接端为弯曲状，以实现腿部的最大弯曲程度。
参见图6，所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件12包括两个相对设置在大腿6与小腿8两侧的踝关节驱动单元，每个踝关节驱动单元包括依次连接的踝关节驱动电机12-1、踝关节曲柄12-2、踝关节一级连杆12-3、踝关节三角板12-4和踝关节二级连杆12-5，所述的踝关节驱动电机12-1安装在大腿6侧面的连接板6-3上，踝关节曲柄12-2的一端固定连接在踝关节驱动电机12-1的驱动端，踝关节曲柄12-2的另一端与踝关节一级连杆12-3的一端铰连接，踝关节一级连杆12-3的另一端铰连接在踝关节三角板12-4的顶角一12-4-1处，踝关节三角板12-4的顶角二12-4-2与膝关节连接轴7的端部铰连接，踝关节三角板12-4的顶角三12-4-3与踝关节二级连杆12-5的一端通过球轴承铰连接，踝关节二级连杆12-5的另一端通过球轴承铰连接在踝关节安装座9-2的连接轴9-2-1上；其中，踝关节三角板12-4的顶角一12-4-1、顶角二12-4-2与顶角三12-4-3顺指针依次设置，且踝关节一级连杆12-3与踝关节二级连杆12-5分别处于踝关节三角板12-4的两侧；所述的踝关节曲柄12-2、踝关节一级连杆12-3、踝关节三角板12-4的顶角一12-4-1与顶角二12-4-2之间的边以及膝关节连接轴7与踝关节驱动电机12-1之间的连线构成一个上平行四边形结构；所述的踝关节三角板12-4的顶角二12-4-2与顶角三12-4-3之间的边、踝关节二级连杆12-5、连接轴9-2-1与踝关节万向节9-1中x轴方向的销轴的连线以及小腿8构成一个下平行四边形结构。
本实施例中，通过两方面的设计使得腿部结构B整体结构更加紧凑，外观更加“拟人”化。一是，结构上布局的设计：髋关节结构A与腿部结构B均为对称式设计，髋关节结构A的中分面与腿部结构B的中分面垂直设计，其中髋关节俯仰电机5与膝关节俯仰电机11-1对称布置在腿部结构B中分面的两侧，两个踝关节驱动单元对称布置在腿部结构B中分面的两侧，且处于髋关节俯仰电机5与膝关节俯仰电机11-1的下方，同时处于膝关节的上方，即整个腿部结构B的驱动电机均对称布置于大腿6上，充分利用了大腿的空间，小腿尺寸得以缩小，整体布局紧凑，外观更加“拟人”。二是，小腿部轻量化的设计，减小驱动装置的体积：将用于驱动踝关节的电机置于大腿上，小腿部分不安装任何机器人腿部的驱动元件，使机器人腿部的质量分布更加靠近大腿根部，减小了小腿部分的惯量，降低了小腿驱动装置的要求，进而减小驱动装置的体积，使布局更加紧凑，更加接近人类腿部外形，同时对实现更高的运动性能提供了可能；而用于驱动髋关节的电缸压缩了高度尺寸，更加“拟人”、美观。
本实施例中，通过膝关节曲柄摇杆驱动组件11的设计，使得小腿8发生俯仰运动的同时，脚部可以一同抬起，并始终保持水平状态，而不会发生姿态的改变；通过踝关节曲柄摇杆驱动组件12的设计，使得脚部可以实现俯仰运动或侧摆运动，同时不会影响小腿的位置与运动姿态。
以下对本发明的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：
1、腿部侧摆运动的过程：
参见图12和图13，当机身连接件1连接在机身上并保持固定不动时，两个电缸的伸缩杆同步伸出缸体且伸出的长度相同时，电缸的伸缩杆对大腿连接件3产生相同的推力，大腿连接件3在偏心推力的作用下绕髋关节万向节2中z轴方向的销轴向上旋转，并带动腿部结构向机身侧方摆动，实现了腿部侧摆的自由度。
2、腿部偏航运动的过程：
参见图10和图11，当两个电缸的伸缩杆先后伸出缸体且伸出的长度不同时，大腿连接件3在两个电缸的伸缩杆的耦合作用下，绕髋关节万向节2中y轴方向的销轴旋转，当处于机身前方的电缸伸缩杆伸出较长、处于机身后方的电缸伸缩杆伸出较短时，大腿连接件3带动腿部结构顺时针旋转，反之，大腿连接件3带动腿部结构逆时针旋转，实现了腿部偏航的自由度。
3、腿部俯仰运动的过程：
髋关节俯仰电机5的驱动轴驱动大腿6前后摆动时，实现了腿部俯仰的自由度。
4、小腿俯仰运动的过程：
参见图8，所述膝关节俯仰电机11-1的旋转运动依次通过膝关节曲柄11-2和膝关节运动连杆11-3传递给小腿8，并带动小腿8绕膝关节连接轴7进行俯仰运动，同时小腿8带动脚部10抬起；由于踝关节驱动电机12-1并没有启动，处于上方的上平行四边形结构的形态没有改变，踝关节三角板12-4的位置没有发生改变，故下平行四边形结构中的顶边状态以及底边状态不会发生改变，脚部10始终是平行于地面的，但是脚部10与小腿8之间的夹角角度发生改变，故膝关节俯仰电机11-1的旋转运动可以改变小腿8的俯仰角度，而不会改变脚部10的俯仰角度。
5、脚部俯仰运动的过程：
参见图8，两个踝关节驱动单元中的踝关节驱动电机12-1同步同向驱动，踝关节驱动电机12-1的旋转运动依次通过踝关节曲柄12-2、踝关节一级连杆12-3、踝关节三角板12-4和踝关节二级连杆12-5传递给脚部10，脚部10发生俯仰运动；具体的，踝关节驱动电机12-1带动踝关节曲柄12-2逆时针转动，踝关节曲柄12-2通过踝关节一级连杆12-3带动踝关节三角板12-4绕膝关节连接轴7进行逆时针旋转，踝关节三角板12-4通过踝关节二级连杆12-5带动脚部10绕踝关节万向节9-1中x轴方向的销轴进行逆时针转动，脚部10的脚尖向下翻转；反之，踝关节驱动电机12-1带动踝关节曲柄12-2顺时针转动，踝关节曲柄12-2通过踝关节一级连杆12-3带动踝关节三角板12-4绕膝关节连接轴7进行顺时针旋转，踝关节三角板12-4通过踝关节二级连杆12-5带动脚部10绕踝关节万向节9-1中x轴方向的销轴进行顺时针转动，脚部10的脚尖向上翻转，故脚部10的俯仰姿态发生改变；由于踝关节二级连杆12-5始终处于竖直状态，所以小腿8的状态与位置并没有发生改变，踝关节驱动电机12-1仅改变了脚部10的俯仰角度。
6、脚部侧摆运动的过程：
两个踝关节驱动单元中的踝关节驱动电机12-1同步反向驱动时，脚部10在两个踝关节驱动电机12-1的耦合驱动下，发生侧摆运动；具体的，处于左侧的踝关节驱动单元中的踝关节驱动电机12-1逆时针小角度转动，左侧的踝关节二级连杆12-5带动脚部10的左后跟侧向上提拉，处于右侧的踝关节驱动单元中的踝关节驱动电机12-1顺时针小角度转动，右侧的踝关节二级连杆12-5带动脚部10的右后跟侧向下运动，脚部10在二者的耦合作用下绕踝关节万向节9-1中z轴方向的销轴向右侧摆；反之，处于左侧的踝关节驱动单元中的踝关节驱动电机12-1顺时针小角度转动，左侧的踝关节二级连杆12-5带动脚部10的左后跟侧向下运动，处于右侧的踝关节驱动单元中的踝关节驱动电机12-1逆时针小角度转动，右侧的踝关节二级连杆12-5带动脚部10的右后跟侧向上运动，脚部10在二者的耦合作用下绕踝关节万向节9-1中z轴方向的销轴向左侧摆。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种三自由度的髋关节结构，其特征在于：包括机身连接件(1)、髋关节万向节(2)、大腿连接件(3)、两个推杆伸缩件(4)和髋关节俯仰电机(5)；所述的髋关节万向节(2)包括有y轴方向的销轴一(2-1)和z轴方向的销轴二(2-2)，所述的机身连接件(1)连接到销轴一(2-1)的两端，并绕销轴一(2-1)进行旋转；所述髋关节万向节(2)中销轴二(2-2)的两端分别安装在大腿连接件(3)上，大腿连接件(3)绕销轴二(2-2)进行旋转；两个所述的推杆伸缩件(4)分别设置在机身连接件(1)的前后两侧，推杆伸缩件(4)的连接端通过球轴承连接在机身连接件(1)上，推杆伸缩件(4)的伸出端通过球轴承连接在大腿连接件(3)上，推杆伸缩件(4)和大腿连接件(3)的连接点与推杆伸缩件(4)和机身连接件(1)的连接点分别处于销轴二(2-2)的两侧；髋关节俯仰电机(5)输出轴的轴线方向与x轴方向平行，髋关节俯仰电机(5)的输出端与腿部结构的端部固定连接，驱动腿部结构绕髋关节俯仰电机(5)输出轴的轴线方向进行旋转。
2.一种三自由度的腿部结构，其特征在于：包括大腿(6)、膝关节连接轴(7)、小腿(8)、踝关节万向节组件(9)、脚部(10)、膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)和踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)；所述大腿(6)的下端与小腿(8)的上端通过膝关节连接轴(7)转动连接，小腿(8)的下端通过踝关节万向节组件(9)与脚部(10)转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)的固定端安装在大腿(6)的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)的驱动端铰连接在小腿(8)的上端，并驱动小腿(8)绕膝关节连接轴(7)的轴线方向进行前后摆动，实现小腿(8)的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)的固定端安装在大腿(6)的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)的驱动端连接在踝关节万向节组件(9)上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作；
所述的踝关节万向节组件(9)包括踝关节万向节(9-1)和踝关节安装座(9-2)，所述的踝关节万向节(9-1)包括x轴方向的销轴三(9-1-1)和z轴方向的销轴四(9-1-2)，所述小腿(8)的下端连接在销轴三(9-1-1)的两端，并绕销轴三(9-1-1)进行旋转；所述的踝关节安装座(9-2)固定安装在脚部(10)的脚面上，踝关节万向节(9-1)中销轴四(9-1-2)的两端分别转动安装在踝关节安装座(9-2)上，踝关节安装座(9-2)及脚部(10)绕销轴四(9-1-2)进行旋转；所述踝关节安装座(9-2)上靠近脚部(10)后跟的位置处设置有一根沿x轴方向布置的连接轴(9-2-1)；
所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)包括两个相对设置在大腿(6)与小腿(8)两侧的踝关节驱动单元，每个踝关节驱动单元包括依次连接的踝关节驱动电机(12-1)、踝关节曲柄(12-2)、踝关节一级连杆(12-3)、踝关节三角板(12-4)和踝关节二级连杆(12-5)，所述的踝关节驱动电机(12-1)安装在大腿(6)上，踝关节曲柄(12-2)的一端固定连接在踝关节驱动电机(12-1)的驱动端，踝关节曲柄(12-2)的另一端与踝关节一级连杆(12-3)的一端铰连接，踝关节一级连杆(12-3)的另一端铰连接在踝关节三角板(12-4)的顶角一(12-4-1)处，踝关节三角板(12-4)的顶角二(12-4-2)与膝关节连接轴(7)的端部铰连接，踝关节三角板(12-4)的顶角三(12-4-3)与踝关节二级连杆(12-5)的一端通过球轴承铰连接，踝关节二级连杆(12-5)的另一端通过球轴承铰连接在踝关节安装座(9-2)的连接轴(9-2-1)上；其中，踝关节三角板(12-4)的顶角一(12-4-1)、顶角二(12-4-2)与顶角三(12-4-3)顺指针依次设置，且踝关节一级连杆(12-3)与踝关节二级连杆(12-5)分别处于踝关节三角板(12-4)的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度的腿部结构，其特征在于：所述大腿(6)的下端开有前后贯通的豁口(6-1)，所述小腿(8)的上端插在大腿(6)下端的豁口(6-1)中，且与大腿(6)分别套装在沿x轴方向设置的膝关节连接轴(7)上；所述大腿(6)中间位置的左右两侧各设置一个连接板(6-3)，踝关节驱动电机(12-1)安装在连接板(6-3)上。
4.根据权利要求2所述的一种三自由度的腿部结构，其特征在于：所述的膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)包括膝关节俯仰电机(11-1)、膝关节曲柄(11-2)和膝关节运动连杆(11-3)；膝关节俯仰电机(11-1)的输出端与膝关节曲柄(11-2)的一端固定连接，膝关节曲柄(11-2)的另一端与膝关节运动连杆(11-3)的一端铰连接，膝关节运动连杆(11-3)的另一端与小腿(8)顶部的连接耳铰连接。
5.一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：它包括髋关节结构(A)和腿部结构(B)；
所述的腿部结构(B)包括大腿(6)、膝关节连接轴(7)、小腿(8)、踝关节万向节组件(9)、脚部(10)、膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)和踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)；所述大腿(6)的下端与小腿(8)的上端通过膝关节连接轴(7)转动连接，小腿(8)的下端通过踝关节万向节组件(9)与脚部(10)转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)的固定端安装在大腿(6)的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)的驱动端铰连接在小腿(8)的上端，并驱动小腿(8)绕膝关节连接轴(7)的轴线方向进行前后摆动，实现小腿(8)的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)的固定端安装在大腿(6)的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)的驱动端连接在踝关节万向节组件(9)上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作；
所述的髋关节结构(A)包括机身连接件(1)、髋关节万向节(2)、大腿连接件(3)、两个推杆伸缩件(4)和髋关节俯仰电机(5)；所述的髋关节万向节(2)包括有y轴方向的销轴一(2-1)和z轴方向的销轴二(2-2)，所述的机身连接件(1)连接到销轴一(2-1)的两端，并绕销轴一(2-1)进行旋转；所述髋关节万向节(2)中销轴二(2-2)的两端分别安装在大腿连接件(3)上，大腿连接件(3)绕销轴二(2-2)进行旋转；两个所述的推杆伸缩件(4)分别设置在机身连接件(1)的前后两侧，推杆伸缩件(4)的连接端通过球轴承连接在机身连接件(1)上，推杆伸缩件(4)的伸出端通过球轴承连接在大腿连接件(3)上，推杆伸缩件(4)和大腿连接件(3)的连接点与推杆伸缩件(4)和机身连接件(1)的连接点分别处于销轴二(2-2)的两侧；髋关节俯仰电机(5)输出轴的轴线方向与x轴方向平行，髋关节俯仰电机(5)的输出端与大腿(6)的端部固定连接，驱动大腿(6)绕髋关节俯仰电机(5)输出轴的轴线方向进行旋转。
6.根据权利要求5所述的一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：所述大腿(6)的下端开有前后贯通的豁口(6-1)，所述小腿(8)的上端插在大腿(6)下端的豁口(6-1)中，且与大腿(6)分别套装在沿x轴方向设置的膝关节连接轴(7)上；所述大腿(6)中间位置的左右两侧各设置一个连接板(6-3)，踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)的固定端安装在两个连接板(6-3)上。
7.根据权利要求6所述的一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：所述的膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)包括膝关节俯仰电机(11-1)、膝关节曲柄(11-2)和膝关节运动连杆(11-3)；所述的膝关节俯仰电机(11-1)与髋关节俯仰电机(5)同轴设置，膝关节曲柄(11-2)处于膝关节俯仰电机(11-1)与髋关节俯仰电机(5)中间的位置处，膝关节俯仰电机(11-1)的输出端与膝关节曲柄(11-2)的一端固定连接，膝关节曲柄(11-2)的另一端与膝关节运动连杆(11-3)的一端铰连接，膝关节运动连杆(11-3)的另一端与小腿(8)顶部的连接耳铰连接。
8.根据权利要求5所述的一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：所述的踝关节万向节组件(9)包括踝关节万向节(9-1)和踝关节安装座(9-2)，所述的踝关节万向节(9-1)包括x轴方向的销轴三(9-1-1)和z轴方向的销轴四(9-1-2)，所述小腿(8)的下端连接在销轴三(9-1-1)的两端，并绕销轴三(9-1-1)进行旋转；所述的踝关节安装座(9-2)固定安装在脚部(10)的脚面上，踝关节万向节(9-1)中销轴四(9-1-2)的两端分别转动安装在踝关节安装座(9-2)上，踝关节安装座(9-2)及脚部(10)绕销轴四(9-1-2)进行旋转；所述踝关节安装座(9-2)上靠近脚部(10)后跟的位置处设置有一根沿x轴方向布置的连接轴(9-2-1)，膝关节曲柄摇杆驱动组件(11)的驱动端转动连接在连接轴(9-2-1)上。
9.根据权利要求8所述的一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件(12)包括两个相对设置在大腿(6)与小腿(8)两侧的踝关节驱动单元，每个踝关节驱动单元包括依次连接的踝关节驱动电机(12-1)、踝关节曲柄(12-2)、踝关节一级连杆(12-3)、踝关节三角板(12-4)和踝关节二级连杆(12-5)，所述的踝关节驱动电机(12-1)安装在大腿(6)侧面的连接板(6-3)上，踝关节曲柄(12-2)的一端固定连接在踝关节驱动电机(12-1)的驱动端，踝关节曲柄(12-2)的另一端与踝关节一级连杆(12-3)的一端铰连接，踝关节一级连杆(12-3)的另一端铰连接在踝关节三角板(12-4)的顶角一(12-4-1)处，踝关节三角板(12-4)的顶角二(12-4-2)与膝关节连接轴(7)的端部铰连接，踝关节三角板(12-4)的顶角三(12-4-3)与踝关节二级连杆(12-5)的一端通过球轴承铰连接，踝关节二级连杆(12-5)的另一端通过球轴承铰连接在踝关节安装座(9-2)的连接轴(9-2-1)上；其中，踝关节三角板(12-4)的顶角一(12-4-1)、顶角二(12-4-2)与顶角三(12-4-3)顺指针依次设置，且踝关节一级连杆(12-3)与踝关节二级连杆(12-5)分别处于踝关节三角板(12-4)的两侧。
10.根据权利要求5所述的一种六自由度、低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：所述的推杆伸缩件(4)为电缸。
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- 2023-09-20 CN CN202311221243.3A patent/CN117262067A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118182677A (zh) * | 2024-05-17 | 2024-06-14 | 深圳逐际动力科技有限公司 | 人形机器人腿结构及机器人 |
| CN118182677B (zh) * | 2024-05-17 | 2024-07-12 | 深圳逐际动力科技有限公司 | 人形机器人腿结构及机器人 |
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