CN202219805U - 一种四足机器人腿部关节 - Google Patents

Abstract

一种四足机器人腿部关节，第三转动副分为两组安装在躯干内的四个角处，并与髋关节的安装孔对应。各第三转动副蜗轮轴的轴线与躯干长度方向的中心线平行。第三转动副电机与第三蜗杆均固定在躯干内。第三蜗轮固装在蜗轮轴上。第三转动副电机与第三蜗杆联接，第三蜗轮与第三蜗杆啮合。通过各第一转动副将四个髋关节与四个大腿连接。大腿与第二腿节之间通过第二转动副连接。第一转动副、第二转动副和第三转动副均通过独立电动机驱动。本实用新型能够使机器人实现更为复杂的步态；并且具有更强的复杂地形环境适应能力和越障能力；利用蜗轮蜗杆的自锁性能够使机器人具有更大的负重能力和平稳的静止站立能力。本实用新型结构简单、负载能力强，具有抗冲击减震和静止站立功能。

Description

一种四足机器人腿部关节

技术领域

本发明涉及到救生领域和机械领域，具体是一种刚柔结合的四足机器人腿部关节结构。

背景技术

从20世纪80年代起，美国、德国、日本、加拿大、瑞士等国家的科研机构开始研究仿哺乳类动物的步行四足机器人。

在公告号为CN201343082的实用新型专利中公开了“一种四足步行机器人的行走机构”，该机器人在机架的前、后、左、右分别对称设置一套两足驱动组件和行走腿，每条腿具有一个在水平面内摆动的自由度和一个在竖直面摆动的自由度。该机器人移动机构只能实现静态步行，运动速度慢；每条腿只有两个自由度，运动空间小，越障能力差。

在公开号为CN1483554A公开了“一种可调整的四足仿生机器人运动结构”。顶部基准平板上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽，四条腿与顶部基准板之间采用吊装式结构；大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动沿各自关节轴摆动。该机器人可实现自由行走、对角行走、侧步、奔跑等典型步态，具有爬坡、越障能力。但是该机器人每条腿有两个关节，腿长变化范围小；采用电机驱动齿轮传动，行走结束时无法静止站立，负载能力差。

在公开号为CN101602382A公开了“一种单驱动四足步行机器人”，该机器人前、后安装有两根平行配置的转轴，由一个电机通过传动元件驱动，每根转轴的左右两端分别固定连接曲柄。机器人安装有四条单腿，每条腿由一个曲柄摆杆机构与交叉平行四边行串联铰接而成，由每根轴段的连接曲柄驱动。该机器人由一个电机驱动即可实现行走，但四条腿之间全部由连杆机械连接，腿之间的运动规律固定，只能在平地面上步行，不具有越障能力，并且只能直行，不能转向。

在公告号为CN201633803U的实用新型专利中公开了“具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构”，该机器人包括躯干、移动架、质心调整装置和四条机器人腿，躯干下部设有四条机器人腿，躯干上部通过质心调整装置与移动架连接。该机器人具有较大的负重能力，具有复杂的环境适应能力和越障能力；但采用液压伺服油缸 驱动，工作平稳性和响应方面就差好多。

目前，我国对于仿生四足机器人的需求越来越迫切，现存的四足机器人因各种问题难以满足需要，严重影响了实际作业的效果。因此，需要一种减震能力强、越障能力好、负载能力大且在静止时能保持原有姿态的四足机器人移动结构。

发明内容

为克服现有技术中存在的或者只能实现静态步行，运动速度慢；或者每条腿只有两个自由度，运动空间小，越障能力差；或者行走结束时无法静止站立，负载能力差的不足，本发明提出了一种四足机器人腿部关节。

本发明包括躯干、四个机器人腿、四个髋关节、第一转动副、第二转动副、第三转动副和支架。四个机器人腿均包括大腿和小腿；其中：

第三转动副分为两组安装在躯干内的四个角处，并与髋关节的安装孔对应。各第三转动副蜗轮轴的轴线与躯干长度方向的中心线平行。第三转动副电机与第三蜗杆均通过螺钉固定在躯干内。第三蜗轮固装在蜗轮轴上。第三转动副电机的输出轴通过第三联轴器与第三蜗杆联接，第三蜗轮套装在蜗轮轴上，并与第三蜗杆啮合。四个第一转动副分别安装在四个髋关节内，通过各第一转动副将四个髋关节与四个大腿连接，并且各第一转动副蜗轮轴的轴线与躯干长度方向的中心线垂直。

大腿与小腿之间通过第二转动副连接，第二转动副蜗轮轴的轴线与躯干长度方向的中心线垂直。分布在躯干长度方向中心线同一侧的两个的第二转动副为一组。同一组中的两个第二转动副的蜗轮轴平行。两组第一转动副中相互对应的两个蜗轮轴初始状态同轴。

第一转动副、第二转动副和第三转动副均通过独立电动机驱动。

所述的第一转动副包括第一转动副电动机、第一联轴器和一对相互啮合的第一蜗轮与第一蜗杆。第一蜗轮和第一蜗杆齿的旋向均为右旋。第一转动副电动机固定在髋关节内。在蜗轮轴的一侧套装有套环。

所述的第二转动副包括第二转动副电动机、第二联轴器和一对相互啮合的第二蜗轮与第二蜗杆。第二蜗轮和第二蜗杆齿的旋向均为右旋。第二转动副电机固定在大腿内。一对支架分别位于第二蜗轮的端面的两侧，并固定在小腿的一端。

所述的第三转动副包括第三转动副电动机、第三联轴器和一对相互啮合的第三蜗轮与第三蜗杆。第三蜗轮与第三蜗杆齿的旋向均为右旋。第三转动副电动机的第三蜗 轮为大半圆。第三蜗轮的齿分布在大半圆的圆周上。形成第三蜗轮大半圆的平面上分布有四个盲孔，用于将第三蜗轮与髋关节的底板上分布的连接板连接。连接板与髋关节的顶板固连，从而实现蜗轮与髋关节的固连。

分布在躯干长度方向的中心线同一侧的两个第三转动副为一组。同一组中的两个第三转动副的蜗轮轴同心。两组第三转动副中蜗轮轴的轴线相互平行。

分布在躯干长度方向中心线同一侧的两个第一转动副为一组。同一组中的两个第一转动副的蜗轮轴平行。两组第一转动副中对应的两个蜗轮轴同轴。

所述的套环的一端嵌入并固定在蜗轮一个端面上的套环槽内。所述的套环的另一端的端面与大腿一侧壳体内壁贴合并固定。套环的壁厚与蜗轮端面上的套环槽的宽度相同。

本发明中，每条腿由髋关节和两段腿节组成，两段腿节之间，腿节与髋关节之间以及髋关节与躯干之间均通过蜗轮蜗杆副连接实现摆动，蜗杆和电动机的输出轴通过联轴器相连。每一个关节具有一个自由度，因此每条机器人腿有三个自由度。

本发明采用电动机作为动力，每个关节处均由一个相对独立的电动机单独驱动。电机的输出力矩利用联轴器带动与之相连的蜗杆转动，然后动力由蜗杆传递到与之啮合的蜗轮中使得蜗轮沿轴转动，从而带动共轴的一段腿节或髋关节沿轴摆动。由于蜗轮蜗杆的自锁效应，当载重量大和停止运动时，该机器人会保持其原有姿态。

由于采取了上述技术方案，本发明能够使机器人能够实现更为复杂的步态；并且每条机器人腿有3个主动关节，具有冗余自由度，使机器人具有更强的复杂地形环境适应能力和越障能力；同时，每个关节处采用蜗轮蜗杆传动，利用蜗轮蜗杆的自锁性能够使机器人具有更大的负重能力和平稳的静止站立能力。本发明结构简单、负载能力强，具有抗冲击减震和静止站立功能。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是转动副的运动结构示意图；

图3是第一转动副和第二转动副的结构左视图；

图4是第一转动副的结构示意图；

图5是第二转动副的结构示意图；

图6是第三转动副的安装位置示意图；

图7是第三转动副中蜗轮与髋关节的连接示意图；

图8是支架的零件图，其中a是主视图，b是侧视图；

图9是环的零件图，其中a是主视图，b是侧视图；

图10是连接板零件图，其中a是主视图，b是俯视图；

图11是第三蜗轮的结构示意图，其中a是主视图，b是侧视图。其中：

1.机器人腿         2.髋关节           3.大腿         4.第一转动副  5.第二转动副电机

6.第一联轴器       7.蜗杆             8.蜗轮         9.小腿        10.第二转动副

11.第三转动副      12.躯干            13.支架        14.环         15.连接板

16.第一转动副电机  17.第三转动副电机  18.第二联轴器  19.第二蜗轮

20.第二蜗杆        21.第三蜗轮        22.第三蜗杆    23.第三联轴器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例是机器人腿部关节，包括躯干12、四个机器人腿1、四个髋关节2、第一转动副4、第二转动副10、第三转动副11和支架13。四个机器人腿1均包括大腿3和小腿9。其中：

第三转动副11共有四个，分为两组安装在躯干12内的四个角处，并与髋关节2的安装孔对应，通过各第三转动副11将躯干12与各髋关节2连接，并且各第三转动副11蜗轮轴的轴线与躯干12长度方向的中心线平行；分布在躯干12长度方向的中心线同一侧的两个第三转动副11为一组。同一组中的两个第三转动副11的蜗轮轴同心；两组第三转动副11中蜗轮轴的轴线相互平行。第三转动副电机17与第三蜗杆22均通过螺钉固定在躯干12内。第三蜗轮21固装在蜗轮轴上。第三转动副电机17的输出轴通过第三联轴器23与第三蜗杆22联接，第三蜗轮21套装在蜗轮轴上，并与第三蜗杆22啮合。

四个第一转动副分别安装在四个髋关节2内，通过各第一转动副4将四个髋关节2与四个大腿3连接，并且各第一转动副4蜗轮轴的轴线与躯干12长度方向的中心线垂直；分布在躯干12长度方向中心线同一侧的两个第一转动副4为一组。同一组中的两个第一转动副4的蜗轮轴平行；两组第一转动副4中相互对应的两个蜗轮轴同轴。

大腿3与小腿9之间通过第二转动副10连接，第二转动副10蜗轮轴的轴线与躯干12长度方向的中心线垂直。分布在躯干12长度方向中心线同一侧的两个的第二转 动副10为一组。同一组中的两个第二转动副10的蜗轮轴平行；两组第一转动副4中相互对应的两个蜗轮轴初始状态同轴。

第一转动副4、第二转动副10和第三转动副11均通过独立电动机驱动。

所述的大腿3为壳体状，其横截面为“U”形。各大腿3的一端的两侧壳体壁上开有同轴的有轴承孔。

所述小腿9为圆形杆状，小腿9一端的端面有一对相互平行并沿小腿9轴向凸出的连接板。所述的连接板上有同心的贯通孔，用于连接支架13。

如图6所示，躯干12为有底板的矩形框体。在躯干12底板的四个角上分布有通孔，用于安装四个髋关节2。

外形为“U”形的髋关节2有4个。在髋关节2的底板上分布有连接板15的连接孔。在髋关节2的一对侧板下端有第一转动副4中蜗轮轴的安装孔。

如图2和图4所示，第一转动副4包括第一转动副电动机16、第一联轴器6和一对相互啮合的第一蜗轮8与第一蜗杆7。蜗轮蜗杆齿的旋向均为右旋，其中第一蜗杆7的模数为2，齿数为1；第一蜗轮8的齿数为29，模数为2。第一转动副电动机16通过螺钉固定在髋关节2内。第一蜗轮8套装在蜗轮轴上，并通过平键固连。蜗轮轴的两端分别通过轴承装入大腿3两侧壳体壁的轴承孔内。为了增加传动的稳定性，在蜗轮轴的一侧套装有套环14。所述的套环14的一端嵌入第一蜗轮8一个端面上的套环槽内，并通过螺钉固定；所述的套环14的另一端的端面与大腿3一侧壳体内壁贴合，并通过螺钉固定。

如图9所示，套环14的壁厚与蜗轮8端面上的套环槽的宽度相同。在套环14两端端面上各分布有6个螺纹孔。

第一转动副3工作时，第一转动副电机16的输出端通过第一联轴器6带动带动第一蜗杆7转动；第一蜗杆7带动与之相啮合的第一蜗轮8转动，进而带动与第一蜗轮8接的蜗轮轴转动。通过蜗轮轴带动套环14转动，进而带动大腿3的运动，实现大腿3沿躯干前后方向的摆动。

如图2和图5所示，第二转动副10包括第二转动副电机5、第二联轴器18和一对相互啮合的第二蜗轮19第二蜗杆20。第二蜗轮和第二蜗杆齿的旋向均为右旋，其中第二蜗杆20的模数为2，齿数为1；第二蜗轮19的齿数为29，模数为2。第二转动副电机5通过螺钉固定在大腿3内。第二蜗轮19套装在与蜗轮轴上，并通过平键固连。 蜗轮轴的两端分别通过轴承装入大腿3两侧壳体壁的轴承孔内。一对支架13的圆形套筒套装在蜗轮轴上，并且两者之间干涉配合。一对支架13分别位于第二蜗轮19的端面的两侧，并通过螺钉将所述的一对支架13的连接板固定在小腿9的一端。

如图8所示，支架13为矩形金属板，在该矩形金属板的一个表面有凸出的圆形套筒；矩形金属板形成了支架13的连接板。有圆形套筒处的金属板上有贯通孔，并且金属板上的贯通孔与圆形套筒同径且同心。圆形套筒的内径与第二转动副10的蜗轮轴同径。支架13的连接板上分布有与小腿9连接板连接的通孔。支架13有两个，并且两个支架13的结构相同，方向相反。当两个支架13安装到蜗轮轴上后，两个支架13的连接板与小腿9的连接板配合。

第二转动副10在工作时，第二转动副电机5的输出端通过第二联轴器18带动第二蜗杆20转动，第二蜗杆20带动与之相啮合的第二蜗轮19转动，进而带动与第二蜗轮19连接的蜗轮轴转动。蜗轮轴带动与轴连接的支架13运动，带动与之固连的小腿9运动。当电动机改变转动方向时，小腿9的运动方向随之改变，从而实现机器人小腿沿躯干前后方向的摆动。

第三转动副11包括第三转动副电动机17、第三联轴器23和一对相互啮合的第三蜗轮21与第三蜗杆22。第三蜗轮21与第三蜗杆22齿的旋向均为右旋，其中第三蜗杆22的模数为2，齿数为1；第三蜗轮21的齿数为29，模数为2。

第三转动副电动机17的第三蜗轮21为大半圆。第三蜗轮21的齿分布在大半圆的圆周上。形成第三蜗轮21大半圆的平面上分布有四个盲孔，用于将第三蜗轮21与连接板15连接。连接板15与髋关节2的顶板固连，从而实现蜗轮8与髋关节2的固连。

第三转动副11在工作时，第三转动副电机17的输出端通过第三联轴器23带动第三蜗杆23转动，第三蜗杆23带动与之相啮合的第三蜗轮21转动，进而带动与第三蜗轮21连接的连接板15运动，进而带动与之固连的髋关节2运动，使得髋关节2实现沿躯干左右方向的摆动，进而带动一条机器人腿实现左右摆动。

Claims (7)

1.一种四足机器人腿部关节，包括躯干(12)、四个机器人腿(1)、四个髋关节(2)、第一转动副(4)、第二转动副(10)、第三转动副(11)和支架(13)，四个机器人腿(1)均包括大腿(3)和小腿(9)；其中：

a.第三转动副(11)分为两组安装在躯干(12)内的四个角处，并与髋关节(2)的安装孔对应；各第三转动副(11)蜗轮轴的轴线与躯干(12)长度方向的中心线平行；第三转动副电机(17)与第三蜗杆(22)均通过螺钉固定在躯干(12)内；第三蜗轮(21)固装在蜗轮轴上；第三转动副电机(17)的输出轴通过第三联轴器(23)与第三蜗杆(22)联接，第三蜗轮(21)套装在蜗轮轴上，并与第三蜗杆(22)啮合；四个第一转动副分别安装在四个髋关节(2)内，通过各第一转动副(4)将四个髋关节(2)与四个大腿(3)连接，并且各第一转动副(4)蜗轮轴的轴线与躯干(12)长度方向的中心线垂直；

b.大腿(3)与小腿(9)之间通过第二转动副(10)连接，第二转动副(10)蜗轮轴的轴线与躯干(12)长度方向的中心线垂直；分布在躯干(12)长度方向中心线同一侧的两个的第二转动副(10)为一组；同一组中的两个第二转动副(10)的蜗轮轴平行；两组第一转动副(4)中相互对应的两个蜗轮轴初始状态同轴；

c.第一转动副(4)、第二转动副(10)和第三转动副(11)均通过独立电动机驱动。

2.如权利要求1所述一种四足机器人腿部关节，其特征在于，第一转动副(4)包括第一转动副电动机(16)、第一联轴器(6)和一对相互啮合的第一蜗轮(8)与第一蜗杆(7)；第一蜗轮(8)与第一蜗杆(7)齿的旋向均为右旋；第一转动副电动机(16)固定在髋关节(2)内；在蜗轮轴的一侧套装有套环(14)。

3.如权利要求1所述一种四足机器人腿部关节，其特征在于，第二转动副(10)包括第二转动副电机(5)、第二联轴器(18)和一对相互啮合的第二蜗轮(19)与第二蜗杆(20)；第二蜗轮(19)和第二蜗杆(20)的齿的旋向均为右旋；第二转动副电机(5)固定在大腿(3)内；一对支架(13)分别位于第二蜗轮(19)的端面的两侧，并固定在小腿(9)的一端。

4.如权利要求1所述一种四足机器人腿部关节，其特征在于，第三转动副(11)包括第三转动副电动机(17)、第三联轴器(23)和一对相互啮合的第三蜗轮(21)与第三蜗杆(22)；第三蜗轮(21)与第三蜗杆(22)齿的旋向均为右旋；第三转动 副电动机(17)的第三蜗轮(21)为大半圆；第三蜗轮(21)的齿分布在大半圆的圆周上；形成第三蜗轮(21)大半圆的平面上分布有四个盲孔，用于将第三蜗轮(21)与髋关节(2)的底板上分布的连接板(15)连接；连接板(15)与髋关节(2)的顶板固连，从而实现第三蜗轮(8)与髋关节(2)的固连。

5.如权利要求1所述一种四足机器人腿部关节，其特征在于，分布在躯干(12)长度方向的中心线同一侧的两个第三转动副(11)为一组；同一组中的两个第三转动副(11)的蜗轮轴同心；两组第三转动副(11)中蜗轮轴的轴线相互平行。

6.如权利要求1所述一种四足机器人腿部关节，其特征在于，分布在躯干(12)长度方向中心线同一侧的两个第一转动副(4)为一组；同一组中的两个第一转动副(4)的蜗轮轴平行；两组第一转动副(4)中相互对应的两个蜗轮轴同轴。

7.如权利要求2所述一种四足机器人腿部关节，其特征在于，所述的套环(14)的一端嵌入并固定在蜗轮(8)一个端面上的套环槽内；所述的套环(14)的另一端的端面与大腿(3)一侧壳体内壁贴合并固定；套环(14)的壁厚与蜗轮(8)端面上的套环槽的宽度相同。

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