CN217835830U - 一种足式机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种足式机器人，包括腿部，腿部包括从上至下依次连接的髋部球关节、大腿、膝关节、小腿、脚踝球关节和脚掌；髋部球关节包括滑动连接的髋支承座和髋旋转座，髋旋转座相对于髋支承座进行左右侧摆滑动，髋旋转座上穿设第一蜗轮组件，第一蜗轮组件与髋旋转座同步运动；大腿顶部固定有第一箱体组件，所述第一箱体组件转动挂载在第一蜗轮组件；髋支承座设有第二驱动机构，第一箱体组件设有第三驱动机构；第二驱动机构与髋旋转座之间、第三驱动机构与第一蜗轮组件之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。本实用新型利用蜗轮蜗杆自锁原理，在断电时关节可自锁不发生转动，保持足式机器人姿态，防止其摔倒损坏。

Description

一种足式机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种足式机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，足式机器人技术发展迅速，足式机器人作为机器人技术的高级发展阶段，它是集机构运动学与动力学、材料学、计算机技术、现代控制理论、仿生学等多学科于一体的前沿技术领域。现今，国内外已经研发出了多种足式机器人，并且得到了一定的应用。

相关技术中的足式机器人，当其突然断电的情况下，足式机器人带有自由度的关节会发生转动，足式机器人无法保持动作姿态，容易摔倒或趴下，存在砸到人或损坏物品的安全隐患。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种足式机器人，用于解决相关技术中足式机器人带有自由度的关节在断电时会发生转动，足式机器人无法保持动作姿态的问题。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本实用新型提出一种足式机器人，包括若干条腿部，腿部包括从上至下依次连接的髋部球关节、大腿、膝关节、小腿、脚踝球关节和脚掌；

髋部球关节包括滑动连接的髋支承座和髋旋转座，髋旋转座相对于髋支承座进行左右侧摆滑动，髋旋转座上穿设有第一蜗轮组件，第一蜗轮组件与髋旋转座同步运动；

大腿顶部固定设置有第一箱体组件，所述第一箱体组件转动挂载在第一蜗轮组件上；

髋支承座上设有第二驱动机构，第一箱体组件上设有第三驱动机构；

第二驱动机构与髋旋转座之间、第三驱动机构与第一蜗轮组件之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

在一可选实施例中，所述髋旋转座顶部具有蜗轮齿条，所述第二驱动机构包括第一蜗杆，所述第一蜗杆横向插设在所述髋支承座上，所述第一蜗杆与所述蜗轮齿条啮合，所述第一蜗杆与所述蜗轮齿条之间可自锁。

在一可选实施例中，所述第二驱动机构还包括第二电机、第一齿轮和第二齿轮；

所述第二电机固定在所述髋支承座上，所述第二电机的输出轴连接并控制所述第一齿轮进行转动；

所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合；

所述第二齿轮连接在所述第一蜗杆的一端，所述第二齿轮带动所述第一蜗杆旋转。

在一可选实施例中，所述髋支承座底部设置第一弧形槽，所述髋旋转座形状契合于所述第一弧形槽，所述髋旋转座滑动连接在所述第一弧形槽内；

所述髋支承座的前、后端面均为支承板，所述髋旋转座位于两块所述支承板之间，所述支承板朝向所述髋旋转座的侧面上设置有弧形的滚槽；

所述髋旋转座朝向所述滚槽的端面上设置若干支承轴，所述支承轴外周套设有第三轴承，第三轴承位于所述滚槽内并沿着所述滚槽滚动。

在一可选实施例中，所述第一蜗轮组件包括第一蜗轮和第一连接轴，所述第一蜗轮套设在第一连接轴中部，所述第一连接轴两端均与所述髋旋转座连接，所述第一蜗轮、所述第一连接轴和所述髋旋转座同步转动；

所述第一蜗轮的两轴端均凸设有第一蜗轮凸台，所述第一箱体组件左、右两侧开孔，该开孔与所述第一蜗轮凸台转动连接。

在一可选实施例中，所述第三驱动机构包括第一蜗杆部，所述第一蜗杆部与所述第一蜗轮啮合，所述第一蜗杆部与所述第一蜗轮之间可自锁。

在一可选实施例中，所述第三驱动机构包括第三电机、第一蜗杆齿轮和第三齿轮，所述第一蜗杆齿轮的两端分别为第一齿轮部和所述第一蜗杆部；

所述第三电机的输出轴连接并控制所述第三齿轮转动；

所述第三齿轮与所述第一齿轮部啮合。

在一可选实施例中，所述髋部球关节顶部设置有第一电机，所述第一电机用于控制所述髋部球关节绕一竖直轴线进行旋转，所述第一电机为刹车电机。

在一可选实施例中，所述脚踝球关节包括滑动连接的踝支承座和踝旋转座，所述踝旋转座相对于所述踝支承座进行前后侧摆滑动，所述踝旋转座上穿设有第三蜗轮组件，所述第三蜗轮组件与所述踝旋转座同步运动；

所述小腿底部固定设置有第三箱体组件，所述第三箱体组件转动连接在所述第三蜗轮组件上；

所述踝支承座与所述脚掌固定连接；

所述第三箱体组件上设有第五驱动机构，所述踝支承座上设有第六驱动机构；

所述第五驱动机构与所述第三蜗轮组件之间、所述第六驱动机构与所述踝旋转座之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

在一可选实施例中，所述第三蜗轮组件包括第三蜗轮和第三连接轴，所述第三蜗轮套设在所述第三连接轴中部，所述第三连接轴的两端均与所述踝旋转座连接，所述第三蜗轮、所述第三连接轴和所述踝旋转座同步转动；

所述第三蜗轮的两轴端均凸设有第三蜗轮凸台，所述第三箱体组件前、后侧开孔，该开孔与所述第三蜗轮凸台转动连接。

在一可选实施例中，所述第五驱动机构包括第三蜗杆部，所述第三蜗杆部与所述第三蜗轮啮合，所述第三蜗杆部与所述第三蜗轮之间可自锁。

在一可选实施例中，所述第五驱动机构包括第五电机、第三蜗杆齿轮和第五齿轮，所述第三蜗杆齿轮的两端分别为第三齿轮部和所述第三蜗杆部；

所述第五电机的输出轴连接并驱动所述第五齿轮转动；

所述第五齿轮与所述第三齿轮部啮合。

在一可选实施例中，所述踝支承座上设置有第二弧形槽，所述踝旋转座形状契合于所述第二弧形槽，所述踝旋转座滑动连接在所述第二弧形槽内；

所述踝旋转座包括并排设置的滑动部和蜗轮部，所述滑动部和所述蜗轮部同步转动，所述滑动部在第二弧形槽内滑动，所述蜗轮部具有外齿圈。

在一可选实施例中，所述第六驱动机构包括第六电机和第二蜗杆，所述第六电机连接并驱动第二蜗杆转动，所述第二蜗杆与所述外齿圈啮合，所述第二蜗杆与所述外齿圈之间可自锁。

在一可选实施例中，所述膝关节包括第二蜗轮组件和第二箱体组件，所述第二蜗轮组件转动连接在所述第二箱体组件上；

所述第二箱体组件固定连接在所述大腿的底部，所述第二蜗轮组件两端与所述小腿连接，所述小腿与所述第二蜗轮组件同步转动；

所述第二箱体组件上设置有第四驱动机构，所述第四驱动机构与所述第二蜗轮组件之间通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

在一可选实施例中，所述第二蜗轮组件包括第二蜗轮和第二连接轴，所述第二蜗轮套设在所述第二连接轴中部，所述第二连接轴的两轴端插设在所述小腿的顶部，所述小腿跟随所述第二连接轴转动；

所述第二蜗轮两轴端外凸有第二蜗轮凸台，所述第二箱体组件左、右两侧开孔，该开孔与所述第二蜗轮凸台转动连接。

在一可选实施例中，所述第四驱动机构包括第四电机、第二蜗杆齿轮和第四齿轮，所述第二蜗杆齿轮的两端分别为第二齿轮部和第二蜗杆部；

所述第四电机的输出轴连接并驱动所述第四齿轮转动；

所述第四齿轮与所述第二齿轮部啮合；

所述第二蜗杆部与所述第二蜗轮啮合，所述第二蜗杆部与所述第二蜗轮之间可自锁。

实施本实用新型实施例，将具有如下有益效果：

本实用新型采用了蜗轮蜗杆传动的关节，利用蜗轮蜗杆的自锁原理(即当蜗杆导程角小于蜗杆与蜗轮间的当量摩擦角时，蜗杆与蜗轮的啮合结构具有自锁性)，使得关节的各个自由度具有自锁功能，在断电时关节的蜗轮蜗杆可自锁，关节不发生转动，以供保持足式机器人姿态，防止其摔倒损坏。

解决了相关技术中足式机器人带有自由度的关节在断电时会发生转动，足式机器人无法保持动作姿态的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

附图标记说明如下：

图1为一可选实施例足式机器人的立体图；

图2为一可选实施例腿部的分解图；

图3为一可选实施例髋部球关节处的立体图；

图4为一可选实施例髋部球关节处的分解图；

图5为一可选实施例髋部球关节处的另一分解图；

图6为一可选实施例髋部球关节处部分结构的分解图；

图7为一可选实施例髋部球关节处在前视角下的剖面图；

图8为一可选实施例髋部球关节处在左视角下的剖面图；

图9为一可选实施例髋部球关节处在俯视角下的剖面图；

图10为一可选实施例髋支承座与髋旋转座连接处的剖面图；

图11为一可选实施例膝关节处的立体图；

图12为一可选实施例膝关节处的分解图；

图13为一可选实施例膝关节处在前视角下的剖面图；

图14为一可选实施例脚踝球关节处的立体图；

图15为一可选实施例脚踝球关节处的分解图；

图16为一可选实施例脚踝球关节处在前视角下的剖面图；

图17为一可选实施例脚踝球关节处在左视角下的剖面图；

图18为一可选实施例脚踝球关节处在俯视角下的剖面图。

附图标记说明如下：1-第一驱动机构；11-第一电机；111-法兰端面；12-第一连接板；13-第一轴承；14-第二轴承；15-连接座；151-连接圆台；2-髋部球关节；21-髋支承座；211-主支承座； 2111-第一弧形槽；212-支承板；2121-滚槽；22-髋旋转座；221-蜗轮齿条；222-支承轴；223- 第三轴承；23-第一蜗轮组件；231-第一蜗轮；2311-第一蜗轮凸台；232-第一连接轴；24-第一箱体组件；241-第一箱体；242-第一箱盖；243-第一板体；3-第二驱动机构；31-第二电机；32- 第一齿轮；33-第二齿轮；34-第一蜗杆；35-第一蜗杆轴承；4-第三驱动机构；41-第三电机； 42-第一蜗杆齿轮；421-第一齿轮部；422-第一蜗杆部；43-第三齿轮；5-膝关节；51-第二蜗轮组件；511-第二蜗轮；5111-第二蜗轮凸台；512-第二连接轴；52-第二箱体组件；521-第二箱体； 522-第二箱盖；523-第二板体；6-第四驱动机构；61-第四电机；62-第二蜗杆齿轮；621-第二齿轮部；622-第二蜗杆部；63-第四齿轮；7-脚踝球关节；71-踝支承座；711-第二弧形槽；712- 挡面；713-挡环；72-踝旋转座；721-滑动部；722-蜗轮部；7221-外齿圈；73-第三蜗轮组件； 731-第三蜗轮；7311-第三蜗轮凸台；732-第三连接轴；74-第三箱体组件；741-第三箱体；742- 第三箱盖；743-第三板体；8-第五驱动机构；81-第五电机；82-第三蜗杆齿轮；821-第三齿轮部；822-第三蜗杆部；83-第五齿轮；9-第六驱动机构；91-第六电机；92-第二蜗杆；94-联轴滑动轴承；95-第二蜗杆轴承；01-髋部支架；011-连接筒；0111-限位环；02-大腿；03-小腿；031- 第二连接板；04-脚掌；041-电机槽；L1-第一直线；L2-第二直线；L3-第三直线；L4-第四直线； L5-第五直线；L6-第六直线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请综合参阅图1和图2，为本实用新型一实施例一种足式机器人，包括若干条腿部，腿部包括从上至下依次连接的髋部球关节2、大腿02、膝关节5、小腿03、脚踝球关节7和脚掌04。

请综合参阅图3至图10，髋部球关节2包括滑动连接的髋支承座21和髋旋转座22，髋旋转座22相对于髋支承座21进行左右侧摆滑动，髋旋转座22上穿设有第一蜗轮组件23，第一蜗轮组件23与髋旋转座22同步运动。

大腿02顶部固定设置有第一箱体组件24，第一箱体组件24转动挂载在第一蜗轮组件23 上。大腿02和第一箱体组件24相对于第一蜗轮组件23进行前后俯仰转动。

髋支承座21上设有第二驱动机构3，第一箱体组件24上设有第三驱动机构4。第二驱动机构3与髋旋转座22之间、第三驱动机构4与第一蜗轮组件23之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

如图4至图6所示，髋旋转座22顶部具有蜗轮齿条221，第二驱动机构3包括第一蜗杆 34，第一蜗杆34横向插设在髋支承座21上，第一蜗杆34与蜗轮齿条221啮合，第一蜗杆34与蜗轮齿条221之间可自锁。髋旋转座22顶部弧形面开设有弧形的蜗轮齿条安装槽，蜗轮齿条221固定设置在蜗轮齿条安装槽内。

髋支承座21底部设置第一弧形槽2111，髋旋转座22形状契合于第一弧形槽2111，髋旋转座22滑动连接在第一弧形槽2111内。髋支承座21的前、后端面均为支承板212，髋旋转座22位于两块支承板212之间，支承板212朝向髋旋转座22的侧面上设置有弧形的滚槽2121。示例的，髋支承座21包括主支承座211和固定在主支承座211前、后侧的两块支承板212。第一弧形槽2111由主支承座211和两块支承板212围合形成。

髋旋转座22朝向滚槽2121的端面上设置若干支承轴222，支承轴222外周套设有第三轴承223，第三轴承223位于滚槽2121内并沿着滚槽2121滚动，滚槽2121起到导轨的作用。第三轴承223的外径与滚槽2121之间为间隙配合，第三轴承223不会卡死在滚槽2121内。第三轴承223可以为滚动轴承、滑动轴承、球头轴承中的一种或多种。

如图10中所示，髋旋转座22朝向滚槽2121的端面上设置若干支承轴222。髋旋转座22 前、后端面上均垂直开设若干螺纹孔，支承轴222的一端加工有外螺纹，将支承轴222有螺纹的一端拧入螺纹孔内进行紧固，另一端套装第三轴承223后***滚槽2121内。同一端面上的支承轴222整体成弧线形排列。两块支承板212配合夹持髋旋转座22。

作为替换方案，对上述方案中滚槽2121和支承轴222的位置进行交换，即髋旋转座22 两侧端面凹设弧形的滚槽2121，两块支承板212朝向髋旋转座22的面上设置若干支承轴222，支承轴222靠近髋旋转座22的一端套设第三轴承223，支承轴222***滚槽2121内，第三轴承223位于滚槽2121内并在滚槽2121内滚动。如图4至图6所示，髋旋转座22顶部设置有蜗轮齿条221，第二驱动机构3包括第一蜗杆34，第一蜗杆34横向插设在髋支承座21上，第一蜗杆34与蜗轮齿条221啮合。

第二驱动机构3还包括第二电机31、第一齿轮32和第二齿轮33。第二电机31固定在髋支承座21上，第二电机31的输出轴连接并控制第一齿轮32进行转动。第一齿轮32与第二齿轮33啮合。第二齿轮33连接在第一蜗杆34的一端，第二齿轮33带动第一蜗杆34旋转，从而控制髋旋转座22进行左右侧摆滑动。

作为一可选实施例，髋支承座21顶部与连接座15固定连接。髋支承座21顶部设置有横向的电机定位槽和第一蜗杆34装配孔，电机定位槽的内径与第二电机31的外径相契合，将第二电机31沿着电机定位槽的方向推至两者间装配面相接触，通过螺钉固定连接，第二电机31 的输出轴穿出髋支承座21一侧，第一齿轮32通过螺钉固定在该输出轴上，通过设置平键进行周向限位，第二齿轮33设置在第一齿轮32底部并与第一齿轮32啮合，第二齿轮33通过螺钉固定在第一蜗杆34的一端。第一蜗杆34的两轴端均套设有第一蜗杆轴承35，使第一蜗杆34 转动连接在髋支承座21上，第一蜗杆34中部的螺旋齿裸露并与蜗轮齿条221啮合，第一蜗杆 34的两轴端处盖设挡板并固定在髋支承座21上，进行轴向限位。

当第一蜗杆34的导程角小于第一蜗杆34与蜗轮齿条221间的当量摩擦角时，第一蜗杆 34与蜗轮齿条221啮合结构具有自锁性，使得该自由度具有自锁功能，在断电时关节可自锁以保持机器人姿态，防止其摔倒损坏。

第一蜗轮组件23包括第一蜗轮231和第一连接轴232，第一蜗轮231套设在第一连接轴 232中部，第一连接轴232两端均与髋旋转座22连接，第一蜗轮231、第一连接轴232和髋旋转座22同步转动。第一蜗轮231的两轴端均凸设有第一蜗轮凸台2311，第一箱体组件24左、右两侧开孔，该开孔与第一蜗轮凸台2311转动连接。示例的，第一蜗轮231加工有花键通孔，第一连接轴232为花键轴且穿插在第一蜗轮231的花键通孔内，髋旋转座22的两端开设有花键孔或槽，用于安装第一连接轴232的两轴端。花键轴的两端可加工有螺纹孔，分别在花键轴的两端拧入限位螺钉，可使第一连接轴232相对于髋旋转座22轴向限位，限位螺钉的螺帽直径大于花键轴的最小直径。

第三驱动机构4包括第一蜗杆部422，第一蜗杆部422与第一蜗轮231啮合，第一蜗杆部422与第一蜗轮231之间可自锁。示例的，第三驱动机构4包括第三电机41、第一蜗杆齿轮 42和第三齿轮43，第一蜗杆齿轮42的两端分别为第一齿轮部421和第一蜗杆部422；第三电机41的输出轴连接并控制第三齿轮43转动；第三齿轮43与第一齿轮部421啮合。从而控制第一蜗杆部422沿着第一蜗轮231转动，从而带动第一箱体组件24和大腿02进行前后俯仰运动。

可选的，第一箱体组件24包括从上至下依次连接的第一箱盖242、第一箱体241和第一板体243。第一箱盖242和第一箱体241盖合，配合支撑第一蜗轮231两轴端的第一蜗轮凸台 2311。第一箱体241的底面向上凹设有齿轮槽，第三齿轮43和第一齿轮部421位于该齿轮槽内，第一板体243盖设在齿轮槽底部。齿轮槽内顶面上开设中心孔和偏置孔，第一板体243 同样对应开设中心孔和偏置孔，第三齿轮43两轴端分别转动连接在齿轮槽内顶面的中心孔和第一板体243的中心孔内，第一齿轮部421两轴端分别转动连接在齿轮槽内顶面的偏置孔和第一板体243的偏置孔内，第一蜗杆部422伸入至第一箱体241内与第一蜗轮231啮合。

如图8所示，第一蜗杆部422末端可套设有轴承，可为滚动轴承，第一箱体组件24上可相应于该轴承设置有轴承装配槽，例如，轴承装配槽设置在第一箱盖242上，轴承装配在轴承装配槽内，用于支撑第一蜗杆齿轮42，同时降低第一蜗杆部422转动时受到的摩擦力。

如图4、图5、图7所示，在一可选实施例中，髋部球关节2顶部设置有第一电机11，第一电机11用于控制髋部球关节2绕一竖直轴线进行旋转，第一电机11为刹车电机，即，第一电机11内有机械刹车装置，使该自由度具有自锁功能，以供双足机器人长时间保持姿态，避免断电时关节不受控制而发生转动导致双足机器人摔倒损坏的情况。第一电机11可为盘式电机。

示例的，腿部挂载于髋部支架01上，髋部支架01上设置有连接筒011。第一驱动机构1 包括第一电机11、连接座15和第一连接板12，连接座15的底部与髋部球关节2固定连接，连接座15的顶部设有连接圆台151，连接圆台151插设在连接筒011的筒内。第一电机11固定在连接筒011顶部，第一电机11的输出端为法兰端面111，第一连接板12固定于法兰端面 111底部，连接圆台151固定于第一连接板12底部，法兰端面111带动第一连接板12和连接圆台151旋转。

第一驱动机构1还包括第一轴承13和第二轴承14，第一轴承13和第二轴承14的内圈均与连接圆台151配合，第一轴承13和第二轴承14的外圈均与连接筒011的筒内侧壁配合，第一轴承13位于第二轴承14上方。连接筒011的筒内侧壁上凸设有限位环0111，第一轴承13 的底面与限位环0111抵顶。连接筒011筒内上、下均设置有轴承装配孔，分别安装第一轴承13、第二轴承14。

第一轴承13为推力轴承。第二轴承14为滚动轴承。当第一驱动机构1竖直放置时，第一轴承13为推力轴承的方案使其能承受大部分来自底部所悬挂结构的负载，第一电机11输出轴的大部分负载被转移至第一轴承13上，从而改善第一电机11输出轴的受力情况，同时，第二轴承14为滚动轴承能保证第一电机11的输出力矩和稳定性。从而延长使用寿命和维护周期，并可以保证关节旋转的运动精度及零部件间的紧密配合。

工作时，第二电机31控制第一齿轮32转动，带动第二齿轮33和第一蜗杆34转动，第一蜗杆34带动髋旋转座22左右侧摆滑动，从而带动大腿02绕着第二直线L2进行左右侧摆转动，即侧摆自由度。

第三电机41控制第三齿轮43转动，带动第一蜗杆齿轮42整体转动，第一蜗杆部422沿着第一蜗轮231的蜗轮齿圈转动，从而带动第一箱体组件24整体进行前后转动，进而带动大腿02绕着第三直线L3进行前后俯仰转动，即俯仰自由度。

第一电机11控制连接座15与髋部球关节2整体进行竖直旋转，从而带动大腿02绕着第一直线L1进行竖直旋转，即自转自由度。

请综合参阅图11至图13，在一可选实施例中，膝关节5包括第二蜗轮组件51和第二箱体组件52，第二蜗轮组件51转动连接在第二箱体组件52上。第二箱体组件52固定连接在大腿02的底部，第二蜗轮组件51两端与小腿03连接，小腿03与第二蜗轮组件51同步转动。第二箱体组件52上设置有第四驱动机构6，第四驱动机构6与第二蜗轮组件51之间通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

第二蜗轮组件51包括第二蜗轮511和第二连接轴512，第二蜗轮511套设在第二连接轴 512中部，第二连接轴512的两轴端插设在小腿03的顶部，小腿03跟随第二连接轴512转动，示例的，小腿03顶部左、右两侧均凸设有第二连接板031，第二连接轴512两轴端分别插设在两块第二连接板031上，以供带动小腿03同步转动。第二蜗轮511两轴端外凸有第二蜗轮凸台5111，第二箱体组件52左、右两侧开孔，该开孔与第二蜗轮凸台5111转动连接。

同理的，第二连接轴512可为花键轴，第二蜗轮511加工有轴向的花键通孔，第二连接轴 512穿插在花键通孔内，小腿03顶部的两块第二连接板031上加工有花键孔或槽，用于安装第二连接轴512的两轴端。花键轴的两端可加工有螺纹孔，分别在花键轴的两端拧入限位螺钉，可使第二连接轴512相对于第二连接板031轴向限位。

第四驱动机构6包括第四电机61、第二蜗杆齿轮62和第四齿轮63，第二蜗杆齿轮62的两端分别为第二齿轮部621和第二蜗杆部622。第四电机61的输出轴连接并驱动第四齿轮63 转动，第四齿轮63与第二齿轮部621啮合，第二蜗杆部622与第二蜗轮511啮合，第二蜗杆部622与第二蜗轮511之间可自锁。

可选的，第二箱体组件52包括从上至下依次连接的第二板体523、第二箱体521和第二箱盖522。第二箱盖522和第二箱体521盖合，配合支撑第二蜗轮511两轴端的第二蜗轮凸台 5111。

第二箱体521顶部凹设有齿轮槽，第四齿轮63和第二齿轮部621设置在该齿轮槽内，第二板体523盖设在齿轮槽顶部。齿轮槽底开设有中心孔和偏置孔，第二板体523同样对应开设中心孔和偏置孔，第四齿轮63的两轴端分别转动连接在齿轮槽底的中心孔和第二板体523的中心孔内，第二齿轮部621两轴端分别转动连接在齿轮槽底的偏置孔和第二板体523的偏置孔内，第二蜗杆部622向下伸进第二箱体521内并与第二蜗轮511啮合。

第二蜗杆部622末端可套设有轴承，可为滚动轴承，第二箱体组件52上可相应于该轴承设置有轴承装配槽，例如，轴承装配槽设置在第二箱盖522上，轴承装配在轴承装配槽内，用于支撑第二蜗杆齿轮62，同时降低第二蜗杆部622转动时受到的摩擦力。

第四电机61固定在第二板体523的顶部，第四电机61的输出轴向下穿过第二板体523 的中心孔与第四齿轮63连接。第二板体523的顶面与大腿02固定连接。同理的，大腿02可呈中空管状，第四电机61的机身设置在大腿02内。

工作时，第四电机61控制第四齿轮63转动，进而带动第二蜗杆齿轮62整体转动，第二蜗杆部622带动第二蜗轮511转动，第二连接轴512跟随第二蜗轮511转动，第二连接轴512带动小腿03绕第四直线L4进行前后俯仰运动，即俯仰自由度。

请综合参阅图14至图18，作为一可选实施例，脚踝球关节7包括滑动连接的踝支承座71 和踝旋转座72，踝旋转座72相对于踝支承座71进行前后侧摆滑动，踝旋转座72上穿设有第三蜗轮组件73，第三蜗轮组件73与踝旋转座72同步运动。

小腿03底部固定设置有第三箱体组件74，第三箱体组件74转动连接在第三蜗轮组件73 上。踝支承座71与脚掌04固定连接。第三箱体组件74上设有第五驱动机构8，踝支承座71 上设有第六驱动机构9。第五驱动机构8与第三蜗轮组件73之间、第六驱动机构9与踝旋转座72之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

第三蜗轮组件73包括第三蜗轮731和第三连接轴732，第三蜗轮731套设在第三连接轴 732中部，第三连接轴732的两端均与踝旋转座72连接，第三蜗轮731、第三连接轴732和踝旋转座72同步转动。第三蜗轮731的两轴端均凸设有第三蜗轮凸台7311，第三箱体组件74 前、后侧开孔，该开孔与第三蜗轮凸台7311转动连接。

示例的，第三蜗轮731加工有花键通孔，第三连接轴732为花键轴且穿插在第三蜗轮731 的花键通孔内，踝旋转座72的两端开设有花键孔或槽，用于安装第三连接轴732的两轴端，第三蜗轮731转动时，带动第三连接轴732转动，进而带动踝旋转座72左右侧摆。花键轴的两端可加工有螺纹孔，分别在花键轴的两端拧入限位螺钉，可使第三连接轴732相对于踝旋转座72轴向限位，限位螺钉的螺帽直径大于花键轴的最小直径。

第五驱动机构8包括第三蜗杆部822，第三蜗杆部822与第三蜗轮731啮合，第三蜗杆部 822与第三蜗轮731之间可自锁。示例的，第五驱动机构8包括第五电机81、第三蜗杆齿轮 82和第五齿轮83，第三蜗杆齿轮82的两端分别为第三齿轮部821和第三蜗杆部822。第五电机81的输出轴连接并驱动第五齿轮83转动。第五齿轮83与第三齿轮部821啮合。

可选的，第三箱体组件74包括从上至下设置的第三板体743、第三箱体741和第三箱盖 742。第三箱盖742和第三箱体741盖合，配合支撑第三蜗轮731两轴端的第三蜗轮凸台7311。第三板体743顶部与小腿03固定连接，第五电机81的机身隐藏于小腿03内部。

第三箱体741顶部向下凹设有齿轮槽，第五齿轮83与第三齿轮部821均位于该齿轮槽内，第三板体743盖设在齿轮槽顶部。齿轮槽底开设有中心孔和偏置孔，第三板体743同样对应开设中心孔和偏置孔，第五齿轮83的两轴端分别转动连接在齿轮槽底的中心孔和第三板体743 的中心孔内，第三齿轮部821的两轴端分别转动连接在齿轮槽的偏置孔和第三板体743的偏置孔内，第三蜗杆部822向下伸入至第三箱体741内并与第三蜗轮731啮合。

如图16中所示，第三蜗杆部822末端可套设有轴承，可为滚动轴承，第三箱体组件74 上可相应于该轴承设置有轴承装配槽，例如，轴承装配槽设置在第三箱盖742上，轴承装配在轴承装配槽内，用于支撑第三蜗杆齿轮82，同时降低第三蜗杆部822转动时受到的摩擦力。

踝支承座71上设置有第二弧形槽711，踝旋转座72形状契合于第二弧形槽711，踝旋转座72滑动连接在第二弧形槽711内。踝旋转座72包括并排设置的滑动部721和蜗轮部722，滑动部721和蜗轮部722同步转动，滑动部721在第二弧形槽711内滑动，蜗轮部722具有外齿圈7221。滑动部721和蜗轮部722可为一体件或两个部件进行固定连接。

滑动部721外周设置为弧形面，该弧形面为优弧，第二弧形槽711的形状相应契合，用于防止踝旋转座72整体相对于踝支承座71向上脱位，优弧弧形面使得第二弧形槽711顶部开口口径小于滑动部721的最大直径，从而对踝旋转座72进行竖直方向上的限位。滑动部721可为截面为弓形的扁柱状，该弓形的弧大于半圆，即优弧弓，弓形柱的柱面即为上述的弧形面。蜗轮部722可为截面为弓形的扁柱状，类似于滑动部721，该弓形的弧大于半圆，弓形柱的柱面设置上述的外齿圈7221。蜗轮部722可通过设置螺钉和定位销固定在滑动部721的一侧端面上。滑动部721和蜗轮部722中部均设置避让空间以供安装第三蜗轮组件73。

第六驱动机构9包括第六电机91和第二蜗杆92，第六电机91连接并驱动第二蜗杆92转动，第二蜗杆92与外齿圈7221啮合，第二蜗杆92与外齿圈7221之间可自锁。

第六电机91固定在踝支承座71上，第二蜗杆92穿设在踝支承座71上，第六电机91的输出轴连接并控制第二蜗杆92转动。在一可选实施例中，第六电机91与第二蜗杆92之间通过设置一联轴滑动轴承94进行连接，第二蜗杆92的一端插设在联轴滑动轴承94内，第二蜗杆92的另一端套设有第二蜗杆轴承95，第二蜗杆轴承95可为滚动轴承，第二蜗杆轴承95和联轴滑动轴承94均设置在踝支承座71内。第二蜗杆轴承95和联轴滑动轴承94分别用于支撑第二蜗杆92的两端，同时减少转动摩擦。联轴滑动轴承94具有联轴器功能和滑动轴承功能。示例的，踝支承座71呈类似“凹”字状，踝支承座71开设中间槽，第二蜗杆92穿插在中间槽内，以供露出第二蜗杆92中部的螺旋齿。第二蜗杆92的两端均位于踝支承座71内。

第二弧形槽711左右方向上的一侧设置有挡面712，挡面712与滑动部721的一端面抵顶，滑动部721的另一端面与蜗轮部722的一端面抵接，蜗轮部722的另一端面处设置有挡环713，挡环713和挡面712配合对滑动部721以及蜗轮部722进行左右方向上的限位。在装配时，可以从第二弧形槽711一侧往挡面712方向推入滑动部721和蜗轮部722，再推入挡环713，再将挡环713采用螺钉等锁紧件固定在踝支承座71上。

脚掌04与踝支承座71固定连接，脚掌04与踝支承座71整体呈足状。脚掌04与踝支承座71可为一体或者两个部件进行固定连接。脚掌04可增大其与地面的接触面积，模拟人体足部。脚掌04前端设置电机槽041，第六电机91的机身位于电机槽041内。

可选的，所述脚掌04底部设置有缓冲层或/和防滑层。作为一示例，脚掌04底部可选择地贴有橡胶垫或者硅胶垫，具有缓冲作用，可以保护结构减少冲击；橡胶垫或者硅胶垫的底部表面加工有纹路，可以增大与地面的摩擦，具有防滑效果。

工作时，第五电机81控制第五齿轮83转动，带动第三蜗杆齿轮82整体转动，第三蜗杆部822带动第三蜗轮731和第三连接轴732旋转，踝旋转座72跟随第三连接轴732旋转，进而带动踝支承座71和脚掌04整体绕着第五直线L5进行左右侧摆转动，即侧摆自由度。

第六电机91驱动第二蜗杆92转动，第二蜗杆92沿着蜗轮部722的外齿圈7221转动，从而带动踝支承座71和脚掌04整体绕着第六直线L6进行前后俯仰滑动，即俯仰自由度。

本实施例中的第二电机31、第三电机41、第四电机61、第五电机81和第六电机91，均可采用体积较小的径向磁场电机，可避免在关节处堆叠体积较大的轴向磁场电机(即盘式电机)，减少占用空间，减轻质量，且采用径向磁场电机时，且部分电机的机身可设置在大腿02或者小腿03内，对其进行隐藏，合理利用大腿02和小腿03的空间，简化机器人外观线条。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本足式机器人多采用蜗轮蜗杆的传动机构，使得减速比大，结构紧凑，传动平稳可靠，承载能力强，关机各个自由度能够自锁，防止关机发生转动，以保持足式机器人的动作姿态，避免断电时机构摔倒造成损坏。

2、通过设置具有多自由度的髋部球关节2和多自由度的脚踝球关节7，且髋部球关节2 的多个自由度正交于一点、脚踝球关节7的多个自由度正交于一点，髋部球关节2可带动大腿 02绕同一点进行多自由度旋转、脚踝球关节7带动脚掌04绕同一点进行多自由度旋转，达到一定程度上模拟人体球关节的绕同一点转动的效果，使得足式机器人形态及步态更为拟人；

3、可避免采用传统足式机器人串联盘式电机的冗余关节结构，本发明各个关节尺寸小，并可采用体积较小的径向磁场电机，结构简单且类似，易于模块化；

4、腿部具有的自由度多且互相独立，各个自由度彼此之间不存在耦合联动，并且单一自由度可由单一驱动机构进行控制，可有效降低控制难度、简化控制算法，使得控制简单可靠、动作灵活多变，与人体的步态运动更为接近；

5、大腿02和小腿03均呈中空管状，减轻重量的同时，管内可用于放置电机的机身，对其进行隐藏，降低关节处的突兀感，有效利用大腿02和小腿03内部空间，简化机器人外观线条以及均衡重量。

以上所述仅是本申请的较佳实施方式而已，并非对本申请做任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (17)

1.一种足式机器人，其特征在于：包括若干条腿部，腿部包括从上至下依次连接的髋部球关节(2)、大腿(02)、膝关节(5)、小腿(03)、脚踝球关节(7)和脚掌(04)；

髋部球关节(2)包括滑动连接的髋支承座(21)和髋旋转座(22)，髋旋转座(22)相对于髋支承座(21)进行左右侧摆滑动，髋旋转座(22)上穿设有第一蜗轮组件(23)，第一蜗轮组件(23)与髋旋转座(22)同步运动；

大腿(02)顶部固定设置有第一箱体组件(24)，所述第一箱体组件(24)转动挂载在第一蜗轮组件(23)上；

髋支承座(21)上设有第二驱动机构(3)，第一箱体组件(24)上设有第三驱动机构(4)；

第二驱动机构(3)与髋旋转座(22)之间、第三驱动机构(4)与第一蜗轮组件(23)之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

2.如权利要求1所述的足式机器人，其特征在于：所述髋旋转座(22)顶部具有蜗轮齿条(221)，所述第二驱动机构(3)包括第一蜗杆(34)，所述第一蜗杆(34)横向插设在所述髋支承座(21)上，所述第一蜗杆(34)与所述蜗轮齿条(221)啮合，所述第一蜗杆(34)与所述蜗轮齿条(221)之间可自锁。

3.如权利要求2所述的足式机器人，其特征在于：所述第二驱动机构(3)还包括第二电机(31)、第一齿轮(32)和第二齿轮(33)；

所述第二电机(31)固定在所述髋支承座(21)上，所述第二电机(31)的输出轴连接并控制所述第一齿轮(32)进行转动；

所述第一齿轮(32)与所述第二齿轮(33)啮合；

所述第二齿轮(33)连接在所述第一蜗杆(34)的一端，所述第二齿轮(33)带动所述第一蜗杆(34)旋转。

4.如权利要求1所述的足式机器人，其特征在于：所述髋支承座(21)底部设置第一弧形槽(2111)，所述髋旋转座(22)形状契合于所述第一弧形槽(2111)，所述髋旋转座(22)滑动连接在所述第一弧形槽(2111)内；

所述髋支承座(21)的前、后端面均为支承板(212)，所述髋旋转座(22)位于两块所述支承板(212)之间，所述支承板(212)朝向所述髋旋转座(22)的侧面上设置有弧形的滚槽(2121)；

所述髋旋转座(22)朝向所述滚槽(2121)的端面上设置若干支承轴(222)，所述支承轴(222)外周套设有第三轴承(223)，第三轴承(223)位于所述滚槽(2121)内并沿着所述滚槽(2121)滚动。

5.如权利要求1所述的足式机器人，其特征在于：所述第一蜗轮组件(23)包括第一蜗轮(231)和第一连接轴(232)，所述第一蜗轮(231)套设在第一连接轴(232)中部，所述第一连接轴(232)两端均与所述髋旋转座(22)连接，所述第一蜗轮(231)、所述第一连接轴(232)和所述髋旋转座(22)同步转动；

所述第一蜗轮(231)的两轴端均凸设有第一蜗轮凸台(2311)，所述第一箱体组件(24)左、右两侧开孔，该开孔与所述第一蜗轮凸台(2311)转动连接。

6.如权利要求5所述的足式机器人，其特征在于：所述第三驱动机构(4)包括第一蜗杆部(422)，所述第一蜗杆部(422)与所述第一蜗轮(231)啮合，所述第一蜗杆部(422)与所述第一蜗轮(231)之间可自锁。

7.如权利要求6所述的足式机器人，其特征在于：所述第三驱动机构(4)包括第三电机(41)、第一蜗杆齿轮(42)和第三齿轮(43)，所述第一蜗杆齿轮(42)的两端分别为第一齿轮部(421)和所述第一蜗杆部(422)；

所述第三电机(41)的输出轴连接并控制所述第三齿轮(43)转动；

所述第三齿轮(43)与所述第一齿轮部(421)啮合。

8.如权利要求1所述的足式机器人，其特征在于：所述髋部球关节(2)顶部设置有第一电机(11)，所述第一电机(11)用于控制所述髋部球关节(2)绕一竖直轴线进行旋转，所述第一电机(11)为刹车电机。

9.如权利要求1所述的足式机器人，其特征在于：所述脚踝球关节(7)包括滑动连接的踝支承座(71)和踝旋转座(72)，所述踝旋转座(72)相对于所述踝支承座(71)进行前后侧摆滑动，所述踝旋转座(72)上穿设有第三蜗轮组件(73)，所述第三蜗轮组件(73)与所述踝旋转座(72)同步运动；

所述小腿(03)底部固定设置有第三箱体组件(74)，所述第三箱体组件(74)转动连接在所述第三蜗轮组件(73)上；

所述踝支承座(71)与所述脚掌(04)固定连接；

所述第三箱体组件(74)上设有第五驱动机构(8)，所述踝支承座(71)上设有第六驱动机构(9)；

所述第五驱动机构(8)与所述第三蜗轮组件(73)之间、所述第六驱动机构(9)与所述踝旋转座(72)之间均通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

10.如权利要求9所述的足式机器人，其特征在于：所述第三蜗轮组件(73)包括第三蜗轮(731)和第三连接轴(732)，所述第三蜗轮(731)套设在所述第三连接轴(732)中部，所述第三连接轴(732)的两端均与所述踝旋转座(72)连接，所述第三蜗轮(731)、所述第三连接轴(732)和所述踝旋转座(72)同步转动；

所述第三蜗轮(731)的两轴端均凸设有第三蜗轮凸台(7311)，所述第三箱体组件(74)前、后侧开孔，该开孔与所述第三蜗轮凸台(7311)转动连接。

11.如权利要求10所述的足式机器人，其特征在于：所述第五驱动机构(8)包括第三蜗杆部(822)，所述第三蜗杆部(822)与所述第三蜗轮(731)啮合，所述第三蜗杆部(822)与所述第三蜗轮(731)之间可自锁。

12.如权利要求11所述的足式机器人，其特征在于：所述第五驱动机构(8)包括第五电机(81)、第三蜗杆齿轮(82)和第五齿轮(83)，所述第三蜗杆齿轮(82)的两端分别为第三齿轮部(821)和所述第三蜗杆部(822)；

所述第五电机(81)的输出轴连接并驱动所述第五齿轮(83)转动；

所述第五齿轮(83)与所述第三齿轮部(821)啮合。

13.如权利要求9所述的足式机器人，其特征在于：所述踝支承座(71)上设置有第二弧形槽(711)，所述踝旋转座(72)形状契合于所述第二弧形槽(711)，所述踝旋转座(72)滑动连接在所述第二弧形槽(711)内；

所述踝旋转座(72)包括并排设置的滑动部(721)和蜗轮部(722)，所述滑动部(721)和所述蜗轮部(722)同步转动，所述滑动部(721)在第二弧形槽(711)内滑动，所述蜗轮部(722)具有外齿圈(7221)。

14.如权利要求13所述的足式机器人，其特征在于：所述第六驱动机构(9)包括第六电机(91)和第二蜗杆(92)，所述第六电机(91)连接并驱动第二蜗杆(92)转动，所述第二蜗杆(92)与所述外齿圈(7221)啮合，所述第二蜗杆(92)与所述外齿圈(7221)之间可自锁。

15.如权利要求1所述的足式机器人，其特征在于：所述膝关节(5)包括第二蜗轮组件(51)和第二箱体组件(52)，所述第二蜗轮组件(51)转动连接在所述第二箱体组件(52)上；

所述第二箱体组件(52)固定连接在所述大腿(02)的底部，所述第二蜗轮组件(51)两端与所述小腿(03)连接，所述小腿(03)与所述第二蜗轮组件(51)同步转动；

所述第二箱体组件(52)上设置有第四驱动机构(6)，所述第四驱动机构(6)与所述第二蜗轮组件(51)之间通过蜗轮蜗杆传动的方式进行连接，蜗轮蜗杆间可自锁。

16.如权利要求15所述的足式机器人，其特征在于：所述第二蜗轮组件(51)包括第二蜗轮(511)和第二连接轴(512)，所述第二蜗轮(511)套设在所述第二连接轴(512)中部，所述第二连接轴(512)的两轴端插设在所述小腿(03)的顶部，所述小腿(03)跟随所述第二连接轴(512)转动；

所述第二蜗轮(511)两轴端外凸有第二蜗轮凸台(5111)，所述第二箱体组件(52)左、右两侧开孔，该开孔与所述第二蜗轮凸台(5111)转动连接。

17.如权利要求16所述的足式机器人，其特征在于：所述第四驱动机构(6)包括第四电机(61)、第二蜗杆齿轮(62)和第四齿轮(63)，所述第二蜗杆齿轮(62)的两端分别为第二齿轮部(621)和第二蜗杆部(622)；

所述第四电机(61)的输出轴连接并驱动所述第四齿轮(63)转动；

所述第四齿轮(63)与所述第二齿轮部(621)啮合；

所述第二蜗杆部(622)与所述第二蜗轮(511)啮合，所述第二蜗杆部(622)与所述第二蜗轮(511)之间可自锁。

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