本發(fā)明涉及機器人創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種四足機器人單腿機構(gòu)。

背景技術(shù)：

四足機器人采用仿生設(shè)計方法，利用四條仿生腿的交替運動實現(xiàn)行走，是未來機器人領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在行星探測、救援運輸、核能維修等方面具有的廣闊的應(yīng)用前景。單腿系統(tǒng)機構(gòu)對于四足機器人的運動能力具有重要影響。

傳統(tǒng)的四足機器人腿部機構(gòu)面臨著關(guān)節(jié)質(zhì)量大、運動范圍小、驅(qū)動能力不足等問題，嚴(yán)重制約了四足機器人的行走能力和工程化運用。腿部機構(gòu)的靈活性和反應(yīng)的快速性是評價單腿系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，同時為適應(yīng)復(fù)雜地貌和惡劣環(huán)境，四足機器人單腿系統(tǒng)關(guān)節(jié)必須擁有大的活動空間和輸出轉(zhuǎn)矩，以及實時測量反饋裝置。而現(xiàn)有的四足機器人腿部機構(gòu)均不具備以上功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有四足機器人腿部機構(gòu)關(guān)節(jié)質(zhì)量大、運動范圍小、驅(qū)動能力不足的問題，進而提出一種四足機器人單腿機構(gòu)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

一種四足機器人單腿機構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)機構(gòu)、股關(guān)節(jié)機構(gòu)、大腿、膝關(guān)節(jié)機構(gòu)和小腿，髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的上端與機身連接，髖關(guān)節(jié)機構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和髖關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)，髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的下端與上端通過髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和髖關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，股關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)置在髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的下端，股關(guān)節(jié)機構(gòu)包括股關(guān)節(jié)軸、股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和股關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)，大腿的上端與股關(guān)節(jié)軸連接，股關(guān)節(jié)軸通過股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和股關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，膝關(guān)節(jié)機構(gòu)包括膝關(guān)節(jié)軸、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和跨軸傳動機構(gòu)，大腿的下端通過膝關(guān)節(jié)軸與小腿的上端連接，膝關(guān)節(jié)軸通過膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和跨軸傳動機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，小腿的下端設(shè)有三維傳感器，股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件均設(shè)置在髖關(guān)節(jié)機構(gòu)中。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比包含的有益效果是：

1、本發(fā)明提供了一套能夠提供高載荷、大范圍運動、輕質(zhì)、動力學(xué)參數(shù)(關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速、足端力)易于精確測量、能夠?qū)嵭腥杂啥冗\動的機器人腿部機構(gòu)；

2、本發(fā)明通過將驅(qū)動部件(電動機、減速器)的安裝位置上移，降低腿部的重量和轉(zhuǎn)動慣量，增大關(guān)節(jié)的活動范圍和輸出力矩；

3、本發(fā)明利用同步帶(輪)的跨軸傳動機構(gòu)，使髖關(guān)節(jié)的動力輸出在不產(chǎn)生運動干涉的情況下傳遞到膝關(guān)節(jié)，傳動比準(zhǔn)確，效率高；

4、本發(fā)明利用腿骨自身螺栓連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同步帶的預(yù)緊調(diào)節(jié)，避免外加預(yù)緊輪，簡化機構(gòu)，增加其可靠性；

5、本發(fā)明中腿骨采用中空結(jié)構(gòu)，減輕機構(gòu)重量，并且可以用來布線。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2的后側(cè)示意圖；

圖4是本發(fā)明中髖關(guān)節(jié)機構(gòu)上端的主視圖；

圖5是圖4的俯視圖；

圖6是本發(fā)明中髖關(guān)節(jié)機構(gòu)下端的俯視圖；

圖7是圖6中去掉上殼9后其余構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是圖6的仰視圖；

圖9是本發(fā)明中大腿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明中小腿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是圖10的剖視圖；

圖12是本發(fā)明中跨軸傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是本發(fā)明中髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1、股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1至圖13說明本實施方式，本實施方式所述一種四足機器人單腿機構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)機構(gòu)、股關(guān)節(jié)機構(gòu)、大腿、膝關(guān)節(jié)機構(gòu)和小腿，髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的上端與機身2連接，髖關(guān)節(jié)機構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1和髖關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)，髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的下端與上端通過髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1和髖關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，股關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)置在髖關(guān)節(jié)機構(gòu)的下端，股關(guān)節(jié)機構(gòu)包括股關(guān)節(jié)軸26、股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17和股關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)，大腿的上端與股關(guān)節(jié)軸26連接，股關(guān)節(jié)軸26通過股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17和股關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，膝關(guān)節(jié)機構(gòu)包括膝關(guān)節(jié)軸37、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15和跨軸傳動機構(gòu)，大腿的下端通過膝關(guān)節(jié)軸37與小腿的上端連接，膝關(guān)節(jié)軸37通過膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15和跨軸傳動機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，小腿的下端設(shè)有三維傳感器38，股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15均設(shè)置在髖關(guān)節(jié)機構(gòu)中。

本實施方式中使用足端三維力傳感器18，實時測量足端與地面的接觸力，將三維接觸力信息作為反饋信號，可以實現(xiàn)電動機在轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)矩控制。

本發(fā)明中機械腿的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和腿骨，均采用輕質(zhì)鋁合金作為關(guān)節(jié)和腿骨材料，腿骨采用中空結(jié)構(gòu)，減輕機構(gòu)重量，并且可以用來布線，利用同步帶和滾動軸承實現(xiàn)跨軸傳動，其驅(qū)動系統(tǒng)采用空芯杯電機51和行星輪減速器52相配合的驅(qū)動電機組件，使用伺服驅(qū)動器，具有功率密度大、體積小、響應(yīng)迅速等優(yōu)點。

具體實施方式二：結(jié)合圖1至圖8說明本實施方式，本實施方式所述髖關(guān)節(jié)機構(gòu)還包括外殼體7、轉(zhuǎn)軸19和兩個髖關(guān)節(jié)連接板5，髖關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)包括主動齒輪3和從動齒輪4，兩個髖關(guān)節(jié)連接板5的上端分別與機身2固接，外殼體7設(shè)置在兩個髖關(guān)節(jié)連接板5之間，轉(zhuǎn)軸19水平插裝在外殼體7的中部，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1設(shè)置在外殼體7的上端，其中一個髖關(guān)節(jié)連接板5的外側(cè)設(shè)有主動齒輪3和從動齒輪4，主動齒輪3與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1固接，轉(zhuǎn)軸19的兩端分別延伸到髖關(guān)節(jié)連接板5的外側(cè)，從動齒輪4與轉(zhuǎn)軸9的一端固接，主動齒輪3與從動齒輪4相嚙合。其它組成和連接方式與具體實施方式一相同。

本實施方式中所述外殼體7包括上殼9和下殼16，上殼9設(shè)置在下殼16的上端，上殼9與下殼16之間通過四個連接螺釘10固接。所述髖關(guān)節(jié)連接板5的上端通過連接螺栓6與機身2固接。所述主動齒輪3通過緊定螺釘8與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1固接。

具體實施方式三：結(jié)合圖1至圖8說明本實施方式，本實施方式所述轉(zhuǎn)軸19的兩端分別各設(shè)有一個深溝球軸承18和一組緊固螺釘13，每組緊固螺釘13沿圓周方向設(shè)置在轉(zhuǎn)軸19的外側(cè)，轉(zhuǎn)軸19通過緊固螺釘13與外殼體7固接，轉(zhuǎn)軸19通過深溝球軸承18與髖關(guān)節(jié)連接板5轉(zhuǎn)動連接。其它組成和連接方式與具體實施方式二相同。

具體實施方式四：結(jié)合圖1、圖3和圖6至圖9說明本實施方式，本實施方式所述股關(guān)節(jié)機構(gòu)還包括股關(guān)節(jié)連接板20，股關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)包括股關(guān)節(jié)主動帶輪12和股關(guān)節(jié)從動帶輪27，股關(guān)節(jié)連接板20固接在外殼體7的下端面上，股關(guān)節(jié)軸26水平插裝在股關(guān)節(jié)連接板20的兩端，股關(guān)節(jié)軸26的軸線方向與轉(zhuǎn)軸19的軸線方向垂直設(shè)置，股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17設(shè)置在外殼體7內(nèi)，股關(guān)節(jié)主動帶輪12設(shè)置在外殼體7的一側(cè)，股關(guān)節(jié)主動帶輪12與股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17固接，股關(guān)節(jié)從動帶輪27設(shè)置在股關(guān)節(jié)連接板20的外側(cè)，股關(guān)節(jié)從動帶輪27與股關(guān)節(jié)軸26的一端固接，股關(guān)節(jié)主動帶輪12與股關(guān)節(jié)從動帶輪27通過股關(guān)節(jié)傳動帶49連接。其它組成和連接方式與具體實施方式二或三相同。

本實施方式中所述股關(guān)節(jié)從動帶輪27通過股關(guān)節(jié)鍵28與股關(guān)節(jié)軸26固接，股關(guān)節(jié)從動帶輪27的外側(cè)設(shè)有從動帶輪軸端擋圈29，從動帶輪軸端擋圈29通過從動帶輪固定螺釘30與股關(guān)節(jié)軸26的端面固接。

具體實施方式五：結(jié)合圖8和圖9說明本實施方式，本實施方式所述股關(guān)節(jié)軸26的兩端分別各設(shè)有一個股關(guān)節(jié)凸緣軸承25，股關(guān)節(jié)軸26通過股關(guān)節(jié)凸緣軸承25與股關(guān)節(jié)連接板20轉(zhuǎn)動連接。其它組成和連接方式與具體實施方式四相同。

具體實施方式六：結(jié)合圖1和圖9說明本實施方式，本實施方式所述大腿包括股骨32、定位板33和兩個股骨鎖緊螺母31，股骨32的上端垂直旋裝在股關(guān)節(jié)軸26的中部，股骨32的下端垂直旋裝在定位板33的中部，股骨32的上下兩端分別各旋裝有一個股骨鎖緊螺母31，股骨鎖緊螺母31分別設(shè)置在股關(guān)節(jié)軸26的下端和定位板33的上端。其它組成和連接方式與具體實施方式二、三或五相同。

本實施方式中股骨鎖緊螺母31防止股骨32的兩端發(fā)生松動。

具體實施方式七：結(jié)合圖1和圖6至圖12說明本實施方式，本實施方式所述膝關(guān)節(jié)機構(gòu)還包括膝關(guān)節(jié)連接板35，膝關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)包括膝關(guān)節(jié)主動帶輪11、膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24、膝關(guān)節(jié)從動帶輪41、一級傳動帶47和二級傳動帶48，膝關(guān)節(jié)連接板35固接在定位板33的下端，膝關(guān)節(jié)軸37水平插裝在膝關(guān)節(jié)連接板35的兩端，膝關(guān)節(jié)軸37的軸線方向與股關(guān)節(jié)軸26的軸線方向平行設(shè)置，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15設(shè)置在外殼體7內(nèi)，膝關(guān)節(jié)主動帶輪11設(shè)置在外殼體7的另一側(cè)，膝關(guān)節(jié)主動帶輪11與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15固接，膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24設(shè)置在股關(guān)節(jié)連接板20的外側(cè)，膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24套裝在股關(guān)節(jié)軸26的另一端，且膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24與股關(guān)節(jié)軸26轉(zhuǎn)動連接，膝關(guān)節(jié)從動帶輪41設(shè)置在膝關(guān)節(jié)連接板35的外側(cè)，膝關(guān)節(jié)從動帶輪41與膝關(guān)節(jié)軸37的一端固接，膝關(guān)節(jié)主動帶輪11與膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24通過一級傳動帶47連接，膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24與膝關(guān)節(jié)從動帶輪41通過二級傳動帶48連接。其它組成和連接方式與具體實施方式六相同。

本實施方式中所述膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24的外側(cè)設(shè)有過渡輪軸端擋圈22，過渡帶輪軸端擋圈22通過過渡帶輪固定螺釘23與股關(guān)節(jié)軸26的端面固接。所述膝關(guān)節(jié)從動帶輪41通過膝關(guān)節(jié)鍵42與膝關(guān)節(jié)軸37固接，膝關(guān)節(jié)從動帶輪41的外側(cè)設(shè)有膝關(guān)節(jié)軸端擋圈40，膝關(guān)節(jié)軸端擋圈40通過膝關(guān)節(jié)固定螺釘39與膝關(guān)節(jié)軸37的端面固接。所述膝關(guān)節(jié)連接板35通過四個緊定螺栓34與定位板33固接。

具體實施方式八：結(jié)合圖9和圖10說明本實施方式，本實施方式所述膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24與股關(guān)節(jié)軸26之間設(shè)有一組過渡帶輪凸緣軸承21，膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24通過過渡帶輪凸緣軸承21與股關(guān)節(jié)軸26轉(zhuǎn)動連接，膝關(guān)節(jié)軸37的兩端分別各設(shè)有一個膝關(guān)節(jié)凸緣軸承36，膝關(guān)節(jié)軸37通過膝關(guān)節(jié)凸緣軸承36與膝關(guān)節(jié)連接板35轉(zhuǎn)動連接。其它組成和連接方式與具體實施方式七相同。

具體實施方式九：結(jié)合圖1、圖10和圖11說明本實施方式，本實施方式所述小腿包括膝骨44、足端連接板45和兩個膝骨鎖緊螺母43，膝骨44的上端垂直旋裝在膝關(guān)節(jié)軸37的中部，膝骨44的下端垂直旋裝在足端連接板45的中部，膝骨44的上下兩端分別各旋裝有一個膝骨鎖緊螺母43，膝骨鎖緊螺母43分別設(shè)置在膝關(guān)節(jié)軸37的下端和足端連接板45的上端。其它組成和連接方式與具體實施方式七或八相同。

本實施方式中所述三維力傳感器38通過四個緊固螺栓46與足端連接板45固接。膝骨鎖緊螺母43防止膝骨44的兩端發(fā)生松動。

具體實施方式十：結(jié)合圖1至圖8和圖13說明本實施方式，本實施方式所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1、股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15均分別包括編碼器50、空心杯電機51和減速器52，編碼器50與空心杯電機51連接，減速器52設(shè)置在空心杯電機51的輸出端，三維力傳感器38與編碼器50連接。其它組成和連接方式與具體實施方式一、二、三、五、七或八相同。

其中髖關(guān)節(jié)驅(qū)動組件1中減速器52的輸出端與主動齒輪3連接，股關(guān)節(jié)驅(qū)動組件17中減速器52的輸出端與股關(guān)節(jié)主動帶輪12連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動組件15中減速器52的輸出端與膝關(guān)節(jié)主動帶輪11連接。

本實施方式中使用高精度的三維力傳感器18和編碼器50作為測量裝置，高能量密度的空芯杯電機51作為動力裝置。

本發(fā)明中主動齒輪3、從動齒輪4是模數(shù)為1的圓柱直齒輪，齒數(shù)分別為23和37。膝關(guān)節(jié)主動帶輪11通過一級傳動帶47帶動膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24轉(zhuǎn)動，傳動比為2，膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24通過二級傳動帶48帶動膝關(guān)節(jié)從動帶輪41轉(zhuǎn)動，傳動比為1。股關(guān)節(jié)主動帶輪12通過股關(guān)節(jié)傳動帶49帶動股關(guān)節(jié)從動帶輪27轉(zhuǎn)動，傳動比為2。膝關(guān)節(jié)主動帶輪11、膝關(guān)節(jié)過渡帶輪24、膝關(guān)節(jié)從動帶輪41、股關(guān)節(jié)主動帶輪12和股關(guān)節(jié)從動帶輪27均為S2M規(guī)格的圓弧形同步帶，其中膝關(guān)節(jié)主動帶輪11和股關(guān)節(jié)主動帶輪12的齒數(shù)為20，膝關(guān)節(jié)從動帶輪41、股關(guān)節(jié)主動帶輪12和股關(guān)節(jié)從動帶輪27的齒數(shù)均為40。

三維力傳感器38的型號為OMD-30-SE-100，額定力為100N，測量精度為0.05％Fs。編碼器50的型號為TS20B，分辨率為2000P/R，空芯杯電機51的型號為CBL2040-2416F，額定轉(zhuǎn)速14785RPM，額定轉(zhuǎn)矩為7.89mNm，減速器52為三級行星輪減速器，減速比為121，連續(xù)輸出扭矩1.2Nm，瞬時輸出扭矩為1.8Nm。

工作原理

1、髖關(guān)節(jié)設(shè)計：髖關(guān)節(jié)是機器人腿與機身連接的關(guān)節(jié)，由上髖和下髖組成，上髖固定于機身，下髖相對于上髖轉(zhuǎn)動。上髖內(nèi)部安裝有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動部件。下髖內(nèi)部安裝有兩套驅(qū)動部件，分別通過同步帶驅(qū)動股關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。

2、大腿設(shè)計：大腿上接髖關(guān)節(jié)，下接小腿，由股關(guān)節(jié)和大腿骨及防松裝置組成。股關(guān)節(jié)使大腿產(chǎn)生相對于髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，由同步帶驅(qū)動。大腿骨是中空的螺桿，兩端由螺紋連接，防松螺母預(yù)緊。

3、小腿設(shè)計：小腿上接大腿，下接地面，由膝關(guān)節(jié)、小腿骨、防松裝置、及足組成。膝關(guān)節(jié)使小腿產(chǎn)生相對于大腿的轉(zhuǎn)動，由同步帶驅(qū)動。小腿骨是中空的螺桿，兩端由螺紋連接，防松螺母預(yù)緊。足與地面接觸，為三維力傳感器。

4、跨軸傳動機構(gòu)：采用兩套同步帶傳動裝置，髖關(guān)節(jié)內(nèi)部電動機的動力經(jīng)過股關(guān)節(jié)傳遞至膝關(guān)節(jié)。股關(guān)節(jié)上安裝的過渡同步帶輪裝置是該機構(gòu)的主要部分，同步帶輪通過滾動軸承與股關(guān)節(jié)軸相連，其轉(zhuǎn)動與股關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動互不影響。

5、驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)采用空芯杯電機和行星輪減速器相配合的電機組件，使用伺服驅(qū)動器，具有功率密度大、體積小、響應(yīng)迅速等優(yōu)點。