一种电动四足机器人的单腿结构的制作方法

本发明涉及一种用于电动四足机器人的单腿结构，属于机器人技术领域。

背景技术：

在地形多变的自然环境中，腿足式机器人可以更好的适应地形变化，对复杂地形具有较高的通过性，相较于轮式或履带式机器人具有一定的优越性。腿足式机器人是一个具有较高吸引力的研究领域，在工业、地形勘探、军事国防等领域具有广阔的应用前景。

当前的腿足式机器人研究，为了提高机器人的负载自重比，多是采用液压驱动系统。如山东大学研制的scalf四足机器人，美国bostondynamics公司研制的bigdog等，均是采用液压驱动系统。后期bostondynamics公司研制了电动四足机器人spotmini，但是由于电机的力矩容量等限制，当前的电动腿足式机器人的动态性能表现一般，仍然具有较大的提高空间。

研制电动腿足式机器人，比较精简的结构就是将驱动电机放置在关节部位。腿足式机器人关节的体积、重量、输出力矩和运动精度，是其整体性能的主要决定因素。当前的机器人关节，通常采用输出力矩较小的无刷直流电机。为了获得较大的输出力矩，通常需要配置具有较大减速比的rv减速器或者谐波减速器。然而，大减速比传动系统的逆向驱动效果较差，使机器人对环境的力感知能力较差，不适用于组建腿足式机器人。

中国专利文献cn104942822a公开了《一种空间机器人的两自由度关节》，通过两关节驱动组件、关节传动组件，实现关节两自由度的运动，通过调节两个电机的转速和转角，实现关节俯仰、旋转、两者合成的三种运动方式。但是，该装置采用多级行星齿轮减速箱和锥齿轮传动，传动机构较为复杂，关节尺寸和重量较大。

技术实现要素：

本发明的目的是面向当前腿足式机器人的需求，针对现有腿足式机器人的不足，提供一种动态性好、输出扭矩大、结构简单紧凑、逆向驱动性能好且具有高动态特性的电动四足机器人的单腿结构。

本发明的电动四足机器人的单腿结构，采用如下技术方案：

该电动四足机器人的单腿结构，包括髋关节、膝关节、大腿连杆、小腿连杆和脚部，髋关节又包括第一髋关节和第二髋关节；第二髋关节与第一髋关节的动力输出端连接；膝关节通过大腿连杆与第一髋关节的动力输出端连接，膝关节与第二髋关节刚性连接，第二髋关节的动力输出端与膝关节的动力输入端通过传动机构连接，小腿连接在膝关节的动力输出端，脚部连接在小腿上。

所述第一髋关节，包括第一驱动电机、第一关节主轴、第一传动箱和第一关节输出轴；第一驱动电机的定子内置有霍尔传感器，第一驱动电机的转子与第一关节主轴连接，第一关节主轴安装在第一驱动电机壳体上，第一驱动电机壳体上安装有第一编码器，第一编码器的磁头连接轴嵌套在第一关节主轴的内孔中；第一传动箱连接在第一驱动电机壳体上，第一传动箱内安装有行星减速器和第一关节输出轴，行星减速器的输入轴与第一关节主轴连接，第一关节输出轴与行星减速器的行星架输出端连接。

所述第二髋关节，包括第二驱动电机和第二关节主轴，第二驱动电机定子内置有霍尔传感器，第二驱动电机转子与第二关节主轴连接，第二关节主轴安装在第二驱动电机壳体上，第二关节主轴通过传动机构与膝关节中的输入主轴连接，第二驱动电机壳体上安装有第二编码器，第二编码器的磁头连接轴嵌套在第二关节主轴的内孔中，第二驱动电机壳体上设置有连接杆，该连接杆与第一关节输出轴连接。

所述膝关节，包括膝关节输出传动箱、膝关节输入传动箱、膝关节输出轴连杆、膝关节支承连杆和输入主轴，膝关节输出传动箱与膝关节输入传动箱连接，膝关节输出传动箱内安装有行星减速器和膝关节输出轴连杆，膝关节输出轴连杆与行星减速器连接，膝关节输入传动箱内安装有输入主轴，输入主轴与行星减速器连接，输入主轴与第二髋关节中的第二关节主轴通过传动机构连接，膝关节输出轴连杆上连接有膝关节支承连杆。

上述电动四足机器人的单腿运行时，第一髋关节中的第一驱动电机根据其编码器的伺服控制信号旋转，并通过行星减速器带动动力输出端(第一关节输出轴)运转，进而带动第二髋关节、大腿连杆、膝关节总成和小腿相对于第一髋关转动。第二髋关节中的第二驱动电机根据其编码器的伺服控制信号旋转，并带动膝关节的动力输入端(输入转轴)转动，进而通过行星减速器带动膝关节的动力输出端(输出轴连杆)转动，从而实现了小腿相对于大腿的转动。

本发明采用高扭矩输出的无框直驱力矩电机，并利用单级行星减速器，通过采用同步带传动，将髋关节和膝关节的驱动电机均放置于髋关节部位，保证了大腿和小腿的低质量和低转动惯量，从而使该单腿结构具有较好的运动性能。具有以下特点：

1.充分利用无框直驱力矩电机输出扭矩大、结构简单紧凑等优点，保证了单腿的膝关节和髋关节具有良好的逆向驱动特性，可用于组装具有弹跳等高动态特性的腿足式机器人。

2.紧凑型高关节扭矩的单腿结构，可用于组建可弹跳、高负载自重比的电动四足机器人。

附图说明

图1是本发明电动四足机器人的单腿结构的整体外观示意图。

图2是本发明中髋关节第一关节电机箱的剖视图。

图3是本发明中髋关节第一关节传动箱的剖视图。

图4是本发明中髋关节第二关节的剖视图。

图5是本发明中膝关节及同步带外观示意图。

图6是本发明中膝关节的剖视图。

图中：1.第一驱动电机壳体，2.第一编码器，3.输出法兰，4.髋关节第二驱动电机壳体，5.连接杆，6.同步带，7.大腿连杆，8.膝关节输出传动箱，9.膝关节输入传动箱，10输出轴连杆，11.小腿连杆，12.脚部，13.壳体盖，14.第一驱动电机定子，15.第一驱动电机转子，16.端盖，17.第一编码器磁头，18.磁头连接轴，19.滚珠轴承，20.第一关节主轴，21.第一髋关节传动箱，22.行星减速器，23.交叉滚子轴承，24.第一关节输出轴，25.第二编码器，26.第二编码器磁头，27.磁头连接轴，28.滚珠轴承，29.第二关节主轴，30.第二驱动电机转子，31.第二驱动电机定子，32.端盖，33.壳体盖，34.输出带轮，35.支承连杆，36.交叉滚子轴承，37.行星减速器，38.交叉滚子轴承，39.膝关节输入主轴，40.输入带轮，41.滚珠轴承。

具体实施方式

本发明的电动四足机器人单腿结构包含髋关节ⅰ和膝关节ⅱ、大腿连杆、小腿连杆和脚部。髋关节又包括第一髋关节和第二髋关节。

如图1所示，第二髋关节与第一髋关节的动力输出端连接，具体是第一髋关节中的第一关节输出轴24通过其上的输出法兰3与第二髋关节中的连接杆5连接。膝关节ⅱ通过大腿连杆7与第一髋关节中的动力输出端连接，具体是膝关节中的膝关节输出传动箱8通过大腿连杆7与第一髋关节中的第一关节输出轴24上的输出法兰3连接。膝关节ⅱ与第二髋关节刚性连接，具体是第二髋关节上的连接杆5与膝关节输入传动箱9连接；同时，第二髋关节的动力输出端与膝关节ⅱ的动力输入端通过传动机构连接，传动机构采用同步带传动，具体是第二髋关节中的第二关节主轴29上的输出带轮34与膝关节ⅱ中输入主轴39上的输入带轮40之间连接同步带6，实现动力传动。小腿11固定连接在膝关节ⅱ中的输出轴连杆10上，脚部12连接在小腿11上。

如图2和图3，第一髋关节包括第一驱动电机、第一关节主轴20、第一编码器2、第一传动箱21和第一关节输出轴24。第一驱动电机由第一驱动电机壳体1、第一驱动电机定子14和第一驱动电机转子15。第一驱动电机定子14通过壳体盖13压紧在第一驱动电机壳体1内，定子14内置有霍尔传感器。第一驱动电机转子15嵌套在第一关节主轴20上，并通过端盖16压紧。第一关节主轴20通过两个滚珠轴承19两端支承于第一驱动电机壳体1和壳体盖13的轴承座上。第一驱动电机壳体1的侧面通过螺钉安装有第一编码器2，第一编码器2的磁头连接轴18嵌套在第一关节主轴20的内孔中，磁头连接轴18上安装有磁头17。第一传动箱21通过螺钉与壳体盖13刚性连接。第一传动箱21内安装有行星减速器22。行星减速器22的输入轴与第一关节主轴20连接，实现动力传动。第一传动箱21内通过交叉滚子轴承23安装有第一关节输出轴24，第一关节输出轴24的锯齿轴与行星减速器22的行星架输出端锯齿孔配合，实现动力传动。第一关节输出轴24的端面上安装有输出法兰3。

如图1和图4所示，第二髋关节包括第二驱动电机、第二关节主轴29和第二编码器25。第二驱动电机由第二驱动电机壳体4、第二驱动电机定子31和第二驱动电机转子30。第二驱动电机定子31通过壳体盖33压紧在第二驱动电机壳体4内，定子31内置有霍尔传感器。第二驱动电机转子30嵌套在第二关节主轴29上，并通过端盖32压紧。第二关节主轴29通过两个滚珠轴承28两端支承于第二驱动电机壳体4和壳体盖33的轴承座上。第二关节主轴29上安装有输出带轮34。第二驱动电机壳体4的侧面通过螺钉安装有第二编码器25，第二编码器25的磁头连接轴27嵌套在第二关节主轴29的内孔中，磁头连接轴27上安装有磁头26。第二驱动电机壳体盖33的侧面设置有连接杆5。

如图1、图5和图6所示，膝关节ⅱ包括膝关节输出传动箱8、膝关节输入传动箱9、膝关节输出轴连杆10、膝关节支承连杆35、行星减速器37、输入主轴39和输入带轮40。膝关节输入传动箱9与膝关节输出传动箱8连接，膝关节输出传动箱8内安装有行星减速器37。膝关节输出传动箱8内通过第一交叉滚子轴承36安装有输出轴连杆10，输出轴连杆10的锯齿轴与行星减速器37的行星架输出端锯齿孔配合，实现动力传动。膝关节输入传动箱9内通过第二交叉滚子轴承38安装有输入主轴39，输入主轴39的锯齿孔与行星减速器37的输入轴配合，实现动力传动。输入主轴39上安装有输入带轮40，输入带轮40与输出带轮34之间连接同步带6。输出轴连杆10上连接有支承连杆35，支承连杆35通过滚珠轴承41支承于膝关节输入传动箱9。支承连杆35用于固定连接小腿11。

上述电动四足机器人单腿的工作过程如下所述。

第一髋关节中的第一驱动电机转子15根据第一编码器2的伺服控制信号旋转，通过第一关节主轴20输出到行星减速器22的输入轴上。通过行星减速器22减速之后，由行星架输出减速后的转动至第一关节输出轴24及输出法兰3上。由于输出法兰3和第二髋关节之间刚性连接，从而带动第二髋关节、大腿连杆7、膝关节总成和小腿11相对于第一髋关节转动。第二髋关节中的第二驱动电机转子30根据第二编码器25的伺服控制信号旋转，通过第二关节主轴29输出到输出带轮34转动。输出带轮34通过同步带6将运动传递到输入带轮40，带动输入主轴39转动。通过行星减速器37减速之后，由行星架输出转动带动输出轴连杆10转动。由于输出轴连杆10与支承连杆35刚性连接并与小腿11连接，从而实现了小腿相对于大腿的转动。