一种仿生机器人的腿部结构的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，具体是一种仿生机器人的腿部结构。

背景技术：

机械腿是机器人的重要组成部分，对双足步行机器人运动起着非常重要的作用，双足步行机器人比其它移动机器人有着更好的地形适应能力，不仅可以在平面上行走，还能适应各种复杂地形，跨越障碍能力，适合各种不同环境，因此在实际中得到更加多的应用，能够轻松的融入人类生活。目前常见的双足步行机器人为了减少腿部惯量，引入相应的机械传动机构（如：步进电机或伺服电机等），连接相应的驱动器和运动关节，该机器人的运动能力较差；而当机械传动机构（如：步进电机或伺服电机等）没有电时，机械传动机构将无法支撑整个机器人的身体重量，导致机器人容易倒下，存在安全问题。此外，传统机器人的腿部由单一支架构成，其中腿部的电机支架只有两个支撑部分，多个电机和支架构成后的模块串联后，长度变大，普遍存在支架易变形、稳定度降低，运动过程中失去重心，而且机器人在下蹲过程中容易发生重心偏移，受机械机构的限制，无法完成蹲下动作，活动范围受到限制，可以做到的腿部动作有限。再有，受机器人重量和电机转盘的影响，机器人运行一段时间后，会发生支架和齿轮接触松动和变形的现象，导致机器人无法站立，使用寿命缩短，维护成本高。传统机器人还存在以下一系列问题：控制难度高，制作成本高，机器人整体质量重，负载能力差，运动速度低，灵活性下降，双腿步行时平衡度差等。

因此，需要进一步改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种仿生机器人的腿部结构，其效仿人类双足结构，所以灵活度高，可完成多种腿部动作，平衡性好。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种仿生机器人的腿部结构，其特征在于：包括大腿组件、小腿组件、活动式连接大腿组件和小腿组件的中关节座、及活动式连接小腿组件的脚踝连接座。

所述大腿组件包括大腿连接座、大腿后连接件、第一大腿前连接件、第二大腿前连接件、第一大腿推拉杆和第二大腿推拉杆；所述大腿连接座、第一大腿推拉杆一端和第二大腿推拉杆一端分别活动式连接固定板；所述第一大腿推拉杆另一端活动式连接第一大腿前连接件；所述第二大腿推拉杆另一端活动式连接第二大腿前连接件；所述大腿后连接件一端、第一大腿前连接件一端和第二大腿前连接件一端分别活动式连接大腿连接座；

所述小腿组件包括小腿后连接件、第一小腿前连接件、第二小腿前连接件、第一小腿推拉杆和第二小腿推拉杆；所述大腿后连接件另一端、第一大腿前连接件另一端和第二大腿前连接件另一端分别活动式连接中关节座；所述小腿后连接件一端、第一小腿前连接件一端和第二小腿前连接件一端分别活动式连接中关节座；所述第一小腿推拉杆一端活动式连接第一小腿前连接件；所述第二小腿推拉杆一端活动式连接第二小腿前连接件；

所述腿部结构还包括脚踝组件，所述脚踝组件包括活动式连接脚踝连接座的脚踝底座；所述小腿后连接件另一端、第一小腿前连接件另一端和第二小腿前连接件另一端分别活动式连接脚踝连接座；所述第一小腿推拉杆另一端和第二小腿推拉杆另一端分别活动式连接脚踝底座。

所述大腿后连接件、第一大腿前连接件和第二大腿前连接件分别通过相应的转轴与大腿连接座铰接；所述大腿后连接件、第一大腿前连接件和第二大腿前连接件分别通过相应的转轴与中关节座铰接。

所述第一大腿推拉杆一端通过相应的关节连接件与固定板二维活动连接，另一端通过相应的关节连接件与第一大腿前连接件二维活动连接；所述第二大腿推拉杆一端通过相应的关节连接件与固定板二维活动连接，另一端通过相应的关节连接件与第二大腿前连接件二维活动连接。

所述第一大腿推拉杆一端通过相应的转轴与相应的关节连接件铰接，该关节连接件通过相应的转轴与固定板铰接，上述两转轴相互垂直；所述第一大腿推拉杆另一端通过相应的转轴与相应的关节连接件铰接，该关节连接件通过相应的转轴与第一大腿前连接件铰接，上述两转轴相互垂直；

所述第二大腿推拉杆一端通过相应的转轴与相应的关节连接件铰接，该关节连接件通过相应的转轴与固定板铰接，上述两转轴相互垂直；所述第二大腿推拉杆另一端通过相应的转轴与相应的关节连接件铰接，该关节连接件通过相应的转轴与第二大腿前连接件铰接，上述两转轴相互垂直。

所述小腿后连接件、第一小腿前连接件和第二小腿前连接件分别通过相应的转轴与中关节座铰接；所述小腿后连接件、第一小腿前连接件和第二小腿前连接件分别通过相应的转轴与脚踝连接座铰接。

所述第一小腿推拉杆一端通过相应的关节连接件与第一小腿前连接件二维活动连接，另一端通过第一脚踝连接件与脚踝底座二维活动连接；所述第二小腿推拉杆一端通过相应的关节连接件与第二小腿前连接件二维活动连接，另一端通过第二脚踝连接件与脚踝底座二维活动连接。

所述第一小腿推拉杆一端通过相应的转轴与相应的关节连接件铰接，该关节连接件通过相应的转轴与第一小腿前连接件铰接，上述两转轴相互垂直；所述第一小腿推拉杆另一端通过相应的关节连接件与第一脚踝连接件铰接，第一脚踝连接件通过相应的转轴与脚踝底座铰接，上述两转轴相互垂直；

所述第二小腿推拉杆一端通过相应的转轴与相应的关节连接件铰接，该关节连接件通过相应的转轴与第二小腿前连接件铰接，上述两转轴相互垂直；所述第二小腿推拉杆另一端通过相应的关节连接件与第二脚踝连接件铰接，第二脚踝连接件通过相应的转轴与脚踝底座铰接，上述两转轴相互垂直。

所述脚踝连接座通过相应转轴与脚踝底座铰接。

所述第一大腿前连接件与第二大腿前连接件相互并排排布，大腿后连接件位于第一大腿前连接件和/或第二大腿前连接件后方；所述第一大腿推拉杆活动连接固定板的端部位于大腿后连接件左右任一侧，第一大腿推拉杆活动连接第一大腿前连接件的端部位于第一大腿前连接件后侧；所述第二大腿推拉杆活动连接固定板的端部位于大腿后连接件左右另一侧，第二大腿推拉杆活动连接第二大腿前连接件的端部位于第二大腿前连接件后侧。

所述第一小腿前连接件与第二小腿前连接件相互并排排布，小腿后连接件位于第一小腿前连接件和/或第二小腿前连接件后方；所述第一小腿推拉杆活动连接第一小腿前连接件的端部位于第一小腿前连接件后侧，第一小腿推拉杆活动连接脚踝底座的端部位于小腿后连接件左右任一侧；所述第二小腿推拉杆活动连接第二小腿前连接件的端部位于第二小腿前连接件后侧，第二小腿推拉杆活动连接脚踝底座的端部位于小腿后连接件左右另一侧。

与传统机器人腿部的推动源、驱动方式不同，本仿生机器人的腿部结构采用电动推拉杆作为腿部的推动源，使其具备多种动作组合，本仿生机器人的腿部结构基于上述多种动作组合可以做出不同的动作，动作覆盖范围大，动作更接近人类腿部关节工作，当中很多动作范围、角度是传统机器人腿部结构不能完成的。本实用新型的有益效果如下：

1.通过采用电动推拉杆作为推动源，使本仿生机器人具有非常高的灵活性、平衡性，能模拟人类关节结构和肌肉运动形式，可完成更多传统机器人不能完成的腿部运动，且动作平稳，不会出现重心原因发生侧翻的情况，能够轻松融进人类生活，在日常环境中可顺利的与人类协作完成各种任务；

2.即使在没有电的情况下本腿部结构仍可保持平衡姿态，不会像传统机器人那样失衡倒下，这样能更好的保证人们的人身安全；

3.本腿部结构还有着很强的地形适应能力，能适应各种复杂地形，尤其在有障碍物的通道或很难接近的工作场地上，具有更广阔的发展前景，在危险环境作业领域中具有广阔的应用潜力。

鉴于上述有益效果，具备本腿部结构的仿生机器人可被广泛应用于抢险救灾、排雷排爆、地址勘探、娱乐及民用等领域中。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中腿部结构的爆炸图。

图2为本实用新型一实施例中腿部结构的主视图。

图3为本实用新型一实施例中腿部结构的左视图。

图4为本实用新型一实施例中腿部结构的后视图。

图5为本实用新型一实施例中仿生机器人下肢系统站立时的后视图。

图6为本实用新型一实施例中仿生机器人下肢系统站立时的左视图。

图7为本实用新型一实施例中仿生机器人下肢系统中任一腿部结构向外张开时的主视图。

图8为本实用新型一实施例中仿生机器人下肢系统中任一腿部结构向前弯曲时的左视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

参见图1-图4，本实施例涉及的仿生机器人为双足步行机器人，腿部结构镜像式设置两套；腿部结构包括大腿组件、小腿组件、活动式连接大腿组件和小腿组件的中关节座10、及活动式连接小腿组件的脚踝连接座16。

进一步地，大腿组件包括大腿连接座2、大腿后连接件4、第一大腿前连接件5、第二大腿前连接件6、第一大腿推拉杆7和第二大腿推拉杆8；大腿连接座2、第一大腿推拉杆7顶端和第二大腿推拉杆8顶端分别活动式连接固定板1；第一大腿推拉杆7底端活动式连接第一大腿前连接件5；第二大腿推拉杆8底端活动式连接第二大腿前连接件6；大腿后连接件4顶端、第一大腿前连接件5顶端和第二大腿前连接件6顶端分别活动式连接大腿连接座2；

小腿组件包括小腿后连接件11、第一小腿前连接件12、第二小腿前连接件13、第一小腿推拉杆14和第二小腿推拉杆15；大腿后连接件4底端、第一大腿前连接件5底端和第二大腿前连接件6底端分别活动式连接中关节座10；小腿后连接件11顶端、第一小腿前连接件12顶端和第二小腿前连接件13顶端分别活动式连接中关节座10；第一小腿推拉杆14顶端活动式连接第一小腿前连接件12；第二小腿推拉杆15顶端活动式连接第二小腿前连接件13；

本腿部结构还包括脚踝组件，脚踝组件包括活动式连接脚踝连接座16的脚踝底座19；小腿后连接件11底端、第一小腿前连接件12底端和第二小腿前连接件13底端分别活动式连接脚踝连接座16；第一小腿推拉杆14底端和第二小腿推拉杆15底端分别活动式连接脚踝底座19。

本仿生机器人腿部结构采用电动的推拉杆代替传统机器人使用的舵机，用相同行程的推拉杆来控制腿部的运动，保证了腿部的轻质和简便，支架不易变形，利于仿生机器人的行走；一腿部结构由四个推拉杆来控制，可以做到一些相对动作角度的动作和不同的脚步运动，有着良好的自由度，动作自如、稳定度高，能够实现机器人的双足行走和相关动作，令步态更接近人类正常行走时的步态，运动过程中不会失去重心；由于使用的是电动的推拉杆，所以当仿生机器人突然失电时，仿生机器人会保持断电时的动作，不会因为没有电而失去平衡突然倒下，平常不使用时可稳定的维持着静止的站立动态，保证人们的人生安全。每套腿部结构设置四支推拉杆，即两套腿部结构共有八支推拉杆，每支推拉杆具有上行和下行两种动作，那么八支推拉杆就有256（2⁸）种动作组合，换句话说就是256种工作组合控制八支推拉杆的活动组合，基于这些组合可以使两腿部结构做出更多不同的工作，且动作覆盖范围大，动作更接近于人类腿部关节动作，许多动作范围、角度是传统机器人不能完成的。

进一步地，大腿后连接件4、第一大腿前连接件5和第二大腿前连接件6分别通过相应的转轴9与大腿连接座2铰接；大腿后连接件4、第一大腿前连接件5和第二大腿前连接件6分别通过相应的转轴9与中关节座10铰接；上述各转轴9轴线相互平行，实现前后摆动铰接。

进一步地，第一大腿推拉杆7顶端通过相应的关节连接件3与固定板1二维活动连接，底端通过相应的关节连接件3与第一大腿前连接件5二维活动连接，即第一大腿推拉杆7顶端相对固定板1有相应的二维活动范围，第一大腿推拉杆7底端相对固定板1有相应的二维活动范围；第二大腿推拉杆8顶端通过相应的关节连接件3与固定板1二维活动连接，底端通过相应的关节连接件3与第二大腿前连接件6二维活动连接，即第二大腿推拉杆8顶端相对固定板1有相应的二维活动范围，第二大腿推拉杆8底端相对第二大腿前连接件6有相应的二维活动范围。

进一步地，第一大腿推拉杆7顶端通过相应的转轴9与相应的关节连接件3铰接，该关节连接件3通过相应的转轴9与固定板1铰接，上述两转轴9相互垂直，使第一大腿推拉杆7顶端相对固定板1可二维活动；第一大腿推拉杆7底端通过相应的转轴9与相应的关节连接件3铰接，该关节连接件3通过相应的转轴9与第一大腿前连接件5铰接，上述两转轴9相互垂直，使第一大腿推拉杆7底端相对第一大腿前连接件5可二维活动；

第二大腿推拉杆8一端通过相应的转轴9与相应的关节连接件3铰接，该关节连接件3通过相应的转轴9与固定板1铰接，上述两转轴9相互垂直，使第二大腿推拉杆8顶端相对固定板1可二维活动；第二大腿推拉杆8另一端通过相应的转轴9与相应的关节连接件3铰接，该关节连接件3通过相应的转轴9与第二大腿前连接件6铰接，上述两转轴9相互垂直，使第二大腿推拉杆8底端相对第二大腿前连接件6可二维活动。

进一步地，小腿后连接件11、第一小腿前连接件12和第二小腿前连接件13分别通过相应的转轴9与中关节座10铰接；小腿后连接件11、第一小腿前连接件12和第二小腿前连接件13分别通过相应的转轴9与脚踝连接座16铰接；上述各转轴9相互平行，实现前后摆动铰接。

进一步地，第一小腿推拉杆14顶端通过相应的关节连接件3与第一小腿前连接件12二维活动连接，底端通过第一脚踝连接件17与脚踝底座19二维活动连接，即第一小腿推拉杆12顶端相对第一小腿前连接件12有相应的二维活动范围，第一小腿推拉杆12底端相对脚踝底座19有相应的二维活动范围；第二小腿推拉杆15顶端通过相应的关节连接件3与第二小腿前连接件13二维活动连接，底端通过第二脚踝连接件18与脚踝底座19二维活动连接，即第二小腿推拉杆15顶端相对第二小腿前连接件13有相应的二维活动范围，第二小腿推拉杆15底端相对脚踝底座19有相应的二维活动范围。

进一步地，第一小腿推拉杆14顶端通过相应的转轴9与相应的关节连接件3铰接，该关节连接件3通过相应的转轴9与第一小腿前连接件12铰接，上述两转轴9相互垂直，使第一小腿推拉杆14顶端相对第一小腿前连接件12可二维活动；第一小腿推拉杆14另一端通过相应的关节连接件3与第一脚踝连接件17铰接，第一脚踝连接件17通过相应的转轴9与脚踝底座19铰接，使第一小腿推拉杆14底端相对脚踝底座19可二维活动；

第二小腿推拉杆15一端通过相应的转轴9与相应的关节连接件3铰接，该关节连接件3通过相应的转轴9与第二小腿前连接件13铰接，上述两转轴9相互垂直，上述两转轴9相互垂直，使第二小腿推拉杆15顶端相对第二小腿前连接件13可二维活动；第二小腿推拉杆15另一端通过相应的关节连接件3与第二脚踝连接件18铰接，第二脚踝连接件18通过相应的转轴9与脚踝底座19铰接，上述两转轴9相互垂直，使第二小腿推拉杆15底端相对脚踝底座19可二维活动。

进一步地，脚踝连接座16中部通过相应转轴9与脚踝底座19中部铰接，实现左右摆动铰接。

进一步地，第一大腿前连接件5与第二大腿前连接件6相互并排排布，大腿后连接件4位于第一大腿前连接件5和第二大腿前连接件6后方；第一大腿推拉杆7活动连接固定板1的端部位于大腿后连接件4左侧（或右侧），第一大腿推拉杆7活动连接第一大腿前连接件5的端部位于第一大腿前连接件5后侧；第二大腿推拉杆8活动连接固定板1的端部位于大腿后连接件4右侧（或左侧），第二大腿推拉杆8活动连接第二大腿前连接件6的端部位于第二大腿前连接件6后侧。

进一步地，第一小腿前连接件12与第二小腿前连接件13相互并排排布，小腿后连接件11位于第一小腿前连接件12和第二小腿前连接件13后方；第一小腿推拉杆14活动连接第一小腿前连接件12的端部位于第一小腿前连接件12后侧，第一小腿推拉杆14活动连接脚踝底座19的端部位于小腿后连接件11左侧（或右侧）；第二小腿推拉杆15活动连接第二小腿前连接件13的端部位于第二小腿前连接件13后侧，第二小腿推拉杆15活动连接脚踝底座19的端部位于小腿后连接件11右侧（或左侧）。

参见图5，左侧的腿部结构中各推拉杆后视视觉的活动范围如下：第一大腿推拉杆7相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围α1为3.8°~70°，第二大腿推拉杆8相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围α2为6°~74.5°，第一小腿推拉杆14相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围α3为0°~33.8°，第二小腿推拉杆15相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围α4为0°~46°；右侧的腿部结构中各推拉杆主视视觉的活动范围如下：第一大腿推拉杆7相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围β1为4.6°~74.5°，第二大腿推拉杆8相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围β2为3°~72.8°，第一小腿推拉杆14相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围β3为0°~44.5°，第二小腿推拉杆15相对竖直线绕顶端关节连接件3的活动范围β4为0°~42.8°。

参见图6，两腿部结构中各推拉杆侧视视觉的活动范围如下：两腿部结构中，第一大腿推拉杆7和第二大腿推拉杆8相对竖直线绕顶端相应关节连接件3的活动范围θ1为5°~72.8°；两腿部结构中，第一小腿推拉杆14和第二小腿推拉杆15相对竖直线绕底端相应脚踝连接件的活动范围θ2为5°~74.5°。

参见图7，下肢系统中任一腿部结构在主视视觉下相对竖直线的活动范围ρ为-40°~67.3°；下肢系统中任一腿部结构在主视视觉下脚踝连接件16相对脚踝底座19的活动范围ω为-46.9°~67.5°。

参见图8，下肢系统中任一腿部结构在侧视视觉下大腿相对竖直线的活动范围λ1为-48°~62.8°；下肢系统中任一腿部结构在侧视视觉下小腿相对竖直线的活动范围λ2为-43°~64.5°。

上述为本实用新型的优选方案，显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。