一种仿生象鼻虫的腿部结构

本实用新型涉及机器人关节结构领域，具体为一种仿生象鼻虫的腿部结构。

背景技术：

本实用新型属于移动机器人的腿部结构装置，具体涉及了一种仿生象鼻虫的腿部结构。目前，机器人的关节连接大多数都为铰接型关节连接，比如工业机器人中的机械臂或者多足移动机器人的机器腿，都是通过不同关节之间铰接连接在一起的，并且多为舵机或者步进电机作为动力源。本实用新型专利通过对象鼻虫的腿部关节进行观察研究，发现这种象鼻虫的髋关节与常见的类铰链结构不同，其髋关节高度改变，允许旋转运动与单轴平移相结合。我们对其腿部高度变异的关节进行仿生，设计了一种新型的机器人关节----仿生象鼻虫的腿部髋关节。鉴于甲虫腿的全方位运动机能（能飞、能跑、能跳，空中、陆地和水上），仿生象鼻虫腿部髋关节将为全方位移动的机器人腿部设计提供新型的关节，在森林火灾、地震灾害、农林业病虫害等减灾救援领域的机器人研发具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种仿生象鼻虫的腿部结构，包括基节、转节、股节、胫节膝关节以及根关节。本仿生象鼻虫的腿部结构具有很好的缓冲作用，保证机器人行走的稳定性，并且特殊的髋关节使机械腿具有更好的越障能力。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：一种仿生象鼻虫的腿部结构，其主体包括基节、根关节、转节、股节、膝关节和胫节六个部分，有3个自由度，分别由膝关节和根关节绕各自的轴线转动和转节绕垂直轴线的转动组成。其中基节通过根关节连接机器人躯体，并且以根关节为轴绕躯体作前后摆动。股节与基节通过转节相连，与象鼻虫的转节相似，机器人的转节一端为外螺纹结构，与基节上包含的内螺纹结构正好配合。并且仿照象鼻虫的螺钉——螺母机理，以电动推杆作为转节的动力源，通过电动推杆推动转子螺钉前进，进而通过螺钉螺母结构驱动股节进行转动。股节的两端分别与转节和膝关节相连，中间为弧形的工字形结构，并且股节和转节的连接轴垂直于整个股节，使股节可以绕基节在整个平面内旋转和做小的轴向运动。

胫节与股节相连，以膝关节为轴在与膝关节垂直的平面内转动，此外胫节直接于地面接触，还起到支撑机器人整体的作用。为保证胫节与地面的充分接触，其足端设计为球形，保证运动的平稳性。为了缓冲机器人在行走过程中与地面接触时受到的冲击力，在胫节外筒内部安装有长弹簧，在直线轴承上端安装有短弹簧，这样构成了双缓冲机构，除了缓冲足端传递给胫节的力，双缓冲还有另外一层含义，即当力由足端经胫节传递到膝关节时，这部分力也会反弹一部分给胫节，这时两个弹簧的存在同样可以起到缓冲力的作用，保证机器人行走的稳定性。机器人的股节和胫节都采用弧形设计，用于减轻关节所受到的压力。

机器人每条腿有根关节、转节和膝关节三个关节，其中根关节做前后摆动，控制机器人前进后退，转节与膝关节做抬起、放下的动作，控制机器人机体与地面的高度与机体姿态。

本实用新型专利的有益效果为：一种仿生象鼻虫的腿部结构，其髋关节采用螺钉螺母的特殊结构，使股节垂直于基节，并且可以在平行于机体的平面内做360度转动，节约了机器人沿宽度方向的空间，增大了机器人腿部转动空间。该设计还具有很好的缓冲作用，保证机器人行走的稳定性，并且特殊的髋关节使机械腿具有更好的越障能力。

附图说明

图1为仿生象鼻虫的腿部结构示意图；

图2为仿生象鼻虫的髋关节示意图；

图中：1.股节，2.根关节舵机，3.基节，4.机体，5.舵机连接座，6.转节，7.电动推杆，8.上端弹簧，9.胫节，10.下端弹簧，11.足端，12.力传感器，13.膝关节电机。

具体实施方式

请参照图1，本实用新型提供了一种仿生象鼻虫的腿部结构，其主体包括股节1、基节3、转节6、胫节9以及足端11等。基节3通过根关节舵机2和舵机连接座5固连在机器人机体4上，以根关节为轴绕机体4作前后摆动。股节1与基节3通过转节6相连，转节6的一端带有外螺纹，与基节3内部的内螺纹相配合，通过固定在股节1上的电动推杆7作为动力源，把电动推杆7的移动转化为基节3和转节6的转动。股节1的中间为弧形的工字形结构，两端分别与转节6和膝关节电机13相连，膝关节电机13的另一端连接着胫节9。胫节9与膝关节电机13之间有上端弹簧8，胫节9下端与足端11相连，两者之间也有下端弹簧10，位于胫节9上下两端的弹簧起缓冲作用。

机器人的基节3与转节6的连接方式为螺纹螺母结构，以电动推杆7作为转节6的动力源，通过电动推杆7推动转节6螺纹前进，进而通过螺钉螺母结构驱动股节1进行转动。股节1和转节6的连接轴垂直于整个股节1，使股节1可以绕基节3在整个平面内旋转和做小的轴向运动。为保证胫节9与地面的充分接触，其足端11设计为球形，保证运动的平稳性。机器人的股节1和胫节9都采用弧形设计，用于减轻关节所受到的压力。为了缓冲机器人在行走过程中与地面接触时受到的冲击力，在胫节9上端安装有上端弹簧8，在胫节9下端安装有下端弹簧10，这样构成了双缓冲机构，缓冲足端11传递给胫节9的力。

技术特征：

1.一种仿生象鼻虫的腿部结构，其特征在于：其主体包括股节(1)、基节(3)、转节(6)、胫节(9)以及足端(11)；基节(3)通过根关节舵机(2)和舵机连接座(5)固连在机器人机体(4)上，以根关节为轴绕机体(4)作前后摆动；股节(1)与基节(3)通过转节(6)相连，转节(6)的一端带有外螺纹，与基节(3)内部的内螺纹相配合，通过固定在股节(1)上的电动推杆(7)作为动力源，把电动推杆(7)的移动转化为基节(3)和转节(6)的转动；股节(1)的中间为弧形的工字形结构，两端分别与转节(6)和膝关节电机(13)相连，膝关节电机(13)的另一端连接着胫节(9)；胫节(9)与膝关节电机(13)之间有上端弹簧(8)，胫节(9)下端与足端(11)相连，两者之间有下端弹簧(10)和力传感器(12)，位于胫节(9)上下两端的弹簧共同组成缓冲结构。

2.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻虫的腿部结构，其特征在于：所述转节(6)一端为外螺纹，与基节(3)的内螺纹相配合，以电动推杆(7)的移动为动力源，使转节(6)绕基节(3)的轴向进行转动。

3.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻虫的腿部结构，其特征在于：所述股节(1)和胫节(9)都采用弧形设计，用于减轻关节所受到的压力。

4.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻虫的腿部结构，其特征在于：所述胫节(9)的上端有上端弹簧(8)，下端有下端弹簧(10)，构成了双缓冲机构，缓冲了足端(11)传递给胫节(9)的力。

5.根据权利要求1所述的一种仿生象鼻虫的腿部结构，其特征在于：所述足端(11)其形状为半球形，与地面之间形成充分接触，所述力传感器(12)实时检测机器人行走足端(11)所受力大小。

技术总结
本实用新型公开了一种仿生象鼻虫的腿部结构，包括基节、转节、股节、胫节膝关节以及根关节。基节通过根关节连接机器人躯体，并且以根关节为轴绕躯体作前后摆动。股节与基节通过转节相连，转节一端为外螺纹结构，与基节上包含的内螺纹结构正好配合，股节和转节的连接轴垂直于整个股节，使股节可以绕基节在整个平面内旋转和做小的轴向运动。胫节与股节相连，以膝关节为轴在与膝关节垂直的平面内转动。本实用新型专利将对新型机器人关节的设计和研发，以及机器人的创新构型具有一定的实际意义和应用价值。

技术研发人员：姜树海;宋伟;孟祥毅
受保护的技术使用者：南京林业大学;宋伟
技术研发日：2020.12.09
技术公布日：2021.08.10