一种四足仿生机器人腿机构的制作方法

一种四足仿生机器人腿机构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种四足仿生机器人腿机构。本发明包括肩胛骨、肩关节、股骨（或大腿）、膝关节、胫骨（或小腿）、被动踝关节、脚掌及驱动模块。所述四足仿生机器人的肩关节连接机器人的肩胛骨和股骨；所述四足仿生机器人膝关节连接股骨和胫骨；所述被动踝关节连接胫骨和脚掌。本发明采用滚珠丝杠驱动关节，具有传动效率高、传动精度高等特点，同时由于滚动摩擦的摩擦力较小，降低因摩擦而产生的热量，从而降低能耗。肩胛骨和股骨为空腔壳体结构，减轻重量，能降低能耗。胫骨采用弹性缓冲和弹簧蓄能结构，能降低能耗，缓冲地面冲击；末端踝关节采用球铰副，脚掌为圆形面形状，使步行机器人落地更平稳。
【专利说明】一种四足仿生机器人腿机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种四足仿生机器人腿机构，总体结构紧凑、运动灵活、落地平稳、缓冲蓄能，能减少四足机器人高速步行的能耗。
【背景技术】
[0002]由于四足动物经过漫长的进化，对地形的适应能力较强，在复杂地形环境下能行走自如、高速奔跑、跳跃，其结构和运动方式为四足仿生机器人的研究提供了很好的借鉴。提高步行机器人行走时的稳定性，提升步行速度，增强其对地面环境的适应能力，降低步行过程中的能量消耗等，日益成为各国机器人学界研究的热点。
[0003]目前国内外已经研发出不同构型的四足步行机器人样机。常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电机驱动等。液压驱动能输出较大的驱动力矩，机器人负载能力较强。成本较高、控制复杂。与采用液压或气压驱动的四足机器人相比，轻载、小型的四足仿生机器人可以采用电机驱动，降低控制系统的复杂性和机器人的总重量，从而提高机器人的步行速度和行走步态的灵活性。采用滚珠丝杠传动方式，具有传动效率高、传动速度快等优点，由于滚动摩擦的摩擦力较小，降低关节摩擦发热，从而降低能耗。当四足动物高速奔跑、跨越时，落地会产生较大的冲击，动物腿部肌肉会吸收部分冲击，并将吸收的能量储存于肌肉中以待下次蹬地腾空时释放。将这一原理应用到四足仿生机器人设计中，如在腿部安装弹簧，起到蓄能减震作用。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种四足仿生机器人腿机构，结构简单紧凑，机动性好。
[0005]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种四足仿生机器人腿机构，由肩胛骨、肩关节、股骨(或大腿)、膝关节、胫骨(或小腿)、被动踝关节、脚掌及驱动模块组成，其特征在于:
所述肩胛骨通过其上端固定耳环与机体连接；所述肩关节连接肩胛骨和股骨；所述膝关节连接股骨和胫骨；所述被动踝关节连接胫骨；两个所述驱动模块分别联接驱动肩关节和膝关节运动，带动整体腿机构运动。
[0006]所述的驱动模块包括驱动电机，开槽圆柱头螺钉，滚珠丝杠，螺母，推杆，电机座和六角头螺栓；所述驱动电机通过开槽圆柱头螺钉与电机座紧固，且所述电机座通过六角头螺栓固定到肩胛骨或股骨侧板上，从而固定整个驱动模块；丝杠与螺母组成一个螺旋副，通过丝杠的旋转运动，驱动螺母沿直线方向前后运动，且所述螺母和推杆固联，螺母的前后运动带动了推杆实现关节部位的运动。
[0007]所述的肩关节包括深沟球轴承，弹性挡圈，关节连接件，肩关节I轴，六角头螺栓，肩关节II轴，弹性挡圈和深沟球轴承；所述推杆末端周向套于深沟球轴承外圈上，深沟球轴承外圈通过关节连接件的伸出环紧固，内圈通过弹性挡圈紧固；肩关节I轴两端螺纹与关节连接件紧固，关节连接件通过六角头螺栓与股骨紧固，当推杆推动肩关节I轴运动时，便可实现关节连接件和股骨同步运动；同时，肩胛骨和关节连接件组成一个旋转副，实现关节连接件和股骨绕肩胛骨的转动；深沟球轴承和深沟球轴承的内外圈固定方式类似，肩关节II轴和肩关节I轴固定方式类似。
[0008]所述胫骨、被动踝关节、脚掌包括开槽圆柱头螺钉，末端盖板，膝关节连接件，轴套，圆柱螺旋压缩弹簧，胫骨轴，球铰，脚掌和传感器；所述开槽圆柱头螺钉将末端盖板和胫骨轴紧固，圆柱螺旋压缩弹簧绕在胫骨轴上，两端分别套于两个轴套上；两个轴套分别支撑膝关节连接件下面和胫骨轴凸肩上面，当膝关节连接件向下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧被压缩；球铰一端通过螺纹连接和胫骨轴紧固，另一端球体置于脚掌的球腔中，形成一个球铰，即被动踝关节，脚底固定力传感器。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进
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少:
一、本发明采用滚珠丝杠驱动关节运动，系统结构简单，能提高传动效率和运动精确。
[0010]二、本发明在胫骨部位增加弹簧作为弹性缓冲和蓄能结构，既能降低运动时对腿部的冲击，又可减少能量消耗。
[0011]三、本发明肩胛骨和股骨为空腔壳体结构，减轻重量，能降低步行能耗。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1是本发明一种四足仿生机器人腿机构的示意图
图2是本发明四足仿生机器人腿机构滚珠丝杠驱动的示意图；
图3是本发明四足仿生机器人腿机构肩关节的示意图；
图4是本发明四足仿生机器人腿机构胫骨及被动踝关节脚掌的示意图；
图5是本发明四足仿生机器人腿机构胫骨及被动踝关节脚掌的示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明:
实施例1
一种四足仿生机器人腿机构，由肩胛骨(I )、肩关节(II)、股骨(或大腿)(III)、膝关节(IV)、胫骨(或小腿)(V)、被动踝关节(VI)、脚掌(νπ)及驱动模块(珊)
其特征在于:
所述肩胛骨(I )通过其上端固定耳环与机体连接；所述肩关节(II)连接肩胛骨(I )和股骨(III);所述膝关节(IV)连接股骨(III)和胫骨(V);所述被动踝关节(VI)连接胫骨(V);两个所述驱动模块(VDI)分别联接驱动肩关节(II)和膝关节(IV)运动，带动整体腿机构运动。
[0014]实施例2:
所述的驱动模块(VDI)包括驱动电机(1)，开槽圆柱头螺钉(2)，滚珠丝杠(3)，螺母(4)，推杆(5)，电机座(6)和六角头螺栓(7);所述驱动电机(I)通过开槽圆柱头螺钉(2)与电机座(6)紧固，且所述电机座(6)通过六角头螺栓(7)固定到肩胛骨(I )或股骨(III)侧板上，从而固定整个驱动模块(VDI);丝杠(3)与螺母(4)组成一个螺旋副，通过丝杠(3)的旋转运动，驱动螺母(4)沿直线方向前后运动，且所述螺母(4)和推杆(5)固联，螺母(4)的前后运动带动了推杆实现关节部位的运动。
[0015]所述的肩关节(II)包括深沟球轴承(8)，弹性挡圈(9)，关节连接件(10)，肩关节I轴(11)，六角头螺栓(12)，肩关节II轴(13)，弹性挡圈(14)和深沟球轴承(15);所述推杆
(5)末端周向套于深沟球轴承(8)外圈上，深沟球轴承(8)外圈通过关节连接件(10)的伸出环紧固，内圈通过弹性挡圈(9)紧固；肩关节I轴(11)两端螺纹与关节连接件(10)紧固，关节连接件(10)通过六角头螺栓(12)与股骨(III)紧固，当推杆(5)推动肩关节I轴(11)运动时，便可实现关节连接件(10)和股骨(III)同步运动；同时，肩胛骨(I )和关节连接件
(10)组成一个旋转副，实现关节连接件(10)和股骨(III)绕肩胛骨(I )的转动；深沟球轴承
(15)和深沟球轴承(8)的内外圈固定方式类似，肩关节II轴(13)和肩关节I轴(11)固定方式类似。
(0016)所述胫骨(V)、被动踝关节(VI)、脚掌(νπ)包括开槽圆柱头螺钉(16)，末端盖板
(17)，膝关节连接件(18)，轴套(19)，圆柱螺旋压缩弹簧(20)，胫骨轴(21)，球铰(22)，脚掌
(23)和传感器(24);所述开槽圆柱头螺钉(16)将末端盖板(17)和胫骨轴(21)紧固，圆柱螺旋压缩弹簧(20)绕在胫骨轴(21)上，两端分别套于两个轴套(19)上；两个轴套(19)分别支承于膝关节连接件(18)下面和胫骨轴(18)凸肩上面，当膝关节连接件(18)向下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧(20)被压缩；球铰(22)—端通过螺纹连接和胫骨轴(21)紧固，另一端球体置于脚掌(23)的球腔中，形成一个球铰，即被动踝关节，脚底固定力传感器(24)。
[0017]本发明四足仿生机器人腿机构的工作原理结合【专利附图】

【附图说明】如下:电机驱动滚珠丝杠的推杆做推拉运动，以肩关节为例，受到推杆的推拉，肩关节连接件作绕肩胛骨末端关节轴的旋转运动，同时肩关节连接件另一端与股骨紧固，股骨和肩关节连接件便一起绕肩胛骨转动，膝关节的运动方式与肩关节类似。肩关节和膝关节的转动运动合成后，便形成了腿机构前后的运动。
【权利要求】
1.一种四足仿生机器人腿机构，包括肩胛骨(I )、肩关节(II)、股骨(III)、膝关节(IV)、胫骨(V)、被动踝关节(VI)、脚掌α/Π)及驱动模块(VDI)其特征在于: 所述肩胛骨(I )通过其上端固定耳环与机体连接；所述肩关节(II)连接肩胛骨(I )和股骨(III);所述膝关节(IV)连接股骨(III)和胫骨(V);所述被动踝关节(VI)连接胫骨(V);两个所述驱动模块(VDI)分别联接驱动肩关节(II)和膝关节(IV)运动，带动整体腿机构运动。
2.根据权利要求书I所述的四足仿生机器人腿机构，其特征在于:所述的驱动模块(VDI)包括驱动电机(1)，开槽圆柱头螺钉(2)，滚珠丝杠(3)，螺母(4)，推杆(5)，电机座(6)和六角头螺栓(7);所述驱动电机(I)通过开槽圆柱头螺钉(2)与电机座(6)紧固，且所述电机座(6)通过六角头螺栓(7)固定到肩胛骨(I )或股骨(III)侧板上，从而固定整个驱动模块(VDI);丝杠(3)与螺母(4)组成一个螺旋副，通过丝杠(3)的旋转运动，驱动螺母(4)沿直线方向前后运动，且所述螺母(4)和推杆(5)固联，螺母(4)的前后运动带动了推杆实现关节部位的运动。
3.根据权利要求书I所述的四足仿生机器人腿机构，其特征在于:所述的肩关节(II)包括深沟球轴承(8 )，弹性挡圈(9 )，关节连接件(10 )，肩关节I轴(11)，六角头螺栓(12 )，肩关节II轴(13)，弹性挡圈(14)和深沟球轴承(15);所述推杆(5)末端周向套于深沟球轴承(8)外圈上，深沟球轴承(8)外圈通过关节连接件(10)的伸出环紧固，内圈通过弹性挡圈(9 )紧固；肩关节I轴(11)两端螺纹与关节连接件(10 )紧固，关节连接件(10 )通过六角头螺栓(12)与股骨(III)紧固，当推杆(5)推动肩关节I轴(11)运动时，便可实现关节连接件(10)和股骨(III)同步运动；同时，肩胛骨(I )和关节连接件(10)组成一个旋转副，实现关节连接件(10)和股骨(III)绕肩胛骨(I )的转动；深沟球轴承(15)和深沟球轴承(8)的内外圈固定方式类似，肩关节II轴(13)和肩关节I轴(11)固定方式类似。
4.根据权利要求书I所述的四足仿生机器人腿机构，其特征证在于:所述胫骨(V)、被动踝关节(VI)、脚掌(VD包括开槽圆柱头螺钉(16)，末端盖板(17)，膝关节连接件(18)，轴套(19)，圆柱螺旋压缩弹簧(20)，胫骨轴(21)，球铰(22)，脚掌(23)和传感器(24);所述开槽圆柱头螺钉(16)将末端盖板(17)和胫骨轴(21)紧固，圆柱螺旋压缩弹簧(20)绕在胫骨轴(21)上，两端分别套于两个轴套(19)上；两个轴套(19)分别支撑膝关节连接件(18)下面和胫骨轴(18)凸肩上面，当膝关节连接件(18)向下运动时，圆柱螺旋压缩弹簧(20)被压缩；球铰(22) —端通过螺纹连接和胫骨轴(21)紧固，另一端球体置于脚掌(23)的球腔中，形成一个球铰，即被动踝关节，脚底固定力传感器(24)。
【文档编号】B62D57/032GK103448828SQ201310214762
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】王峰, 雷静桃, 俞煌颖 申请人:上海大学