一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置的制作方法

本发明属于机械设计领域，涉及一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置。

背景技术：

传统的足式机器人的刚性腿具有三个自由度，而膝关节是最重要的环节。足式机器人刚性腿在轻小型机器人中较为适用，刚性腿可以实现精准控制和稳定运行的特点。大型的足式机器人在使用中，常常由于和地面刚性接触，对腿的膝关节产生巨大的冲击，使得腿的使用寿命大大缩短，同时由于足式机器人动态运动的需求，所以大型的足式机器人的柔性腿是当前研究的一大热点。目前足式机器人柔性腿在关节电机部分，或者是小腿部分直接增加弹簧,或者柔性部件,或者通过减速箱,或者其他传动方式，从而实现腿的抗冲击和柔性特点，这样使得小腿和关节部分的设计变得复杂，从而大大减低了足式机器人单腿的动态性能。所以具有刚柔可换关节的足式机器人单腿很有研究价值，在轻小型机器人中可以换成刚性关节，从而保证精准控制，在大型机器人中可以换成柔性关节，从而保证大型机器人的动态行走具有一定抗冲击和储存能量的功能。

技术实现要素：

本发明主要针对足式机器人动态行走过程中提供柔性环节和抗冲击作用，并且实现刚性腿和柔性腿之间的快速更换的条件下，提出了一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，适合在小型足式机器人的精准控制运动和大型足式机器人的动态行走或者奔跑。

本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件、大腿部件与小腿部件。

其中，髋部件通过髋腿连接件与大腿部件相连；髋部件由髋部电机驱动，实现髋腿连接件与大腿部件一同绕x轴转动；大腿部件由胯部驱动机构驱动，绕y轴转动。大腿部件上还具有膝部驱动机构与小腿连接件；膝部驱动机构通过两自由度的小腿传动机构实现小腿连接件绕y轴的转动；小腿连接件用来连接碳纤维管结构的小腿部件。上述胯部驱动机构、膝部驱动机构与髋部驱动机构结构相同，采用结构紧凑的安装方式。

上述小腿传动机构包括驱动臂、从动臂与传动组件；所述驱动臂为两根，分别安装于膝部传动机构的左右两侧；从动臂为两根，分别安装于小腿连接件左右两侧；驱动臂与从动臂间安装传动组件，形成2个自由度的传动结构，使驱动臂传动到小腿连接件的运动等效一个平行四杆结构。所述传动组件可采用拉升器弹簧或连杆，分别形成柔性或刚性膝部。

本发明的优点在于：

1、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在膝关节使用了平行四杆机构作为传动，通过更换连杆的模式，从而实现刚柔可换关节的性质。由于在更换关节特性时，只需要更换连杆单个部件，所以能够实现快速更换的效果。在刚性关节下，可以用作轻小型足式机器人的精准控制和静态步态的行走；在柔性关节下，可以用作中大型足式机器人的动态行走。

2、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在膝关节使用了平行四杆机构作为传动，平行四杆机构为对称式分布，提升了机构的强度，并且本身平行四杆结构简单质量相对其他传统传动轻，同时利用平行四杆传动使得膝关节电机驱动的机构向着胯关节移动，因此大腿具有较好的动态性能。

3、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在关节驱动部分都使用了一种紧凑的机械结构，利用了本身电机的空间结构，在利用空间错位的方式安装轴承，提升了单腿的空间利用率，降低了单腿的复杂性，降低了单腿的质量，因此单腿整体机构具有较好动态性能。

4、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在柔性状态下，通过连杆的受力传动，实现了一种柔性膝关节的特点，足底的冲击力通过连杆减缓了冲击，存储了一定的能量，因此本发明具有较好的抗冲击性能和柔性关节的特点。

5、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，小腿利用简单的碳纤维管作为主体，在不降低小腿强度的条件下，不仅减轻了小腿质量，提升了小腿的动态性。由于小腿的安装简单，能够实现快速更换足式机器人的小腿和足。

附图说明

图1为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置整体结构示意图；

图2为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中髋部分结构示意图；

图3为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中髋部分及髋部分与大腿部分连接方式示意图；

图4为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中大腿部分结构示意图；

图5为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中髋腿连接件结构示意图；

图6为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中柔性膝关节结构示意图；

图7为本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中刚性膝关节结构示意图。

图中：

1-髋部件与小腿部件2-大腿部件3-小腿部件

101-左连接板102-右连接板103-髋部驱动机构

104-联轴器105-电位器连接件103a-电机壳

103b-电机103c-左轴承套件103d-右轴承套件

103e-电位器103c1-左轴承垫103c2-左轴承套

103c3-左轴承103d1-右轴承垫103d2-右轴承套

103d3-右轴承201-左腿板202-右腿板

203-胯部驱动机构204-膝部驱动机构205-小腿传动机构

206-小腿连接件205a-驱动臂205b-从动臂

205c-传动组件205d-驱动臂连接轴205e-从动连接轴

205f-连杆连接轴

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件1、大腿部件2与小腿部件3，如图1所示

所述髋部件1直接和足式机器人本体紧固相连。髋部件1采用紧凑结构，包括左连接板101，右连接板102与髋部驱动机构103，如图2所示。髋部驱动机构103包括电机壳103a、电机103b、左轴承套件103c、右轴承套件103d与电位器103e，如图3所示。其中，电机壳103a通过螺栓紧固于右连接板102上，且电机壳103a利用电机减速箱的空间，在不改变强度的条件下，与电机103b的减速箱件外壳利用螺栓紧固连接；通过上述连接方式，使电机103b的输出轴作为转动副，而不是像传统的转动副需要一个实心轴作为转动中心。电机103b输出轴与电位器103e输出轴间通过联轴器104同轴相连；其中，联轴器104与电机103b输出轴间通过键连接，联轴器104内圈和电位器连接件105相连，电位器连接件105通过一字头和电位器103e输出轴相连，电位器103e的基座和左连接板101通过螺栓连接。

所述右轴承套件103d包括右轴承垫103d1、右轴承套103d2与右轴承103d3。其中，右轴承垫103d1与右轴承套103d2套于电机壳103a外圈；右轴承套104通过螺栓与电机壳103a紧固连接；右轴承垫103d1内圈与电机壳103a间具有间隙；右轴承垫103d1与右轴承套103d2间安装有右轴承103d3；右轴承垫103d1和右轴承103d3内径过盈配合，右轴承103d3外径和右轴承套130d2过盈配合。通过上述连接方式，利用电机103b圆柱面的周围空间作为右轴承套103d2的安装位置，而不是电机103b输出轴周围空间，降低了髋部件1的空间大小，同时增大了右轴承103d3的直径从而增强了连接的强度。

所述左轴承套件103c包括左轴承垫103c1、左轴承套103c2与左轴承103c3。其中，左轴承垫103c1套于联轴器104外圈，与联轴器105外圈间通过螺栓紧固连接。左轴承套103c2与左连接板101间通过螺栓连接固定，两者间采用薄片性面接触，既保证了强度又降低了空间大小。左轴承垫103c1与左轴承套103c2间安装有左轴承103c3；左轴承垫103c1和左轴承103c3内径过盈配合，左轴承103c3外径与左轴承套103c2过盈配合。整个髋部件1结构利用电机103b的外圈空间，从而增加了髋部件1的紧凑性，同时降低了髋部件1重量。

所述大腿部件2包括左腿板201、右腿板202、胯部驱动机构203、膝部驱动机构204、小腿传动机构205与小腿连接件206，如图4所示。其中，胯部驱动机构203、膝部驱动机构204上下设置，安装于左腿板201与右腿板202间上方位置。胯部驱动机构203和膝部驱动机构的结构与髋部驱动机构103结构相同，且胯部驱动机构203和膝部驱动机构204与左腿板201和右腿板202间的连接方式，也与髋部驱动机构103与左连接板101和右连接板102的连接方式相同。

上述髋部件与大腿部件间通过髋腿连接件4相连，如图3，图4所示；所述髋腿连接件4具有上半部与下半部，如图5所示，上半部与下半部均为相互平行的连接板，且轴线相互垂直。髋腿连接件4中，上半部两个连接板分别与髋部分1中的左轴承垫103c1和右轴承垫103d3相连。由此，通过髋部分1中的电机103b可驱动左轴承垫103c1转动，进而带动髋腿连接件4转动，带动大腿部件2转动，同时右轴承垫103d1随动；整个驱动从电机103b输出轴传递运动到大腿部件2，形成一个绕x轴的旋转自由度。髋腿连接件4的下半部两个连接板分别与胯部驱动机构203中的左轴承垫103c1和右轴承垫103d3相连。由此，通过胯部驱动机构203中的电机103b可驱动左轴承垫103c1转动，带动大腿部件2整体转动，同时右轴承垫103d1随动；整个驱动从电机103b输出轴传递运动到大腿部件2，形成一个绕y轴的旋转自由度。

所述小腿连接件206为u型结构，位于左腿板201与右腿板202间下方位置，两侧通过轴承与左腿板201和右腿板202相连，使小腿连接件206在左腿板201与右腿板202间形成一个绕y轴的旋转自由度。小腿连接件206用来连接小腿部件3，通过膝关节驱动机构204驱动，并由小腿传动机构205传动，实现小腿部件3绕y轴的旋转运动。其中，小腿传动机构205为两个自由度的传动结构，包括驱动臂205a、从动臂205b与传动组件205c，如图6所示。所述驱动臂205a为两根，分别安装于膝部传动机构204中，左轴承垫103c1与右轴承垫103d3外缘上，可设计为与两个轴承垫一体结构。从动臂205b为两根，分别对称安装于u型结构小腿连接件206两侧。驱动臂205a与从动臂205b间安装传动组件205c，形成2个自由度的传动结构，使驱动臂205a传动到小腿连接件206的运动等效一个平行四杆结构，驱动臂205a等效于平行四杆的驱动杆，传动组件205c可以采用拉升器弹簧或者连杆替代，因此该平行四杆结构具有两种结构，第一种为柔性结构，第二种为刚性结构。

所述柔性结构中，传动组件205c采用拉升器弹簧，如图6所示，拉升器弹簧一端安装于驱动臂连接轴205d中心位置，通过两侧的弹簧垫圈轴向定位；驱动臂连接轴205d两端分别与两根驱动臂205a相连，且通过在两根驱动臂205a相对侧面上安装有连接垫片205f，实现驱动臂连接轴205d的轴向定位；由此使拉升器弹簧205c与驱动臂连接轴205d间存在一个被动旋转的自由度。拉升器弹簧另一端(机体端)安装于从动连接轴205e中心位置，通过两侧的弹簧垫圈轴向定位。从动连接轴205e两端分别与两根从动臂205b通过螺栓紧固连接。由此，驱动臂205a、拉升器弹簧、从动臂205b与左右腿板等效于一个平行四杆结构，通过膝部驱动机构204中的电机103b驱动驱动臂205a上下运动，进而通过拉升器弹簧带动小腿连接件206绕y轴转动，进而带动小腿部件3绕y轴转动，旋转范围为120度。

所述刚性结构中，传动组件205c采用连杆，如图7所示，连杆具有两根，对称安装，两根连杆间的顶端分别与两根驱动臂205a相连，两根连杆底端分别与两根从动臂205b相连；两根连杆之间通过连杆连接轴205f相连。由此，驱动臂205a与连杆对称安装并且存在一个被动自由度，且连杆和从动臂205b对称安装并且存在一个被动自由度。由此，驱动臂205a、连杆、从动臂205b与左右腿板等效于一个平行四杆结构，通过膝部驱动机构204中的电机103b驱动驱动臂205a上下运动，进而通过拉升器弹簧带动小腿连接件206绕y轴转动，进而带动小腿部件3绕y轴转动，旋转范围为120度。如果上述连杆直接使用刚性杆，则为最常见的三自由度的足式机器人刚性腿；如果连杆使用弹簧，则为足式机器人柔性腿；如果连杆使用阻尼器，则为足式机器人的阻尼腿；如果使用多种方式并联可实现弹性阻尼的足式机器人的柔性腿。

所述小腿部件3只有三个构件，提升小腿的动态性能，分别为连接管301、小腿管302与足端303。其中，连接管301顶端与小腿连接件206底部固定，连接管301下端与小腿管302顶端同轴过盈配合连接；小腿管302底端通过过盈配合与足端303连接。上述连接管301、小腿管302采用碳纤管，不仅质量轻强度可以保证，提升了小腿的动态性能，而且能实现小腿和足的快速更换特性，同时和可以实现足的快速更换从而适应不同的地形要求。

本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，采用三个自由度驱动结构紧凑，降低了整个腿的结构的复杂性，同时利用平行四杆机构，电机传动结构从膝关节向着大腿根部移动，提升了大腿的动态性能。小腿利用强度高和质量轻的碳纤管，不仅简化了结构并且降低了质量，提升了小腿的动态性能。大腿部件2中利用平行四杆的连杆的容易替换特性，将刚性膝关节和柔性膝关节的替换等效于平行四杆的连杆替换，形成了刚柔可换关节的足式机器人的单腿结构。特别的，在柔性膝关节结构下，拉升器弹簧具有在一定拉力之下为刚性特性，超过一定拉力之后成为弹簧特性。当柔性膝关节结构的腿在摆动腿的状态或者受力小的状态，拉升器弹簧由于受拉力小可以看作刚性杆，因此可以实现精准的控制，降低了抬腿后的控制复杂性；当柔性膝关节结构的腿在支撑状态或者受到冲击的状态，拉升器弹簧由于受到大的拉力和冲击，拉升器弹簧产生弹簧特性，可以减缓冲击和储存能量，降低了足式机器人的损坏。整个机构具有较好的动态性能和抗冲击性能。

本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置具有以下功能：

a、既可以当作刚性腿使用又可以当做柔性膝关节的单腿使用。

b、在更换柔性膝关节后，具有抗冲击和柔性缓冲关节的功能。

c、具有膝关节刚性和柔性可以快速替换的功能，便于机器人在不同条件下的需求。

d、具有小腿和足可以快速替换的功能，便于机器人在不同条件下的需求。