一种足式机器人单腿装置及足式机器人的制作方法

本发明属于机器人的技术领域，涉及一种足式机器人单腿装置及足式机器人。

背景技术

目前，陆地行走机器人的行走机构主要包括轮式，履带式和足式。足式机器人与轮式和履带式机器人的最大不同点在于，其在行走过程中与地面的接触特性为非连续性接触，所以足式机器人具有很好的环境适应性，可以行走在复杂的地形条件下，可广泛应用于军、民及娱乐领域。足式机器人的腿部结构是机器人的重要的组成部分，对足式机器人的运动起着非常重要的作用。

现有的足式机器人有液压驱动、电驱动、气动驱动等。液压驱动需要复杂的液压系统，气动驱动具有动作不平滑难控制的特点，电驱动多采用特制电机输出较大力矩对足式机器人进行驱动。公告号为cn103287523b名称为一种弹性足与轮式运动机构结合的复合变形移动机器人的专利中提到了采用滚珠丝杠驱动的方式，但其结构比较复杂。

综上，现有足式机器人单腿结构存在结构复杂、成本高的问题，因此，有必要亟需一种结构简单、成本低的足式机器人单腿结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种足式机器人单腿装置及足式机器人，用于解决现有足式机器人单腿结构存在结构复杂、成本高的问题。该足式机器人单腿装置是一种高效的足式机器人腿部结构，能用较小驱动力驱动较大的负载。

为实现上述发明目的，本发明提供了的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种足式机器人单腿装置，包括髋部件、大腿部件与小腿部件；所述髋部件通过髋连接件连接髋部驱动机构并形成髋关节；所述髋部件和大腿部件通过第一转动副连接并形成胯关节；所述大腿部件与小腿部件通过第二转动副连接并形成膝关节；

所述髋部件由髋部驱动机构驱动，使得髋关节绕x轴转动；所述髋部件上的胯部驱动机构与大腿部件通过髋腿连接件连接；

所述大腿部件由胯部驱动机构驱动，使得胯关节绕y轴转动；大腿部件上的膝部驱动机构与小腿部件通过小腿连接件连接；

所述小腿部件由膝部驱动机构驱动，使得膝关节绕y轴转动；

所述髋部驱动机构、胯部驱动机构和膝部驱动机构结构相同均为滚珠丝杠驱动单元。

本发明的有益效果：本发明采用模块化的设计思路，髋部驱动机构、胯部驱动机构均设置在髋部件上，所述膝部驱动机构设置在大腿部件上，且髋部驱动机构、胯部驱动机构和膝部驱动机构结构相同均包括滚珠丝杠驱动单元，同时通过滚珠丝杠的作用将电机的转矩转化为髋腿连接件和小腿连接件的推(拉)力，本发明结构简单、零件复用率高、成本低。

进一步，所述滚珠丝杠驱动单元包括：

电机、第一轴承套件、第二轴承套件、同步带轮、滚珠丝杆、丝杠螺母、丝杠螺母导杆；

其中，所述同步带轮包括同步带、第一同步轮和第二同步轮；

所述第一轴承套件包括第一轴承座、第一轴承座内的第一通孔、第二通孔，以及第二通孔内设置的角接触球轴承；所述第二轴承套件包括第二轴承座、第二轴承座内的第三通孔、以及第三通孔内设置的角接触球轴承；

所述电机输出轴贯穿第一轴承套件的第一通孔与第一同步轮同轴相连；所述滚珠丝杆的一端贯穿第一轴承套件的第二通孔与第二同步轮同轴相连，另一端贯穿固定在第二轴承套件的第二通孔中；

所述丝杠螺母套设在所述滚珠丝杆和丝杠螺母导杆上，所述丝杠螺母导杆两端分别固定在所述第一轴承座和第二轴承座上，所述丝杠螺母上安装有连杆连接件，所述连杆连接件的侧面与丝杠螺母锁紧为一体，所述连杆连接件下方设有销孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：滚珠丝杠两端都有单个的角接触球轴承支撑。电机通过同步带驱动滚珠丝杠进行转动，滚珠丝杠转动过后，丝杠上的螺母由于光轴导杆锁定了其旋转自由度，所以其只能做直线运动，当驱动器控制电机做正反转运动时，螺母便在电机上做来回的直线运动，从而带动连杆连接件一起运动，而同步带传动则让整个系统具有一定的缓冲能力。

进一步，所述髋连接件包括第三连杆、第五销钉副及第六销钉副；所述髋连接件的第三连杆的一端通过第五销钉副与连杆连接件下方的销孔连接，所述第三连杆的另一端通过第六销钉副与髋部件连接；所述髋腿连接件包括第一连杆、第一销钉副及第二销钉副；所述第一连杆的一端通过第一销钉副与连杆连接件下方的销孔连接，另一端通过第二销钉副与大腿部件连接；所述小腿连接件包括第二连杆、第三销钉副及第四销钉副；所述第二连杆的一端通过第三销钉副与连杆连接件下方的销孔连接，另一端通过第四销钉副与小腿部件连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：所有关节都采用销钉副进行连接，丝杠螺母上设计了连杆连接件，连杆连接件的侧面与丝杠螺母锁紧为一体，连杆连接件的下方有销孔，并通过销钉副连接连杆的一端，连杆的另一端也通过销钉副连接到需要动作的大腿、小腿或大腿、髋关节。当电机推动丝杠螺母来回运动之时，丝杠螺母带动连杆连接件运动，进而带动大腿部件、小腿部件、髋关节绕其旋转中心即髋关节或膝关节运动。

第二方面，本发明还提供了一种足式机器人，上述所述的足式机器人单腿装置。

附图说明

图1是本发明单腿装置结构整体示意图；

图2是本发明滚珠丝杠驱动单元示意图。

图中：1-髋部驱动机构、2-胯部驱动机构、3-膝部驱动机构、4-第一转动副、5-第二转动副、6-第二连杆、7-第四销钉副、8-第三销钉副、9-第二销钉副、10-第一连杆、11-第一销钉副、12-髋部件、13-大腿部件、14-小腿部件、15-第三连杆、16-第五销钉副、17-第一轴承座、18-角接触球轴承、19-滚珠丝杆、20-丝杠螺母、21-丝杠螺母导杆、22-第二轴承座、23-连杆连接件、24-销孔、25-电机、26-同步带轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明提供一种足式机器人单腿装置，包括髋部件12、大腿部件13与小腿部件14；所述髋部件12通过髋连接件连接髋部驱动机构1并形成髋关节；所述髋部件12和大腿部件13通过第一转动副4连接并形成胯关节；所述大腿部件13与小腿部件14通过第二转动副5连接并形成膝关节。其中髋关节为绕x轴旋转的自由度；胯关节为绕y轴旋转自由度；膝关节为绕y轴旋转的自由度；

所述髋部件12由髋部驱动机构1驱动，使得髋关节绕x轴转动；所述髋部件12上的胯部驱动机构2与大腿部件13通过髋腿连接件连接；

所述大腿部件13由胯部驱动机构2驱动，使得胯关节绕y轴转动；大腿部件13上的膝部驱动机构3与小腿部件14通过小腿连接件连接；

所述小腿部件14由膝部驱动机构3驱动，使得膝关节绕y轴转动；

所述髋部驱动机构、胯部驱动机构和膝部驱动机构结构相同均为滚珠丝杠驱动单元。

如图2所示，滚珠丝杠驱动单元包括：

电机25、第一轴承套件、第二轴承套件、同步带轮16、滚珠丝杆19、丝杠螺母20、丝杠螺母导杆21；

其中，同步带轮16包括同步带、第一同步轮和第二同步轮；

第一轴承套件包括第一轴承座17、第一轴承座17内的第一通孔、第二通孔，以及第二通孔内设置的角接触球轴承18，第二轴承套件包括第二轴承座22、第二轴承座22内的第三通孔、以及第三通孔内设置的角接触球轴承18；

电机25输出轴贯穿第一轴承套件的第一通孔与第一同步轮同轴相连；滚珠丝杆19的一端贯穿第一轴承套件的第二通孔与第二同步轮同轴相连；滚珠丝杆19的另一端贯穿固定在第二轴承套件的第三通孔中；

丝杠螺母20套设在所述滚珠丝杆19和丝杠螺母导杆21上，所述丝杠螺母导杆21两端分别固定在所述第一轴承座17和第二轴承座22上。所述丝杠螺母20上安装有连杆连接件23，所述连杆连接件23的侧面与丝杠螺母20锁紧为一体，所述连杆连接件23下方设有销孔24。

本发明所述的滚珠丝杆驱动单元，可极大的增大电机输出的扭矩，降低了本发明对电机扭矩的需求。

本发明中虽然各驱动机构包含的滚珠丝杠驱动单元结构相同，但对于滚珠丝杠驱动单元中各部件大小根据具体需求设定，不一定相同。

所述髋连接件包括第三连杆15、第五销钉副16及第六销钉副(图中未画出)；所述髋连接件的第三连杆15的一端通过第五销钉副16与连杆连接件23下方的销孔连接，所述第三连杆15的另一端通过第六销钉副与髋部件12连接；所述髋腿连接件包括第一连杆10、第一销钉副11及第二销钉副9；所述髋腿连接件的第一连杆10的一端通过第一销钉副11与连杆连接件23下方的销孔连接，所述第一连杆10的另一端通过第二销钉副9与大腿部件13连接；所述小腿连接件包括第二连杆6、第三销钉副3及第四销钉副7；所述小腿连接件的第二连杆6的一端通过第三销钉副与连杆连接件23下方的销孔连接，所述第二连杆6的另一端通过第四销钉副7与小腿部件14连接。

本发明单腿装置的具体工作过程如下：

四足机器人直线行走时，由胯部驱动机构2驱动大腿部件13绕第一转动副4转动，由膝部驱动机构3驱动小腿部件14绕第二转动副5转动，两个转动运动的合运动使得单腿足端形成一个类似于半椭圆的轨迹，以驱动机器人行走。

四足机器人转弯时，由髋部驱动机构1驱动整个大腿部件13绕髋关节的x轴转动，以实现机器人在x轴方向的位移，实现转弯。

另外，本发明提供了一种足式机器人，基于上述足式机器人单腿装置。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。