一种带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿的制作方法

本发明涉及仿生机器人，尤其是涉及一种仿生机器人的带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿。

背景技术

现有技术中，具备多自由度机械腿的足式机器人活动倍加矫健，灵活性和表演性大大增强，可跨越较大的障碍，例如沟和坎，具有极强的凸凹地形适应能力和运行稳定性，因而引起各国科技工作者的重视。

目前，仿生机器人的关键部件仿生机械腿，种类很多，大致可以概括为如下三类。

第一类，采用机械传动的仿生机械腿。如cn201510404058.7公开了一种足式机器人的腿部结构，采用链条、链轮、多连杆机构实现腿部运动；这类仿生腿带有特定缺陷：一是动力从主体传递到各关节上，结构复杂，可靠性差，亦不方便安装维护；二是运动单一，仅适合特定路面，无法适应崎岖复杂地形；三是驱动器和关节运动呈非线性关系，导致控制系统复杂；四是由于结构复杂，多数仅采用2-3自由度，不便于自由度扩展来实现更多功能。

第二类，采用“伺服电机+减速机”驱动关节回转运动的仿生机械腿。如cn201220166860.9公开的一种电子机器人，以髋伺服机、腿伺服机、脚踝伺服机等伺服电机来实现腿部摆动或转动运动，可执行跳舞、扭腰、步行和多种复杂运动；cn201110142086.8公开了一种十二足机器人，以主伺服电机、活动伺服电机、旋转伺服电机驱动腿部关节运动；但上述技术尚存在如下不足：一是仅适应轻型或轻载机器人，其普遍采用的是小型或轻型的伺服电机及减速机，导致关节扭矩小，无法应用于大型或重载型仿生机器人，二是这些仿生腿上无自身动力，动力集中在机器人主体框架上，需通过电缆输送至仿生腿上，极易因连接线缆磨损而整机瘫痪；三是其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题，四是这些机械腿和主体框架上的动力相连，安装维护大多不方便，五是采用集中的控制器来控制所有仿生腿的各个关节运动时，控制程序复杂，编程工作量大。

第三类，是采用液压动力驱动的仿生机械腿。如cn201510644743.7公开的一种四足机器人，采用电动伺服液压源驱动系统驱动仿生机械腿关节运动；这些机器人的仿生腿虽解决了关节扭矩小的问题，适合大型多足机器人，但仍存在如下问题：动力源集中在主体框架上，需由机器人主体框架上的液压动力系统提供各个仿生腿的关节液压动力，极易因连接线缆或液压管道磨损而瘫痪；其二，是其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题；其三，采用直线油缸的关节运动和驱动器呈非线性关系，导致控制系统复杂；其四，仿生腿及其中布置的连接线缆或/和液压管道与机器人主体框架须直接相连接，极不方便拆装维护，第五，一般考虑管路、线路和仿生机器人主体连接的可靠性和复杂性，多数仅设置自由度在2-4个。

另一方面，多自由度的工业机器人目前已运用成熟，控制算法和控制精度均满足实际工业需求，如cn201710689327.8公开了一种仿人双臂多自由度工业机器人，包括躯干系统、机械臂系统、底座系统，所述机械臂系统包括肩关节、上臂杆、肘关节、前臂杆和腕关节，肩关节与肘关节之间通过上臂杆固定连接，肘关节与腕关节之间通过前臂杆固定连接；这类工业机器人多个自由度带来的灵活性，以及多自由度的控制算法对足式机器人仿生腿开发具有很好的借鉴作用；但若直接作为仿生机械腿应用，存在如下缺陷：其一，工业机器人一般采用大型减速机和伺服电机来确保关节扭矩和运转精度，体积和重量均较大，不适合在足式机器人的仿生腿上运用；其二，工业机器人多数采用伺服电机驱动，动作精度高，但动作比较僵硬，不柔和，不适合用作足式机器人的仿生腿；其三，工业机器人多数采用外部动力控制，电缆线束复杂，极易因连接线缆磨损而瘫痪。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的拆装维护极不方便，结构复杂，关节扭矩小，充电效率低的缺陷，提供一种安装拆卸方便，关节扭矩大，结构较简单，工作可靠性高，充电效率高的带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿，包括大腿、小腿、足部，还设有连接架、液压动力系统和控制装置，所述小腿的个数≥2个，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过关节相连；所述连接架用于将所述仿生机械腿与仿生机器人固定连接或拆卸；所述液压动力系统设在所述大腿和/或小腿和/或足部；所述控制装置设在所述大腿和/或小腿和/或连接架和/或足部。

进一步地，所述连接架设有螺栓孔和/或插销孔和/或卡槽；所述大腿、小腿和关节为具有空腔的框架构件，所述大腿、小腿中设有液压管路，所述关节中设有液压接口，所述液压管路的一端与所述液压接口相连。

进一步地，所述液压动力系统包括驱动电机、液压泵、微型油箱、液压电磁阀组和电池组；所述驱动电机、液压泵、微型油箱依次连接，并固定在所述大腿和/或小腿内；所述液压电磁阀组与所述液压泵通过所述液压管路连接，所述电池组与所述驱动电机相连，所述液压电磁阀组与所述电池组设在所述大腿和/或小腿和/或足部。

进一步地，所述液压动力系统还包括冷却装置和/或发电装置，所述冷却装置为冷却扇和/或冷却片，用对于所述驱动电机和所述微型油箱进行冷却；所述发电装置为温差发电片，所述温差发电片设置在所述微型油箱的外壁上，用于收集微型油箱内的液压油废热进行发电。

进一步地，所述控制装置包括控制器、充电口；所述控制器设在所述大腿和/或小腿，用于控制所述关节的运动，所述控制器为二级控制器，用于执行仿生机器人主体的指令信号；所述充电口设在所述足部和/或所述连接架和/或大腿和/或小腿，用于对所述电池组充电；所述控制装置还包括电插件，所述电插件一端与所述控制器连接，另一端与仿生机器人主体连接，用于实现所述仿生机械腿与所述仿生机器人主体之间的通讯。

进一步地，所述控制装置还包括辅助传感器，所述辅助传感器为压力传感器、应力传感器、油温传感器、超声波传感器、激光传感器中的一种或多种。

进一步地，所述关节为三维关节和/或二维关节，所述三维关节包括回转油缸、传感器和关节架，所述三维关节的回转油缸和传感器均为两组，两组所述传感器分别固定在所述回转油缸端部，两组所述回转油缸分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态，使所述三维关节实现三维空间的摆动。

进一步地，所述二维关节包括回转油缸和传感器，所述传感器固定在所述回转油缸的端部，使所述二维关节实现二维平面的摆动。

进一步地，所述大腿、小腿为轻质高强合金和/或钛材料制成；所述足部还可设有弹性合金材料构件、弹性储能材料构件、压电材料构件中的一种或多种；所述回转油缸为双端动力输出的螺旋回转油缸，所述传感器为角度传感器，所述驱动电机为直流电机，所述液压泵为齿轮泵和/或柱塞泵，所述微型油箱为金属材质油箱和/或带弹性橡胶壳体的油箱，所述液压电磁阀组可采用集成电磁阀和/或多个三位四通电磁阀组成，所述电池组可采用一组或多组可充电的锂电池组和/或固态电池组和/或石墨烯电池组。

进一步地，所述大腿、小腿可为圆形、方形或异形，所述大腿、小腿内还可设有浮力材料；所述大腿、小腿外廓还可设置加强筋和/或防护材料件；所述大腿、小腿外表面还可设有太阳能发电板和/或太阳能薄膜；所述足部可为足状、蹄状或异形状；所述足部还可设有弹性构件，所述弹性构件可为板簧、弹性棒、螺旋弹簧及扭簧。

与现有各类仿生机械腿比较，本发明带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿具体有如下有益效果：

1、采用带自主分布液压动力的多关节仿生机械腿结构，仅需连接架及电插件就可实现与仿生机器人主体固连及通讯，无需大量液压管路和电气线路的连接，结构简单，安装和拆卸方便；同时管线磨损故障大幅降低，整机可靠性提高。

2、各个仿生腿的关节动作可实现分级式控制器控制，相对于集中在仿生机器人主体上的集成控制，可大幅降低控制系统的复杂程度。

3、采用高扭矩的液压回转油缸驱动仿生机械腿关节摆动，相对伺服电机+减速机方式驱动关节摆动，动作比较柔和，关节扭矩大，承载能力高，可满足大型足式机器人抗冲击能力和复杂地形运动能力的需求。

4、采用回转油缸驱动方式，无直线油缸的有杆腔和无杆腔差异，正反转转速一致；且摆动角度大，最大可以达到270度；同时回转油缸摆动角度和传感器摆动角度呈现线性关系，程序编制简单，方便调试和运行。

5、在每条仿生机械腿上设置分布式电池组和充电口，无需大量电气线路连接到主体上，即提高可靠性，又提高充电效率；同时每个仿生腿上设置的温差发电片等，可对所在的仿生机械腿上电池组进行充电、减少外部能量需求。

6、采用多关节多自由度的仿生腿结构，相对目前常规的2-3个自由度，仿生机械腿更灵活，实用性更强。在实际工作中，在无需多自由度运动时，可锁定部分关节形成整体构件来运动。

附图说明

图1为本发明实施例1的三维结构示意图；

图2为本发明实施例1的结构示意图；

图3为本发明实施例2的三维结构示意图；

图4为本发明实施例2的结构示意图；

图5为本发明实施例3的三维结构示意图；

图6为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参照图1、图2，本实施例带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿具有4个关节5个自由度，主要包含连接架1、三维关节a、大腿2、二维关节b、小腿ⅰ3、二维关节c、小腿ⅱ4、二维关节d、足部5、控制装置6、液压动力系统7；连接架1通过三维关节a和大腿2相连，大腿2通过二维关节b和小腿ⅰ3相连，小腿ⅰ3通过二维关节c和小腿ⅱ4相连，小腿ⅱ4通过二维关节d和足部5相连；液压动力系统7并通过液压管路分别与三维关节a、二维关节b、二维关节c、二维关节d的液压接口相连；控制装置6与液压动力系统7、三维关节a、二维关节b、二维关节c、二维关节d电连接。

连接架1设有螺栓安装孔11a，用于将多个带自主分布动力的多关节仿生腿，快速连接固定在仿生机器人主体框架上；所述的大腿2、小腿ⅰ3、小腿ⅱ4为具有空腔的框架构件，方便腿节空腔内部布置液压动力系统7、控制装置6；所述足部5采用蹄型，并设置有弹性橡胶构件501用于减缓运动过程中地面冲击；三维关节a主要包括回转油缸ⅰa01、传感器ⅰa02、关节架a03、回转油缸ⅱa04、传感器ⅱa05，传感器ⅰa02固定在回转油缸ⅰa01端部，传感器ⅱa05固定在回转油缸ⅱa04的端部，回转油缸ⅰa01、回转油缸ⅱa04以90°交错设置并固定在关节架a03的两端，可使三维关节a实现三维空间摆动；所述二维关节b主要包括回转油缸ⅲb01以及固定在其上的传感器ⅲb02；所述二维关节c主要包括回转油缸ⅳc01以及固定在其上的传感器ⅳc02；所述二维关节d主要包括回转油缸ⅴd01以及固定在其上的传感器ⅴd02，可使二维关节b、二维关节c、二维关节d实现二维平面摆动。

液压动力系统7主要包含驱动电机701、液压泵702、微型油箱703、液压电磁阀组704和电池组705；驱动电机701、液压泵702、微型油箱703依次连接并固定在大腿2的空腔内，液压电磁阀组704固定在大腿2的空腔内并和液压泵702通过管路相连接；电池组705固定在小腿ⅱ4的空腔内，并和驱动电机701电连接，液压动力系统7通过液压动力驱动回转油缸ⅰa01、回转油缸ⅱa04、回转油缸ⅲb01、回转油缸ⅳc01及回转油缸ⅴd01正转、反转、锁止，实现对三维关节a、二维关节b、二维关节c、二维关节d运动和停止。控制装置6主要包含控制器601、充电口602、电插件603；控制器601固定在小腿ⅰ3内，根据传感器ⅰa02、传感器ⅱa05、传感器ⅲb02、传感器ⅳc02、传感器ⅴd02反馈的关节角度信号，来控制仿生腿的4个关节精确运动；充电口602布置在足部5上，用于对仿生腿内部的电池组705充电。电插件603固定在连接架1上，用于仿生腿与机器人主体的通讯。

所述的大腿2、小腿ⅰ3、小腿ⅱ4采用轻质高强合金制成具有空腔的方型构件，可降低仿生腿重量和运动能耗。回转油缸ⅰa01、回转油缸ⅱa04、回转油缸ⅲb01、回转油缸ⅳc01、回转油缸ⅴd01为双端动力输出的螺旋回转油缸，可实现关节90-270°大角度大扭矩摆动，且方便油缸两端连接及定位；所述传感器ⅰa02、传感器ⅱa05、传感器ⅲb02、传感器ⅳc02、传感器ⅴd02选用转角传感器，可实时传递回转角度给控制器601，驱动电机701优选直流电机，液压泵702采用齿轮泵，微型油箱703采用金属材质油箱，液压电磁阀组704集成电磁阀；电池组705采用可充电锂电池组。

控制装置6和液压动力系统7可以自主控制每条仿生机械腿独立运动；仿生腿可在装配完毕后，通过连接架1、电插件603快速和仿生机器人主体固连及通讯；在需维修拆卸保养及更换时，亦可实现快速拆除及更换仿生机械腿；在仿生机器人运动过程中，仿生腿的控制器601根据仿生机器人主体上控制系统的模糊指令，确定各自仿生腿上三维关节a、二维关节b、二维关节c、二维关节d的精确运动参数；在电池组705提供电力基础上，驱动电机701驱动液压泵702工作，液压泵702抽取微型油箱703中液压油；液压油经过液压电磁阀组704、液压管路进入回转油缸ⅰa01、回转油缸ⅱa04、回转油缸ⅲb01、回转油缸ⅳc01、回转油缸ⅴd01，实现三维关节a、二维关节b、二维关节c、二维关节d大扭矩、大角度范围内摆动；控制器601根据关节油缸上的传感器ⅰa02、传感器ⅱa05、传感器ⅲb02、传感器ⅳc02、传感器ⅴd02的信号控制液压电磁阀组704的通断，实现对关节回转油缸ⅰa01、回转油缸ⅱa04、回转油缸ⅲb01、回转油缸ⅳc01、回转油缸ⅴd01的正转、反转并锁止到相应角度，所述的回转油缸ⅰa01、回转油缸ⅱa04、回转油缸ⅲb01、回转油缸ⅳc01、回转油缸ⅴd01或液压电磁阀组704上设置平衡阀或液压锁，确保回转油缸运行平稳性。

所述控制装置6还包含多种辅助传感器，用于提高安装带自主分布动力的多关节仿生腿的仿生机器人整体动作协调性和平稳性。优选压力传感器安装在足部5上，用于监测足底支撑力情况；优选应力传感器安装在连接架1或/和大腿或/和小腿ⅰ或/和小腿ⅱ上，用于监测结构件上应力变化；优选油温传感器安装在液压管路上，用于监测液压油温变化；优选超声波传感器和/或激光测距器安装在足部5或/和小腿ⅰ3或/和小腿ⅱ4上，探测障碍物的位置及距离和各腿节之间的距离及状态。

实施例2

参照图3、图4，本实施例带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿与实施例1的主要区别在于：连接架1采用设有快装销孔11b,可对齐后插入固定销实现快速连接；大腿2、小腿ⅰ3、小腿ⅱ4采用钛合金制成具有空腔的异型构件ⅰ201、异型构件ⅱ301，内部设置加强和固定筋板ⅰ202、强和固定筋板ⅱ302，并填充轻质浮力材料ⅰ203、轻质浮力材料ⅱ303，可降低仿生腿重量和运动能耗，也可方便在水下运动；足部5采用弹性合金制成，可减振缓冲；三维关节a、二维关节b、二维关节c、二维关节d上分别设置平衡阀ⅰa06、平衡阀ⅱa07、平衡阀ⅲb03、平衡阀ⅳc03、平衡阀ⅴd03，用于提高回转油缸运行平稳性；液压泵702采用柱塞泵，微型油箱703采用弹性橡胶油箱，电池组705采用两组可充电固体电池。所述充电口602采用无线充电器进行感应充电；所述的电插件603采用无线方式和机器人主体通讯连接。在足部上增加压力传感器605，用于感应仿生腿与地面接触应力变化。

实施例3

参照图5、图6，本实施带自主液压分布动力的多关节仿生机械腿，与实施例1的主要区别在于：增加小腿ⅲ8、小腿ⅳ9、二维关节e、二维关节f;共6关节7自由度，适应性强，可方便在特殊工况下使用。连接架1设置卡槽11c加固定销方式，实现快速和机器人主体连接；大腿2、小腿ⅰ3、小腿ⅱ4、小腿ⅲ8、小腿ⅳ9采用钛合金制成具有空腔的圆形构件，腿节内部设置有加强筋ⅰ202、加强筋ⅱ302、加强筋ⅲ402、加强筋ⅳ802，并填充轻质浮力材料ⅰ203、轻质浮力材料ⅱ303、轻质浮力材料ⅲ403、轻质浮力材料ⅳ803，可降低仿生腿重量和运动能耗，也可方便在水下运动；腿节外表面设置太阳能薄膜件ⅰ206、太阳能薄膜件ⅱ306、太阳能薄膜件ⅲ406、太阳能薄膜件ⅳ806、太阳能薄膜件ⅴ906（图示未示出），可实现吸收太阳能并对电池组705充电；腿节两端分别设置弹性保护套ⅰ107、弹性保护套ⅱ207、弹性保护套ⅲ307、弹性保护套ⅳ407、弹性保护套ⅴ807、，用于外观造型及保护关节；足部5采用带压电材料503的蹄状蓄能足，在减振缓冲同时吸收振动冲击能量；微型油箱703采用铝制金属油箱，外表面黏贴温差发电片706，利用微型油箱703中的液压油废热发电。电池组705设置3组可充电锂电池组；液压电磁阀组704设有2组液压电磁阀组，并分别布置在大腿2、腿节ⅳ8上。其中太阳能薄膜件ⅰ206、太阳能薄膜件ⅱ306、太阳能薄膜件ⅲ406、太阳能薄膜ⅳ806、太阳能薄膜ⅴ906、压电材料件403、温差发电片706发出的电经过控制器601对电池组705进行充电。

以上对本发明的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。