一种多自由度轻型单腿机构的制作方法

本实用新型属于机器人行走机构技术领域，特别涉及一种多自由度轻型单腿机构。

背景技术：

随着社会智能化程度的提高，在某些场合需要通过机器去代替人类到达一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时具有优势，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失，移动的效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生，但履带式移动方式在不平地面上的机动性仍然很差，行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比，足式机器人在崎岖不平的路面具有独特优越性能。

腿是机器人用来支撑身体和行走运动的重要组成部分。目前仿生单腿机构大多数是三自由度的，由于躯体的重心需要依据地形起伏状态而做出相应调节，因此在翻越复杂崎岖地形时四自由度腿比三自由度腿可体现出更多优势。并且，由于大部分四自由度腿足机器人的腿部设计是在每个关节处都设置有驱动动力源，这使得后面一级腿杆及其电机给前面一级腿杆电机带来过多的抬腿负载，使得整条腿甚至整个躯体机构笨重，行动受限，机动性差，难以适应复杂地形。

在腿杆传动机构的设计上，目前很多足式机器人采用的腿部传动机构是连杆机构，可获得从动腿杆的往复摆动(抬腿与落腿运动)。然而，连接电机端的主动杆也大多采用往复摆动，通过中间连杆传递运动和动力使从动腿杆运动，因中间运动链较长，使得电机能耗增加，还使得传动不够精确。另外，有些腿部设计将传动连杆直接裸露在外，这使得传动机构容易受到外部环境的碰撞，致使运动构件容易被损坏。

在腿杆结构的设计上，目前大多数机器人的腿杆结构设计采用的是实心杆或者是实心板，这样设计可以满足机器人的强度要求和承载性要求，但是，这样会加重机器人的整体重量，浪费电机过多能耗，使得其运动时比较笨重，机动性差。

目前很多腿足机器人的各段腿杆因为其结构形状和传动机构构型的限制，使得每段腿杆的可运动角度都比较小，约在60～120度。这么小的可运动角度会缩小单腿机构的运动工作空间，不利于机器人的运动。另外，相邻腿杆之间达不到最小角度的折叠化，导致在运输时必须拆分包装，到达使用地后又必须重新安装，使得运输不便，而且在拆装时容易损坏机器人里面的电路连线及零部件。

在电机的设计上，目前大多数的六足机器人选用的是传统市场供货电机，传统电机的外形、体积结构和扭矩都达不到机器人对输出扭矩要够大、体积要最小、重量要最轻、外形要贴合机器人外形的要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多自由度轻型单腿机构，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种多自由度轻型单腿机构，包括髋关节模块、膝关节模块、踝关节模块、胫节和足端；髋关节模块、膝关节模块、踝关节模块、胫节和足端依次连接；

胫节包括支撑杆和第一带轮，支撑杆的一端内部通过带轮安装轴设置有第一带轮，另一端与足端固定连接；

踝关节模块包括支撑壳体、同步带、第一电机、第二电机、第二带轮和第二电机输出轴；支撑壳体的一端与支撑杆设置有第一带轮的一端铰接，支撑壳体的另一端内部通过第二电机输出轴固定设置有第二带轮，两个带轮之间通过同步带连接；支撑壳体上设置有第二带轮的一端两侧分别设置有第一电机和第二电机；第一电机能够带动踝关节模块相对于膝关节模块转动，第二电机能够带动第二带轮转动；把第一电机(12)和第二电机(13)的安装位置靠近躯体，减少了末端关节易于产生的转动惯量大的问题，更利于驱动机构运动；采用同步带传动可以使关节具有较大的旋转角度，对胫节的角度控制更加灵活，而且同步带传动更加精确易控制。

膝关节模块包括支撑侧板、第三电机和第三电机输出轴；支撑侧板的一端内部通过第三电机输出轴设置有第三电机，支撑侧板的另一端套在踝关节模块的支撑壳体端部，且支撑侧板与支撑壳体铰接；第一电机和第二电机均固定设置在支撑侧板上；

髋关节模块包括安装架、第四电机和骨架板；两块骨架板平行设置，两块骨架板的一端分别设置在第三电机两侧与支撑侧板之间的空隙内，且第三电机固定在骨架板上；两块骨架板的另一端之间设置有第四电机，第四电机和骨架板之间的空隙均设置有安装架。

进一步的，支撑壳体包括左壳体和右壳体，左壳体和右壳体平行设置且分别设置在，支撑杆端部的两侧，支撑杆的端部开设有凹槽，凹槽内设置有带轮安装轴，带轮安装轴的两端均设置有轴圈，轴圈与左壳体或右壳体固定连接，带轮安装轴上设置有轴承，第一带轮设置在轴承上。

进一步的，支撑侧板包括左侧板和右侧板，左侧板和右侧板平行设置，左侧板和右侧板之间通过中间壳体固定连接；左侧板和右侧板的一端分别设置在第一电机和支撑壳体以及第二电机和支撑壳体之间，第一电机的输出轴与支撑壳体固定连接。

进一步的，骨架板包括左骨架和右骨架，左骨架和右骨架之间固定连接，支撑侧板的另一端为凹槽状，凹槽内设置有第三电机输出轴，第三电机设置在第三电机输出轴上。

进一步的，安装架上设置有若干螺栓孔，安装架与机器人躯体相连接。

进一步的，足端包括支脚和胶套；支脚的一端与支撑杆固定连接，另一端与胶套固定连接。

进一步的，第一电机、第二电机、第三电机和第四电机均包括壳体、定子、转子、行星架、行星减速器和中心轴套；定子同轴设置在壳体内部，定子的内部同轴设置有定子，定子与行星架连接，行星架与行星减速器连接；第一电机上行星减速器连接太阳轮轴，太阳轮轴连接支撑壳体；第二电机上的行星减速器连接第二电机输出轴。

各单腿都设计了结构件腿杆，每一段腿杆根据其受力的大小和方向而设计成不同的截面形状，在减轻了重量的同时又不损失承载强度和刚度，使腿杆既具有强的承载能力完成运动功能又可减轻体重保证机动性。

与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：

本实用新型的整条单腿设计方式不仅极大地增加了机器人腿对复杂地形的适应能力、提高了机器人动态和静态的稳定性，还提高了机器人整体的承载能力和控制精度；

多自由度单腿，运动灵活，并且重量轻；驱动电机安装位置更靠近躯体，减少了末端关节易于产生的转动惯量大的问题，更利于驱动机构运动；此单腿在机构运动与动力方面的运动工作空间范围大。

各关节电机结构简单且相互独立成一个单元，形成独立的电机模块，具有互换性且利于降低成本。各关节具有较大的工作空间，可以收缩并折叠成原长度约1/3的大小，可以减小机器人的体积，方便携带。

本实用新型设计了在同等体积下，用材最少的、重量最轻的、强度好的腿杆。单腿包含了四段腿杆，选用铝合金制作每段腿杆，胫节4腿杆截面形态为工字型，踝关节模块3腿杆截面形态为口字型，膝关节模块2腿杆截面形态为口字型、髋关节模块1腿杆截面形态为工字型。

本实用新型设计了减速器电机，被集成进入腿部结构，得到了体积小、功率密度大的运动关节(髋关节、膝关节、踝关节)，和重量轻、灵活的单腿机构。利用这种电机结构可以使腿部关节更加紧凑，同时满足一定的承载性能，而且体积较小、精度高、扭矩大、效率高。

本实用新型对电机进行了轻量化设计，并将各电机的布局都尽量向躯体集中，这样设计可以减少腿部惯量，提高了运动灵活性。

本实用新型设计了结构件腿杆。为了减轻重量的同时又不损失承载力强度和刚度，每一段腿杆设计都依据受力(驱动力、阻抗力)大小方向和连接关节件形状，既要能够完成运动功能又要完成美观效果。

附图说明

图1为本实用新型模块化设计的单腿模型侧视图；

图2为本实用新型单腿足端和胫节结构示意图；

图3为本实用新型单腿踝关节模块结构示意图；

图4为本实用新型单腿膝关节模块结构示意图；

图5为本实用新型单腿髋关节模块结构示意图；

图6为本实用新型单腿胫关节传动结构示意图；

图7为本实用新型单腿踝关节传动结构示意图；

图8为本实用新型单腿胫节4腿杆截面形态示意图；

图9为本实用新型单腿踝关节模块3腿杆截面形态示意图；

图10为本实用新型单腿膝关节模块2腿杆截面形态示意图；

图11为本实用新型单腿髋关节模块1腿杆截面形态示意图；

附图标记说明

图1中各个序号代表的含义为：

1——髋关节模块、2——膝关节模块、3——踝关节模块、4——胫节、5——足端。

图2中各个序号代表的含义为：

6——带轮安装轴、7——第一带轮、8——支撑杆、9——支脚、10——胶套。

图3中各个序号代表的含义为：

11——第二带轮、12——第一电机、13——第二电机、14——第二电机输出轴、15——左壳体、16——右壳体、17——同步带。

图4中各个序号代表的含义为：

18——第三电机、19——第三电机输出轴、20——中间壳体、21——左侧板、22——右侧板。

图5中各个序号代表的含义为：

23——安装架、24——第四电机、25——左骨架、26——右骨架。

图6中各个序号代表的含义为：

27——轴承、28——轴圈。

图7中各个序号代表的含义为：

29——壳体、30——定子、31——转子、33——中心轴套、35——太阳轮轴、37——行星架、40——壳体、45——行星架。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明：

请参阅图1至图11，一种多自由度轻型单腿机构，包括髋关节模块1、膝关节模块2、踝关节模块3、胫节4和足端5；髋关节模块1、膝关节模块2、踝关节模块3、胫节4和足端5依次连接；

胫节4包括支撑杆8和第一带轮7，支撑杆8的一端内部通过带轮安装轴设置有第一带轮7，另一端与足端5固定连接；

踝关节模块3包括支撑壳体、同步带17、第一电机12、第二电机13、第二带轮11和第二电机输出轴14；支撑壳体的一端与支撑杆8设置有第一带轮7的一端铰接，支撑壳体的另一端内部通过第二电机输出轴14固定设置有第二带轮11，两个带轮之间通过同步带17连接；支撑壳体上设置有第二带轮11的一端两侧分别设置有第一电机12和第二电机13；第一电机12能够带动踝关节模块3相对于膝关节模块2转动，第二电机13能够带动第二带轮11转动；

膝关节模块2包括支撑侧板、第三电机18和第三电机输出轴19；支撑侧板的一端内部通过第三电机输出轴19设置有第三电机18，支撑侧板的另一端套在踝关节模块3的支撑壳体端部，且支撑侧板与支撑壳体铰接；第一电机12和第二电机13均固定设置在支撑侧板上；

髋关节模块1包括安装架23、第四电机24和骨架板；两块骨架板平行设置，两块骨架板的一端分别设置在第三电机18两侧与支撑侧板之间的空隙内，且第三电机固定在骨架板上；两块骨架板的另一端之间设置有第四电机24，第四电机24和骨架板之间的空隙均设置有安装架23。

支撑壳体包括左壳体15和右壳体16，左壳体15和右壳体16平行设置且分别设置在，支撑杆8端部的两侧，支撑杆8的端部开设有凹槽，凹槽内设置有带轮安装轴6，带轮安装轴6的两端均设置有轴圈28，轴圈28与左壳体15或右壳体16固定连接，带轮安装轴6上设置有轴承，第一带轮7设置在轴承上。

支撑侧板包括左侧板21和右侧板22，左侧板21和右侧板22平行设置，左侧板21和右侧板22之间通过中间壳体20固定连接；左侧板21和右侧板22的一端分别设置在第一电机12和支撑壳体以及第二电机13和支撑壳体之间，第一电机12的输出轴与支撑壳体固定连接。

骨架板包括左骨架25和右骨架26，左骨架25和右骨架26之间固定连接，支撑侧板的另一端为凹槽状，凹槽内设置有第三电机输出轴19，第三电机设置在第三电机输出轴19上。

安装架23上设置有若干螺栓孔，安装架23与机器人躯体相连接。

足端5包括支脚9和胶套10；支脚9的一端与支撑杆8固定连接，另一端与胶套10固定连接。

第一电机12、第二电机13、第三电机18和第四电机24均包括壳体、定子30、转子31、行星架27、行星减速器和中心轴套33；定子30同轴设置在壳体内部，定子30的内部同轴设置有定子，定子与行星架连接，行星架与行星减速器连接；第一电机上行星减速器连接太阳轮轴，太阳轮轴连接支撑壳体；第二电机上的行星减速器连接第二电机输出轴14。

一种用于仿生六足机器人的四自由度轻型单腿机构，包括机械系统、运动控制系统两部分。其中机械系统包括机械结构和传动系统；机械结构紧凑主要体现在：轻型电机模块、精简结构腿杆、带传动腿足结构，可折叠腿杆结构；传动系统包括髋关节模块1、膝关节模块2、踝关节模块3、胫节4。运动控制系统包括第一电机、第二电机、第三电机、第四电机。

本单腿是由四个驱动器和四个连杆组成的四关节机构，足端5的着地胶套10的材料为刻有花纹的耐磨橡胶，可以显著增大摩擦力，其中在胫节4的支撑杆8和足端5通过特殊的胶水固定在一起，胫节的上端通过带轮7安装轴6安装在左壳体15和右壳体16的中间，带轮7通过轴承27安装在带轮7安装轴6上；

在踝关节处，左壳体15通过轴承与第二电机输出轴14相连接，右壳体16与第二电机壳体40通过螺栓连接，第一电机壳体29通过轴承与中心轴套33连接，在行星架37与轴承之间安装有行星减速器，转子31转动带动行星轮转动，行星轮带动太阳轮转动，太阳轮安装在太阳轮轴35上，太阳轮通过太阳轮轴35将转矩传出去，进而控制踝关节模块3相对于膝关节模块2的角度。第二电机的转子通过行星齿轮减速器将转矩传递给行星轮，通过行星齿轮减速器带动第二电机传动轴14旋转，第二电机传动轴14与右侧板22之间通过轴承连接，带轮11与第二电机传动轴14之间通过键连接，第二电机传动轴14的旋转带动带轮11旋转，带轮11经过同步带17驱动带轮7，从而控制胫节相对于踝关节的角度；

在膝关节模块2处，中间壳体20在左侧板21和右侧板22之间，通过6个紧定螺钉固连，左侧板21和右侧板22的上端与第三电机输出轴19连，第三电机通过转动来控制膝关节模块2相对于髋关节模块1的角度；

在髋关节模块1处，左骨架25安装在第三电机18与左侧板21中间，右骨架26安装在第三电机18与右侧板22中间，左骨架25与右骨架26的上端与第四电机24连接，安装架23的上端安装在左骨架25与第四电机24的中间，安装架23的下端安装在右骨架26与第四电机24的中间，第四电机输出轴的轴线与第三电机输出轴的轴线相垂直，主要控制的是腿部结构在水平面内的转动，安装架23通过螺钉与机器人躯体相连接。

第一电机12通过输出轴直接驱动踝关节模块相对于膝关节模块的角度；第二电机通过输出轴14驱动同步带轮11，同步带轮11经过同步带17驱动同步带轮7，从而控制胫节4相对于踝关节模块的角度；第三电机18通过输出轴19直接驱动膝关节模块2相对于髋关节模块的角度；第四电机24通过输出轴驱动髋关节模块1控制整条腿在水平面内的角度。这样只要确定每一个驱动器的转角，那么胫节4和足端5在空间是确定的，也就是单腿是可控制的，然后通过算法，让单腿末端作出相应的轨迹，从而完成单腿的控制。

足端5是由支脚9和着地胶套10组成的球状结构，其支脚9的材料为尼龙，尼龙的机械强度高，韧性好，有较高的抗拉强度、抗压强度，而且耐疲劳性能突出，可以在反复屈折后仍保持原有的机械强度。着地胶套10的材料为耐磨橡胶，可以增大着地胶套的使用寿命，在着地胶套与地面接触的面上刻有花纹，可以使着地胶套与地面接触时显著增大摩擦力，减少了打滑情况的发生，使得机器人的运动更加精确。

胫节4是由支撑杆8、带轮7、带轮安装轴6组成，支撑杆8是一个工字形的薄板，在薄板的两侧有凹槽，在满足强度要求的基础之上使用最少的材料，减轻了机器人的整体重量，使得机器人的结构轻盈。同步带传动可以使关节具有较大的旋转角度，最大可达到300°，这一优势增大了工作空间，对胫节的控制更加灵活，而且同步带的传动更为精确易于控制。同步带传动也具有齿轮和皮带传动的优点，作为机器人的传动系统比较适合，同步带在一定程度上可以缓解运动中的冲击，减小了腿的转动惯量，同步带传动也比较稳定，能够吸振降噪。

踝关节模块3是由带轮11、第一电机12、第二电机13、第二电机输出轴14、左壳体15、右壳体16、同步带17组成，两个壳体之间通过螺钉连接起来，左壳体和右壳体均用半工字形结构，并且在左壳体和右壳体上都有一个似长方形的孔，这种设计减少了材料的使用，减轻了机器人的整体重量。第一电机12通过输出轴直接驱动踝关节模块3相对于膝关节模块2的角度，第二电机通过输出轴14驱动同步带轮11，同步带轮11经过同步带17驱动同步带轮7，从而控制胫节相对于踝关节的角度，第一电机12和第二电机13做相对独立的运动。关节转角至少可达300°。

膝关节模块2是由第三电机18、第三电机输出轴19、中间壳体20、左侧板21、右侧板22组成，中间壳体安装在左侧板和右侧板的中间，其与左侧板和右侧板通过6个紧定螺钉连接起来，左侧板和右侧板均采用半工字形结构，在满足强度要求的情况下减轻了重量。第三电机18通过输出轴19直接驱动膝关节模块2，控制膝关节模块2相对于髋关节模块1的角度。关节转角至少可达300°。

髋关节模块1是由安装架23、第四电机24、左骨架25、右骨架26组成，两个骨架之间通过螺钉连接，在骨架的上下端均有凹槽，在满足强度要求的情况下减轻了重量。髋关节模块通过安装架23与机器人的躯体相连，第四电机24通过输出轴控制髋关节模块1在水平面内的角度。关节转角至少可达300°。

减速器电机是由高功率密度直流无刷电机和自主设计的行星齿轮减速器组成，这款无刷电机为中空式电机，由环形定子和转子组成。把行星减速器设计于转子中空空间当中，得到体积小、功率密度大的运动关节(髋关节、膝关节、踝关节)。进而可简化腿部结构，利用所述减速器电机的结构可以使腿部关节体积小、结构更加紧凑，同时满足足够大的承载性能。

腿杆是单腿的重要构件，一条单腿包含了四段腿杆，选用铝合金制作每段腿杆，为了减轻重量，腿杆被设计成镂空或者开槽结构；此外，为了减轻重量的同时又不损失承力强度和刚度，每一段腿杆设计都依据受力(驱动力、阻抗力)大小方向和连接关节件形状，既要能够完成运动功能又要完成美观效果，设计成结构件腿杆。基于此，本实用新型中单腿的胫节4腿杆截面形态设计为工字型，踝关节模块3腿杆截面形态设计为口字型，膝关节模块2腿杆截面形态设计为口字型、髋关节模块1腿杆截面形态设计为工字型。采用这种结构形状制作腿杆，可以得到在同等用材体积下达到重量最轻的腿杆，也可以得到在同等用材体积下达到强度最佳的腿杆。

单腿的整条腿部可以通过折叠来使机器人达到最小体积，其中胫节4和足端5可以在胫关节处折叠上去到踝关节模块3，胫节4和足端5折叠后可以和踝关节模块3一起通过踝关节折叠到膝关节模块2和髋关节模块1处，使得运输方便，减少了来回拆装对零部件的损坏。

单腿的材料主要为铝合金，铝合金的相对密度比较小，在满足一定设计强度的要求下，相对于不锈钢、45钢等金属材料更加的轻，可以满足机器人腿杆结构对质量轻的要求，而且铝合金价格便宜，容易加工成型，加工精度高。