双足机器人

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种双足机器人。

背景技术：

腿部机器人的运动精准、灵活，可移动、加工与负载，可以人机协作执行装配作业，或者在极端环境内进行作业开发等，应用较为广泛。相关技术中，腿部机器人只能通过足部的驱动沿水平方向平移，在需躲避障碍物、抬腿或者单腿站立时，机器人受到侧向的力矩，导致整体平衡受到影响，机器人容易侧翻。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双足机器人，能够提高机器人行走过程中的平衡、稳定性能。

根据本发明实施例的双足机器人，包括：主体；腿部结构，设置有两个，对称安装于所述主体的两侧并能够相对所述主体摆动；平衡部，包括飞轮与第一驱动件，所述第一驱动件安装于所述主体上，所述第一驱动件与所述飞轮连接并用于驱动所述飞轮转动，所述飞轮的转动轴线的延伸方向与所述腿部结构在所述主体上的分布方向垂直。

根据本发明实施例的双足机器人，至少具有如下有益效果：

本发明实施例中的双足机器人，通过腿部结构相对主体的摆动，使机器人在前行过程中躲避障碍物，并且飞轮转动所产生的力矩能够抵消因腿部结构抬起施加至主体的力矩，使机器人在行走过程中保持平衡，从而提高了双足机器人行走的稳定性。

根据本发明的一些实施例，所述平衡部还包括安装架，所述安装架与所述主体固定连接，所述飞轮与所述安装架转动连接，所述第一驱动件容置于所述主体的内部。

根据本发明的一些实施例，所述腿部结构包括大腿部、小腿部与足部，所述大腿部与所述主体转动连接，所述小腿部与所述大腿部转动连接，所述足部安装于所述小腿部的一端。

根据本发明的一些实施例，所述腿部结构还包括第二驱动件，所述第二驱动件容置于所述主体的内部，所述第二驱动件与所述大腿部连接并用于驱动所述大腿部相对所述主体转动。

根据本发明的一些实施例，所述大腿部包括大腿本体，所述大腿本体与所述第二驱动件连接，所述大腿本体包括支撑架及两个对置的大腿件，两个所述大腿件分别安装于所述支撑架的两端。

根据本发明的一些实施例，所述小腿部包括小腿本体与第三驱动件，所述小腿本体与所述大腿本体转动连接，所述第三驱动件安装于所述大腿本体上，所述第三驱动件用于驱动所述小腿本体相对所述大腿本体转动。

根据本发明的一些实施例，所述小腿部还包括第一转轴，所述第一转轴的一端与所述第三驱动件连接，所述第一转轴的另一端与所述大腿本体转动连接。

根据本发明的一些实施例，所述大腿部还包括第二转轴，所述第二转轴一端与所述大腿本体连接，所述第二转轴的另一端具有供所述第一转轴插入的转槽。

根据本发明的一些实施例，所述小腿部还包括第一连杆与第二连杆，所述第一连杆的两端分别与所述第一转轴、所述第二连杆转动连接，所述第二连杆的两端分别与所述第一连杆、所述小腿本体转动连接。

根据本发明的一些实施例，所述足部包括第四驱动件与转轮，所述第四驱动件容置于所述小腿本体的内部，所述第四驱动件与所述转轮连接并用于驱动所述转轮转动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明双足机器人一个实施例的结构示意图；

图2为图1中腿部结构一个实施例的结构示意图；

图3为图2中腿部结构的爆炸示意图；

图4为图1中支撑架一个实施例的剖视图。

附图标记：

主体100；腿部结构200，大腿部210，大腿本体211，大腿件2111，支撑架2112，端板2113，支架2114，连接件2115，第二转轴212，转槽2121，第三转轴213，小腿部220，小腿本体221，小腿件2211，容纳槽2212，第三驱动件222，第一转轴223，第一连杆224，第二连杆225，足部230，第四驱动件231，转轮232，齿轮组233，支撑件234；平衡部300，飞轮310，安装架320。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本发明的一个实施例中提供了一种双足机器人，包括主体100、腿部结构200及平衡部300，腿部结构200设置有两个，两个腿部结构200分别安装于主体100的两侧，且相对主体100的中心对称，腿部结构200能够相对主体100摆动，使机器人能够单腿站立、抬腿或者两个腿部结构200交替摆动行走，当其中一个腿部结构200抬起时，机器人能够躲避具有一定高度的障碍物，机器人的行走不受前方障碍物的影响，适用范围广。因其中一个腿部结构200抬起时，该腿部结构200会相对于主体100的中心产生向下的力矩，使机器人向该腿部结构200所在侧倾斜，机器人具有侧翻风险，基于此，本发明的实施例中设置有用于平衡该力矩的平衡部300，平衡部300包括飞轮310与第一驱动件(未示出)，第一驱动件安装于主体100上，第一驱动件与飞轮310连接并用于驱动飞轮310转动，飞轮310的转动轴线与腿部结构200的摆动轴线垂直，从而使飞轮310转动所产生的力矩平衡失去一侧腿部结构200支撑的主体100所受到的力矩；具体的，以图1为例，腿部结构200沿y轴方向分布于主体100的两侧，飞轮310绕x轴进行转动，x轴与y轴垂直，以x轴正向为基准，假设位于x轴左侧的腿部结构200抬起，主体100的左侧失去支撑，在腿部结构200自身重力的作用下，主体100左侧受到向下的力矩，具有向下倾翻的趋势，此时可将飞轮310绕x轴正向的顺时针转动，飞轮310转动产生朝向y轴正向的力矩，该力矩与腿部结构200所施加至主体100的力矩方向相反，两个力矩相互抵消，使主体100保持平衡。

从而，本发明实施例中的双足机器人，通过腿部结构200相对主体100的摆动，使机器人在前行过程中躲避障碍物，并且飞轮310转动所产生的力矩能够抵消因腿部结构200抬起施加至主体100的力矩，使机器人在行走过程中保持平衡，避免机器人侧翻，从而提高了双足机器人行走的稳定性。

需要说明的是，第一驱动件能够驱动飞轮310绕x轴往复转动，从而飞轮310能够产生方向相反的力矩，以使飞轮310转动所产生的力矩能够抵消不同的腿部结构200抬起时所产生的力矩。第一驱动件可选用电机、马达等驱动部件。

另外，因m为飞轮310转动所产生的力矩，i为飞轮310的转动惯量，为飞轮310的角加速度，i＝m·r²，m为飞轮310的质量，r为飞轮310中心与主体100中心之间的距离，由上可知，i为一定值，为使飞轮310的转动力矩能够抵消主体100所受力矩，需保证飞轮310具有足够的角加速度；并且，在障碍物的高度较大等情况下，腿部结构200需长时间保持抬腿动作，飞轮310持续处于加速状态，而使飞轮310的转速不断增大，因此第一驱动件可选用高转速电机或马达。

平衡部300还包括安装架320，安装架320与主体100固定连接，飞轮310与安装架320转动连接，安装架320用于对飞轮310进行支撑，使飞轮310在机器人内平稳转动。具体的，飞轮310的两端均可与安装架320连接，避免飞轮310的一端悬置导致飞轮310转动时失稳。第一驱动件容置于主体100的内部(未示出)，第一驱动件可通过转轴、联轴器或者其他转接部件与飞轮310连接，并对飞轮310进行驱动，将第一驱动件置于主体100内，可充分利用主体100的内部空间，使机器人的外表更为整洁，并使部件向主体100内集成，使机器人的质心在主体100的中心处，能够提高机器人行走的平稳度。

参照图2，腿部结构200包括大腿部210、小腿部220及足部230，大腿部210与主体100转动连接，小腿部220与大腿部210转动连接，足部230安装于小腿部220的一端。大腿部210与主体100转动连接，可使腿部结构200整体相对主体100摆动，实现腿部结构200的抬腿及行走；小腿部220相对大腿部210的转动，可调节小腿部220与大腿部210之间的夹角，使小腿部220抬起或者前行；足部230与地面接触，足部230可对腿部结构200进行支撑，大腿部210与小腿部220不进行驱动时，足部230可直接带动机器人整体前行。

具体的，腿部结构200包括第二驱动件(未示出)，第二驱动件与大腿部210连接并用于驱动大腿部210转动，实现腿部结构200的抬腿及前行，第二驱动件容置于主体100的内部，一方面使第二驱动件与主体100的集成度更高，机器人的外表整洁，另一方面有利于使机器人整体的质心位于主体100的中心处，提高机器人运动的平稳度。第二驱动件可选用电机、马达等驱动部件。

主体100可选择为壳状结构，以便于安装第一驱动件、第二驱动件；为便于平衡机器人的质心，也可在主体100内设置配重块。

参照图3与图4，大腿部210包括大腿本体211，第二驱动件可直接与大腿本体211连接，或者通过转轴、联轴器等转接部件与大腿本体211连接；在本发明的一个实施例中，大腿本体211贴附于主体100的侧部表面，第二驱动件直接与大腿本体211连接并驱动大腿本体211转动。第二驱动件可驱动大腿本体211往复转动，使大腿本体211相对主体100摆动，从而机器人能够在两个腿部结构200的相互配合下前行。

大腿本体211包括支撑架2112及两个对置的大腿件2111，两个大腿件2111分别安装于支撑架2112的两端，支撑架2112用于支撑大腿件2111，使大腿本体211满足轻量化需求的前提下，保证大腿本体211的结构强度。支撑架2112的两端均设置有端板2113，两个端板2113分别与两个大腿件2111连接，通过设置端板2113使支撑架2112较为平整的安装平面与大腿件2111接触，保证支撑架2112与大腿件2111连接的稳定性，端板2113可通过螺纹紧固的方式实现与大腿件2111的固定连接，可绕端板2113的周向设置有多个安装孔，供螺纹紧固件锁入；另外，端板2113之间设置有多个间隔排列的支架2114，支撑架2112整体呈镂空状，符合大腿本体211的轻量化需求，支架2114的间隔大小及支架2114的数量可根据具体的安装需求合理选择。

大腿件2111可选择为板状构件，两个大腿件2111相互平行，以保证大腿本体211与其他部件的安装精度，便于腿部结构200内的不同转轴实现同轴心转动。为使大腿本体211具有足够的结构强度，以及两个大腿件2111的稳固连接，大腿本体211还包括连接件2115，连接件2115位于两个大腿件2111之间，用于连接两个大腿件2111，使两个大腿件2111稳固连接，连接件2115可选择为块状、板状或者柱状，连接件2115可以与大腿件2111一体连接，或者通过螺纹紧固的方式实现固定连接。

小腿部220包括小腿本体221与第三驱动件222，小腿本体221与大腿本体211转动连接，第三驱动件222安装于大腿本体211上，第三驱动件222用于驱动小腿本体221相对大腿本体211转动。通过第三驱动件222对小腿本体221的驱动，使小腿本体221同时兼容相对大腿本体211的转动以及跟随大腿本体211相对主体100的转动，以提高腿部结构200运动的灵活性。第三驱动件222可选用电机、马达等驱动部件，第三驱动件222安装于大腿本体211远离主体100的一侧，避免第三驱动件222与其他部件形成干涉。

小腿部220还包括第一转轴223，第一转轴223的一端与第三驱动件222连接，第一转轴223的另一端与大腿本体211转动连接，小腿本体221可跟随第一转轴223的转动而相对大腿本体211转动。通过第一转轴223对第三驱动件222的动力传递，一方面实现小腿本体221的转动，另一方面通过大腿本体211对第一转轴223的端部进行支撑，使第一转轴223的两端同时在第三驱动件222与大腿本体211的支撑作用下平稳转动，避免第一转轴223的一端悬置而失稳。

大腿部210还包括第二转轴212，第二转轴212位于两个大腿件2111之间，并安装于靠近主体100的大腿件2111内侧，第二转轴212的端部设置有转槽2121，第一转轴223的一端插入至转槽2121的内部，并可在转槽2121内转动，从而使第一转轴223在受到大腿本体211支撑的前提下，相对大腿本体211转动。

第二转轴212可以与大腿件2111一体连接，或者通过螺纹紧固的方式与大腿件2111固定连接；第二转轴212的内部可设置轴承，轴承与第一转轴223相互配合，使第一转轴223的转动更为平稳。需要说明的是，支撑架2112的端板2113上设置有相应的安装孔，供第一转轴223与第二转轴212穿过并实现转动连接。

大腿部210还包括第三转轴213，第三转轴213的两端分别与两个大腿件2111固定连接，小腿本体221的一端与第三转轴213转动连接，小腿本体221还包括传动组件，传动组件用于与第一转轴223、第三转轴213连接，以将第三驱动件222的动力传递至小腿本体221，使小腿本体221相对大腿本体211转动。

在本发明的一个实施例中，传动组件包括同步带与两个同步轮，两个同步轮分别与第一转轴223、第三转轴213连接，同步带绕设于两个同步轮上，同步轮跟随第一转轴223的转动而转动，并通过同步带将动力传递至小腿本体221，使小腿本体221在第三驱动件222的驱动下转动；同步轮与同步带均可安装于两个大腿件2111之间，使小腿部220内的结构连接更为紧凑，且通过同步带传动的传动组件，其动力传动更为平稳，可保证小腿本体221转动的稳定性。

在本发明的一个实施例中，传动组件包括两个转动连接的第一连杆224与第二连杆225，第一连杆224的两端分别与第一转轴223、第二连杆225转动连接，第二连杆225的两端分别与第一连杆224、小腿本体221转动连接，第三转轴213与小腿本体221的位置，和第二连杆225与小腿本体221的连接位置之间具有一定距离，从而使第一连杆224、第二连杆225、大腿本体211与部分小腿本体221组合形成四连杆结构，第一连杆224的一端插入至两个大腿件2111之间并与第一转轴223连接，第一连杆224能够跟随第一转轴223的转动而转动，从而使第二连杆225带动小腿本体221相对大腿本体211转动。需要说明的是，第一转轴223、第三转轴213的连接线的延伸方向和第二连杆225的延伸方向平行，从而使第一连杆224、第二连杆225、大腿本体211与部分小腿本体221形成平行四连杆机构，平行四连杆结构具有相同的转动角速度及转动方向，能够保证小腿本体221与第一连杆224的同步转动。

另外，需要说明的是，支撑架2112上设置有供第一连杆224安装的空间，使第一连杆224能够在该空间内转动，并避免第一连杆224与支架2114干涉。

足部230包括第四驱动件231与转轮232，第四驱动件231容置于小腿本体221的内部，第四驱动件231与转轮232连接并用于驱动转轮232转动，转轮232的转动可为机器人的前行提供动力，在机器人在无需躲避障碍物的平滑道路上行走时，大腿部210与小腿部220可处于固定状态，由转轮232的转动带动机器人平移；将第四驱动件231设置于小腿本体221内部，可避免第四驱动件231裸露而受外部环境的影响，并可提高足部230部件的连接紧凑度。

具体的，小腿本体221包括两个对置的小腿件2211，两个小腿件2211均可呈壳状，两个小腿件2211扣合后在小腿本体221的内部形成空腔，第四驱动件231可安装于该空腔内；在本发明的一个实施例中，小腿件2211的内侧设置有容纳槽2212，两个小腿件2211扣合后，两个容纳槽2212形成容纳腔，第四驱动件231安装于该容纳腔内，容纳腔的形状与第四驱动件231的形状匹配，以提高第四驱动件231安装的稳定性。

足部230还包括起动力传递及转向作用的齿轮组233，该齿轮组233包括相互啮合的两个锥齿轮，两个锥齿轮分别与第四驱动件231、转轮232连接，通过齿轮组233的动力传递，使转轮232跟随第四驱动件231的驱动下转动。

足部230还包括支撑件234，支撑件234与小腿本体221一体连接或者通过螺纹紧固件固定连接，支撑件234用于支撑与锥齿轮、转轮232连接的转轴，并实现足部230与小腿部220的相互装配，使转轮232稳定转动。

需要说明的是，本发明中的双足机器人具有小巧、轻量化的特点，小腿本体221、大腿本体211、支撑架2112等构件可采用3d打印的方式成型，以匹配机器人各部件之间的安装需求。为提高机器人行走的精确性，并防止大腿部210、小腿部220或足部230的转动幅度过大，可在大腿部210、小腿部220以及足部230内设置限位部件，该限位部件可选用光电传感器、位置传感器等，限位部件可检测第二驱动件、第三驱动件222、第四驱动件231的转动角度，并调整驱动件的启停状态及转动方向，使机器人稳定行走。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。