仿人行走机械腿

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种仿人行走机械腿。

背景技术

现有技术中，机器人腿部设计大多采用驱动电机与自由度同轴的方案，驱动电机本身较大，十分占用空间，其内部空间不能得到合理的利用，影响其他部件在机器人体内的设置，因而若想使机器人体型不至于过于臃肿，则会导致对电机和减速器的体积形状等限制较大，出现限制驱动的功率等问题，影响机器人的动作准确性和力量强度。具体的在腿部的设计中情况尤为明显，因为腿部需要更强的支撑力量，需要更大体积的驱动电机。

髋关节需要有3个自由度（为大腿的前后摆动、左右摆动、垂直转动），需要三个驱动电机，占用空间较大。髋关节在上下方向上的驱动采用同轴减速机构，从电机至髋关节的上下方向均同轴，电机呈竖直状态，空间利用率不高；髋关节在前后、左右方向上的驱动，驱动电机均安装于髋关节部位附近，导致髋关节机构复杂、臃肿，将电机置于大腿内部时，电机的轴向为大腿的宽度方向，对电机和减速器的长度限制较大，限制驱动功率。同时，现有结构中电机明显突出与机械腿的主体结构，影响机器人“坐下”的动作。膝关节需要有1个自由度（为小腿的前后摆动），现有技术将驱动电机置于膝关节的轴上，若想精简膝关节部位的体积，则空间小，驱动力有限，空间利用率不高；踝关节需要有2个自由度（为脚的前后转动、左右转动），现有技术将电机置于踝关节两个转轴上或采用同步带传动，机构较为复杂、臃肿，占用空间大，空间利用率不高。若采用将驱动机构置于小腿内部，依旧会增大小腿重量，不利于机械腿上部自由度的驱动。并且由于无法平衡驱动力的强度和体积的大小，现有机器人控制为刚性控制，无法实现柔性控制。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿人行走机械腿，用于提供髋关节具有三个自由度的机械腿、膝关节具有一个自由度的机械腿、踝关节具有两个自由度的机械腿，使该机械腿既满足足够驱动力，又满足体积精简不臃肿，实现两者间的平衡。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种仿人行走机械腿，包括臀支架、大腿支架、小腿支架、足支撑板以及驱动单元，所述驱动单元包括髋关节单元、膝关节单元、踝关节单元，

所述踝关节单元：用于驱动所述足支撑板相对于所述小腿支架转动，包括踝驱动机构、踝连接支架，所述踝驱动机构设置有多组，所述踝驱动机构包括踝驱动电机、踝传动组件、踝滑动组件、踝连接杆，所述踝驱动电机设置在所述大腿支架上，所述踝驱动电机的输出轴与所述踝传动组件传动连接，所述踝传动组件分别与所述大腿支架、小腿支架连接，所述踝传动组件与所述踝滑动组件传动连接，所述踝滑动组件与所述踝连接杆的一端通过球铰连接，所述踝连接杆的另一端与所述足支撑板通过球铰连接，所述踝连接支架与所述小腿支架通过第一足转动轴转动连接，所述踝连接支架与所述足支撑板通过第二足转动轴转动连接，所述踝驱动电机的输出轴转动以带动所述足支撑板绕所述第一足转动轴转动、第二足转动轴转动；

在初始状态下，所述第一足转动轴沿所述机械腿的左右方向延伸，所述第二足转动轴沿所述机械腿的前后方向延伸。

优选地，所述踝滑动组件包括丝杆、滑轨、带螺母滑块，所述丝杆与所述踝传动组件连接，所述滑轨设置在所述小腿支架上，所述带螺母滑块可移动地设置在所述滑轨上，所述带螺母滑块与所述丝杆通过螺纹连接，所述带螺母滑块与所述踝连接杆的一端通过球铰连接。

优选地，所述足支撑板上表面具有足支架、足连接杆，所述足支架通过所述第二足转动轴与所述踝连接支架转动连接，所述足连接杆与所述踝连接杆通过球铰连接。

优选地，所述踝驱动机构设置有两组，当两组所述踝驱动电机的输出轴同步转动时，所述足支撑板绕所述第一足转动轴转动；当两组所述踝驱动电机的输出轴不同步转动时，所述足支撑板绕所述第二足转动轴转动。

优选地，所述髋关节单元用于驱动所述大腿支架相对所述臀支架转动，其包括第一髋支架、第二髋支架、第一髋驱动电机、第二髋驱动电机以及第三髋驱动电机，所述第一髋支架、臀支架之间通过第一髋转动轴转动连接，所述第一髋驱动电机与所述第一髋转动轴传动连接以带动所述第一髋支架绕所述第一髋转动轴转动；所述第二髋驱动电机的输出轴与所述第一髋支架固定连接，所述第二髋驱动电机的主体与所述第二髋支架固定连接以带动所述第二髋支架绕所述第二驱动电机的输出轴转动；所述第二髋支架、大腿支架之间通过第二髋转动轴转动连接，所述第三髋驱动电机设置在所述大腿支架上与所述第二髋转动轴传动连接以带动所述大腿支架绕所述第二髋转动轴转动；

在初始状态下，所述第一髋转动轴沿所述机械腿的上下方向延伸，所述第二髋转动轴沿所述机械腿的前后方向延伸，所述第二髋驱动电机的输出轴沿所述机械腿的左右方向延伸。

进一步优选地，所述第一髋驱动电机设置在所述臀支架内且所述第一髋驱动电机的输出轴沿水平方向延伸，所述第一髋驱动电机的输出轴与所述第一髋转动轴之间通过锥齿轮传动连接。

进一步优选地，所述髋关节单元还包括髋传动组件，所述髋传动组件包括髋传动轴、髋同步带，所述髋传动轴连接在所述大腿支架上，所述髋传动轴与所述第三髋驱动电机的输出轴传动连接，所述同步带同时套设在所述髋传动轴、第二髋转动轴上，在初始状态下，所述髋传动轴沿所述机械腿的前后方向延伸。

更进一步优选地，所述第三髋驱动电机的输出轴与所述髋传动轴垂直，所述第三髋驱动电机的输出轴与所述髋传动轴之间通过锥齿轮传动连接。

优选地，所述膝关节单元用于驱动所述小腿支架相对于所述大腿支架转动，其包括膝伸缩件、膝转动轴，所述膝伸缩件的一端与所述大腿支架连接，所述膝伸缩件的另一端与所述小腿支架连接，所述大腿支架、小腿支架之间通过所述膝转动轴转动连接，所述膝伸缩件伸缩以带动所述小腿支架绕所述膝转动轴转动；

在初始状态下，所述膝转动轴沿所述机械腿的左右方向延伸。

进一步优选地，所述膝驱动单元还包括膝连接杆，所述膝连接杆固定连接在所述小腿支架上，所述膝伸缩件的一端固定连接在所述大腿支架上、另一端与所述膝连接杆转动连接，在初始状态下，所述膝连接杆沿所述机械腿的左右方向延伸。

进一步优选地，所述踝传动组件包括第一踝传动轴、第二踝传动轴、第三踝传动轴、踝同步带，所述第一踝传动轴连接在所述大腿支架上，所述第一踝传动轴与所述踝驱动电机的输出端传动连接，所述第二踝传动轴与所述膝转动轴同轴设置，所述第二踝传动轴与所述膝转动轴分别独立转动，所述第三踝传动轴连接在所述小腿支架上，所述第三踝传动轴与所述第二踝传动轴传动连接，所述第三踝传动轴与所述踝滑动组件连接，所述踝同步带同时套设在所述第一踝传动轴与所述第二踝传动轴上。

优选地，所述膝伸缩件采用液压推杆、气泵推杆或电动推杆中的一种。

优选地，所述大腿支架、小腿支架、足支撑板、驱动单元设置有两组，并分别位于所述机械腿的左右两侧。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明中踝关节单元通过多个踝伸缩件驱动踝连接杆，使得踝关节的转轴附近无需安装驱动或传动机构，降低了机构复杂度，减轻了踝关节的重量，便于降低操控踝关节的驱动力大小，提高踝关节的灵敏度；通过踝传动组件、踝滑动组件保证在小腿绕大腿转动的同时，驱动力也能从大腿的传至踝关节处驱动，将踝伸缩件设置在大腿支架上，可以减轻小腿支架的重量，降低了髋关节、膝关节部位驱动所需的力矩。

附图说明

附图1为本实施例的正面立体示意图；

附图2为本实施例的背面立体示意图；

附图3为本实施例中第一髋驱动电机设置状态的示意图；

附图4为本实施例中第二髋驱动电机和同步带设置状态的示意图；

附图5为本实施例中第三髋驱动电机设置状态的示意图；

附图6为本实施例中膝关节单元设置状态的示意图；

附图7为本实施例中部分踝关节单元设置状态的示意图；

附图8为本实施例中部分踝关节单元设置状态的示意图。

以上附图中：11、臀支架；12、大腿支架；13、小腿支架；14、足支撑板；141、足支架；142、足连接杆；211、第一髋支架；212、第二髋支架；22、第一髋驱动电机；23、第二髋驱动电机；24、第三髋驱动电机；25、第一髋转动轴；26、第二髋转动轴；27、髋传动轴；28、同步带；31、膝伸缩件；32、膝转动轴；33、膝连接杆；41、踝连接支架；42、第一足转动轴；43、第二足转动轴；44、踝驱动电机；451、第一踝传动轴；452、第二踝传动轴；453、第三踝传动轴；454、踝同步带；461、丝杆；462、滑轨；463、带螺母滑块；464、联轴器；465、轴承座；47、踝连接杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，一种仿人行走机械腿，包括臀支架11、大腿支架12、小腿支架13、足支撑板14以及驱动单元，驱动单元包括髋关节单元、膝关节单元、踝关节单元。髋关节单元用于驱动大腿支架12相对臀支架11转动并具有3个转动自由度，膝关节单元用于驱动小腿支架13相对于大腿支架12转动并具有1个转动自由度，踝关节单元用于驱动足支撑板14相对于小腿支架13转动并具有2个转动自由度。

机械腿的设计结构采用双足行走的形式（图中仅示出左腿），包括一个臀支架11、两个大腿支架12、两个小腿支架13、两个足支撑板14，两个大腿支架12的上端分别连接在臀支架11的下面并位于机械腿的左右两侧，每个大腿支架12的下端连接一个小腿支架13的上端，每个小腿支架13的下端连接一个足支撑板14，足支撑板14用于将机械腿支撑在地面上并交替行走。臀支架11为水平设置的板体，实际可以做成仿人形“骨盆”的结构。大腿支架12具有位于其左右两侧和前侧的板体并且其左右两侧的板体的侧边连接在其前侧的板体的左右两侧边上，其后侧上部具有与其左右两侧的板体连接的连接板。小腿支架13具有位于其左右两侧和前侧的板体并且其左右两侧的板体的侧边连接在其前侧的板体的左右两侧边上。大腿支架12、小腿支架13各自的板体均围合出一定大小空间用于设置驱动单元的部分结构，实际臀支架11、大腿支架12、小腿支架13、足支撑板14可以不限于上述的板体连接情况，但均具有仿人形的形状结构。

如图3-5所示，髋关节单元可以驱动大腿支架12相对臀支架11前后、左右转动以及在竖直方向绕自身转动。髋关节单元包括第一髋支架211、第二髋支架212、第一髋驱动电机22、第二髋驱动电机23以及第三髋驱动电机24，各驱动电机的输出端均连接有减速器再与其他部件相连接，降低电机的转速增加其转矩。第一髋支架211、臀支架11之间通过第一髋转动轴25转动连接，第二髋支架212与第一髋支架211转动连接，第二髋支架212、大腿支架12之间通过第二髋转动轴26转动连接，三个转动方向均不相同，使髋关节单元具有三个转动自由度。

第一髋支架211位于臀支架11的下方，第一髋转动轴25的上端伸出至臀支架11底部板体的上方、其下端穿过臀支架11与第一髋支架211固定连接。第一髋驱动电机22连接在臀支架11的底板上、设置在臀支架11的空间内，第一髋驱动电机22与第一髋转动轴25的上端传动连接，第一髋驱动电机22工作驱动第一髋转动轴25转动，以带动第一髋支架211绕第一髋转动轴25转动。第一髋驱动电机22水平设置使其可以完全置于臀支架11的内部，提高空间利用率，增加减速器的放置空间，第一髋驱动电机22的输出轴沿水平方向延伸，第一髋驱动电机22的输出轴与第一髋转动轴25垂直，第一髋驱动电机22的输出轴与第一髋转动轴25之间通过90°锥齿轮传动连接，第一髋驱动电机22的驱动力矩通过锥齿轮转换为第一髋转动轴25同轴的力矩。分别与左右两侧大腿支架12传动连接的第一髋驱动电机22均设置在臀支架11内，若电机长度较大，可以通过错位放置以实现更高的空间利用度。在初始状态下，第一髋转动轴25沿机械腿的上下方向延伸，使得，第一髋驱动电机22带动第一髋支架211及其下端连接的其他结构绕第一髋转动轴25旋转，即大腿垂直旋转。

第二髋驱动电机23位于第一髋支架211的下方，第二髋驱动电机23的输出轴与第一髋支架211固定连接，第二髋驱动电机23的主体与第二髋支架212固定连接，第二髋支架212可以套设在第二髋驱动电机23主体的外侧，由于第二髋驱动电机23的输出轴相当于与机械腿直接连接而无法带动机械腿整体转动，则使其输出轴相对不动而主体相对转动，以带动第二髋支架212绕第二驱动电机的输出轴转动。在初始状态下，第二髋驱动电机23的输出轴沿机械腿的左右方向延伸，使得，第二髋驱动电机23带动第二髋支架212及其下端连接的其他结构绕第二髋驱动电机23的输出轴旋转，即大腿前后摆动。髋关节的前后摆动涉及到整个机械腿向前抬或向后的运动，其驱动非常频繁，所需的驱动力矩也是机械腿6个转动自由度里最大的，会存在采用传动机构传动时传动机构的传动不可靠或大体积的驱动电机难以放置的问题，第二髋支架212采用盒状，盒内仅放置第二髋驱动电机23，其空间足够容纳较大功率的第二髋驱动电机23，并通过第二髋驱动电机23的输出轴传动链较短来保证控制的精度。

第三髋驱动电机24设置在大腿支架12上并跟随大腿支架12一同摆动，第二髋转动轴26与第二髋支架212固定连接，髋关节单元还包括髋传动组件，第三髋驱动电机24与第二髋转动轴26通过髋传动组件传动连接以带动大腿支架12绕第二髋转动轴26转动。髋传动组件包括髋传动轴27、髋同步带28，髋传动轴27连接在大腿支架12上，髋传动轴27与第三髋驱动电机24的输出轴传动连接，髋同步带28同时套设在髋传动轴27、第二髋转动轴26上，髋同步带28位于大腿支架12的后侧，为便于同步带传动，髋传动轴27与第二髋转动轴26平行设置，第三髋驱动电机24的驱动力矩经过髋同步带28传送为与第二髋传动轴27同轴的力矩，从而驱动大腿支架12绕第二髋传动轴27转动，通过髋同步带28的传动，可以将第三髋驱动电机24和髋传动组件移动至大腿支架12与臀支架11转动部位以外的地方，减少髋关节部位的机构复杂度，可以将第三髋驱动电机24放置于大腿内侧，增加减速器的放置空间。第三髋驱动电机24的输出轴与髋传动轴27垂直，第三髋驱动电机24的输出轴与髋传动轴27之间通过90°锥齿轮传动连接，可以使第三髋驱动电机24的机身较长的长度方向与大腿支架12的延伸方向一致，便于将第三髋驱动电机24隐藏在大腿支架12内。在初始状态下，第二髋转动轴26、髋传动轴27沿机械腿的前后方向延伸，使得，第三髋驱动电机24带动大腿支架12及其下端连接的其他结构绕第二髋转动轴26旋转，即大腿左右摆动。同时采用第二髋驱动电机23设置在髋关节处驱动大腿支架12前后转动，采用第三髋驱动电机24设置在大腿支架12内并通过髋传动组件驱动大腿支架12左右转动，可以避免驱动电机明显突出于机械腿的“臀部”，使机械腿的“臀部”在前后距离上减小，便于机械腿做出“坐下”动作。

如图6所示，膝关节单元可以驱动小腿支架13相对大腿支架12前后方向转动。膝关节单元包括膝伸缩件31、膝转动轴32、膝连接杆33。膝连接杆33固定连接在小腿支架13左右两侧的板体之间上。膝伸缩件31的一端与大腿支架12连接、另一端与膝连接杆33转动连接，膝伸缩件31自身具有可以伸长和收缩的结构，可以采用液压推杆、气泵推杆或电动推杆等驱动装置。大腿支架12、小腿支架13之间通过膝转动轴32转动连接，膝伸缩件31、大腿支架12、小腿支架13则可以形成三角结构，膝伸缩件31伸缩则可以带动小腿支架13绕膝转动轴32转动，实现小腿支架13的后抬和伸直动作。同时，可以将膝伸缩件31的主体部分隐藏于大腿支架12的空间内，可供减速器安装的空间较大，从而提供较大的驱动力。在初始状态下，膝连接杆33、膝转动轴32沿机械腿的左右方向延伸，使得，膝伸缩件31带动小腿支架13及其下端连接的其他结构绕膝转动轴32转动，即小腿前后摆动。

如图6-8所示，踝关节单元可以驱动足支撑板14相对小腿支架13前后、左右转动。踝关节单元括踝驱动机构、踝连接支架41，踝驱动机构设置有两组。踝连接支架41与小腿支架13通过第一足转动轴42转动连接，足支撑板14上表面具有足支架141，足支架141通过第二足转动轴43与踝连接支架41转动连接。每组踝驱动机构包括踝驱动电机44、踝传动组件、踝滑动组件、踝连接杆47，踝驱动电机44设置在大腿支架12上，大腿支架12有足够的空间供踝驱动电机44的输出轴连接减速器再与其他部件连接，踝驱动电机44的输出轴与踝传动组件传动连接，踝传动组件分别与大腿支架12、小腿支架13连接，踝传动组件与踝滑动组件传动连接，踝滑动组件设置在小腿支架13上，踝滑动组件与踝连接杆47的一端通过球铰连接，足支撑板14上表面具有足连接杆142，踝连接杆47的另一端与足连接杆142通过球铰连接。在初始状态下，第一足转动轴42沿机械腿的左右方向延伸，第二足转动轴43沿机械腿的前后方向延伸，使得，踝驱动电机44的输出轴转动并通过踝传动组件、踝滑动组件的传动以带动足支撑板14绕第一足转动轴42、第二足转动轴43转动。当两组踝驱动电机44的输出轴同步转动时，控制两组踝连接杆47同步移动，使足支撑板14绕第一足转动轴42转动；当两组踝驱动电机44不同步转动时，控制两组踝连接杆47不同步移动，使足支撑板14绕第二足转动轴43转动，通过球铰连接，可以实现更柔和稳定的转动控制。踝驱动电机44布置于大腿支架12内部，减轻了小腿支架13的重量，降低了髋关节、膝关节部位驱动所需的力矩，其传动链保证了在小腿支架13绕大腿支架12转动的同时，驱动力也能从大腿支架12上的踝驱动电机44传至小腿支架13上的踝滑动组件处。

踝传动组件包括第一踝传动轴451、第二踝传动轴452、第三踝传动轴453、踝同步带454，第一踝传动轴451可转动地连接在大腿支架12上，第一踝传动轴451沿水平方向延伸并与踝驱动电机44的输出轴垂直，第一踝传动轴451与踝驱动电机44的输出端通过90°锥齿轮传动连接，第二踝传动轴452与膝转动轴32同轴设置，但第二踝传动轴452与膝转动轴32分别独立转动，踝同步带454同时套设在第一踝传动轴451与第二踝传动轴452上并位于大腿支架12外侧，第一踝传动轴451、第二踝传动轴452的穿过大腿支架12的板体内外侧便于让踝同步带454外置而腾出更多的内部空间，第三踝传动轴453连接在小腿支架13内，第三踝传动轴453与第二踝传动轴452垂直，第三踝传动轴453与第二踝传动轴452通过90°锥齿轮传动连接，第三踝传动轴453再与设置在小腿支架13上的踝滑动组件连接，实现驱动力从大腿支架12传递到小腿支架13。

踝滑动组件包括丝杆461、滑轨462、带螺母滑块463，丝杆461通过联轴器464与第三踝传动轴453同轴连接，因此踝驱动电机44可以驱动丝杆461转动，联轴器464稳定丝杆461跟随第三踝传动轴453的转动姿态，丝杆461通过轴承座465设置在小腿支架13上并可绕自身轴线转动，滑轨462设置在小腿支架13上，带螺母滑块463可移动地设置在滑轨462上，带螺母滑块463同时与丝杆461通过螺纹连接，当丝杆461转动时，带螺母滑块463在丝杆461和滑轨462的共同配合下沿滑轨462的延伸方向移动，带螺母滑块463与踝连接杆47的一端通过球铰连接，踝连接杆47的一端沿滑轨462的延伸方向移动。实现通过两组丝杆461控制带螺母滑块463，进而控制踝连接杆47，使得踝关节（即踝连接支架41处）附近无需安装驱动或传动机构，降低了机构复杂度，减轻了踝关节处的重量，并采用两个踝连接杆47通过球铰连接的方式驱动踝关节的2个自由度，可以通过控制带螺母滑块463位置进而控制踝关节的2个自由度。对于踝关节的驱动传动链为：踝驱动电机44—减速器—第一踝传动轴451（大腿支架12上）—踝同步带454—第二踝传动轴452（膝转动轴32外侧）—第三踝传动轴453（小腿支架13上）—丝杆461—带螺母滑块463—踝连接杆47—足连接杆142。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。