一种无缆三自由度关节模组及仿生腿足结构

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种无缆三自由度关节模组及仿生腿足结构，用于双足、四足机器人等仿生机器人。

背景技术

腿足式机器人研究越来越追求在更高载重能力下的更高速度的高动态机动能力，然而，对机器人行动与驱动系统设计提出了更为严格的挑战，在现实尺寸和重量约束下，设计出满足高动态性能需求的关节执行部件成为众多机器人设计人员的追求，甚至成为限制和约束机器人能力边界的硬性条件。机器人运动姿态的灵活性和可靠性尤为突出和重要。而机器人的关节的自由度配置以及布线走线方式直接影响到机器人的灵活性和可靠性，因此亟需解决仿生机器人多自由度关节的自由度布置、线缆线束走线和高动态仿生腿足结构设计问题。

发明内容

本发明提供一种无缆三自由度关节模组及仿生腿足结构，要解决的技术问题是：(1)仿生机器人三自由度关节膝关节电机线缆外置、长时间的往复运动疲劳导致的线缆断裂、接触不良等可靠性降低问题，保证系统模块化的同时，提高机器人多自由度关节运动范围和系统可靠性。(2)实现足底感知能力。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种无缆三自由度关节模组，其特征在于，包括前摆关节、膝关节、侧展关节；膝关节尾部与前摆关节输出端固定连接，前摆关节的前摆关节电机通过前摆电机支撑座一侧与侧展电机输出端固定连接，另一侧通过转动销轴与机器人机身连接，膝关节与前摆关节同向布置，侧展关节旋转轴线与前摆关节、膝关节轴线垂直，前摆关节为中空结构，膝关节模组动力线和控制线通过前摆电机中空轴从前摆电机尾部引出。

膝关节尾部通过膝关节安装法兰与前摆电机输出端连接，膝关节安装法兰坐落于交叉滚子轴承上，交叉滚子轴承外圈与膝关节安装法兰配合安装，交叉滚子轴承内圈与前摆电机支撑支座配合安装。

膝关节安装法兰104上设计了前摆关节输出型面1043与前摆关节输出轴形成型面配合，交叉滚子轴承内圈与前摆关节支撑座凸台面10213配合。

膝关节线缆经膝关节安装法兰104上的走线槽1044后穿过前摆关节中空轴1022从前摆关节尾部引出，在前摆关节中空轴处设计有线缆支撑轴承1023。

单个关节由轴向磁通电机配置一体化减速器组成，轴向磁通电机的双定子绕组固定在电机的结构件上。

如权利要求5所述的一种无缆三自由度关节模组，其特征在于，减速器部分结构内嵌于轴向磁通电机的内径空间内，关节电机输出端轴承采用交叉滚子轴承。

采用模块化安装结构，整个安装接口在侧展电机安装端面和前摆电机支撑端面上。

一种仿生机器人腿足结构，其特征在于，包括足大腿、足小腿和无缆三自由度关节模组，足大腿与膝关节电机外壳固定安装，足小腿3与足大腿2由膝关节销轴202连接形成转动副，曲柄11一端与膝关节输出轴固定连接，另一端通过连杆12与足小腿3连接，形成平行四连杆机构。

足小腿下端与法兰连接盘固定连接，法兰连接盘的孔腔内安装有力传感器，螺栓穿过力传感器将法兰连接盘和足底连接座连接；法兰连接盘4下端六边形凸台403与足底连接座6上六边形凹腔601滑动配合，使机器人行走时沿腿部方向可浮动。

法兰连接盘4上部开有螺栓孔401，用于和足小腿3连接；上端开有O型圈槽和用于安装力传感器的孔腔，O型圈8装在O型圈槽402中，力传感器5装在孔腔404中，孔腔内开有用于布线的孔。

有益效果：

(1)在保证模块化的同时，解决了传统仿生机器人多自由度关节尤其是膝关节线缆外置，长时间的往复运动疲劳导致的线缆断裂、接触不良等可靠性降低问题。

(2)可靠性高、模块化程度好，便于拆卸和维修。

(3)设计了一种可满足野外行走同时具有足地感知能力的仿生腿足结构，该结构即保证了腿足系统较大的运动空间和机动能力，可广泛应用于双足、四足、六足、轮足等仿生机器人序列中。

附图说明

图1为本发明的无缆三自由度关节剖视图。

图2为本发明的三自由度运动转轴示意图。

图3为膝关节安装法兰立体结构图。

图4为侧展关节支撑座立体结构图。

图5(a)、(b)分别为本发明腿足系统立体结构及内部结构剖面图。

图6(a)-(e)分别为本发明的足地感知结构图及其各组件立体图。

图7为本发明的仿生腿足系统结构立体图。

图8为本发明仿生腿足整机集成立体结构图。

图9为本发明应用无缆三自由度关节的仿生腿足立体图。

图中标记说明：

1-三自由度关节、101-侧展关节、1011-侧展关节安装法兰、102-前摆关节、1021-前摆关节支撑座、10211-支撑座固定方孔、10212支撑座固定轴孔、10213-前摆关节支撑座凸台面、1022-前摆关节中空轴、1023-线缆支撑轴承、1024-前摆关节减速器、1025-前摆关节电机、103-膝关节，1031-膝关节输出轴、1032-膝关节减速器、1033膝关节电机、104-膝关节安装法兰、1041-膝关节固定孔、1042-前摆电机固定孔、1043-前摆关节输出型面、1044-膝关节走线槽、105-膝关节安装法兰支撑轴承、106-前摆关节支撑座安装轴承、2-足大腿、201-曲柄轴承座、202-膝关节销轴、203-膝关节锁紧螺母、204-膝关节推力轴承、205-膝关节铜套、206-膝关节钢套，3-足小腿、301-连杆销轴、302-连杆弹性挡圈、303-连杆铜套、304-连杆销轴钢套、4-法兰连接盘、401-紧固螺丝孔、402-O型圈安装槽、403-六边形凸台、404-用于安装压力传感器腔、5-力传感器、501-通孔、6-足底连接座、601-六边形凹腔、602-螺栓过孔、603-紧固螺丝孔、603-六边形凹腔、7-螺栓、8-O型圈、9-防护罩、10-足端、1001-紧固螺丝孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出的一种无缆三自由度关节模组，包括侧展关节101、前摆关节102、膝关节103、膝关节安装法兰104；

膝关节与前摆关节同向布置，侧展关节101旋转轴线与前摆膝关节轴线垂直，前摆关节为中空结构，膝关节模组动力线和控制线通过前摆电机中空轴从前摆电机尾部引出，从而实现膝关节模组的无缆设计。

膝关节尾端与前摆关节输出端固定连接，前摆关节电机通过前摆电机支撑座一侧与侧展电机输出端固定连接，另一侧可通过转动销轴与机器人机身连接，从而三自由度关节模组形成简支梁结构。

优选的，侧展关节101,前摆关节102，膝关节103，膝关节安装法兰104组成腿足系统三自由度关节，膝关节103与前摆关节102同向布置，膝关节103的尾部与膝关节安装法兰104的固定孔1041固定连接，膝关节安装法兰104通过固定孔1042与前摆关节102输出轴固定连接，为避免固定螺钉或销轴受剪切应力，膝关节安装法兰104上设计了前摆关节输出型面1043与前摆关节输出轴形成型面配合，同时膝关节安装法兰与交叉滚子轴承105外圈配合，交叉滚子轴承内圈与前摆关节支撑座凸台面10213配合，从而保证膝关节悬臂结构输出刚度和旋转精度。膝关节线缆经走线槽1044后穿过前摆关节中空轴1022从前摆关节尾部引出，为减少膝关节线缆随着膝关节整体转动导致的线缆固定位置磨损，在中空轴处设计有线缆支撑轴承1023，可保证线缆自由转动。侧展关节101转轴与前摆关节102正交布置，侧展关节101输出轴与前摆关节支撑座的支撑座固定方孔10211固联，至此，形成三自由度关节，膝关节线缆内置由前摆关节尾部出线形成无飞线的设计方案。

单个关节由轴向磁通电机配置一体化减速器组成；轴向磁通电机的双定子绕组固定在电机的结构件上，同时为电机提供安装固定和导热散热路径。为缩短关节模组轴向尺寸，减速器部分结构内嵌与轴向磁通电机的内径空间内，关节电机输出端轴承采用交叉滚子轴承可实现悬臂结构的轴向和径向载荷。

一种仿生机器人腿足结构，包括三自由度关节、足大腿2、足小腿3、法兰连接盘4、力传感器5、足底连接座6、螺栓7、O型圈8、防护罩9、足端10。与上述三自由度关节配合，足大腿2与膝关节103外壳固定连接，足小腿3与足大腿2由膝关节销轴202连接形成转动副，膝关节铜套安装在膝关节销轴202与足小腿3形成间隙内，铜套自润滑性能可保证足小腿正常转动，膝关节钢套206安装在膝关节销轴202与足大腿2形成的间隙内，锁紧螺母203用于固定膝关节销轴202，在足大腿2和足大腿3间对称布置了滚针轴承204，保证足小腿的轴向刚度和旋转精度的同时同时避免足大腿2和足小腿3之间产生摩擦、噪音等问题。曲柄11一端与膝关节输出轴固定连接，另一端与连杆12形成转动副，从而形成平行四连杆机构，连杆12与足小腿3由连杆销轴301形成转动副，连杆铜套303安装在连杆销轴301与连杆12空隙内，保证连杆与销轴间自润滑转动，连杆销轴钢套304安装在连杆销轴310与足小腿空隙内，增强接触面的耐磨性能，连杆销轴301轴向运动由两端对称布置的弹性挡圈302进行限位。

进一步的，法兰连接盘4上开有螺栓孔401，用于和足小腿3连接。O型圈8装在槽402中，O型圈能提供相应的摩擦力，在装配时可提供辅助帮助。力传感器5装在孔腔404中，孔腔内开有用于布线的孔。法兰连接盘4下端六边形凸台403与足底连接座6上六边形凹腔601滑动配合，保证四足机器人行走时沿腿部方向可浮动，又能防止足部转动。力传感器5中间为通孔501，螺栓可通过进行紧固。足底连接座6与法兰连接盘4和力传感器5通过螺栓7连接紧固在一起。足底连接座6上六边形凹腔601与法兰连接盘4六边形凸台403滑动配合，其两者间具有一定的浮动间隙，当橡胶足底10接触到地将力传递给足底连接座6时，足底连接座6向上浮动直接将力传递给力传感器5，这样不仅能够检测到足部的着地状态，而且还能读取足部受力的大小，为控制四足机器人运动姿态提供帮助。所述螺栓将足底连接座、法兰连接盘和力传感器固定在一起。

进一步的，螺栓7将将足底连接座6、法兰连接盘4和力传感器5固定在一起。O型圈8装在槽402中，防护罩9采用对称式设计，通过螺栓固定在足小腿3踝关节处，完成从小腿到足端的平滑过度，从而避免了在野外激动过程中由于台阶、树枝等引起的磕绊导致影响机器人运动。足端10采用柔性材料。内凹结构与足底连接座6外凸结构完成贴合，并由紧固螺丝孔1001固定在足底连接座6上。

进一步的，对于上述形成的仿生腿足结构，可采用模块化装配的形式，整个腿足通过侧展关节法兰1011固定孔与机器人机体固定连接、另外一侧由固定在机身上的与前摆关节支撑座安装轴承106形成腿足的简支梁结构，即可实现腿足系统的安装与固定。

侧展、前摆、膝关节电机的动力线和信号线需要引出进行电机控制，由于膝关节输出转动的同时，本身要随着前摆关节输出轴转动，为避免膝关节线缆随着膝关节转动而转动导致疲劳等问题，膝关节电机的信号线和动力线由膝关节尾部引出，膝关节电机安装法兰和前摆关节设计为中空结构，线缆经由中空轴由前摆关节电机尾部引出，在前摆电机尾部出现位置设计由线缆支撑轴承结构，避免线缆转动与壳体产生摩擦从而导致线缆破损失效。

所述仿生腿足结构实现三自由度运动，曲柄、连杆、足小腿与足大腿形成平行四连杆机构，膝关节运动经四连杆转化为足小腿的屈伸运动。

所述仿生腿足中法兰连接盘通过螺丝固定在足小腿上，上端开有用于安装O型圈槽和用于安装力传感器腔。中间设有用于螺栓紧固的通孔。下端六边形凸台结构与足底连接座上六边形凹腔结构滑动配合，保证四足机器人行走时沿腿部方向可浮动，又能防止足部转动。

橡胶足底采用橡胶材质，对足底有缓冲作用。

本发明无缆三自由度关节实现膝关节线缆内置的结构形式，膝关节模组动力与信号线缆通过与其串联的前摆关节中空轴实现保护和布线，减少了避免仿生机器人在运动时由于膝关节线缆外置导致的干涉以及可靠性问题，整机集成后，无外置线缆，可大大提高系统可靠性与安全性。所述仿生腿足结构集成无缆关节模组和足地感知单元，实现一种模块化、高可靠、安装与拆卸方便的仿生机器人模块化单腿模块。该仿生机器人腿足及无缆仿生关节模块化程度高，可靠性与稳定性较好，解决了当前多自由度仿生机器人线缆布线走线难题。可广泛应用于双足、四足、六足、轮足等仿生机器人上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。