串并联混合的仿人足球机器人腿部机构制造技术

本发明专利技术公开了一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆、膝关节、两个小腿连杆、踝关节和脚板，髋关节的布置为传统的串联形式，但其髋关节U形架的短跨距设计可以使髋关节刚度更强。膝关节处具有四连杆结构，膝关节四连杆结构可以提高膝盖处的刚度，提高行走稳定性。同时，四连杆结构还提供了膝关节拉簧的布置空间。踝关节处具有并联结构，踝关节的并联结构可以实现踝关节两个驱动单元的同时功率输出，在提升刚度的同时，也大大减少了小腿的惯量，减轻了膝关节驱动单元和髋关节驱动单元的负载。从而实现了轻量、快速、有力、稳定的目标。踝关节后部的拉簧具有重力补偿和储能的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构。
技术介绍
近些年来，小型足球机器人小型足球仿人机器人(kid-size)由于其开发难度较低，成本相对较低，拟人性进一步增强，越来越受到社会各界的关注。每年举行的RoboCup(机器人世界杯足球锦标赛)中，小型足球仿人机器人越来越受到关注。在小型足球机器人实际研究中，腿部的构型和质量分布对机器人的运动能力有较大影响。通过研究新型串并混联腿，有助于提升现有仿人机器人的运动性能，包括：在多自由度复合关节处引入并联机构，使肢体末端运动更加灵活、平滑连续；肢体协调及姿态变换能力得到进一步改善；在形态、结构和运动功能上最大程度接近人的实际状态。并联构型特点是以独立并联机构为肢体。像其中髋关节为两自由度并联球铰链机构与一个单自由度机构串联，踝关节为两自由度并联球铰链机构，膝为一个单自由度俯仰串联机构。这种结构刚度较大，使肢体承载能力增大、运动稳定性提高。如申请公布号为CN 205022730 U的专利文献公开的一种人形机器人的腿形改良结构，是提供人形机器人腿部结构做多点连结架撑，达到机器人架撑稳固省力的结构改良设计，主要将人形机械人下架具组成的两侧腿形架构，依平行杆相互组接，其中中段连结处设以电机锁固定定位，构成一膝关节状，配合平行连杆上端及与脚板连结底端，分别以伺服电机马达做不同轴向的转控连结，构成类似腿部的曲弧转控操作，通过平行连杆的组装，使机器人架撑定位时马达的出力，可收到省力安全且稳固确实的人形安全操控目的。该申请提供的人形机器人腿形改良结构能够实现省力安全且稳固的目的，但是其运动性能低，对机器人的行走速度有很大的限制。且腿部惯量太大，不利于长时间行走情况。在长时间的行走下，惯量太大
会导致机器人能量损耗过高的问题发生。申请公布号为CN 201423657 Y的专利文献公开的一种机器人腿机构，包括基座和运动平台，基座通过传动机构与运动平台连接；传动机构包括固定在基座上的电机和与电机连接的运动单元；运动单元包括能使机器人腿机构向后摆动的第一运动单元和使运动平台下压或上提的第二运动单元；第一运动单元包括一顶端固定在基座上的支撑杆，与第一电机连接第一丝杆机构和一与运动平台铰接的第一定长杆；第一定长杆包括直杆部分和向外凸出的凸块部分，支撑杆的与直杆部分铰接，第一丝杆机构与凸块部分铰接；第二单元包括与第二电机连接的第二丝杆机构和与运动平台铰接的第二定长杆，第二丝杆机构与第二定长杆铰接。该技术具有结构简单，承载能力强，体积较小，加工和装配工艺性好的优点。该申请提供的机器人腿部机构承载能力强，但是由于其没有膝关节，运动性能有一定的限制。该结构的机器人会存在行走较慢的情况。申请公布号为CN 1833829A的专利文献公开了一种具有双球形髋关节机构和7自由度腿部的仿人机器人下肢结构，其中髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节3个自由度。髋关节采用双球型机构，即六个旋转轴交于一点，这样在膝关节和踝关节不动作的时候，使仿人型机器人在不增加关节的情况下实现腰部功能。踝关节添加一个旋转的自由度，可以使仿人机器人的腿部实现更加丰富的动作。该申请提供的机器人下肢机构机器人腿部动作确实会更加灵活。但是其有7个自由度，踝关节增加1个自由度后，腿部惯量比原来大的多，其运动能力会进一步受限。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，解决了现有技术腿部机构惯量过大、刚性不足的问题。本专利技术采取的技术方案如下：一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆、膝关节、两个小腿连杆、踝关节和脚板，其特征在于，所述踝关节包括两个踝关节驱动单元、两个双杆端球轴承连杆、两个踝关节驱动连杆、两个后部脚板固定块、两个踝关节拉簧、万向节、第一踝关节紧固块、第二踝关节紧固块、轴承、两个踝关节旋转轴、两个踝关节被动连杆、两个前部脚板固定块；其中，所述
小腿连杆的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元，两个踝关节驱动单元的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块和第二踝关节紧固块相连，两个踝关节驱动单元的背部转轴之间通过轴承相连；所述踝关节驱动单元的输出轴与踝关节驱动连杆的一端固定连接，踝关节驱动连杆的另一端与踝关节旋转轴的外端部固定连接；所述踝关节被动连杆的一端与踝关节旋转轴的内端部固定连接，踝关节被动连杆的另一端与套设在轴承上；所述双杆端球轴承连杆的一端套设在踝关节旋转轴上，与踝关节旋转轴铰接，双杆端球轴承连杆的另一端与脚板固定块铰接，后部脚板固定块固定安装在脚板的脚跟部位；所述万向节的一端与第一踝关节驱动单元的底部相连，万向节的另一端与脚板的中部固定连接；所述前部脚板固定块安装在脚板的脚掌部位，所述踝关节拉簧的一端与前部脚板固定块相连，另一端与小腿连杆相连。进一步地，还包括踝关节套筒和万向节连接件；所述踝关节套筒套设在踝关节旋转轴上，用于双杆端球轴承连杆在踝关节旋转轴上的定位，即踝关节套筒设置在双杆端球轴承连杆和踝关节被动连杆之间，或者踝关节套筒设置在双杆端球轴承连杆和踝关节驱动连杆之间；所述万向节的一端通过万向节连接件与第一踝关节驱动单元的底部相连。进一步地，所述膝关节包括膝关节驱动连杆、膝关节驱动单元、第二传动轴、膝关节被动连杆、膝关节拉伸弹簧、第一转动轴；所述大腿连杆的下部与小腿连杆的上部通过膝盖旋转轴铰接；所述膝关节驱动单元固定安装在大腿连杆的下部，所述膝关节驱动连杆的一端与膝关节驱动单元的输出轴固定连接，膝关节驱动连杆的另一端与第一转动轴铰接；所述膝关节被动连杆的一端套设在第一转动轴，与第一转动轴铰接，膝关节被动连杆的另一端套设在第二转动轴，与第二转动轴铰接；所述第二转动轴固定在小腿连杆的中部；所述膝关节拉伸弹簧的一端勾住第一转动轴，另一单勾住膝盖旋转轴。进一步地，所述小腿连杆、膝关节被动连杆、膝关节驱动连杆、大腿连杆构成稳定的四连杆机构。进一步地，所述髋关节包括：U形架、旋转法兰、第一髋关节加固板、
髋关节俯仰驱动单元、第二髋关节加固板、髋关节滚动驱动单元、法兰安装板；所述髋关节俯仰驱动单元的输出轴与大腿连杆的上部铰接，所述第一髋关节加固板和所述第二髋关节加固板固定连接在髋关节俯仰驱动单元的左右两侧，所述旋转法兰的底座固定安装在U形架的一边，旋转法兰的转轴与法兰安装板固定连接，法兰安装板固定连接在第一髋关节加固板上；所述髋关节滚动驱动单元固定在第二髋关节加固板上，所述髋关节滚动驱动单元的输出轴与U形架的另一边固定连接。进一步地，所述髋关节俯仰驱动单元、髋关节滚动驱动单元、膝关节驱动单元、踝关节驱动单元均可以是舵机或者电机加减速器的单元整体。进一步地，初始状态时，膝关节拉簧和踝关节拉簧均处于被拉伸状态。本专利技术的有益效果是：踝关节部分使用更小的双舵机同时输出功率，更加有效地使用舵机，同时提高了舵机安装位置，进一步减小了小腿的转动惯量。同时后部的拉伸弹簧可以帮助储能和省力，进一步使腿部机构达到节能、快速、有力的效果。踝关节使用的并联结构也使得踝关节结构刚度更大，有利于机器人的稳定行走。膝关节使用的四连杆结构增强了膝盖的刚度。其中安放的拉伸弹簧有利于减轻行走时膝关节舵机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆(6)、膝关节、两个小腿连杆(14)、踝关节和脚板(31)，其特征在于，所述踝关节包括两个踝关节驱动单元(15)、两个双杆端球轴承连杆(17)、两个踝关节驱动连杆(18)、两个后部脚板固定块(19)、两个踝关节拉簧(20)、万向节(21)、第一踝关节紧固块(23)、第二踝关节紧固块(24)、轴承(25)、两个踝关节旋转轴(28)、两个踝关节被动连杆(29)、两个前部脚板固定块(30)等；其中，所述小腿连杆(14)的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元(15)，两个踝关节驱动单元(15)的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块(23)和第二踝关节紧固块(24)相连，两个踝关节驱动单元(15)的背部转轴之间通过轴承(25)相连；所述踝关节驱动单元(15)的输出轴与踝关节驱动连杆(18)的一端固定连接，踝关节驱动连杆(18)的另一端与踝关节旋转轴(28)的外端部固定连接；所述踝关节被动连杆(29)的一端与踝关节旋转轴(28)的内端部固定连接，踝关节被动连杆(29)的另一端与套设在轴承(25)上；所述双杆端球轴承连杆(17)的一端套设在踝关节旋转轴(28)上，与踝关节旋转轴(28)铰接，双杆端球轴承连杆(17)的另一端与脚板固定块(19)铰接，后部脚板固定块(19)固定安装在脚板(31)的脚跟部位；所述万向节(21)的一端与第一踝关节驱动单元(15)的底部相连，万向节(21)的另一端与脚板(31)的中部固定连接；所述前部脚板固定块(30)安装在脚板(31)的脚掌部位，所述踝关节拉簧(20)的一端与前部脚板固定块(30)相连，另一端与小腿连杆(14)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆(6)、膝关节、两个小腿连杆(14)、踝关节和脚板(31)，其特征在于，所述踝关节包括两个踝关节驱动单元(15)、两个双杆端球轴承连杆(17)、两个踝关节驱动连杆(18)、两个后部脚板固定块(19)、两个踝关节拉簧(20)、万向节(21)、第一踝关节紧固块(23)、第二踝关节紧固块(24)、轴承(25)、两个踝关节旋转轴(28)、两个踝关节被动连杆(29)、两个前部脚板固定块(30)等；其中，所述小腿连杆(14)的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元(15)，两个踝关节驱动单元(15)的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块(23)和第二踝关节紧固块(24)相连，两个踝关节驱动单元(15)的背部转轴之间通过轴承(25)相连；所述踝关节驱动单元(15)的输出轴与踝关节驱动连杆(18)的一端固定连接，踝关节驱动连杆(18)的另一端与踝关节旋转轴(28)的外端部固定连接；所述踝关节被动连杆(29)的一端与踝关节旋转轴(28)的内端部固定连接，踝关节被动连杆(29)的另一端与套设在轴承(25)上；所述双杆端球轴承连杆(17)的一端套设在踝关节旋转轴(28)上，与踝关节旋转轴(28)铰接，双杆端球轴承连杆(17)的另一端与脚板固定块(19)铰接，后部脚板固定块(19)固定安装在脚板(31)的脚跟部位；所述万向节(21)的一端与第一踝关节驱动单元(15)的底部相连，万向节(21)的另一端与脚板(31)的中部固定连接；所述前部脚板固定块(30)安装在脚板(31)的脚掌部位，所述踝关节拉簧(20)的一端与前部脚板固定块(30)相连，另一端与小腿连杆(14)相连。2.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，还包括踝关节套筒(16)和万向节连接件(22)；所述踝关节套筒(16)套设在踝关节旋转轴(28)上，用于双杆端球轴承连杆(17)在踝关节旋转轴(28)上的定位，即踝关节套筒(16)设置在双杆端球轴承连杆(17)和踝关节被动连杆(29)之间，或者踝关节套筒(16)设置在双杆端球轴承连杆(17)和踝关节驱动连杆(18)之间；所述万向节(21)的一端通过万向节连接件(22)与第一踝关节驱动单元(15)的底部相连。3.根据权利要求1所述的串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，其特征在于，所述膝关节包括膝关节驱动连杆(8)、膝关节驱动单元(9)、第二传动轴(10)、膝关节被动连杆(11)、膝关节拉伸弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊蓉，留云，朱秋国，吴俊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33