一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件，大腿部件与小腿部件，一共具有三个自由度，三个自由度驱动安装部分使用了一种结构紧凑的安装方式，使得机器人的单腿结构简单并且减少了单腿的质量，提升了单腿的动态性能。膝关节的自由度通过平行四杆结构，通过改变连杆的属性，实现了快速刚柔可换关节的功能。在柔性单腿下，具有一定的抗缓冲和柔性关节功能。由于平行四杆的使用，使得单腿驱动电机等模块靠近胯关节安装，并且小腿部件使用了简单地碳纤管，减轻了重量，提升了整体的动态性能。小腿部件使用简单地碳纤管结构，能够实现快速换小腿和足的功能。

A foot robot single leg device with rigid flexible joint

【技术实现步骤摘要】
一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置
本专利技术属于机械设计领域，涉及一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置。
技术介绍
传统的足式机器人的刚性腿具有三个自由度，而膝关节是最重要的环节。足式机器人刚性腿在轻小型机器人中较为适用，刚性腿可以实现精准控制和稳定运行的特点。大型的足式机器人在使用中，常常由于和地面刚性接触，对腿的膝关节产生巨大的冲击，使得腿的使用寿命大大缩短，同时由于足式机器人动态运动的需求，所以大型的足式机器人的柔性腿是当前研究的一大热点。目前足式机器人柔性腿在关节电机部分，或者是小腿部分直接增加弹簧,或者柔性部件,或者通过减速箱,或者其他传动方式，从而实现腿的抗冲击和柔性特点，这样使得小腿和关节部分的设计变得复杂，从而大大减低了足式机器人单腿的动态性能。所以具有刚柔可换关节的足式机器人单腿很有研究价值，在轻小型机器人中可以换成刚性关节，从而保证精准控制，在大型机器人中可以换成柔性关节，从而保证大型机器人的动态行走具有一定抗冲击和储存能量的功能。
技术实现思路
本专利技术主要针对足式机器人动态行走过程中提供柔性环节和抗冲击作用，并且实现刚性腿和柔性腿之间的快速更换的条件下，提出了一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，适合在小型足式机器人的精准控制运动和大型足式机器人的动态行走或者奔跑。本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件、大腿部件与小腿部件。其中，髋部件通过髋腿连接件与大腿部件相连；髋部件由髋部电机驱动，实现髋腿连接件与大腿部件一同绕x轴转动；大腿部件由胯部驱动机构驱动，绕y轴转动。大腿部件上还具有膝部驱动机构与小腿连接件；膝部驱动机构通过两自由度的小腿传动机构实现小腿连接件绕y轴的转动；小腿连接件用来连接碳纤维管结构的小腿部件。上述胯部驱动机构、膝部驱动机构与髋部驱动机构结构相同，采用结构紧凑的安装方式。上述小腿传动机构包括驱动臂、从动臂与传动组件；所述驱动臂为两根，分别安装于膝部传动机构的左右两侧；从动臂为两根，分别安装于小腿连接件左右两侧；驱动臂与从动臂间安装传动组件，形成2个自由度的传动结构，使驱动臂传动到小腿连接件的运动等效一个平行四杆结构。所述传动组件可采用拉升器弹簧或连杆，分别形成柔性或刚性膝部。本专利技术的优点在于：1、本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在膝关节使用了平行四杆机构作为传动，通过更换连杆的模式，从而实现刚柔可换关节的性质。由于在更换关节特性时，只需要更换连杆单个部件，所以能够实现快速更换的效果。在刚性关节下，可以用作轻小型足式机器人的精准控制和静态步态的行走；在柔性关节下，可以用作中大型足式机器人的动态行走。2、本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在膝关节使用了平行四杆机构作为传动，平行四杆机构为对称式分布，提升了机构的强度，并且本身平行四杆结构简单质量相对其他传统传动轻，同时利用平行四杆传动使得膝关节电机驱动的机构向着胯关节移动，因此大腿具有较好的动态性能。3、本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在关节驱动部分都使用了一种紧凑的机械结构，利用了本身电机的空间结构，在利用空间错位的方式安装轴承，提升了单腿的空间利用率，降低了单腿的复杂性，降低了单腿的质量，因此单腿整体机构具有较好动态性能。4、本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在柔性状态下，通过连杆的受力传动，实现了一种柔性膝关节的特点，足底的冲击力通过连杆减缓了冲击，存储了一定的能量，因此本专利技术具有较好的抗冲击性能和柔性关节的特点。5、本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，小腿利用简单的碳纤维管作为主体，在不降低小腿强度的条件下，不仅减轻了小腿质量，提升了小腿的动态性。由于小腿的安装简单，能够实现快速更换足式机器人的小腿和足。附图说明图1为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置整体结构示意图；图2为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中髋部分结构示意图；图3为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中髋部分及髋部分与大腿部分连接方式示意图；图4为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中大腿部分结构示意图；图5为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中髋腿连接件结构示意图；图6为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中柔性膝关节结构示意图；图7为本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置中刚性膝关节结构示意图。图中：1-髋部件与小腿部件2-大腿部件3-小腿部件101-左连接板102-右连接板103-髋部驱动机构104-联轴器105-电位器连接件103a-电机壳103b-电机103c-左轴承套件103d-右轴承套件103e-电位器103c1-左轴承垫103c2-左轴承套103c3-左轴承103d1-右轴承垫103d2-右轴承套103d3-右轴承201-左腿板202-右腿板203-胯部驱动机构204-膝部驱动机构205-小腿传动机构206-小腿连接件205a-驱动臂205b-从动臂205c-传动组件205d-驱动臂连接轴205e-从动连接轴205f-连杆连接轴具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件1、大腿部件2与小腿部件3，如图1所示所述髋部件1直接和足式机器人本体紧固相连。髋部件1采用紧凑结构，包括左连接板101，右连接板102与髋部驱动机构103，如图2所示。髋部驱动机构103包括电机壳103a、电机103b、左轴承套件103c、右轴承套件103d与电位器103e，如图3所示。其中，电机壳103a通过螺栓紧固于右连接板102上，且电机壳103a利用电机减速箱的空间，在不改变强度的条件下，与电机103b的减速箱件外壳利用螺栓紧固连接；通过上述连接方式，使电机103b的输出轴作为转动副，而不是像传统的转动副需要一个实心轴作为转动中心。电机103b输出轴与电位器103e输出轴间通过联轴器104同轴相连；其中，联轴器104与电机103b输出轴间通过键连接，联轴器104内圈和电位器连接件105相连，电位器连接件105通过一字头和电位器103e输出轴相连，电位器103e的基座和左连接板101通过螺栓连接。所述右轴承套件103d包括右轴承垫103d1、右轴承套103d2与右轴承103d3。其中，右轴承垫103d1与右轴承套103d2套于电机壳103a外圈；右轴承套104通过螺栓与电机壳103a紧固连接；右轴承垫103d1内圈与电机壳103a间具有间隙；右轴承垫103d1与右轴承套103d2间安装有右轴承103d3；右轴承垫103d1和右轴承103d3内径过盈配合，右轴承103d3外径和右轴承套130d2过盈配合。通过上述连接方式，利用电机103b圆柱面的周围空间作为右轴承套103d2的安装位置，而不是电机103b输出轴周围空间，降低了髋部件1的空间大小，同时增大了右轴承103d3的直径从而增强了连接的强度。所述左轴承套件103c包括左轴承垫103c1、左轴承套103c2与左轴承103c3。其中，左轴承垫103c1套于联轴器104外圈，与联轴器105外圈间通过螺栓紧固连接。左轴承套103c2与左连接板101间通过螺栓连接固定，两者间采用薄片性面接触，既保证了强度又降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件、大腿部件与小腿部件；其特征在于：髋部件通过髋腿连接件与大腿部件相连；髋部件由髋部电机驱动，实现髋腿连接件与大腿部件一同绕x轴转动；大腿部件由胯部驱动机构驱动，绕y轴转动；大腿部件上还具有膝部驱动机构与小腿连接件；膝部驱动机构通过两自由的小腿传动机构实现小腿连接件绕y轴的转动；小腿连接件用来连接小腿部件。

【技术特征摘要】
1.一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件、大腿部件与小腿部件；其特征在于：髋部件通过髋腿连接件与大腿部件相连；髋部件由髋部电机驱动，实现髋腿连接件与大腿部件一同绕x轴转动；大腿部件由胯部驱动机构驱动，绕y轴转动；大腿部件上还具有膝部驱动机构与小腿连接件；膝部驱动机构通过两自由的小腿传动机构实现小腿连接件绕y轴的转动；小腿连接件用来连接小腿部件。2.如权利要求1所述一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，其特征在于：髋部驱动机构包括左连接板，右连接板与髋部驱动机构；髋部驱动机构包括电机壳、电机、左轴承套件、右轴承套件与电位器；其中，电机壳固定于右连接板上，电机的减速箱件外壳与电机壳固定；电机输出轴与电位器输出轴间通过联轴器同轴相连；电位器的基座和左连接板间固连；右轴承套件安装于电机壳外圈，使右轴承套件中的右轴承垫内圈与电机壳间具有间隙；左轴承套件安装于左连接板上且与联轴器固定；左轴承套件中的左轴承垫与右轴承垫用来连接髋腿连接结构；胯部驱动机构、膝部驱动机构与髋部驱动机构结构相同。3.如权利要求1或2所述一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，其特征在于：髋腿连接件具有上半部与下半部，上半部与下半部均为相互平行的连接板，且轴线相互垂直，分...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，陈佳伟，张群，徐坤，康林红，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11