本发明专利技术公开了一种基于五连杆的双足机器人腿部结构。机身上设有两组两自由度的髋关节电机组件，其输出轴固连五连杆结构的机架；机架的两端分别安装一个髋/膝关节电机，其输出轴固连髋关节连接器；髋关节连接器的连接部固定连接大腿杆件；大腿杆件通过膝关节自由绞连接小腿杆件；两个小腿杆件另一端铰接并与机器人足部铰接；第一小腿杆件上部固定有踝关节电机；踝关节电机的转动输出轴连接第一踝关节连杆的一端，第一踝关节连杆的另一端绕踝关节电机的转动输出轴转动；第一踝关节连杆的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆与机器人足部铰接。本发明专利技术能够减小足端惯量，从而提升机器人单腿负重能力以及足部控制度。控制度。控制度。
【技术实现步骤摘要】
一种基于五连杆的双足机器人腿部结构
[0001]本专利技术涉及机器人领域，具体涉及一种基于五连杆的双足机器人腿部结构。
技术介绍
[0002]双足机器人是一种仿生类型的机器人，能够实现机器人的双足行走和相关动作。在未来的生产生活中，类人型双足行走机器人可以帮助人类解决很多问题比如驮物、抢险等一系列危险或繁重的工作。
[0003]双足竞步机器人的腿部结构类似于人类的双足，可以实现像人类一样的行走。如何既保持平衡又不牺牲速度是双足机器人的发展障碍之一。如今，最先进的双足机器人能够以相对较高的速度行走和跑步。然而，在复杂环境中，像人类一样抗干扰地行走和跑步的能力，对于双足机器人来说依旧“欠缺”。
[0004]现有机器人串联结构和四连杆结构具有负重低，强度弱，能量损耗大，腿部惯量大等不足，亟需进行改进。
技术实现思路
[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，能够减小足端惯量，从而提升机器人单腿负重能力以及足部控制度。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的。
[0007]一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，包括：机身；机身上设有两组髋关节电机组件，髋关节电机组件连接五连杆结构的腿部；
[0008]所述髋关节电机组件为提供髋关节横滚自由度和航线自由度的两自由度转动系统，两自由度转动系统的输出轴固连五连杆结构的机架；
[0009]所述五连杆结构中，机架的两端分别安装一个髋/膝关节电机，该髋/膝关节电机的输出轴固连髋关节连接器；所述髋关节连接器的连接部固定连接大腿杆件；大腿杆件通过膝关节自由绞连接小腿杆件；两个小腿杆件另一端铰接并与机器人足部铰接；
[0010]面向机器人前方的第一小腿杆件上部固定有踝关节电机；踝关节电机的转动输出轴连接第一踝关节连杆的一端，第一踝关节连杆的另一端绕踝关节电机的转动输出轴转动；第一踝关节连杆的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆与机器人足部铰接。
[0011]优选地，所述大腿杆件为双杆件结构，双杆相互平行。
[0012]优选地，所述髋关节电机组件包括髋关节横滚自由度电机和髋关节航向自由度电机；两组髋关节电机组件中，两个髋关节横滚自由度电机固定在机身左右两侧，两输出轴相互平行，且平行于地面；髋关节横滚自由度电机的输出轴通过连接件固连髋关节航向自由度电机的机身，以驱动髋关节航向自由度电机本体横滚转动；髋关节航向自由度电机输出轴与髋关节横滚自由度电机垂直；髋关节航向自由度电机的输出轴固连五连杆结构的机架。
[0013]优选地，所述小腿杆件具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。
[0014]优选地，所述小腿杆件为两段结构；其中一段开设有连通外部的弹簧容纳腔，另一段插入弹簧容纳腔，抵住腔内的缓冲器。
[0015]优选地，所述髋关节电机组件中的电机以及五连杆结构中的髋/膝关节电机均采用如下电机单元：
[0016]电机单元包括制动器、制动器编码器连接器、编码器、电机转子轴、电机和谐波减速器；
[0017]制动器编码器连接器连接制动器的固定端和编码器的磁头，实现制动器和编码器的固定；电机转子轴的一端固接编码器的磁环和制动器的转动端，另一端固接电机的转子；电机转子的另一侧固连谐波减速器的输入端；谐波减速器的输出端为整个电机单元的输出。
[0018]优选地，所述电机单元中的电机采用无框力矩电机。
[0019]优选地，所述电机的外壳提供空间容纳制动器和编码器；该电机单元进一步包括电机后盖，电机后盖与电机的外壳固连。
[0020]优选地，所述机架提供两个电机安装位，髋关节连接器设置在该电机安装位中；电机单元的输出端依次固连所述髋关节连接器和髋关节编码器；髋关节轴承为一深沟球轴承，内侧固接于机架，外侧固接于髋关节连接器。
[0021]优选地，所述大腿杆件和小腿连杆均分为两端的端部和中间的杆状连接部，端部采用铝合金材料，杆状连接部采用碳纤维材料；所述机器人足部采用铝合金制造，机器人足部与地面接触位置连接一层乳胶。
[0022]有益效果：
[0023](1)本专利技术将五连杆机构作为双足机器人的主体结构。髋/膝关节电机担负了髋部和膝部的控制任务，结合大腿和小腿的四连杆机构，将处于髋关节的电机力矩转化为五连杆平面内任意方向的足端力矩，那么通过调整髋/膝关节电机的角度就可以控制足端位置，而不需要在膝关节设置额外的电机，相当于将膝关节电机上移到髋关节。此外，机器人小腿的四连杆机构设计将踝关节电机上移到小腿上部。电机的上移有效减小了腿部惯量，提高了机器人单腿的负重能力，为实现机器人高速重载提供了硬件基础。
[0024](2)本专利技术膝关节下方的缓冲器设计，以分散足部受力，使得来自任意方向的高负载冲击可以被缓冲器所吸收。在机器人“落腿”阶段，压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，提高能量利用率。
[0025](3)腿部惯量和关节冲击的减小可以提升足部控制度，使得在极端工况和复杂工况下机器人腿部结构也运行在工作良好的位置和姿态下，也可以说机器人在复杂工况和极端工况下具有良好鲁棒性。
[0026](4)本专利技术实施例提供的方案，无需采用专用的关节电机，只需要采用无框力矩电机即可实现对步伐的大小、快慢、幅度的控制。无框力矩电机可以采用国产无框电机，大大降低了机器人成本。
[0027](5)本专利技术对电机单元进行了重新设计，最大限度地利用了电机的轴向空间，使得机器人的空间占用率大大提升。而且电机单元的集成和布局均为自主设计，进一步降低了成本。
[0028](6)本专利技术采用铝合金和碳纤维来制作机器人的腿部结构件，其中碳纤维杆用于搭建机器人大腿和小腿的骨架，类似于人类的骨骼，铝合金用于构造机器人的关节，两者结合从而来支撑机器人。用铝合金和乳胶来制作机器人的脚板，模拟人类的脚掌，从而来支持机器人的行走与稳定。
附图说明
[0029]图1为本专利技术双足机械结构图；
[0030]图2为本专利技术腿部五连杆示意图；
[0031]图3为本专利技术腿部五连杆小腿结构及缓冲器结构图；
[0032]图4为本专利技术腿部五连杆小腿结构及缓冲器剖面结构图；
[0033]图5为本专利技术所用电机单元等轴测图；
[0034]图6为本专利技术电机单元展开的侧视图；
[0035]图7为本专利技术五连杆结构中的机架和髋/膝关节电机的等轴测图；
[0036]图8为本专利技术五连杆结构中的机架和髋/膝关节电机的俯视图；
[0037]图9为本专利技术五连杆结构中的机架和髋/膝关节电机安装后的俯视图；
[0038]其中，1
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机身，2
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髋关节横滚自由度电机，3
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髋关节航向自由度电机，4
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机架，5,6
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髋/膝关节电机，7
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大腿杆件，8...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于五连杆的双足机器人腿部结构，其特征在于，包括：机身(1)；机身(1)上设有两组髋关节电机组件，髋关节电机组件连接五连杆结构的腿部；所述髋关节电机组件为提供髋关节横滚自由度和航线自由度的两自由度转动系统，两自由度转动系统的输出轴固连五连杆结构的机架(4)；所述五连杆结构中，机架(4)的两端分别安装一个髋/膝关节电机(5,6)，该髋/膝关节电机(5,6)的输出轴固连髋关节连接器(24)；所述髋关节连接器的连接部(24a)固定连接大腿杆件(7)；大腿杆件(7)通过膝关节自由绞(13)连接小腿杆件(10,14)；两个小腿杆件(10,14)另一端铰接并与机器人足部(12)铰接；面向机器人前方的第一小腿杆件(10)上部固定有踝关节电机(8)；踝关节电机(8)的转动输出轴连接第一踝关节连杆(9)的一端，第一踝关节连杆(9)的另一端绕踝关节电机的转动输出轴转动；第一踝关节连杆(9)的所述另一端进一步通过平行于第一小腿杆件的第二踝关节连杆(11)与机器人足部(12)铰接。2.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述大腿杆件(7)为双杆件结构，双杆相互平行。3.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述髋关节电机组件包括髋关节横滚自由度电机(2)和髋关节航向自由度电机(3)；两组髋关节电机组件中，两个髋关节横滚自由度电机(2)固定在机身(1)左右两侧，两输出轴相互平行，且平行于地面；髋关节横滚自由度电机(2)的输出轴通过连接件固连髋关节航向自由度电机(3)的机身，以驱动髋关节航向自由度电机(3)本体横滚转动；髋关节航向自由度电机(3)输出轴与髋关节横滚自由度电机(2)垂直；髋关节航向自由度电机(3)的输出轴固连五连杆结构的机架(4)。4.如权利要求1所述的双足机器人腿部结构，其特征在于，所述小腿杆件具有可实现轴向力缓冲、吸收足端冲击的减震结构。5.如...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋文杰，钱义肇，杨沛禹，田馨竹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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