髋关节结构制造技术

髋关节结构

【技术实现步骤摘要】
髋关节结构、腿部结构及六自由度低惯量的机器人仿生腿


[0001]本专利技术涉及一种腿部结构，尤其涉及一种髋关节结构
、
腿部结构及具有六自由度
、
低惯量的机器人仿生腿
。

技术介绍

[0002]曾经，人形机器人作为影视作品中的形象给人以无限想象，科技迅猛发展的当今世界，这种想象正在逐步成为现实
。
当今世界，各国都在积极地进行人形机器人技术的研究，目前人形机器人技术已经获得了许多可喜的研究成果，但人形机器人腿部作为机器人运动的重要部分仍存在许多方面的问题亟待解决
。
[0003]人形机器人的腿部结构包括大腿
、
膝关节
、
小腿
、
踝关节和足部，为了实现膝关节与踝关节的弯曲，一般将关节的驱动部件安装在对应的关节的位置处，或者将用于驱动踝关节的驱动器置于小腿或者膝关节处，这就导致小腿惯量增加
。
例如中国专利“CN111846008A”公开了“一种具有变刚度踝关节的双足机器人”，驱动部件包括电机和齿轮副等，通过电机与齿轮副的配合来实现关节处的弯曲
。
但是此种方式的设计，导致关节处的质量大，无法实现小腿及脚部的轻量化运动，且对腿部的多自由度运动产生限制
。
[0004]同时，为了使人形机器人具有更高的跳跃姿态，还需要配备大力矩与高转速的执行器；为了达到更好地效果，腿部也应轻量化设计，这就需要腿部部件布局紧凑；但是由于腿部关节运动范围较大，紧凑布局较难实现，进而导致外观不够“拟人”。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决上述技术问题，提供一种髋关节结构
、
腿部结构及具有六自由度
、
低惯量的机器人仿生腿
。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种三自由度的髋关节结构，包括机身连接件
、
髋关节万向节
、
大腿连接件
、
两个推杆伸缩件和髋关节俯仰电机；所述的髋关节万向节包括有
y
轴方向的销轴和
z
轴方向的销轴，所述的机身连接件连接到髋关节万向节中
y
轴方向的销轴的两端，并绕髋关节万向节中
y
轴方向的销轴进行旋转；所述髋关节万向节中
z
轴方向的销轴的两端分别安装在大腿连接件上，大腿连接件绕髋关节万向节中
z
轴方向的销轴进行旋转；两个所述的推杆伸缩件分别设置在机身连接件的前后两侧，推杆伸缩件的连接端通过球轴承连接在机身连接件上，推杆伸缩件的伸出端通过球轴承连接在大腿连接件上，推杆伸缩件和大腿连接件的连接点与推杆伸缩件和机身连接件的连接点分别处于髋关节万向节中
z
轴方向的销轴的两侧；髋关节俯仰电机输出轴的轴线方向与
x
轴方向平行，髋关节俯仰电机的输出端与腿部结构的端部固定连接，驱动腿部结构绕髋关节俯仰电机输出轴的轴线方向进行旋转
。
[0008]一种三自由度的腿部结构，包括大腿
、
膝关节连接轴
、
小腿
、
踝关节万向节组件
、
脚部
、
膝关节曲柄摇杆驱动组件和踝关节曲柄摇杆驱动组件；所述大腿的下端与小腿的上端通过膝关节连接轴转动连接，小腿的下端通过踝关节万向节组件与脚部转动连接；膝关节
化
。
一是，结构上布局的设计：髋关节结构与腿部结构均为对称式设计，髋关节结构的中分面与腿部结构的中分面垂直设计，其中髋关节俯仰电机与膝关节俯仰电机对称布置在腿部结构中分面的两侧，两个踝关节驱动单元对称布置在腿部结构中分面的两侧，且处于髋关节俯仰电机与膝关节俯仰电机的下方，同时处于膝关节的上方，即整个腿部结构的驱动电机均对称布置于大腿上，充分利用了大腿的空间，小腿尺寸得以缩小，整体布局紧凑，外观更加“拟人”。
二是，小腿部轻量化的设计，减小驱动装置的体积：将用于驱动踝关节的电机置于大腿上，小腿部分不安装任何机器人腿部的驱动元件，使机器人腿部的质量分布更加靠近大腿根部，减小了小腿部分的惯量，降低了小腿驱动装置的要求，进而减小驱动装置的体积，使布局更加紧凑，更加接近人类腿部外形，同时对实现更高的运动性能提供了可能；而用于驱动髋关节的电缸压缩了高度尺寸，更加“拟人”、
美观
。
[0015]2、
本申请通过膝关节曲柄摇杆驱动组件的设计，使得小腿发生俯仰运动的同时，脚部可以一同抬起，并始终保持水平状态，而不会发生姿态的改变；通过踝关节曲柄摇杆驱动组件的设计，使得脚部可以实现俯仰运动或侧摆运动，同时不会影响小腿的位置与运动姿态
。
附图说明
[0016]附图作为本申请的一部分，用来提供对本专利技术的进一步的理解
。
[0017]图1为本专利技术实施例3仿生腿的轴侧图一
。
[0018]图2为本专利技术实施例2腿部结构中膝关节处的局部放大图
。
[0019]图3为本专利技术实施例3仿生腿的左视图
。
[0020]图4为本专利技术实施例2腿部结构的右视图
。
[0021]图5为本专利技术实施例3仿生腿的主视三维建模图
。
[0022]图6为本专利技术实施例3仿生腿的主视线条图
。
[0023]图7为本专利技术实施例1髋关节结构的轴侧图
。
[0024]图8为本专利技术实施例3仿生腿弯曲状态的结构示意图
。
[0025]图9为本专利技术实施例3仿生腿弯曲状态的轴侧图
。
[0026]图
10
为本专利技术实施例1髋关节结构偏摆状态的三维建模图
。
[0027]图
11
为本专利技术实施例1髋关节结构偏摆状态的线条图
。
[0028]图
12
为本专利技术实施例3仿生腿侧摆状态的三维建模图
。
[0029]图
13
为本专利技术实施例3仿生腿侧摆状态的线条图
。
[0030]附图标记说明：
A
‑
髋关节结构；
B
‑
腿部结构；1‑
机身连接件；1‑1‑
连接耳；2‑
髋关节万向节；2‑1‑
销轴一；2‑2‑
销轴二；3‑
大腿连接件；3‑1‑
安装座；3‑2‑
第二连接耳；4‑
推杆伸缩件；5‑
髋关节俯仰电机；6‑
大腿；6‑1‑
豁口；6‑2‑
连接环；6‑3‑
连接板；7‑
膝关节连接轴；8‑
小腿；9‑
踝关节万向节组件；9‑1‑
踝关节万向节；9‑1‑1‑
销轴三；9‑1‑2‑
销轴四；9‑2‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三自由度的髋关节结构，其特征在于：包括机身连接件
(1)、
髋关节万向节
(2)、
大腿连接件
(3)、
两个推杆伸缩件
(4)
和髋关节俯仰电机
(5)
；所述的髋关节万向节
(2)
包括有
y
轴方向的销轴一
(2
‑
1)
和
z
轴方向的销轴二
(2
‑
2)
，所述的机身连接件
(1)
连接到销轴一
(2
‑
1)
的两端，并绕销轴一
(2
‑
1)
进行旋转；所述髋关节万向节
(2)
中销轴二
(2
‑
2)
的两端分别安装在大腿连接件
(3)
上，大腿连接件
(3)
绕销轴二
(2
‑
2)
进行旋转；两个所述的推杆伸缩件
(4)
分别设置在机身连接件
(1)
的前后两侧，推杆伸缩件
(4)
的连接端通过球轴承连接在机身连接件
(1)
上，推杆伸缩件
(4)
的伸出端通过球轴承连接在大腿连接件
(3)
上，推杆伸缩件
(4)
和大腿连接件
(3)
的连接点与推杆伸缩件
(4)
和机身连接件
(1)
的连接点分别处于销轴二
(2
‑
2)
的两侧；髋关节俯仰电机
(5)
输出轴的轴线方向与
x
轴方向平行，髋关节俯仰电机
(5)
的输出端与腿部结构的端部固定连接，驱动腿部结构绕髋关节俯仰电机
(5)
输出轴的轴线方向进行旋转
。2.
一种三自由度的腿部结构，其特征在于：包括大腿
(6)、
膝关节连接轴
(7)、
小腿
(8)、
踝关节万向节组件
(9)、
脚部
(10)、
膝关节曲柄摇杆驱动组件
(11)
和踝关节曲柄摇杆驱动组件
(12)
；所述大腿
(6)
的下端与小腿
(8)
的上端通过膝关节连接轴
(7)
转动连接，小腿
(8)
的下端通过踝关节万向节组件
(9)
与脚部
(10)
转动连接；膝关节曲柄摇杆驱动组件
(11)
的固定端安装在大腿
(6)
的上端，膝关节曲柄摇杆驱动组件
(11)
的驱动端铰连接在小腿
(8)
的上端，并驱动小腿
(8)
绕膝关节连接轴
(7)
的轴线方向进行前后摆动，实现小腿
(8)
的俯仰动作；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件
(12)
的固定端安装在大腿
(6)
的中间部位，踝关节曲柄摇杆驱动组件
(12)
的驱动端连接在踝关节万向节组件
(9)
上，用以实现脚部的俯仰动作和侧摆动作；所述的踝关节万向节组件
(9)
包括踝关节万向节
(9
‑
1)
和踝关节安装座
(9
‑
2)
，所述的踝关节万向节
(9
‑
1)
包括
x
轴方向的销轴三
(9
‑1‑
1)
和
z
轴方向的销轴四
(9
‑1‑
2)
，所述小腿
(8)
的下端连接在销轴三
(9
‑1‑
1)
的两端，并绕销轴三
(9
‑1‑
1)
进行旋转；所述的踝关节安装座
(9
‑
2)
固定安装在脚部
(10)
的脚面上，踝关节万向节
(9
‑
1)
中销轴四
(9
‑1‑
2)
的两端分别转动安装在踝关节安装座
(9
‑
2)
上，踝关节安装座
(9
‑
2)
及脚部
(10)
绕销轴四
(9
‑1‑
2)
进行旋转；所述踝关节安装座
(9
‑
2)
上靠近脚部
(10)
后跟的位置处设置有一根沿
x
轴方向布置的连接轴
(9
‑2‑
1)
；所述的踝关节曲柄摇杆驱动组件
(12)
包括两个相对设置在大腿
(6)
与小腿
(8)
两侧的踝关节驱动单元，每个踝关节驱动单元包括依次连接的踝关节驱动电机
(12
‑
1)、
踝关节曲柄
(12
‑
2)、
踝关节一级连杆
(12
‑
3)、
踝关节三角板
(12
‑
4)
和踝关节二级连杆
(12
‑
5)
，所述的踝关节驱动电机
(12
‑
1)
安装在大腿
(6)
上，踝关节曲柄
(12
‑
2)
的一端固定连接在踝关节驱动电机
(12
‑
1)
的驱动端，踝关节曲柄
(12
‑
2)
的另一端与踝关节一级连杆
(12
‑
3)
的一端铰连接，踝关节一级连杆
(12
‑
3)
的另一端铰连接在踝关节三角板
(12
‑
4)
的顶角一
(12
‑4‑
1)
处，踝关节三角板
(12
‑
4)
的顶角二
(12
‑4‑
2)
与膝关节连接轴
(7)
的端部铰连接，踝关节三角板
(12
‑
4)
的顶角三
(12
‑4‑
3)
与踝关节二级连杆
(12
‑
5)
的一端通过球轴承铰连接，踝关节二级连杆
(12
‑
5)
的另一端通过球轴承铰连接在踝关节安装座
(9
‑
2)
的连接轴
(9
‑2‑
1)
上；其中，踝关节三角板
(12
‑
4)
的顶角一
(12
‑4‑
1)、
顶角二
(12
‑4‑
2)
与顶角三
(12
‑4‑
3)
顺指针依次设置，且踝关节一级连杆
(12
‑
3)
与踝关节二级连杆
(12
‑
5)
分别处于踝关节三角板
(12
‑
4)
的两侧
。
3.
根据权利要求2所述的一种三自由度的腿部结构，其特征在于：所述大腿
(6)
的下端开有前后贯通的豁口
(6
‑
1)
，所述小腿
(8)
的上端插在大腿
(6)
下端的豁口
(6
‑
1)
中，且与大腿
(6)
分别套装在沿
x
轴方向设置的膝关节连接轴
(7)
上；所述大腿
(6)
中间位置的左右两侧各设置一个连接板
(6
‑
3)
，踝关节驱动电机
(12
‑
1)
安装在连接板
(6
‑
3)
上
。4.
根据权利要求2所述的一种三自由度的腿部结构，其特征在于：所述的膝关节曲柄摇杆驱动组件
(11)
包括膝关节俯仰电机
(11
‑
1)、
膝关节曲柄
(11
‑
2)
和膝关节运动连杆
(11
‑
3)
；膝关节俯仰电机
(11
‑
1)
的输出端与膝关节曲柄
(11
‑
2)
的一端固定连接，膝关节曲柄
(11
‑
2)
的另一端与膝关节运动连杆
(11
‑
3)
的一端铰连接，膝关节运动连杆
(11
‑
3)
的另一端与小腿
(8)
顶部的连接耳铰连接
。5.
一种六自由度
、
低惯量的机器人仿生腿，其特征在于：它包括髋关节结构
(A)
和腿部结构
(B)
；所述的腿部结构
(B)
包括大腿
(6)、
膝关节连接轴
(7)、
小腿
(8)、
踝关节万向节组件
(9)、
脚部
(10)、
膝关节曲柄摇杆驱动组件
(11)
和踝关节曲柄摇杆驱动组件
(12)
；所述大腿
(6)
的下端与小腿
(8)
的上端通...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪皑，王君扬，倪风雷，曹宝石，祁乐，刘宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：