一种具有柔性踝关节的双足机器人制造技术

一种具有柔性踝关节的双足机器人，它涉及一种双足机器人，以解决现有双足机器人对地面适应性差，以及能量损失较大，能力效率较低的问题，它包括左腿、右腿和骨盆；左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节和踝关节；左腿和右腿通过骨盆连接，每个所述髋关节包括髋关节电机、一号髋关节链轮、二号髋关节链轮、髋关节链条和髋关节传动轴；每个所述膝关节包括膝关节电机、一号膝关节链轮、二号膝关节链轮、膝关节链条、膝关节传动轴、小腿连接座和两个大腿轴承座；所述连接架固定连接在所述足部连接座上，所述足部连接座安装在所述脚跟上，所述小腿与两个所述踝关节轴承座连接，本发明专利技术属于机器人技术领域。

Biped robot with flexible ankle joint

A flexible ankle joint of the biped robot, which relates to a biped robot, in order to solve the existing biped robot on the ground of poor adaptability, and energy loss is bigger, the ability of the problem of low efficiency, which comprises a left leg, right leg and pelvis; left and right leg including thigh calf, foot, hip, the knee and ankle joint; the left and right leg through the pelvis connection, each of the hip joints including hip, hip joint motor, sprocket, sprocket, two hip Hip hip joint chain and a drive shaft; each of the knee including knee joint, knee joint motor, a sprocket, two knee sprocket, chain, knee joint knee joint drive shaft and a connecting seat leg and two leg bearing; the connecting frame is fixedly connected with the foot connecting seat, the connecting seat is installed on the foot The lower leg is connected with two ankle joint bearing seats, and belongs to the technical field of the robot.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双足机器人，具体涉及一种具有柔性踝关节的双足机器人，属于仿人机器人

技术介绍
从上世纪60年代开始，开始出现仿人机器人。相比于其他种类的机器人，仿人机器人的发展十分迅猛。除了机器人学之外，对仿人机器人的研究还涵盖了力学、生物学、控制科学、甚至心理学等不同的学科，逐渐成为了一个多学科交叉的独特研究领域。以双足步行为主要运动形式的一类仿人机器人具有很高的灵活性，能够适应不同的地形，是仿人机器人领域里一个重要的分支。世界上有超过一半的地形目前的轮式或履带式机器人都无法顺利到达，而人类却可以靠他们的双脚走遍每一个角落，所以足式仿人机器人是完成自然环境地面任务的最佳选择。人类的双足步行运动是一个十分复杂的循环过程，需要所有下肢肌肉和部分躯干肌肉的协同配合，才能稳定地运动。人类可以在复杂、崎岖的自然地面环境中高效地行走，因此人类的足部结构和运动方式为双足步行机器人的研制提供了一个非常好的生物界参考对象。在双足步行机器人研究领域，研究者一般会参考人类进行设计，因为目前还没有一款机器人的综合性能能够超越人类。人类下肢具有足够的柔性，不但可以让人实现流畅、省力的双足步行，而且可以保护下肢的关节。人类下肢灵活、节能、吸收冲击的特点对于双足机器人来说，具有十分重要的借鉴意义。本专利技术研制了一种包含髋关节、膝关节以及柔性踝关节的双足机器人，在传统主动双足机器人中引入具有柔性踝关节，被动关节中的弹性元件被设计成可调刚度，不但可以提高能量的利用效率，而且可以提高机器人对地面的适应性使其能够适应不平坦的地面环境，并具有较低的能量损失以及较高的能量效率。专利
技术实现思路
本专利技术是为解决现有双足机器人对地面适应性差，以及能量损失较大，能力效率较低的问题，进而提供一种具有柔性踝关节的双足机器人。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：一种具有柔性踝关节的双足机器人包括左腿、右腿和骨盆；左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节和踝关节；左腿和右腿通过骨盆连接，骨盆通过髋关节与大腿转动连接，大腿通过膝关节与小腿转动连接，小腿通过踝关节与足部转动连接；每个所述髋关节包括髋关节电机、一号髋关节链轮、二号髋关节链轮、髋关节链条和髋关节传动轴；所述髋关节电机的轴向水平布置，所述髋关节电机的外壳安装在所述骨盆的下端面上，所述髋关节电机的输出轴上固装有所述一号髋关节链轮，所述髋关节传动轴转动安装在所述骨盆的下端面上，所述髋关节传动轴上固装有二号髋关节链轮，所述大腿固装在所述髋关节传动轴的两端，所述一号髋关节链轮通过髋关节链条与所述二号髋关节链轮连接；每个所述膝关节包括膝关节电机、一号膝关节链轮、二号膝关节链轮、膝关节链条、膝关节传动轴、小腿连接座和两个大腿轴承座；所述膝关节电机的轴向水平布置，所述膝关节电机的外壳安装在所述大腿的下端，所述膝关节电机的输出轴上固装有所述一号膝关节链轮，所述膝关节传动轴插装在两个所述大腿轴承座上并能绕两个所述大腿轴承座旋转，所述大腿与两个所述大腿轴承座连接，所述小腿连接座安装在所述膝关节传动轴上，所述小腿与所述小腿连接座连接，所述一号膝关节链轮通过膝关节链条与所述二号膝关节链轮连接；每个所述足部包括脚跟、脚掌、足部驱动机构和足趾关节；所述足部驱动机构包括足部电机、足部带轮和传动带；所述脚跟通过所述足趾关节与所述脚掌转动连接，所述足部电机的输出轴的轴向水平布置，所述足部电机的外壳安装在所述脚跟上，所述足部电机的输出轴上安装有所述足部带轮；每个所述踝关节包括位置调节机构、刚度调节机构和传动机构；所述位置调节机构包括电力驱动机构、连接架和两套直线移动器；所述传动机构包括踝关节传动轴、足部连接座、两个活动杆、踝关节带轮、两个限位块和两个踝关节轴承座；所述刚度调节机构包括两个弹性元件和两个连接杆；所述连接架固定连接在所述足部连接座上，所述足部连接座安装在所述脚跟上，所述踝关节传动轴固定安装在所述足部连接座上，所述足部连接座的两侧分别设置有垂直于踝关节传动轴的一个所述活动杆，两个所述活动杆的一端转动安装在所述踝关节传动轴上；位于两个所述活动杆外侧的所述传动轴的两端各安装有一个所述踝关节轴承座，且所述踝关节传动轴能相对踝关节轴承座旋转，所述踝关节轴承座的两侧上邻近所述活动杆的一端分别固定安装有限制所述活动杆旋转的一个限位块，所述小腿与两个所述踝关节轴承座连接，所述踝关节传动轴的端部安装有所述踝关节带轮，所述足部带轮通过传动带与踝关节带轮连接；两个所述活动杆以所述踝关节传动轴的轴心成中心对称；两个所述活动杆的上方各布置有与所述活动杆平行的一个所述连接杆，所述活动杆的另一端与所述连接杆的一端之间布置有与二者固定连接的弹性元件，所述两个连接杆与所述小腿可拆卸连接，两套所述直线移动器滑动安装在连接架上，所述踝关节传动轴的轴向与所述直线移动器的移动方向垂直，两个所述活动杆和两个所述直线移动器一一对应布置，所述动力驱动机构的输出端带动所述两套直线移动器在各自对应的所述活动杆上相向摩擦移动。本专利技术的有益效果是：本专利技术是仿人类下肢结构，双足机器人的每条腿包含髋关节、膝关节以及踝关节，髋关节和膝关节均采用主动方式运行，两条腿之间由骨盆连接，在传统主动双足机器人中引入具有柔性的被动踝关节，采用主被动混合的驱动方式对机器人进行驱动；被动踝关节基于杠杆原理，利用改变载荷作用位置的方法来实现刚度的调节，通过电机驱动齿轮齿条运动改变载荷施加的位置，从而改变刚度；所研制的双足机器人采用主被动混合的驱动方式，实现了机器人的仿人步行行走，被动关节由弹性元件驱动，主动关节带动被动关节运动时，被动关节的弹性元件储存能量，同时产生一个缓冲作用，在被动关节需要主动运动时，弹性元件释放能量，实现对于能量的高效运用，提高了双足机器人的能量效率，并有较低的能量损失。踝关节采用柔性可调刚度的弹性元件使双足机器人能够适应不平坦的地面环境。在机器人运动过程中该关节刚度可实现实时的在线调节，使得机器人运动性能得到提高。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为左腿结构示意图；图3为右腿结构是示意图；图4为髋关节结构局部放大图；图5为膝关节结构局部放大图；图6为踝关节、小腿和足部连接结构示意图；图7为踝关节整体结构示意图；图8为位置调节机构剖视结构图；图9为刚度调节机构和传动机构连接结构示意图；图10为传动机构连接关系图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。结合图1-图10说明，一种具有柔性踝关节的双足机器人它包括左腿A、右腿B和骨盆C；左腿A和右腿B分别包括大腿4、小腿5、足部6、髋关节7、膝关节8和踝关节9；左腿A和右腿B通过骨盆C连接，骨盆C通过髋关节7与大腿4转动连接，大腿4通过膝关节C与小腿5转动连接，小腿5通过踝关节9与足部6转动连接；每个所述髋关节7包括髋关节电机71、一号髋关节链轮72、二号髋关节链轮73、髋关节链条和髋关节传动轴74；所述髋关节电机71的轴向水平布置，所述髋关节电机71的外壳安装在所述骨盆C的下端面上，所述髋关节电机71的输出轴上固装有所述一号髋关节链轮72，所述髋关节传动轴74转动安装在所述骨盆C的下端面上，所述髋关节传动轴74上固装有二号髋关节链轮73，所述大腿4固装在所述髋关节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有柔性踝关节的双足机器人，它包括左腿(A)、右腿(B)和骨盆(C)；左腿(A)和右腿(B)分别包括大腿(4)、小腿(5)、足部(6)、髋关节(7)、膝关节(8)和踝关节(9)；左腿(A)和右腿(B)通过骨盆(C)连接，骨盆(C)通过髋关节(7)与大腿(4)转动连接，大腿(4)通过膝关节(C)与小腿(5)转动连接，小腿(5)通过踝关节(9)与足部(6)转动连接；其特征在于：每个所述髋关节(7)包括髋关节电机(71)、一号髋关节链轮(72)、二号髋关节链轮(73)、髋关节链条和髋关节传动轴(74)；所述髋关节电机(71)的轴向水平布置，所述髋关节电机(71)的外壳安装在所述骨盆(C)的下端面上，所述髋关节电机(71)的输出轴上固装有所述一号髋关节链轮(72)，所述髋关节传动轴(74)转动安装在所述骨盆(C)的下端面上，所述髋关节传动轴(74)上固装有二号髋关节链轮(73)，所述大腿(4)固装在所述髋关节传动轴(74)的两端，所述一号髋关节链轮(72)通过髋关节链条与所述二号髋关节链轮(73)连接；每个所述膝关节(8)包括膝关节电机(81)、一号膝关节链轮(82)、二号膝关节链轮(83)、膝关节链条、膝关节传动轴(84)、小腿连接座(85)和两个大腿轴承座(86)；所述膝关节电机(81)的轴向水平布置，所述膝关节电机(81)的外壳安装在所述大腿(4)的下端，所述膝关节电机(81)的输出轴上固装有所述一号膝关节链轮(82)，所述膝关节传动轴(84)插装在两个所述大腿轴承座(86)上并能绕两个所述大腿轴承座(86)旋转，所述大腿(4)与两个所述大腿轴承座(86)连接，所述小腿连接座(85)安装在所述膝关节传动轴(84)上，所述小腿(5)与所述小腿连接座(85)连接，所述一号膝关节链轮(82)通过膝关节链条与所述二号膝关节链轮(83)连接；每个所述足部(6)包括脚跟(61)、脚掌(62)、足部驱动机构和足趾关节(63)；所述足部驱动机构包括足部电机(64‑1)、足部带轮(64‑2)和传动带；所述脚跟(61)通过所述足趾关节(63)与所述脚掌(62)转动连接，所述足部电机(64‑1)的输出轴的轴向水平布置，所述足部电机(64‑1)的外壳安装在所述脚跟(61)上，所述足部电机(64‑1)的输出轴上安装有所述足部带轮(64‑2)；每个所述踝关节(9)包括位置调节机构、刚度调节机构和传动机构；所述位置调节机构包括电力驱动机构(11)、连接架(12)和两套直线移动器(13)；所述传动机构包括踝关节传动轴(21)、足部连接座(22)、两个活动杆(23)、踝关节带轮(25)、两个限位块(24)和两个踝关节轴承座(26)；所述刚度调节机构包括两个弹性元件(31)和两个连接杆(32)；所述连接架(12)固定连接在所述足部连接座(22)上，所述足部连接座(22)安装在所述脚跟(61)上，所述踝关节传动轴(21)固定安装在所述足部连接座(22)上，所述足部连接座(22)的两侧分别设置有垂直于踝关节传动轴(21)的一个所述活动杆(23)，两个所述活动杆(23)的一端转动安装在所述踝关节传动轴(21)上；位于两个所述活动杆(23)外侧的所述传动轴(21)的两端各安装有一个所述踝关节轴承座(26)，且所述踝关节传动轴(21)能相对踝关节轴承座(26)旋转，所述踝关节轴承座(26)的两侧上邻近所述活动杆(23)的一端分别固定安装有限制所述活动杆(23)旋转的一个限位块(24)，所述小腿(5)与两个所述踝关节轴承座(26)连接，所述踝关节传动轴(21)的端部安装有所述踝关节带轮(25)，所述足部带轮(64‑2)通过传动带与踝关节带轮(25)连接；两个所述活动杆(23)以所述踝关节传动轴(21)的轴心成中心对称；两个所述活动杆(23)的上方各布置有与所述活动杆(23)平行的一个所述连接杆(32)，所述活动杆(23)的另一端与所述连接杆(32)的一端之间布置有与二者固定连接的弹性元件(31)，所述两个连接杆(32)与所述小腿(5)可拆卸连接，两套所述直线移动器(13)滑动安装在连接架(12)上，所述踝关节传动轴(21)的轴向与所述直线移动器(13)的移动方向垂直，两个所述活动杆(23)和两个所述直线移动器(13)一一对应布置，所述动力驱动机构(11)的输出端带动所述两套直线移动器(13)在各自对应的所述活动杆(23)上相向摩擦移动。...

【技术特征摘要】
1.一种具有柔性踝关节的双足机器人，它包括左腿(A)、右腿(B)和骨盆(C)；左腿(A)和右腿(B)分别包括大腿(4)、小腿(5)、足部(6)、髋关节(7)、膝关节(8)和踝关节(9)；左腿(A)和右腿(B)通过骨盆(C)连接，骨盆(C)通过髋关节(7)与大腿(4)转动连接，大腿(4)通过膝关节(C)与小腿(5)转动连接，小腿(5)通过踝关节(9)与足部(6)转动连接；其特征在于：每个所述髋关节(7)包括髋关节电机(71)、一号髋关节链轮(72)、二号髋关节链轮(73)、髋关节链条和髋关节传动轴(74)；所述髋关节电机(71)的轴向水平布置，所述髋关节电机(71)的外壳安装在所述骨盆(C)的下端面上，所述髋关节电机(71)的输出轴上固装有所述一号髋关节链轮(72)，所述髋关节传动轴(74)转动安装在所述骨盆(C)的下端面上，所述髋关节传动轴(74)上固装有二号髋关节链轮(73)，所述大腿(4)固装在所述髋关节传动轴(74)的两端，所述一号髋关节链轮(72)通过髋关节链条与所述二号髋关节链轮(73)连接；每个所述膝关节(8)包括膝关节电机(81)、一号膝关节链轮(82)、二号膝关节链轮(83)、膝关节链条、膝关节传动轴(84)、小腿连接座(85)和两个大腿轴承座(86)；所述膝关节电机(81)的轴向水平布置，所述膝关节电机(81)的外壳安装在所述大腿(4)的下端，所述膝关节电机(81)的输出轴上固装有所述一号膝关节链轮(82)，所述膝关节传动轴(84)插装在两个所述大腿轴承座(86)上并能绕两个所述大腿轴承座(86)旋转，所述大腿(4)与两个所述大腿轴承座(86)连接，所述小腿连接座(85)安装在所述膝关节传动轴(84)上，所述小腿(5)与所述小腿连接座(85)连接，所述一号膝关节链轮(82)通过膝关节链条与所述二号膝关节链轮(83)连接；每个所述足部(6)包括脚跟(61)、脚掌(62)、足部驱动机构和足趾关节(63)；所述足部驱动机构包括足部电机(64-1)、足部带轮(64-2)和传动带；所述脚跟(61)通过所述足趾关节(63)与所述脚掌(62)转动连接，所述足部电机(64-1)的输出轴的轴向水平布置，所述足部电机(64-1)的外壳安装在所述脚跟(61)上，所述足部电机(64-1)的输出轴上安装有所述足部带轮(64-2)；每个所述踝关节(9)包括位置调节机构、刚度调节机构和传动机构；所述位置调节机构包括电力驱动机构(11)、连接架(12)和两套直线移动器(13)；所述传动机构包括踝关节传动轴(21)、足部连接座(22)、两个活动杆(23)、踝关节带轮(25)、两个限位块(24)和两个踝关节轴承座(26)；所述刚度调节机构包括两个弹性元件(31)和两个连接杆(32)；所述连接架(12)固定连接在所述足部连接座(22)上，所述足部连接座(22)安装在所述脚跟(61)上，所述踝关节传动轴(21)固定安装在所述足部连接座(22)上，所述足部连接座(22)的两侧分别设置有垂直于踝关节传动轴(21)的一个所述活动杆(23)，两个所述活动杆(23)的一端转动安装在所述踝关节传动轴(21)上；位于两个所述活动杆(23)外侧的所述传动轴(21)的两端各安装有一个所述踝关节轴承座(26)，且所述踝关节传动轴(21)能相对踝关节轴承座(26)旋转，所述踝关节轴承座(26)的两侧上邻近所述活动杆(23)的一端分别固定安装有限制所述活动杆(23)旋转的一个限位块(24)，所述小腿(5)与两个所述踝关节轴承座(26)连接，所述踝关节传动轴(21)的端部安装有所述踝关节带轮(25)，所述足部带轮(64-2)通过传动带与踝关节带轮(25)连接；两个所述活动杆(23)以所述踝关节传动轴(21)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：臧希喆，林珍坤，刘义祥，赵杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23