【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及一种机械腿、机器人及扭矩优化设计方法。
技术介绍
1、随着计算机科学和人工智能的革新，机器人技术近年来取得了显著的突破。特别是以四足机器人为代表的足式机器人，在多样地形环境下表现出卓越的运动性能。然而，对于户外运输的足式机器人，为了更好地装载或卸下货物，在装货过程或卸货过程中会将机器人的腿部弯曲以降低机械人高度从而便于上料或者下料。然而，腿部弯曲后也意味着机器人的腿部接近奇异构型，机器人在装货完成后负载起身的过程中，膝关节受到的扭矩较大。
2、现有技术中，机器人的腿部往往通过同步带或四连杆机构进行膝关节的驱动，但是由于膝关节处所需的力矩较大，因此往往需要设置规格较大、较为臃肿的关节驱动机构以便于驱动机器人负载起身，但是这样会增大机器人的自重，也会提高机器人的制造成本。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种机械腿，通过结合滚珠丝杆机构和曲柄滑座机构，能够有效放大膝关节驱动电机的力矩，从而能够降低机器人的自重以及制造成本。
2、本专利技术还提出一种具有上述机械腿的机器人。
3、本专利技术还提出一种应用于上述机械腿的扭矩优化设计方法。
4、根据本专利技术的第一方面实施例的机械腿，包括：
5、第一传动臂，所述第一传动臂用于与机器人的机身连接，所述第一传动臂包括有机架，所述机架设置有沿所述第一传动臂的长度方向延伸的导滑槽；
6、第
7、传动组件，所述传动组件包括有膝关节驱动电机、丝杆、滑座、连杆和曲柄，所述丝杆的一端与所述膝关节驱动电机的输出轴连接，另一端穿设于所述机架，所述滑座套设于所述丝杆，所述滑座上设置有插入至所述导滑槽中的导滑部，所述丝杆的转动能够驱动所述滑座沿所述丝杆的轴向移动，所述连杆的一端与所述滑座连接，另一端通过所述曲柄与所述第二传动臂连接。
8、根据本专利技术实施例的机械腿，至少具有如下有益效果：
9、该机械腿通过结合滚珠丝杆机构和曲柄滑座机构，能够有效放大膝关节驱动电机的力矩，从而该种结构的接卸退在膝关节驱动电机规格相同的条件下，相较于现有技术中的同步带传动或是四连杆传动，机械腿能够承受更大的负载并顺利起身。在同样的负载需求下，本申请的机械腿能够做到以更低规格的膝关节驱动电机实现等规格的负载，降低了机器人的制造成本。
10、根据本专利技术的一些实施例，所述滑座具有主体部和延伸部，所述主体部与所述丝杆连接，所述延伸部远离所述膝关节驱动电机的方向延伸，所述导滑部设置于所述延伸部上，所述连杆与所述滑座连接于所述延伸部远离所述主体部的一端。
11、根据本专利技术的一些实施例，所述丝杆与所述膝关节驱动电机连接的一端通过角接触轴承转动连接于所述机架，所述丝杆的另一端连接有支座，所述丝杆通过深沟球轴承与所述支座转动连接。
12、根据本专利技术的一些实施例，所述机械腿包括有用于与所述机身连接的安装架，所述安装架包括有基板、第一安装板和第二安装板，所述第一安装板和所述第二安装板并列设置于所述基板上，所述机架和所述膝关节驱动电机分别位于所述第一安装板和所述第二安装板相背的两个侧面上，所述丝杆与所述膝关节驱动电机的输出轴通过联轴器连接。
13、根据本专利技术的一些实施例，所述曲柄与所述第二传动臂一体成型，或者所述曲柄与所述第二传动臂连接为一体结构。
14、根据本专利技术的第二方面实施例的机器人，包括：
15、机身，所述机身设置有髋关节驱动电机；
16、如上述实施例中任一项所述的机械腿，所述机械腿与所述髋关节驱动电机连接，以驱动所述机械腿相对于所述机身转动。
17、根据本专利技术的第三方面实施例的扭矩优化设计方法，包括有以下步骤：
18、初步设计出通过丝杆、滑座、连杆、曲柄传动的机械腿，确定所述丝杆参数；
19、选取所述滑座、所述连杆和所述曲柄的关键设计变量和优化约束指标，构建所述关键设计变量与所述优化约束指标的数学模型；
20、构建优化目标函数，并根据应用场景调整优化目标的加权系数；
21、对所述优化目标函数求解以获取最佳参数信息；
22、根据所述最佳参数信息对所述机械腿进行运动学建模、正运动学求解和逆运动学求解；
23、搭建虚拟样机进行仿真模拟，控制所述机械腿至少完成负载起身动作；
24、验证所述机械腿能够放大膝关节驱动电机的扭矩。
25、根据本专利技术的一些实施例，在所述构建优化目标函数的步骤中，选取曲柄长度l1、连杆长度l2、滑座相对于膝关节在y方向上的偏置距离e1、滑座的行程ds作为优化目标，所述优化目标函数为：
26、k1l1+k2l2+k3e1+k4ds-k5d-k6α-k7max(θ2)；
27、其中，k1至k7为优化目标的加权系数，d为连杆至膝关节的距离，α为曲柄的摆动范围，θ2为连杆与水平面的夹角。
28、根据本专利技术的一些实施例，所述运动学建模包括：使用dh建模法，构建dh坐标系模型；
29、所述正运动学求解包括：利用齐次变换矩阵描述所述机械腿的足端位置与关节变量的函数关系；
30、所述逆运动学求解包括：利用几何法求得各关节变量与足端位置的函数关系。
31、根据本专利技术的一些实施例，在所述验证所述机械腿能够放大膝关节驱动电机的扭矩的步骤中，还包括有以下步骤：
32、设置简易模型与优化模型的对比试验，并对比膝关节扭矩峰值和膝关节驱动电机的扭矩峰值。
33、本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
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1.机械腿，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述滑座具有主体部和延伸部，所述主体部与所述丝杆连接，所述延伸部远离所述膝关节驱动电机的方向延伸，所述导滑部设置于所述延伸部上，所述连杆与所述滑座连接于所述延伸部远离所述主体部的一端。
3.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述丝杆与所述膝关节驱动电机连接的一端通过角接触轴承转动连接于所述机架，所述丝杆的另一端连接有支座，所述丝杆通过深沟球轴承与所述支座转动连接。
4.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述机械腿包括有用于与所述机身连接的安装架，所述安装架包括有基板、第一安装板和第二安装板，所述第一安装板和所述第二安装板并列设置于所述基板上，所述机架和所述膝关节驱动电机分别位于所述第一安装板和所述第二安装板相背的两个侧面上，所述丝杆与所述膝关节驱动电机的输出轴通过联轴器连接。
5.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述曲柄与所述第二传动臂一体成型，或者所述曲柄与所述第二传动臂连接为一体结构。
6.机器人，其特征在于，包括：>
7.扭矩优化设计方法，其特征在于，包括有以下步骤：
8.根据权利要求7所述的扭矩优化设计方法，其特征在于，在所述构建优化目标函数的步骤中，选取曲柄长度l1、连杆长度l2、滑座相对于膝关节在y方向上的偏置距离e1、滑座的行程ds作为优化目标，所述优化目标函数为：
9.根据权利要求7所述的扭矩优化设计方法，其特征在于：
10.根据权利要求7所述的扭矩优化设计方法，其特征在于，在所述验证所述机械腿能够放大膝关节驱动电机的扭矩的步骤中，还包括有以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.机械腿，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述滑座具有主体部和延伸部，所述主体部与所述丝杆连接，所述延伸部远离所述膝关节驱动电机的方向延伸，所述导滑部设置于所述延伸部上，所述连杆与所述滑座连接于所述延伸部远离所述主体部的一端。
3.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述丝杆与所述膝关节驱动电机连接的一端通过角接触轴承转动连接于所述机架，所述丝杆的另一端连接有支座，所述丝杆通过深沟球轴承与所述支座转动连接。
4.根据权利要求1所述的机械腿，其特征在于，所述机械腿包括有用于与所述机身连接的安装架，所述安装架包括有基板、第一安装板和第二安装板，所述第一安装板和所述第二安装板并列设置于所述基板上，所述机架和所述膝关节驱动电机分别位于所述第一安装板和所述第二安装板相背的...
【专利技术属性】
技术研发人员：付成龙，郭艺璇，黄权，冷雨泉，刘守斌，严浩耘，杜豪，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：
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