【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于仿生机器人相关，更具体地，涉及一种两栖爬行仿生机器人腿部结构及其轻量化设计方法。
技术介绍
1、近年来，机器人技术快速发展，机器人在走向更多领域的同时，也越来越贴近人们的生活，这让人们对它提出了更多的要求。机器人除了要完成基本任务外，还需满足操作简单、能耗低、灵活性高、稳定性强和开放性好等一系列更高的性能要求。尤其是仿生机器人，相对于传统移动机器人在机动性和环境适应性方面更具优势，在灾难救援、资源勘探和侦察等领域都有广泛应用。针对机器人领域存在的能耗过大、运动能力和灵活性不足等相关问题，轻量化设计给出了一个较好的解决方法。
2、近几十年，人们对机器人轻量化的研究逐渐增多，很多成果不断涌现出来。但是机器人的轻量化研究远远没有满足人们的要求，不足以支持人们对其性能的需求。机器人的轻量化，主要从材料和结构方面进行实现。目前，从材料方面对机器人进行轻量化十分便捷，但轻质材料成本较高，研发困难，难以大范围应用。而随着3d打印技术的普及，从结构上对机器人进行轻量化的限制越来越少，许多制造上的难题都已经被克服，更可以配合轻质材料实现更高的轻量化目标。因此，针对机器人腿部结构，对其进行轻量化设计，减轻自重的同时保证其能按照需求正常工作，具有一定的意义。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种两栖爬行仿生机器人腿部结构及其轻量化设计方法，用于解决现有机器人的轻量化研究远远没有满足人们的要求，不足以支持人们对其性能需求的问题。
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3、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述驱动组件包括第一关节电机、第二关节电机和第三关节电机；所述第一关节电机用于与机器人机身相连，所述第一关节电机的输出端通过第一电机连接件与第二关节电机相连，所述第二关节电机的输出端通过第二电机连接件与第三关节电机相连，所述第三关节电机的输出端与所述传动组件相连，所述第二关节电机和所述第三关节电机同轴，所述第二关节电机用于带动所述大腿组件进行抬腿、收腿动作，所述第三关节电机用于带动所述小腿组件进行抬腿、收腿动作。
4、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述传动组件为同步带组件，所述同步带组件包括主动轮、从动轮和传动带，所述主动轮可转动连接在所述大腿组件的第一端且与所述驱动组件相连，所述从动轮可转动连接在所述大腿组件的第二端且与所述小腿骨一体转动连接，所述传动带张紧在所述主动轮和所述从动轮的外侧。
5、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述同步带组件还包括带张紧器，所述大腿内侧板和所述大腿外侧板相对的一侧分别设有凸台，所述带张紧器设置在所述凸台上，用于张紧所述传动带。
6、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述大腿内侧板在所述主动轮的一侧与所述驱动组件相连，所述大腿外侧板的第一端连接有弧形连接板，所述大腿外侧板通过所述弧形连接板在所述主动轮的另一侧与所述驱动组件相连；
7、所述小腿骨包括相对设置的两块小腿板以及连接在两块所述小腿板之间的加强板。
8、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述足底组件包括球足底座和球足脚套，所述球足底座的顶部连接在所述小腿骨的底部，所述球足底座的底部为球形，所述球足脚套套在所述球足底座的外部。
9、按照本专利技术的第二方面，提供了一种两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，基于上述任一项所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述轻量化设计方法包括：
10、设计腿部结构的形状和尺寸，获取初始腿部结构模型；
11、对所述初始腿部结构模型进行减量孔的设计，获取减量腿部结构模型；
12、对所述减量腿部结构模型在预设受力工况以及预设约束条件下，以最大化刚度为优化目标对所述大腿内侧板、所述大腿外侧板和所述小腿骨的结构进行点阵填充设计，获取轻量腿部结构模型；
13、对所述轻量腿部结构模型进行强度校核，经校核后完成轻量化设计。
14、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，所述预设受力工况通过以下方法确定：
15、对两栖爬行仿生机器人在对角步态和三足步态下分别进行运动轨迹规划，并按照规划后运动轨迹按照对应步态进行仿真运动；
16、获取两栖爬行仿生机器人的腿部结构的足底在仿真运动过程中的受力情况；
17、选取足底在仿真运动过程中的最大受力工况作为预设受力工况；其中最大受力工况包括腿部结构的足底的受力大小、受力方向以及对应的腿部结构的站立姿态。
18、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，所述预设受力工况具体为：所述腿部结构的站立高度为0.16-0.20m，所述腿部结构的足端受力在两个水平方向的分力为45-60n和18-30n，在竖直方向的分力为660-700n；
19、所述预设约束条件具体为：将驱动组件处设为固定约束面。
20、根据本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，对所述轻量腿部结构模型进行强度校核，具体包括：
21、对所述轻量腿部结构模型在预设受力工况以及预设约束条件下进行有限元分析，获取腿部结构表面的应变信息，根据应变信息判断是否满足强度要求。
22、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的两栖爬行仿生机器人腿部结构及其轻量化设计方法：
23、1.设置大腿组件包括独立的大腿内侧板和大腿外侧板，减少了构件数量，降低了复杂度，有利于减轻大腿重量，且便于中间传动组件的装配设置；驱动组件集中设置在大腿组件第一端处，使得无需在小腿处设置驱动组件，有利于提高腿部运动的灵活性，提高腿部性能；将大腿内侧板、大腿外侧板和小腿骨设为点阵结构，进一步减轻了腿部重量，有利于更好的实现轻量化，提高腿部结构性能；
24、2.采用同步带传动小腿，相较于现有的采用连杆方式传动小腿的四足机器人，小腿运动范围更大，且传动更加直接高效；大腿组件分为两部分，同步带及其张紧装置隐藏于中间，装配方便，结构更紧凑；
25、3.考虑实际工况和设计要求建立两栖爬行仿生机器人初始腿部结构模型，同时采用减量经验设计结合格本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，包括驱动组件、大腿组件、传动组件、小腿组件和足底组件；所述大腿组件包括相对设置的大腿内侧板和大腿外侧板，所述大腿内侧板的第一端和所述大腿外侧板的第一端分别连接在所述驱动组件上、能够在所述驱动组件的驱动下一体转动；所述小腿组件包括小腿骨，所述小腿骨的顶部转动连接在所述大腿内侧板和所述大腿外侧板的第二端之间；所述传动组件设在所述大腿内侧板和所述大腿外侧板之间，且所述传动组件传动连接在所述驱动组件和所述小腿骨之间、能够在所述驱动组件的驱动下带动所述小腿骨转动；所述足底组件连接在所述小腿骨的底部，所述大腿内侧板、所述大腿外侧板和所述小腿骨设为点阵结构。
2.如权利要求1所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述驱动组件包括第一关节电机、第二关节电机和第三关节电机；所述第一关节电机用于与机器人机身相连，所述第一关节电机的输出端通过第一电机连接件与第二关节电机相连，所述第二关节电机的输出端通过第二电机连接件与第三关节电机相连，所述第三关节电机的输出端与所述传动组件相连，所述第二关节电机和所述第三关节电机同轴，所述第二关节电机
3.如权利要求1所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述传动组件为同步带组件，所述同步带组件包括主动轮、从动轮和传动带，所述主动轮可转动连接在所述大腿组件的第一端且与所述驱动组件相连，所述从动轮可转动连接在所述大腿组件的第二端且与所述小腿骨一体转动连接，所述传动带张紧在所述主动轮和所述从动轮的外侧。
4.如权利要求3所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述同步带组件还包括带张紧器，所述大腿内侧板和所述大腿外侧板相对的一侧分别设有凸台，所述带张紧器设置在所述凸台上，用于张紧所述传动带。
5.如权利要求3所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述大腿内侧板在所述主动轮的一侧与所述驱动组件相连，所述大腿外侧板的第一端连接有弧形连接板，所述大腿外侧板通过所述弧形连接板在所述主动轮的另一侧与所述驱动组件相连；
6.如权利要求1所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述足底组件包括球足底座和球足脚套，所述球足底座的顶部连接在所述小腿骨的底部，所述球足底座的底部为球形，所述球足脚套套在所述球足底座的外部。
7.一种两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，其特征在于，基于上述权利要求1-6中任一项所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，所述轻量化设计方法包括：
8.如权利要求7所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，其特征在于，所述预设受力工况通过以下方法确定：
9.如权利要求8所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，其特征在于，所述预设受力工况具体为：所述腿部结构的站立高度为0.16-0.20m，所述腿部结构的足端受力在两个水平方向的分力为45-60N和18-30N，在竖直方向的分力为660-700N；
10.如权利要求7所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构的轻量化设计方法，其特征在于，对所述轻量腿部结构模型进行强度校核，具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，包括驱动组件、大腿组件、传动组件、小腿组件和足底组件；所述大腿组件包括相对设置的大腿内侧板和大腿外侧板，所述大腿内侧板的第一端和所述大腿外侧板的第一端分别连接在所述驱动组件上、能够在所述驱动组件的驱动下一体转动；所述小腿组件包括小腿骨，所述小腿骨的顶部转动连接在所述大腿内侧板和所述大腿外侧板的第二端之间；所述传动组件设在所述大腿内侧板和所述大腿外侧板之间，且所述传动组件传动连接在所述驱动组件和所述小腿骨之间、能够在所述驱动组件的驱动下带动所述小腿骨转动；所述足底组件连接在所述小腿骨的底部，所述大腿内侧板、所述大腿外侧板和所述小腿骨设为点阵结构。
2.如权利要求1所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述驱动组件包括第一关节电机、第二关节电机和第三关节电机；所述第一关节电机用于与机器人机身相连，所述第一关节电机的输出端通过第一电机连接件与第二关节电机相连，所述第二关节电机的输出端通过第二电机连接件与第三关节电机相连，所述第三关节电机的输出端与所述传动组件相连，所述第二关节电机和所述第三关节电机同轴，所述第二关节电机用于带动所述大腿组件进行抬腿、收腿动作，所述第三关节电机用于带动所述小腿组件进行抬腿、收腿动作。
3.如权利要求1所述的两栖爬行仿生机器人腿部结构，其特征在于，所述传动组件为同步带组件，所述同步带组件包括主动轮、从动轮和传动带，所述主动轮可转动连接在所述大腿组件的第一端且与所述驱动组件相连，所述从动轮可转动连接在所述大腿组件的第二端且与所述小腿骨一体转动连接，所述传动带张紧在所述主动...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖蜜，费思杨，高亮，刘喜亮，黄惠东，吴晅，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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