[发明专利]多自由度的双足机器人下肢机构

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人组件，具体涉及一种多自由度的双足机器人下肢机构。 

(二)背景技术

近些年来，双足机器人已经引起了国内外学者的广泛兴趣，并取得了很大的成果，特别在模拟人的各种动作、与人协作、语言交流等方面取得了重大突破。国内外较为成功且具有较高影响力的仿人机器人有日本本田的阿西姆机器人、日本索尼公司的QRIO机器人、以及北京理工大学的“汇童”机器人，但在这些设计中普遍采用串联结构形式设计双足机器人的各关节。在串联结构的多自由度关节设计时，各关节的驱动力矩峰值较大，影响了双足机器人关节驱动元件的设计，增加了设计难度和设计成本。并联结构的双足机器人具有较大的承载能力，并联结构的关节驱动力矩比相同重量下的串联结构关节驱动力矩小，如日本早稻田大学WL-15双足机器人，每条腿采用六个驱动元件，并联驱动实现双足机器人的步态行走，可承载较大的重量；而从双足机器人结构拟人性的角度来看，这种并联结构的双足机器人缺乏了外形结构的拟人性，不满足双足机器人的设计要求。 

近几年，一些学者对有足趾关节的双足机器人进行研究，仅日本东京大学的H7机器人较成功的利用足趾关节运动，完成了机器人上楼梯步态及平地拟人步态行走，H7机器人实验表明：有足趾关节运动的步态下，比相同状况下无足趾运动时上楼梯的高度更高，机器人的膝关节转速有所降低，在平地步行速度上有可能得到提高。为了使双足机器人实现更为拟人的运动步态，增加了双足机器人运动的自由度。 

在双足机器人步态控制中，首先最重要的一点是能够检测机器人的零力矩点位置，通常采用六维力/力矩传感器来检测地面的反力及反力矩大小，进而得到零力矩点的位置，为双足机器人的步态控制提供重要的依据，是实现稳定步态的前提和重要保证。而从国内的技术水平及经济费用的考虑，如果采用六维力/力矩传感器，则所需费用将大大增加，如果用于有足趾关节的足底机构中， 实现的难度就更大。 

中国优秀硕士学位论文全文数据库中公布的本发明的发明人之一的硕士论文中，记载了一种“双足机器人仿生机构设计与运动仿真”，其中涉及的机器人为单腿结构，与本专利所申请的双足机器人双腿结构有较大差异，特别是足部和髋部有较大的区别。 

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、承载能力大、结构拟人、运动方式明确、结构简单的多自由度的双足机器人下肢机构。 

本发明的目的是这样实现的： 

它包括腰部、大腿、小腿和足，大腿包括右大腿和左大腿，小腿包括右小腿和左小腿，足包括右足和左足；所述的腰部由右髋关节和左髋关节两部分、通过腰部连接板连接组成；所述的右髋关节和左髋关节、右大腿和左大腿、右小腿和左小腿、右足和左足为左右对称结构；髋关节与大腿通过虎克铰链和两根连杆并联连接；大腿与小腿通过膝关节连杆和膝关节轴连接；小腿与足通过虎克铰链和两根踝关节连杆并联连接。 

本发明还有这样一些具体结构特征： 

1、所述的髋关节包括：髋关节从动齿轮、轴承端盖、箱体、直流电机、虎克铰链、髋关节主动齿轮、角接触轴承、内六角螺钉、套筒、髋关节板、支撑板、涡轮、涡轮轴、平键、蜗杆、髋关节球关节座、电机支架和套筒；所述的涡轮和涡轮轴是通过平键相连；所述的支撑板和涡轮由螺钉固连，并通过角接触轴承、轴承端盖、套筒固定于箱体中；所述的髋关节从动齿轮和蜗杆通过平键相连；所述的蜗杆通过角接触轴承、轴承端盖、套筒固定于箱体中；所述的蜗杆与涡轮能啮合；所述的箱体与髋关节板固连；所述的虎克铰链、电机支架和髋关节球关节座一起与髋关节板固连；所述的直流电机与电机支架固连；所述的髋关节主动齿轮与直流电机通过销钉连接，同时与髋关节从动齿轮啮合。 

2、所述的大腿包括：直流电机、髋关节连接块、长导杆、长丝杠、角接触轴承座、滚珠螺母连接块、大腿板、滚针轴承座、电机座、短导杆、短丝杠、大腿膝关节连接块、膝关节轴、球关节挡圈、角接触轴承、联轴器和滚针轴承；所述的电机座、滚针轴承座、角接触轴承座、髋关节连接块和大腿膝关节连接块与大腿板固连；所述的长丝杠和短丝杠，分别与滚珠螺母连接块固连；所述 的长导杆与短导杆，分别与角接触轴承座、滚针轴承座圆柱副连接，且分别与滚珠螺母连接块固连；所述的短丝杠和长丝杠配合角接触轴承，分别与角接触轴承座、滚针轴承座转动副连接；所述的直流电机与电机座固连；所述的长丝杠和短丝杠通过联轴器与直流电机固连；