[发明专利]一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置

说明书

本发明公开一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件，大腿部件与小腿部件，一共具有三个自由度，三个自由度驱动安装部分使用了一种结构紧凑的安装方式，使得机器人的单腿结构简单并且减少了单腿的质量，提升了单腿的动态性能。膝关节的自由度通过平行四杆结构，通过改变连杆的属性，实现了快速刚柔可换关节的功能。在柔性单腿下，具有一定的抗缓冲和柔性关节功能。由于平行四杆的使用，使得单腿驱动电机等模块靠近胯关节安装，并且小腿部件使用了简单地碳纤管，减轻了重量，提升了整体的动态性能。小腿部件使用简单地碳纤管结构，能够实现快速换小腿和足的功能。

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置。

背景技术

传统的足式机器人的刚性腿具有三个自由度，而膝关节是最重要的环节。足式机器人刚性腿在轻小型机器人中较为适用，刚性腿可以实现精准控制和稳定运行的特点。大型的足式机器人在使用中，常常由于和地面刚性接触，对腿的膝关节产生巨大的冲击，使得腿的使用寿命大大缩短，同时由于足式机器人动态运动的需求，所以大型的足式机器人的柔性腿是当前研究的一大热点。目前足式机器人柔性腿在关节电机部分，或者是小腿部分直接增加弹簧,或者柔性部件,或者通过减速箱,或者其他传动方式，从而实现腿的抗冲击和柔性特点，这样使得小腿和关节部分的设计变得复杂，从而大大减低了足式机器人单腿的动态性能。所以具有刚柔可换关节的足式机器人单腿很有研究价值，在轻小型机器人中可以换成刚性关节，从而保证精准控制，在大型机器人中可以换成柔性关节，从而保证大型机器人的动态行走具有一定抗冲击和储存能量的功能。

发明内容

本发明主要针对足式机器人动态行走过程中提供柔性环节和抗冲击作用，并且实现刚性腿和柔性腿之间的快速更换的条件下，提出了一种具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，适合在小型足式机器人的精准控制运动和大型足式机器人的动态行走或者奔跑。

本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，包括髋部件、大腿部件与小腿部件。

其中，髋部件通过髋腿连接件与大腿部件相连；髋部件由髋部电机驱动，实现髋腿连接件与大腿部件一同绕x轴转动；大腿部件由胯部驱动机构驱动，绕y轴转动。大腿部件上还具有膝部驱动机构与小腿连接件；膝部驱动机构通过两自由度的小腿传动机构实现小腿连接件绕y轴的转动；小腿连接件用来连接碳纤维管结构的小腿部件。上述胯部驱动机构、膝部驱动机构与髋部驱动机构结构相同，采用结构紧凑的安装方式。

上述小腿传动机构包括驱动臂、从动臂与传动组件；所述驱动臂为两根，分别安装于膝部传动机构的左右两侧；从动臂为两根，分别安装于小腿连接件左右两侧；驱动臂与从动臂间安装传动组件，形成2个自由度的传动结构，使驱动臂传动到小腿连接件的运动等效一个平行四杆结构。所述传动组件可采用拉升器弹簧或连杆，分别形成柔性或刚性膝部。

本发明的优点在于：

1、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在膝关节使用了平行四杆机构作为传动，通过更换连杆的模式，从而实现刚柔可换关节的性质。由于在更换关节特性时，只需要更换连杆单个部件，所以能够实现快速更换的效果。在刚性关节下，可以用作轻小型足式机器人的精准控制和静态步态的行走；在柔性关节下，可以用作中大型足式机器人的动态行走。

2、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在膝关节使用了平行四杆机构作为传动，平行四杆机构为对称式分布，提升了机构的强度，并且本身平行四杆结构简单质量相对其他传统传动轻，同时利用平行四杆传动使得膝关节电机驱动的机构向着胯关节移动，因此大腿具有较好的动态性能。

3、本发明具有刚柔可换关节的足式机器人单腿装置，在关节驱动部分都使用了一种紧凑的机械结构，利用了本身电机的空间结构，在利用空间错位的方式安装轴承，提升了单腿的空间利用率，降低了单腿的复杂性，降低了单腿的质量，因此单腿整体机构具有较好动态性能。