[发明专利]一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人

说明书

本申请实施例公开了一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人。该机器人支腿可以包括髋关节驱动装置、大腿机构、膝关节驱动装置、小腿机构、腿足机构和关节耦合组件。本申请实施例的机器人支腿一方面通过引入仿生跨关节肌腱‑韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；另一方面通过结合第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。

技术领域

本申请涉及机器人相关技术领域，具体地说是涉及一种基于多关节耦合的准直驱腿足超动态机器人。

背景技术

超动态(如跳跃)运动机器人的关键技术是驱动系统可以提供一种高功率密度的输出，同时对控制系统的响应带宽有很高的要求。

目前为了增加机器人关节的输出功率大多采用液压驱动和大减速比的电机驱动，这些元件增加输出功率的同时增加了机器人系统的惯量和摩擦等，同时大的减速比降低了控制系统的响应速度。

液压驱动虽然提高了机器人驱动的功率密度，但是其液压泵噪声和液压缸油漏极大的限制了液压驱动机器人的应用范围。

高减速比的电机驱动系统虽然增加了驱动密度但是大大的降低了控制系统关节的响应速度和关节运动速度，同时增加了系统的惯量、摩擦等参数，降低了机器人的超动态运动能力。

现有的直驱动机器人也面临一个严峻的问题就是长时间静止时的驱动系统发热，导致能量的浪费。例如，采用电机驱动的直驱和准直驱机器人面临一个严重的工程问题就是电机的发热，尤其是在需要机器人长时间运动或者保持静态稳定时会产生大量的热，降低能量利用率，也可能损坏电机驱动系统。

发明内容

针对现有技术之不足，本申请一方面提供了一种机器人支腿。该机器人支腿可以包括髋关节驱动装置、大腿机构、膝关节驱动装置、小腿机构、腿足机构和关节耦合组件。所述髋关节驱动装置与所述大腿机构的上端铰接形成为髋关节，并通过第一减速传动机构传动连接。所述膝关节驱动装置设置于所述大腿机构上。所述小腿机构的上端与所述大腿机构的下端铰接形成为膝关节。并且，所述膝关节驱动装置通过第二减速传动机构与所述小腿机构传动连接。所述腿足机构的中部与所述小腿机构的下端铰接形成为踝关节。并且，在所述腿足机构的上端与所述大腿机构之间设置有弹性连接机构，使得所述大腿机构、所述小腿机构、所述腿足机构和所述弹性连接机构形成为弹性四连杆机构。所述关节耦合组件包括第一拉绳、第一弹性连接件和第二拉绳。在安装状态下，所述第一弹性连接件位于髋关节与膝关节之间。所述第一拉绳的下端与所述第一弹性连接件的上端相连接，所述第一拉绳的上端绕过所述膝关节驱动装置连接在所述髋关节驱动装置。所述第二拉绳的上端与所述第一弹性连接件的下端相连接，所述第二拉绳的下端绕过设置在膝关节处的滑轮连接在所述腿足机构的上端。

本申请的机器人支腿一方面通过引入仿生跨关节肌腱-韧带在生物动态运动中的作用原理，并进行功能扩展，可以驱动关节的协同作用，在增加机器人跳跃能力的同时，形成一个静态无电机功率输入的平衡点，可以解决直驱机器人在长时间静止时的电机发热问题；具体的，通过设置关节耦合组件可以形成跨越髋、膝、踝三关节的弹性耦合运动结构，从而可以使机器人形成静态无电机功率输入的平衡，避免静止状态下电机的发热，即多关节的耦合形成一个静止状态下无电机功率输出的平衡，可以避免长时间静止站立的驱动系统发热现象；另外，各个关节协同耦合可以减轻膝关节对重力的平衡负载，实现更多能量的超动态运动效果，即更多主动关节的耦合提高电驱动系统的整体能量利用效率，可以实现更高更快的超动态运动。本申请的机器人支腿的另一方面通过结合第二减速传动机构，可以使采用本申请机器人支腿的机器人形成为准直驱腿足机器人，提高了机器人超动态运动能力。