[发明专利]基于全关节驱动共轴型腿部结构模块的高动态四足机器人

说明书

本发明涉及一种基于全关节驱动共轴型腿部结构模块的高动态四足机器人。全关节驱动共轴型腿部结构模块包含侧摆关节驱动单元、髋关节驱动单元、膝关节驱动单元、动力传动单元、单腿框架、腿部肢体单元。侧摆关节驱动输出轴线、髋关节驱动输出轴线、膝关节驱动输出轴线、侧摆运动旋转轴线在几何上空间共线。髋关节驱动单元和膝关节驱动单元各自通过一组伞齿轮与动力传动单元相连，进而分别带动腿部肢体单元中的大腿结构和小腿结构独立运动；且两组伞齿轮两两共轴。单腿框架起到固定各关节电机的作用，且作为该全关节驱动共轴型腿部结构模块的机械接口。通过将四个全关节驱动共轴型腿部结构模块的单腿框架相连接，即可直接组成高动态四足机器人。

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，更具体地说，给出了一种基于全关节驱动共轴型腿部结构模块的高动态四足机器人。

背景技术

四足机器人、双足机器人等足式仿生机器人系统及技术发展迅猛，能够实现动态的行走、小跑、原地跳跃、穿越非平坦地形，以及在承受侧推等外部扰动等情形下依然保持身体平衡等运动能力，是这类机器人当前主要的功能特点。自然地，让这类机器人具有更快的移动速度、更高的负载能力、更强的平衡性能是本领域技术继续向前发展的核心目标与源动力。

对足式运动而言，更强的运动性能意味着系统具有更高的动态性，设计实现面向高动态运动的足式机器人系统本体，是挑战并实现更高足式运动性能的重要基础和先决条件。

降低腿部运动惯量是实现足式肢体更高频率往复摆动运动的基本技术措施。中国发明专利CN2015102731383所公开的方法，通过将传统位于四足机器人膝部的膝关节电机上移至髋部，并与髋关节电机保持两者同髋关节转轴共轴线，相比传统方案有效减小了腿部的运动惯量并从而率先在小型四足机器人上实现了高动态运动效果。发明专利CN2017103502592公开了一种通过将侧摆关节电机、髋关节电机、膝关节电机直接安装于机器人机身，并使得各电机旋转轴线均位于机身平面，以减小腿部运动惯量的多连杆式腿部机构方案，虽然对加工及安装精度要求高，但相比传统方案增强了腿部的刚度与承载能力。发明专利CN202110622621公开了一种将侧摆关节电机、髋关节电机、膝关节电机全部安装于机身处且呈T字型分布布置的方案，该布局方案通过侧摆关节电机与髋关节电机的转轴共轴线来进一步减小腿部的运动惯量，并基于万向节结构实现了膝关节的动力传动，这种方案对腿部运动动态性的提升更为显著，但需要克服万向节结构的运动范围限制，及其结构转动阻力补偿和机械装配问题。因此，需要创新地设计实现新型的腿部结构方案，使其既能适应足式机器人的更高动态运动行为技术需求，又能进一步克服现有方案存在的技术局限。

另一方面，结构的模块化设计能够有效降低产品的生产、装配、维护成本，是实现机器人产品应用推广的重要方式，因此同时实现腿部结构的高性能和模块化，是本领域的潜在技术需求。

综上，四足机器人是足式机器人的重要形态之一，进一步降低机器人腿部运动惯量，实现腿部结构的模块化设计，并基于此设计面向未来更高运动性能需求的高动态四足机器人，对仿生机器人技术领域和人工智能技术领域均具有重要的意义。

发明内容

本发明面向四足机器人等足式运动机器人的更高动态运动需求，提出一种全关节驱动共轴型腿部结构模块以及基于该模块所组成的高动态四足机器人，该方案进一步降低了机器人腿部运动惯量，并实现了机器人结构组成与装配的模块化，为更高运动性能足式机器人的研发提供了新的技术方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

所述高动态四足机器人由四个全关节驱动共轴型腿部结构模块组成，具有高动态特征的四足运动能力；

所述全关节驱动共轴型腿部结构模块，包含侧摆关节驱动单元、髋关节驱动单元、膝关节驱动单元、动力传动单元、单腿框架、腿部肢体单元；