串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)大腿連桿、膝關(guān)節(jié)、兩個(gè)小腿連桿、踝關(guān)節(jié)和腳板，髖關(guān)節(jié)的布置為傳統(tǒng)的串聯(lián)形式，但其髖關(guān)節(jié)U形架的短跨距設(shè)計(jì)可以使髖關(guān)節(jié)剛度更強(qiáng)。膝關(guān)節(jié)處具有四連桿結(jié)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)四連桿結(jié)構(gòu)可以提高膝蓋處的剛度，提高行走穩(wěn)定性。同時(shí)，四連桿結(jié)構(gòu)還提供了膝關(guān)節(jié)拉簧的布置空間。踝關(guān)節(jié)處具有并聯(lián)結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的同時(shí)功率輸出，在提升剛度的同時(shí)，也大大減少了小腿的慣量，減輕了膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元和髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的負(fù)載。從而實(shí)現(xiàn)了輕量、快速、有力、穩(wěn)定的目標(biāo)。踝關(guān)節(jié)后部的拉簧具有重力補(bǔ)償和儲(chǔ)能的作用。
【專利說明】
串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，小型足球機(jī)器人小型足球仿人機(jī)器人(kid-size)由于其開發(fā)難度較低，成本相對(duì)較低，擬人性進(jìn)一步增強(qiáng)，越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注。每年舉行的RoboCup(機(jī)器人世界杯足球錦標(biāo)賽)中，小型足球仿人機(jī)器人越來越受到關(guān)注。
[0003]在小型足球機(jī)器人實(shí)際研究中，腿部的構(gòu)型和質(zhì)量分布對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力有較大影響。通過研究新型串并混聯(lián)腿，有助于提升現(xiàn)有仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，包括:在多自由度復(fù)合關(guān)節(jié)處引入并聯(lián)機(jī)構(gòu)，使肢體末端運(yùn)動(dòng)更加靈活、平滑連續(xù);肢體協(xié)調(diào)及姿態(tài)變換能力得到進(jìn)一步改善;在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能上最大程度接近人的實(shí)際狀態(tài)。并聯(lián)構(gòu)型特點(diǎn)是以獨(dú)立并聯(lián)機(jī)構(gòu)為肢體。像其中髖關(guān)節(jié)為兩自由度并聯(lián)球鉸鏈機(jī)構(gòu)與一個(gè)單自由度機(jī)構(gòu)串聯(lián)，踝關(guān)節(jié)為兩自由度并聯(lián)球鉸鏈機(jī)構(gòu)，膝為一個(gè)單自由度俯仰串聯(lián)機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)剛度較大，使肢體承載能力增大、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性提高。
[0004]如申請(qǐng)公布號(hào)為CN 205022730 U的專利文獻(xiàn)公開的一種人形機(jī)器人的腿形改良結(jié)構(gòu)，是提供人形機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)做多點(diǎn)連結(jié)架撐，達(dá)到機(jī)器人架撐穩(wěn)固省力的結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)，主要將人形機(jī)械人下架具組成的兩側(cè)腿形架構(gòu)，依平行桿相互組接，其中中段連結(jié)處設(shè)以電機(jī)鎖固定定位，構(gòu)成一膝關(guān)節(jié)狀，配合平行連桿上端及與腳板連結(jié)底端，分別以伺服電機(jī)馬達(dá)做不同軸向的轉(zhuǎn)控連結(jié)，構(gòu)成類似腿部的曲弧轉(zhuǎn)控操作，通過平行連桿的組裝，使機(jī)器人架撐定位時(shí)馬達(dá)的出力，可收到省力安全且穩(wěn)固確實(shí)的人形安全操控目的。該申請(qǐng)?zhí)峁┑娜诵螜C(jī)器人腿形改良結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)省力安全且穩(wěn)固的目的，但是其運(yùn)動(dòng)性能低，對(duì)機(jī)器人的行走速度有很大的限制。且腿部慣量太大，不利于長時(shí)間行走情況。在長時(shí)間的行走下，慣量太大會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人能量損耗過高的問題發(fā)生。
[0005]申請(qǐng)公布號(hào)為CN201423657 Y的專利文獻(xiàn)公開的一種機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)，包括基座和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，基座通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接;傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定在基座上的電機(jī)和與電機(jī)連接的運(yùn)動(dòng)單元;運(yùn)動(dòng)單元包括能使機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)向后擺動(dòng)的第一運(yùn)動(dòng)單元和使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下壓或上提的第二運(yùn)動(dòng)單元;第一運(yùn)動(dòng)單元包括一頂端固定在基座上的支撐桿，與第一電機(jī)連接第一絲桿機(jī)構(gòu)和一與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)鉸接的第一定長桿;第一定長桿包括直桿部分和向外凸出的凸塊部分，支撐桿的與直桿部分鉸接，第一絲桿機(jī)構(gòu)與凸塊部分鉸接;第二單元包括與第二電機(jī)連接的第二絲桿機(jī)構(gòu)和與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)鉸接的第二定長桿，第二絲桿機(jī)構(gòu)與第二定長桿鉸接。該實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，體積較小，加工和裝配工藝性好的優(yōu)點(diǎn)。該申請(qǐng)?zhí)峁┑臋C(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，但是由于其沒有膝關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)性能有一定的限制。該結(jié)構(gòu)的機(jī)器人會(huì)存在行走較慢的情況。
[0006]申請(qǐng)公布號(hào)為CN1833829A的專利文獻(xiàn)公開了一種具有雙球形髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和7自由度腿部的仿人機(jī)器人下肢結(jié)構(gòu)，其中髖關(guān)節(jié)3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)I個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)3個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)采用雙球型機(jī)構(gòu)，即六個(gè)旋轉(zhuǎn)軸交于一點(diǎn)，這樣在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)不動(dòng)作的時(shí)候，使仿人型機(jī)器人在不增加關(guān)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)腰部功能。踝關(guān)節(jié)添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度，可以使仿人機(jī)器人的腿部實(shí)現(xiàn)更加豐富的動(dòng)作。該申請(qǐng)?zhí)峁┑臋C(jī)器人下肢機(jī)構(gòu)機(jī)器人腿部動(dòng)作確實(shí)會(huì)更加靈活。但是其有7個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)增加I個(gè)自由度后，腿部慣量比原來大的多，其運(yùn)動(dòng)能力會(huì)進(jìn)一步受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)腿部機(jī)構(gòu)慣量過大、剛性不足的問題。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:一種串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)大腿連桿、膝關(guān)節(jié)、兩個(gè)小腿連桿、踝關(guān)節(jié)和腳板，其特征在于，所述踝關(guān)節(jié)包括兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元、兩個(gè)雙桿端球軸承連桿、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿、兩個(gè)后部腳板固定塊、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)拉簧、萬向節(jié)、第一踝關(guān)節(jié)緊固塊、第二踝關(guān)節(jié)緊固塊、軸承、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿、兩個(gè)前部腳板固定塊;其中，所述小腿連桿的下部左右兩側(cè)均固定安裝有踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元，兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的旋轉(zhuǎn)軸線重合，其背部通過第一踝關(guān)節(jié)緊固塊和第二踝關(guān)節(jié)緊固塊相連，兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的背部轉(zhuǎn)軸之間通過軸承相連;所述踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的輸出軸與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿的一端固定連接，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿的另一端與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的外端部固定連接;所述踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿的一端與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的內(nèi)端部固定連接，踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿的另一端與套設(shè)在軸承上;所述雙桿端球軸承連桿的一端套設(shè)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸上，與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸鉸接，雙桿端球軸承連桿的另一端與腳板固定塊鉸接，后部腳板固定塊固定安裝在腳板的腳跟部位;所述萬向節(jié)的一端與第一踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的底部相連，萬向節(jié)的另一端與腳板的中部固定連接;所述前部腳板固定塊安裝在腳板的腳掌部位，所述踝關(guān)節(jié)拉簧的一端與前部腳板固定塊相連，另一端與小腿連桿相連。
[0009]進(jìn)一步地，還包括踝關(guān)節(jié)套筒和萬向節(jié)連接件;所述踝關(guān)節(jié)套筒套設(shè)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸上，用于雙桿端球軸承連桿在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸上的定位，即踝關(guān)節(jié)套筒設(shè)置在雙桿端球軸承連桿和踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿之間，或者踝關(guān)節(jié)套筒設(shè)置在雙桿端球軸承連桿和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿之間;所述萬向節(jié)的一端通過萬向節(jié)連接件與第一踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的底部相連。
[0010]進(jìn)一步地，所述膝關(guān)節(jié)包括膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元、第二傳動(dòng)軸、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿、膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸;所述大腿連桿的下部與小腿連桿的上部通過膝蓋旋轉(zhuǎn)軸鉸接;所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元固定安裝在大腿連桿的下部，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿的一端與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的輸出軸固定連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿的另一端與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸鉸接；所述膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿的一端套設(shè)在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸鉸接，膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿的另一端套設(shè)在第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸，與第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸鉸接;所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定在小腿連桿的中部;所述膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧的一端勾住第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸，另一單勾住膝蓋旋轉(zhuǎn)軸。
[0011]進(jìn)一步地，所述小腿連桿、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿、大腿連桿構(gòu)成穩(wěn)定的四連桿機(jī)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步地，所述髖關(guān)節(jié)包括:U形架、旋轉(zhuǎn)法蘭、第一髖關(guān)節(jié)加固板、髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元、第二髖關(guān)節(jié)加固板、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元、法蘭安裝板;所述髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元的輸出軸與大腿連桿的上部鉸接，所述第一髖關(guān)節(jié)加固板和所述第二髖關(guān)節(jié)加固板固定連接在髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元的左右兩側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)法蘭的底座固定安裝在U形架的一邊，旋轉(zhuǎn)法蘭的轉(zhuǎn)軸與法蘭安裝板固定連接，法蘭安裝板固定連接在第一髖關(guān)節(jié)加固板上;所述髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元固定在第二髖關(guān)節(jié)加固板上，所述髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元的輸出軸與U形架的另一邊固定連接。
[0013]進(jìn)一步地，所述髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元均可以是舵機(jī)或者電機(jī)加減速器的單元整體。
[0014]進(jìn)一步地，初始狀態(tài)時(shí)，膝關(guān)節(jié)拉簧和踝關(guān)節(jié)拉簧均處于被拉伸狀態(tài)。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:踝關(guān)節(jié)部分使用更小的雙舵機(jī)同時(shí)輸出功率，更加有效地使用舵機(jī)，同時(shí)提高了舵機(jī)安裝位置，進(jìn)一步減小了小腿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。同時(shí)后部的拉伸彈簧可以幫助儲(chǔ)能和省力，進(jìn)一步使腿部機(jī)構(gòu)達(dá)到節(jié)能、快速、有力的效果。踝關(guān)節(jié)使用的并聯(lián)結(jié)構(gòu)也使得踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度更大，有利于機(jī)器人的穩(wěn)定行走。膝關(guān)節(jié)使用的四連桿結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了膝蓋的剛度。其中安放的拉伸彈簧有利于減輕行走時(shí)膝關(guān)節(jié)舵機(jī)的負(fù)載，從而起到了節(jié)能的效果。其中連桿的特殊弧形適應(yīng)了運(yùn)動(dòng)范圍的要求。髖關(guān)節(jié)的短跨距設(shè)計(jì)增強(qiáng)了腿部剛度，有利于行走的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0019]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的正視圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的俯視圖；
[0021 ]圖5為圖4在踝關(guān)節(jié)處的剖視圖；
[0022]圖中:U形架1、旋轉(zhuǎn)法蘭2、第一髖關(guān)節(jié)加固板3、髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元4、第二髖關(guān)節(jié)加固板5、大腿連桿6、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元7、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9、第二傳動(dòng)軸10、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿11、膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧12、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸13、小腿連桿14、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15、踝關(guān)節(jié)套筒16、雙桿端球軸承連桿17、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18、后部腳板固定塊19、踝關(guān)節(jié)拉簧20、萬向節(jié)21、萬向節(jié)連接件22、第一踝關(guān)節(jié)緊固塊23、第二踝關(guān)節(jié)緊固塊24、軸承25、法蘭安裝板26、膝蓋旋轉(zhuǎn)軸27、踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28、踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿29、前部腳板固定塊30、腳板31。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1?5所示，本發(fā)明串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的髖關(guān)節(jié)、大腿連桿6、膝關(guān)節(jié)、小腿連桿14、踝關(guān)節(jié)和腳板31，
[0024]所述髖關(guān)節(jié)包括:U形架1、旋轉(zhuǎn)法蘭2、第一髖關(guān)節(jié)加固板3、髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元
4、第二髖關(guān)節(jié)加固板5、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元7、法蘭安裝板26;所述U形架I與機(jī)身上驅(qū)動(dòng)腿部機(jī)構(gòu)的偏航方向自由度的驅(qū)動(dòng)單元相連;所述髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元4的輸出軸與大腿連桿6的上部鉸接，所述第一髖關(guān)節(jié)加固板3和所述第二髖關(guān)節(jié)加固板5固定連接在髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元4的左右兩側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)法蘭2的底座固定安裝在U形架I的一邊，旋轉(zhuǎn)法蘭2的轉(zhuǎn)軸與法蘭安裝板26固定連接，法蘭安裝板26固定連接在第一髖關(guān)節(jié)加固板3上;所述髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元7固定在第二髖關(guān)節(jié)加固板5上，所述髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元7的輸出軸與U形架I的另一邊固定連接；
[0025]所述膝關(guān)節(jié)包括:膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9、第二傳動(dòng)軸10、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿11、膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧12、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸13、小腿連桿14;所述大腿連桿6的下部與小腿連桿14的上部通過膝蓋旋轉(zhuǎn)軸27鉸接;所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9固定安裝在大腿連桿6的下部，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8的一端與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9的輸出軸固定連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8的另一端與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸13鉸接;所述膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿11的一端套設(shè)在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸13，與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸13鉸接，膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿11的另一端套設(shè)在第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸31，與第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸31鉸接;所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸31固定在小腿連桿14的中部;所述膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧12的一端勾住第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸13，另一單勾住膝蓋旋轉(zhuǎn)軸27;
[0026]所述踝關(guān)節(jié)包括兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15、兩個(gè)雙桿端球軸承連桿17、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18、兩個(gè)后部腳板固定塊19、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)拉簧20、萬向節(jié)21、第一踝關(guān)節(jié)緊固塊23、第二踝關(guān)節(jié)緊固塊24、軸承25、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿29、兩個(gè)前部腳板固定塊30;其中，所述小腿連桿14的下部左右兩側(cè)均固定安裝有踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15，兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15的旋轉(zhuǎn)軸線重合，其背部通過第一踝關(guān)節(jié)緊固塊23和第二踝關(guān)節(jié)緊固塊24相連，兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15的背部轉(zhuǎn)軸之間通過軸承25相連;所述踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15的輸出軸與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18的一端固定連接，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18的另一端與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28的外端部固定連接;所述踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿29的一端與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28的內(nèi)端部固定連接，踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿29的另一端與套設(shè)在軸承25上;所述雙桿端球軸承連桿17的一端套設(shè)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28上，與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28鉸接，雙桿端球軸承連桿17的另一端與腳板固定塊19鉸接，后部腳板固定塊19固定安裝在腳板31的腳跟部位;所述踝關(guān)節(jié)套筒16套設(shè)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28上，用于雙桿端球軸承連桿17在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸28上的定位，即踝關(guān)節(jié)套筒16設(shè)置在雙桿端球軸承連桿17和踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿29之間，或者踝關(guān)節(jié)套筒16設(shè)置在雙桿端球軸承連桿17和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18之間;所述萬向節(jié)21的一端通過萬向節(jié)連接件22與第一踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15的底部相連，萬向節(jié)21的另一端與腳板31的中部固定連接;所述前部腳板固定塊30安裝在腳板31的腳掌部位，所述踝關(guān)節(jié)拉簧20的一端與前部腳板固定塊30相連，另一端與小腿連桿14相連。
[0027]所述髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元4、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元7、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15均可以是舵機(jī)或者電機(jī)加減速器的單元整體。
[0028]所述小腿連桿14、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿11、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8、大腿連桿6構(gòu)成穩(wěn)定的四連桿機(jī)構(gòu)。
[0029]本發(fā)明的工作過程如下:
[0030]初始狀態(tài)時(shí)，膝關(guān)節(jié)拉簧12與踝關(guān)節(jié)拉簧20均處于被拉伸狀態(tài)。當(dāng)髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元4工作時(shí)，大腿連桿6作俯仰方向運(yùn)動(dòng)，從而引起大腿的前后擺動(dòng)。當(dāng)髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)單元7工作時(shí)，大腿連桿6作滾動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，從而引起大腿的左右擺動(dòng)。當(dāng)膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9工作時(shí)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8轉(zhuǎn)動(dòng)。由于小腿連桿14、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿11、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8、大腿連桿6構(gòu)成穩(wěn)定的四邊形四連桿機(jī)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿8—轉(zhuǎn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)四連桿即打開，膝蓋實(shí)現(xiàn)彎曲，四邊形的其中一對(duì)角線距離增加，膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧12被拉伸，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能、省力的作用。踝關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度由兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15共同驅(qū)動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，任一自由度的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元共同驅(qū)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15作同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18、雙桿端球軸承連桿17、腳板31、萬向節(jié)21及其連接件構(gòu)成四邊形連桿發(fā)生同向變形，腳板21實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元15作反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿18、雙桿端球軸承連桿17、腳板31、萬向節(jié)21及其連接件構(gòu)成四邊形連桿發(fā)生反向變形。同時(shí)，由于受到萬向節(jié)21的約束，反向變形表示給踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)方向帶來一個(gè)力矩，所以踝關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)踝關(guān)節(jié)有較大的俯仰角度時(shí)，后側(cè)的踝關(guān)節(jié)彈簧20被拉伸，機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和省力的作用。
[0031]本發(fā)明的膝關(guān)節(jié)處的四連桿結(jié)構(gòu)可以提高膝蓋處的剛度，提高了行走穩(wěn)定性。同時(shí)，四連桿結(jié)構(gòu)還提供了膝關(guān)節(jié)拉簧的布置空間。踝關(guān)節(jié)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的同時(shí)功率輸出，在提升剛度的同時(shí)，也大大減少了小腿的慣量，減輕了膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元9、髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元4和髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元7的負(fù)載。從而實(shí)現(xiàn)了輕量、快速、有力、穩(wěn)定的目標(biāo)。踝關(guān)節(jié)后部的拉簧具有重力補(bǔ)償和儲(chǔ)能的作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)大腿連桿(6)、膝關(guān)節(jié)、兩個(gè)小腿連桿(14)、踝關(guān)節(jié)和腳板(31)，其特征在于，所述踝關(guān)節(jié)包括兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)、兩個(gè)雙桿端球軸承連桿(17)、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(18)、兩個(gè)后部腳板固定塊(19)、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)拉簧(20)、萬向節(jié)(21)、第一踝關(guān)節(jié)緊固塊(23)、第二踝關(guān)節(jié)緊固塊(24)、軸承(25)、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)、兩個(gè)踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(29)、兩個(gè)前部腳板固定塊(30)等;其中，所述小腿連桿(14)的下部左右兩側(cè)均固定安裝有踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)，兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)的旋轉(zhuǎn)軸線重合，其背部通過第一踝關(guān)節(jié)緊固塊(23)和第二踝關(guān)節(jié)緊固塊(24)相連，兩個(gè)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)的背部轉(zhuǎn)軸之間通過軸承(25)相連;所述踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)的輸出軸與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(18)的一端固定連接，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(18)的另一端與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)的外端部固定連接;所述踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(29)的一端與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)的內(nèi)端部固定連接，踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(29)的另一端與套設(shè)在軸承(25)上;所述雙桿端球軸承連桿(17)的一端套設(shè)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)上，與踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)鉸接，雙桿端球軸承連桿(17)的另一端與腳板固定塊(19)鉸接，后部腳板固定塊(19)固定安裝在腳板(31)的腳跟部位;所述萬向節(jié)(21)的一端與第一踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)的底部相連，萬向節(jié)(21)的另一端與腳板(31)的中部固定連接;所述前部腳板固定塊(30)安裝在腳板(31)的腳掌部位，所述踝關(guān)節(jié)拉簧(20)的一端與前部腳板固定塊(30)相連，另一端與小腿連桿(14)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，還包括踝關(guān)節(jié)套筒(16)和萬向節(jié)連接件(22);所述踝關(guān)節(jié)套筒(16)套設(shè)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)上，用于雙桿端球軸承連桿(17)在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸(28)上的定位，即踝關(guān)節(jié)套筒(16)設(shè)置在雙桿端球軸承連桿(17)和踝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(29)之間，或者踝關(guān)節(jié)套筒(16)設(shè)置在雙桿端球軸承連桿(17)和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(18)之間;所述萬向節(jié)(21)的一端通過萬向節(jié)連接件(22)與第一踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)的底部相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述膝關(guān)節(jié)包括膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(8)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(9)、第二傳動(dòng)軸(10)、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(11)、膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧(12)、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13);所述大腿連桿(6)的下部與小腿連桿(14)的上部通過膝蓋旋轉(zhuǎn)軸(27)鉸接;所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(9)固定安裝在大腿連桿(6)的下部，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(8)的一端與膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(9)的輸出軸固定連接，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(8)的另一端與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)鉸接;所述膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(11)的一端套設(shè)在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)，與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)鉸接，膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(11)的另一端套設(shè)在第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸(31)，與第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸(31)鉸接;所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸(31)固定在小腿連桿(14)的中部;所述膝關(guān)節(jié)拉伸彈簧(12)的一端勾住第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸(13)，另一單勾住膝蓋旋轉(zhuǎn)軸(27)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述小腿連桿(14)、膝關(guān)節(jié)被動(dòng)連桿(11)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)連桿(8)、大腿連桿(6)構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述髖關(guān)節(jié)包括:U形架(I)、旋轉(zhuǎn)法蘭(2)、第一髖關(guān)節(jié)加固板(3)、髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元(4)、第二髖關(guān)節(jié)加固板(5)、髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元(7)、法蘭安裝板(26);所述髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元(4)的輸出軸與大腿連桿(6)的上部鉸接，所述第一髖關(guān)節(jié)加固板(3)和所述第二髖關(guān)節(jié)加固板(5)固定連接在髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元(4)的左右兩側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)法蘭(2)的底座固定安裝在U形架(I)的一邊，旋轉(zhuǎn)法蘭(2)的轉(zhuǎn)軸與法蘭安裝板(26)固定連接，法蘭安裝板(26)固定連接在第一髖關(guān)節(jié)加固板(3)上;所述髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元(7)固定在第二髖關(guān)節(jié)加固板(5)上，所述髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元(7)的輸出軸與U形架(I)的另一邊固定連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(15)可以是舵機(jī)或者電機(jī)加減速器的單元整體。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元(9)可以是舵機(jī)或者電機(jī)加減速器的單元整體。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述髖關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元(4)和髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元(7)均可以是舵機(jī)或者電機(jī)加減速器的單元整體。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，初始狀態(tài)時(shí)，踝關(guān)節(jié)拉簧(20)處于被拉伸狀態(tài)。10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串并聯(lián)混合的仿人足球機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)，其特征在于，初始狀態(tài)時(shí)，膝關(guān)節(jié)拉簧(12)處于被拉伸狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】B62D57/032GK106005092SQ201610556085
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月14日
【發(fā)明人】熊蓉, 留云, 朱秋國, 吳俊
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)