一種含有直線關節的機器人腿的制作方法

本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種含有直線關節的機器人腿。

背景技術：

移動機器人的運動方式主要包括輪式、履帶式、腿足式等，其中腿足式機器人在運動中只需要離散的落腳點而不需要連續的路徑，因而較輪式和履帶式機器人其具有更為優秀的靈活性和環境適應性。

目前常見的腿足機器人有美國波士頓動力公司的雙足機器人“petman”、“Atlas”以及四足機器人“BigDog”、“LS3”，法國Aldebaran Robotics公司的雙足機器人“NAO”,意大利技術研究院的四足機器人“HyQ”,日本本田公司的雙足機器人“ASIMO”等。上述機器人腿部往往采用“肘式”或“膝式”結構，即有明顯的大腿、膝關節、小腿等部件，區別僅是膝關節朝向身體前方彎曲還是身體后方彎曲。中國專利文獻CN1883994A公開了一種擬人雙足機器人人工腿，該腿膝關節采用四連桿結構并依靠驅動電機帶動膝關節旋轉。中國專利文獻CN103407514A公布了一種四足仿生機器人腿，該腿含有兩個旋轉關節。中國專利文獻CN101229826A公開了一種機器人的下肢機構，其特點在于采用平行四連桿機構實現了機器人大小腿的機構設計。中國專利文獻CN103448828A公布了一種四足仿生機器人腿機構，該機構包含有肩關節、膝關節等旋轉關節。

上述產品與發明所設計的機器人都模擬了人或動物的腿部結構，即有明顯的大腿、膝關節、小腿，該種結構方式具有一定的仿生性，然而也導致了機器人在行走時支撐腿都有一定的屈膝動作，仿佛用扎馬步或四足動物匍匐前進的方式行走，這種運動方式要求關節作動器需持續輸出較大扭力來維持機體姿態，因而較行走時支撐腿靠腿部骨骼提供支撐力的直腿行走方式要耗費更大的能量。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種含有直線關節的機器人腿，采用直線關取代由大腿、膝關節、小腿組成的旋轉關節，具有機構簡單，易于維護，能量消耗低及負重能力強的特點。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種含有直線關節的機器人腿，包括腿部本體，所述腿部本體內配合設置直線關節，所述直線關節包括主動部和從動部，所述從動部通過連接件與橫向旋轉動力裝置連接，所述主動部運作帶動從動部上下直線運動進而使腿部本體上下移動抬腿，橫向旋轉動力裝置運轉帶動腿部本體前后向擺動。

所述主動部為絲杠，所述從動部為帶絲孔的滑塊。

優選的，所述滑塊還通過直線軸承與直線導軌相配合，直線導軌與絲杠相互平行。

所述絲杠和直線導軌均固定于支撐架上，所述支撐架與腿部本體的外殼固定連接。

優選的，所述直線導軌設置兩條，兩條直線導軌與絲杠相互配合呈等腰三角形。

或者，所述主動部為齒輪，所述從動部為齒條。

或者，所述主動部為液壓元件，所述從動部為滑座。

所述腿部本體底部設置旋轉關節，所述旋轉關節與足部機構連接，控制足部機構俯仰角度。

所述旋轉關節包括橫向設置的動力裝置，動力裝置通過腿足連接件與足部機構連接，動力裝置帶動腿足連接件前后擺動進而調整足部機構的俯仰角度。

所述橫向旋轉動力裝置通過連桿與縱向旋轉動力裝置連接，縱向旋轉動力裝置運轉帶動腿部本體側向擺動。

本發明的有益效果為：

本發明的機器人腿將大腿、膝關節、小腿的組合方式整合為一個直線運動關節，從而將機器人機體高度調節由膝關節的旋轉運動方式轉變為腿部直線運動。采用膝關節旋轉運動時機器人猶如以扎馬步的形式行走，即便機器人站立時也要保持屈膝狀態，從而導致機器人需持續輸出較大做動力來維持機體姿態。而本發明直線關節運動方式則解決了采用膝關節旋轉模式時彎膝行走的弊端，讓機器人可實現猶如人行走時的腿部直立動作，從而減少了能量消耗。同時該機器人腿具有機構簡單、易于維護及負重能力強的特點。

本發明的機器人腿在腿部本體內部設置直線關節，在與機器人腰部連接時，機器人腰部不動，則由于直線關節主動部的帶動，直線關節從動部上下移動使得腿部本體上下移動，進而實現抬腿動作，通過直線運動取代了現有機器人腿中的屈膝關節等，在驅動時更為省力，節省能量消耗，對于驅動的控制也更為簡單可靠。

本發明中在腿部本體底部設置旋轉關節，可以帶動足部機構調整俯仰角度，進而實現了足部機構的邁步動作，在行走時在較小的抬升高度下就可以行走。

本發明中在橫向旋轉動力裝置上連接縱向旋轉動力裝置，縱向旋轉動力裝置帶動腿部本體側向擺動，進而實現左右移動。

附圖說明

圖1為本發明的機器人腿整體示意圖；

圖2為本發明提供的機器人腿拆分示意圖；

圖中，1髖關節，2腿部機構，3足部機構，4外殼，5側向旋轉電機，6連桿，7前后向旋轉電機，8連接件，9腿部直線關節滑塊，10直線軸承，11減速電機，12支撐架，13直線導軌，14絲杠，15減速電機，16腿足連接件，17被動旋轉關節，18足底結構件。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

如圖1所示，一種具有直線關節的機器人腿，包括髖關節1、腿部機構2和足部機構3。

髖關節1用于連接機器人的腰部與腿部2，并通過兩套減速電機帶動腿部2做相對于身體前后方向及側方向的擺動運動。腿部機構2包括腿部本體，腿部本體內配合設置直線關節，直線關節包括主動部和從動部，從動部通過連接件8與橫向旋轉動力裝置(即前后向旋轉電機7)連接，主動部運作帶動從動部上下直線運動，前后向旋轉電機7運轉帶動腿部本體前后向擺動。前后向旋轉電機7與通過連桿6與縱向旋轉動力裝置(即側向旋轉電機5)連接，側向旋轉電機5運轉帶動腿部本體側向擺動。其中側向旋轉電機5機體與機器人腰部1固連，其旋轉軸通過連桿6與前后向旋轉電機7機體相連。前后向旋轉電機7的輸出軸則通過連接件8與腿部直線關節滑塊9相連。

主動部可以為絲杠，從動部為帶絲孔的滑塊。

或者，主動部可以為齒輪，從動部為齒條。

或者，主動部可以為液壓元件，從動部為滑座。

本實施例中以絲杠和滑塊為例進行描述，如圖2所示，腿部機構2由調節機器人腿運動的直線關節與控制足部俯仰角度的旋轉關節組成。

直線關節包含減速電機11、兩根直線導軌13、直線軸承10、絲杠14、滑塊9、支撐架12與外殼4，其中減速電機11、直線導軌13與絲杠14固定在支撐架12上。滑塊9與直線軸承10固連，直線軸承10穿過直線導軌13，滑塊9絲孔則與絲杠14配合。直線關節減速電機11輸出軸與絲杠14相連，帶動絲杠14做旋轉運動。兩根直線導軌13與絲杠14平行安裝，其安裝端面呈等腰三角形。支撐架12通過螺絲與外殼4相連。在減速電機11運轉時，絲杠14帶動滑塊9上下移動，由滑塊9通過前后向旋轉電機7、連桿6、側向旋轉電機5與機器人腰部固定，由于機器人腿部重量更輕，該機器人腿與機器人腰部連接后，機器人腰部重量更大，機器人腰部不動，從而使得腿部本體上下移動實現抬腿動作。

控制足部俯仰角度的旋轉關節包括橫向設置的動力裝置(即減速電機15)與腿足連接件16，減速電機15機體固定在外殼4上，其輸出軸則與腿足連接件16相連。腿足連接件16是連接機器人腿部2與足部3的部件，其上端連接減速電機15，下端則與足部3相連。

足部機構3由具有一定阻尼的被動旋轉關節17與足底結構件18組成。

本發明機器人腿的運作過程為：

側向旋轉電機5運轉，通過連桿6、前后向旋轉電機7、連接件8傳遞到腿部機構2，帶動腿部機構2相對于身體側向擺動，完成機器人腿的左右移動；前后向旋轉電機7運轉，通過連接件8傳遞到腿部機構2，帶動腿部機構2相對于身體前后向擺動，完成邁腿動作；減速電機15運轉，通過腿足連接件16傳遞到足部機構3，調整足部機構3前后俯仰角度，模擬人足行走時的邁步動作；減速電機11運轉，通過絲杠14傳遞給腿部直線關節滑塊9，帶動腿部直線關節滑塊9上下運動，由于腰部不動，從而使得腿部本體實現上下移動完成抬腿動作。通過前后向旋轉電機7、減速電機11、減速電機15的運轉配合，實現腿部本體向前邁腿行走，通過側向旋轉電機5的運轉，實現腿部本體左右移動。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。