本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含有直線關(guān)節(jié)的機器人腿。

背景技術(shù)：

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(xù)的路徑，因而較輪式和履帶式機器人其具有更為優(yōu)秀的靈活性和環(huán)境適應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)，即有明顯的大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿等部件，區(qū)別僅是膝關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)采用四連桿結(jié)構(gòu)并依靠驅(qū)動電機帶動膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)關(guān)節(jié)。中國專利文獻CN101229826A公開了一種機器人的下肢機構(gòu)，其特點在于采用平行四連桿機構(gòu)實現(xiàn)了機器人大小腿的機構(gòu)設(shè)計。中國專利文獻CN103448828A公布了一種四足仿生機器人腿機構(gòu)，該機構(gòu)包含有肩關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

上述產(chǎn)品與發(fā)明所設(shè)計的機器人都模擬了人或動物的腿部結(jié)構(gòu)，即有明顯的大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿，該種結(jié)構(gòu)方式具有一定的仿生性，然而也導(dǎo)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(guān)節(jié)作動器需持續(xù)輸出較大扭力來維持機體姿態(tài)，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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種含有直線關(guān)節(jié)的機器人腿，采用直線關(guān)取代由大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿組成的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有機構(gòu)簡單，易于維護，能量消耗低及負(fù)重能力強的特點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種含有直線關(guān)節(jié)的機器人腿，包括腿部本體，所述腿部本體內(nèi)配合設(shè)置直線關(guān)節(jié)，所述直線關(guān)節(jié)包括主動部和從動部，所述從動部通過連接件與橫向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動力裝置運轉(zhuǎn)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(yōu)選的，所述滑塊還通過直線軸承與直線導(dǎo)軌相配合，直線導(dǎo)軌與絲杠相互平行。

所述絲杠和直線導(dǎo)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(yōu)選的，所述直線導(dǎo)軌設(shè)置兩條，兩條直線導(dǎo)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(shè)置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與足部機構(gòu)連接，控制足部機構(gòu)俯仰角度。

所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括橫向設(shè)置的動力裝置，動力裝置通過腿足連接件與足部機構(gòu)連接，動力裝置帶動腿足連接件前后擺動進而調(diào)整足部機構(gòu)的俯仰角度。

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

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的機器人腿將大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿的組合方式整合為一個直線運動關(guān)節(jié)，從而將機器人機體高度調(diào)節(jié)由膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥炔恐本€運動。采用膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)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(tài)，從而導(dǎo)致機器人需持續(xù)輸出較大做動力來維持機體姿態(tài)。而本發(fā)明直線關(guān)節(jié)運動方式則解決了采用膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)模式時彎膝行走的弊端，讓機器人可實現(xiàn)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(gòu)簡單、易于維護及負(fù)重能力強的特點。

本發(fā)明的機器人腿在腿部本體內(nèi)部設(shè)置直線關(guān)節(jié)，在與機器人腰部連接時，機器人腰部不動，則由于直線關(guān)節(jié)主動部的帶動，直線關(guān)節(jié)從動部上下移動使得腿部本體上下移動，進而實現(xiàn)抬腿動作，通過直線運動取代了現(xiàn)有機器人腿中的屈膝關(guān)節(jié)等，在驅(qū)動時更為省力，節(jié)省能量消耗，對于驅(qū)動的控制也更為簡單可靠。

本發(fā)明中在腿部本體底部設(shè)置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以帶動足部機構(gòu)調(diào)整俯仰角度，進而實現(xiàn)了足部機構(gòu)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(fā)明中在橫向旋轉(zhuǎn)動力裝置上連接縱向旋轉(zhuǎn)動力裝置，縱向旋轉(zhuǎn)動力裝置帶動腿部本體側(cè)向擺動，進而實現(xiàn)左右移動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的機器人腿整體示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的機器人腿拆分示意圖；

圖中，1髖關(guān)節(jié)，2腿部機構(gòu)，3足部機構(gòu)，4外殼，5側(cè)向旋轉(zhuǎn)電機，6連桿，7前后向旋轉(zhuǎn)電機，8連接件，9腿部直線關(guān)節(jié)滑塊，10直線軸承，11減速電機，12支撐架，13直線導(dǎo)軌，14絲杠，15減速電機，16腿足連接件，17被動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，18足底結(jié)構(gòu)件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，一種具有直線關(guān)節(jié)的機器人腿，包括髖關(guān)節(jié)1、腿部機構(gòu)2和足部機構(gòu)3。

髖關(guān)節(jié)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(cè)方向的擺動運動。腿部機構(gòu)2包括腿部本體，腿部本體內(nèi)配合設(shè)置直線關(guān)節(jié)，直線關(guān)節(jié)包括主動部和從動部，從動部通過連接件8與橫向旋轉(zhuǎn)動力裝置(即前后向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)電機7運轉(zhuǎn)帶動腿部本體前后向擺動。前后向旋轉(zhuǎn)電機7與通過連桿6與縱向旋轉(zhuǎn)動力裝置(即側(cè)向旋轉(zhuǎn)電機5)連接，側(cè)向旋轉(zhuǎn)電機5運轉(zhuǎn)帶動腿部本體側(cè)向擺動。其中側(cè)向旋轉(zhuǎn)電機5機體與機器人腰部1固連，其旋轉(zhuǎn)軸通過連桿6與前后向旋轉(zhuǎn)電機7機體相連。前后向旋轉(zhuǎn)電機7的輸出軸則通過連接件8與腿部直線關(guān)節(jié)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(gòu)2由調(diào)節(jié)機器人腿運動的直線關(guān)節(jié)與控制足部俯仰角度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。

直線關(guān)節(jié)包含減速電機11、兩根直線導(dǎo)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(dǎo)軌13與絲杠14固定在支撐架12上?；瑝K9與直線軸承10固連，直線軸承10穿過直線導(dǎo)軌13，滑塊9絲孔則與絲杠14配合。直線關(guān)節(jié)減速電機11輸出軸與絲杠14相連，帶動絲杠14做旋轉(zhuǎn)運動。兩根直線導(dǎo)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(zhuǎn)時，絲杠14帶動滑塊9上下移動，由滑塊9通過前后向旋轉(zhuǎn)電機7、連桿6、側(cè)向旋轉(zhuǎn)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(xiàn)抬腿動作。

控制足部俯仰角度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括橫向設(shè)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(gòu)3由具有一定阻尼的被動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)17與足底結(jié)構(gòu)件18組成。

本發(fā)明機器人腿的運作過程為：

側(cè)向旋轉(zhuǎn)電機5運轉(zhuǎn)，通過連桿6、前后向旋轉(zhuǎn)電機7、連接件8傳遞到腿部機構(gòu)2，帶動腿部機構(gòu)2相對于身體側(cè)向擺動，完成機器人腿的左右移動；前后向旋轉(zhuǎn)電機7運轉(zhuǎn)，通過連接件8傳遞到腿部機構(gòu)2，帶動腿部機構(gòu)2相對于身體前后向擺動，完成邁腿動作；減速電機15運轉(zhuǎn)，通過腿足連接件16傳遞到足部機構(gòu)3，調(diào)整足部機構(gòu)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(zhuǎn)，通過絲杠14傳遞給腿部直線關(guān)節(jié)滑塊9，帶動腿部直線關(guān)節(jié)滑塊9上下運動，由于腰部不動，從而使得腿部本體實現(xiàn)上下移動完成抬腿動作。通過前后向旋轉(zhuǎn)電機7、減速電機11、減速電機15的運轉(zhuǎn)配合，實現(xiàn)腿部本體向前邁腿行走，通過側(cè)向旋轉(zhuǎn)電機5的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)腿部本體左右移動。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。