一种含有直线关节的机器人腿的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种含有直线关节的机器人腿。

背景技术：

移动机器人的运动方式主要包括轮式、履带式、腿足式等，其中腿足式机器人在运动中只需要离散的落脚点而不需要连续的路径，因而较轮式和履带式机器人其具有更为优秀的灵活性和环境适应性。

目前常见的腿足机器人有美国波士顿动力公司的双足机器人“petman”、“Atlas”以及四足机器人“BigDog”、“LS3”，法国Aldebaran Robotics公司的双足机器人“NAO”,意大利技术研究院的四足机器人“HyQ”,日本本田公司的双足机器人“ASIMO”等。上述机器人腿部往往采用“肘式”或“膝式”结构，即有明显的大腿、膝关节、小腿等部件，区别仅是膝关节朝向身体前方弯曲还是身体后方弯曲。中国专利文献CN1883994A公开了一种拟人双足机器人人工腿，该腿膝关节采用四连杆结构并依靠驱动电机带动膝关节旋转。中国专利文献CN103407514A公布了一种四足仿生机器人腿，该腿含有两个旋转关节。中国专利文献CN101229826A公开了一种机器人的下肢机构，其特点在于采用平行四连杆机构实现了机器人大小腿的机构设计。中国专利文献CN103448828A公布了一种四足仿生机器人腿机构，该机构包含有肩关节、膝关节等旋转关节。

上述产品与发明所设计的机器人都模拟了人或动物的腿部结构，即有明显的大腿、膝关节、小腿，该种结构方式具有一定的仿生性，然而也导致了机器人在行走时支撑腿都有一定的屈膝动作，仿佛用扎马步或四足动物匍匐前进的方式行走，这种运动方式要求关节作动器需持续输出较大扭力来维持机体姿态，因而较行走时支撑腿靠腿部骨骼提供支撑力的直腿行走方式要耗费更大的能量。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种含有直线关节的机器人腿，采用直线关取代由大腿、膝关节、小腿组成的旋转关节，具有机构简单，易于维护，能量消耗低及负重能力强的特点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种含有直线关节的机器人腿，包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动。

所述主动部为丝杠，所述从动部为带丝孔的滑块。

优选的，所述滑块还通过直线轴承与直线导轨相配合，直线导轨与丝杠相互平行。

所述丝杠和直线导轨均固定于支撑架上，所述支撑架与腿部本体的外壳固定连接。

优选的，所述直线导轨设置两条，两条直线导轨与丝杠相互配合呈等腰三角形。

或者，所述主动部为齿轮，所述从动部为齿条。

或者，所述主动部为液压元件，所述从动部为滑座。

所述腿部本体底部设置旋转关节，所述旋转关节与足部机构连接，控制足部机构俯仰角度。

所述旋转关节包括横向设置的动力装置，动力装置通过腿足连接件与足部机构连接，动力装置带动腿足连接件前后摆动进而调整足部机构的俯仰角度。

所述横向旋转动力装置通过连杆与纵向旋转动力装置连接，纵向旋转动力装置运转带动腿部本体侧向摆动。

本发明的有益效果为：

本发明的机器人腿将大腿、膝关节、小腿的组合方式整合为一个直线运动关节，从而将机器人机体高度调节由膝关节的旋转运动方式转变为腿部直线运动。采用膝关节旋转运动时机器人犹如以扎马步的形式行走，即便机器人站立时也要保持屈膝状态，从而导致机器人需持续输出较大做动力来维持机体姿态。而本发明直线关节运动方式则解决了采用膝关节旋转模式时弯膝行走的弊端，让机器人可实现犹如人行走时的腿部直立动作，从而减少了能量消耗。同时该机器人腿具有机构简单、易于维护及负重能力强的特点。

本发明的机器人腿在腿部本体内部设置直线关节，在与机器人腰部连接时，机器人腰部不动，则由于直线关节主动部的带动，直线关节从动部上下移动使得腿部本体上下移动，进而实现抬腿动作，通过直线运动取代了现有机器人腿中的屈膝关节等，在驱动时更为省力，节省能量消耗，对于驱动的控制也更为简单可靠。

本发明中在腿部本体底部设置旋转关节，可以带动足部机构调整俯仰角度，进而实现了足部机构的迈步动作，在行走时在较小的抬升高度下就可以行走。

本发明中在横向旋转动力装置上连接纵向旋转动力装置，纵向旋转动力装置带动腿部本体侧向摆动，进而实现左右移动。

附图说明

图1为本发明的机器人腿整体示意图；

图2为本发明提供的机器人腿拆分示意图；

图中，1髋关节，2腿部机构，3足部机构，4外壳，5侧向旋转电机，6连杆，7前后向旋转电机，8连接件，9腿部直线关节滑块，10直线轴承，11减速电机，12支撑架，13直线导轨，14丝杠，15减速电机，16腿足连接件，17被动旋转关节，18足底结构件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种具有直线关节的机器人腿，包括髋关节1、腿部机构2和足部机构3。

髋关节1用于连接机器人的腰部与腿部2，并通过两套减速电机带动腿部2做相对于身体前后方向及侧方向的摆动运动。腿部机构2包括腿部本体，腿部本体内配合设置直线关节，直线关节包括主动部和从动部，从动部通过连接件8与横向旋转动力装置(即前后向旋转电机7)连接，主动部运作带动从动部上下直线运动，前后向旋转电机7运转带动腿部本体前后向摆动。前后向旋转电机7与通过连杆6与纵向旋转动力装置(即侧向旋转电机5)连接，侧向旋转电机5运转带动腿部本体侧向摆动。其中侧向旋转电机5机体与机器人腰部1固连，其旋转轴通过连杆6与前后向旋转电机7机体相连。前后向旋转电机7的输出轴则通过连接件8与腿部直线关节滑块9相连。

主动部可以为丝杠，从动部为带丝孔的滑块。

或者，主动部可以为齿轮，从动部为齿条。

或者，主动部可以为液压元件，从动部为滑座。

本实施例中以丝杠和滑块为例进行描述，如图2所示，腿部机构2由调节机器人腿运动的直线关节与控制足部俯仰角度的旋转关节组成。

直线关节包含减速电机11、两根直线导轨13、直线轴承10、丝杠14、滑块9、支撑架12与外壳4，其中减速电机11、直线导轨13与丝杠14固定在支撑架12上。滑块9与直线轴承10固连，直线轴承10穿过直线导轨13，滑块9丝孔则与丝杠14配合。直线关节减速电机11输出轴与丝杠14相连，带动丝杠14做旋转运动。两根直线导轨13与丝杠14平行安装，其安装端面呈等腰三角形。支撑架12通过螺丝与外壳4相连。在减速电机11运转时，丝杠14带动滑块9上下移动，由滑块9通过前后向旋转电机7、连杆6、侧向旋转电机5与机器人腰部固定，由于机器人腿部重量更轻，该机器人腿与机器人腰部连接后，机器人腰部重量更大，机器人腰部不动，从而使得腿部本体上下移动实现抬腿动作。

控制足部俯仰角度的旋转关节包括横向设置的动力装置(即减速电机15)与腿足连接件16，减速电机15机体固定在外壳4上，其输出轴则与腿足连接件16相连。腿足连接件16是连接机器人腿部2与足部3的部件，其上端连接减速电机15，下端则与足部3相连。

足部机构3由具有一定阻尼的被动旋转关节17与足底结构件18组成。

本发明机器人腿的运作过程为：

侧向旋转电机5运转，通过连杆6、前后向旋转电机7、连接件8传递到腿部机构2，带动腿部机构2相对于身体侧向摆动，完成机器人腿的左右移动；前后向旋转电机7运转，通过连接件8传递到腿部机构2，带动腿部机构2相对于身体前后向摆动，完成迈腿动作；减速电机15运转，通过腿足连接件16传递到足部机构3，调整足部机构3前后俯仰角度，模拟人足行走时的迈步动作；减速电机11运转，通过丝杠14传递给腿部直线关节滑块9，带动腿部直线关节滑块9上下运动，由于腰部不动，从而使得腿部本体实现上下移动完成抬腿动作。通过前后向旋转电机7、减速电机11、减速电机15的运转配合，实现腿部本体向前迈腿行走，通过侧向旋转电机5的运转，实现腿部本体左右移动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。