本发明涉及仿生机器人，尤其是涉及一种仿生机器人的便装式仿生腿。
背景技术：
相对轮式、履带式移动机器人，仿生机器人运动时只需离散的点接触地面，可跨越较大的障碍，对复杂地形适应能力更强，且仿生机器人的腿部可具有多个自由度，使运动灵活性和表演性大大增强，可通过调节支撑腿角度和足部落点位置保持身体平衡，不易倾翻，稳定性高。未来，仿生机器人将在生活服务、管道检修、抗洪救灾、影视表演、安保及军事等方面具有更为广阔的应用前景。
对于仿生机器人的关键部件——仿生机械腿，国内外的研究成果丰富，种类很多，大体可以概括为如下几类。
第一类，采用机械传动的仿生机械腿，如cn201510404058.7公开了一种足式机器人的腿部结构，采用链条、链轮、多连杆机构实现腿部运动；这类仿生腿存在以下缺陷：一是仅适用于轻型或轻载机器人，关节扭矩小，无法应用于大型或重载型仿生机器人；二是这些仿生腿上无自身动力，动力集中在主体框架上，其结构复杂，安装维护不便，可靠性差；三是运动模式单一，仅适合特定路面，无法适应崎岖复杂地形；四是驱动器和关节运动呈非线性关系，导致控制系统复杂；五是其整体式集中电源存在充电时间长、充电效率低的问题。
第二类，采用“伺服电机+减速机”驱动仿生腿关节回转运动，如cn201220166860.9公开的一种电子机器人，以髋伺服机、腿伺服机、脚踝伺服机等伺服电机来实现腿部摆动或转动运动，可执行跳舞、扭腰、步行和多种复杂运动；cn201110142086.8公开了一种十二足机器人，以主伺服电机、活动伺服电机、旋转伺服电机驱动腿部关节运动；这类仿生腿存在以下不足：其一，自身无动力，动力主要集中在机器人主体上，仿生腿中各个关节的驱动机构、控制线缆与机器人主体直接连接，连接线缆多，极易因连接线缆磨损而整机瘫痪；其二，在仿生腿拆装维护时，由于连接线缆多，拆装维护颇为不便；其三，仿生腿动力装置——蓄电池布置在仿生机器人主体上，仅有一个充电口，对大容量电池来说，充电时间长，充电效率低；其四，采用集中的控制器来控制所有仿生腿的各个关节运动，控制程序复杂，编程工作量大。
第三类，是采用液压动力驱动的仿生机械腿，如cn201510644743.7公开的一种四足机器人，采用电动伺服液压源驱动系统驱动仿生腿关节运动；这些机器人的仿生腿存在如下问题：其一，动力源集中在主体框架上，需由机器人主体框架上的液压动力系统提供各个仿生腿的关节液压动力，极易因连接线缆或液压管道磨损而瘫痪；其二，其整体式集中电源布置在仿生机器人主体上，存在充电时间长、充电效率低的问题；其三，采用直线油缸的关节运动和驱动器呈现非线性关系，导致控制系统复杂；其四，仿生腿及其中布置的连接线缆或/和液压管道与机器人主体框架须直接相连接，拆装维护极不方便。
技术实现要素：
本发明所要解决技术问题是，克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种拆装维护方便，结构简单，工作可靠性高，适用范围广的便装式仿生腿。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种便装式仿生腿，包括大腿、小腿和足部，还设有连接架、动力装置和控制装置，所述连接架、大腿、小腿和足部依次通过关节相连；所述连接架用于将所述仿生腿与仿生机器人固定连接或拆卸；所述动力装置设在所述大腿和/或小腿内，和/或所述足部上，用于给所述仿生腿提供动力驱动；所述控制装置设置在所述大腿和/或所述小腿内，和/或所述足部，和/或所述连接架上，用于控制所述仿生腿的运动。
进一步，所述动力装置为电池组和/或太阳能薄膜件，和/或压电材料件，所述电池组为锂电池组或石墨烯电池组；所述太阳能薄膜件设置在所述大腿和/或所述小腿上，所述压电材料件设置在所述足部上。
进一步，所述控制装置包括控制器、充电口和电插件，所述控制器设在所述大腿或和小腿内，用于控制所述关节的运动；所述充电口设置在所述足部上；所述电插件设置在所述连接架上，用于与仿生机器人主体通讯。
进一步，所述关节为三维关节和/或二维关节，所述三维关节包括关节架、减速机和驱动马达；所述二维关节包括减速机和驱动马达；所述驱动马达固定在所述减速机的动力输入端，所述驱动马达与所述动力装置相连。
进一步，所述关节为三维关节和/或二维关节，所述三维关节包括关节架、减速机和驱动马达；所述二维关节包括减速机和驱动马达；所述驱动马达固定在所述减速机的动力输入端，所述驱动马达与所述动力装置相连。
进一步，所述三维关节的减速机和驱动马达均为两组，两组减速机分别设置在所述关节架的两端，呈相互非平行状态。
进一步，所述三维关节和二维关节设有角度传感器。
进一步，所述驱动马达为带制动的伺服电机或带制动的步进电机；所述减速机为直角减速机或rv减速机或蜗轮蜗杆减速机。
进一步，所述连接架为插销式连接架或卡扣式连接架或螺栓式连接架。
本发明通过连接架将仿生腿与仿生机器人主体固定连接，在需要对仿生腿进行维护或维修时，很容易将仿生腿从仿生机器人主体上拆卸下来进行维护、维修；维护、维修完毕后，也很容易将仿生腿与仿生机器人主体连接固定；通过设于大腿和/或小腿内，和/或足部上的自主动力装置及设于大腿和/或所述小腿内，和/或所述足部，和/或所述连接架上的控制装置，可进一步实现仿生腿的更快连接和更换，适用范围更广，安装拆卸更方便，操作控制更简单。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的三维结构示意图；
图3为本发明实施例2的三维结构示意图；
图4为本发明实施例2的结构示意图；
图5为本发明实施例3的三维结构示意图；
图6为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参照图1、图2，本实施例便装式仿生腿，具有4个自由度，主要包含连接架1、三维关节2、大腿a、二维关节ⅰ3、小腿b、二维关节ⅱ4、足部c、动力装置5、控制装置6；三维关节2固定在连接架1上并和大腿a相连，大腿a通过二维关节ⅰ3和小腿b相连，小腿b通过二维关节ⅱ4和足部c相连；动力装置5固定在大腿a和小腿b内；控制装置6固定在大腿a内，并与三维关节2、二维关节ⅰ3、二维关节ⅱ4电连接。
所述连接架1设有插销孔11a，用于将多组带自主分布动力的三关节仿生腿，快速连接固定在仿生机器人主体框架上。所述的大腿a、小腿b为具有空腔的异形构件选用高强铝合金制成，方便在空腔内部布置及固定动力装置5、控制装置6；所述足部c上设置有弹性橡胶件c1，用于减缓运动过程中振动冲击。
三维关节2包括直角减速机ⅰ201、驱动马达ⅰ202、关节架203、直角减速机ⅱ204、驱动马达ⅱ205；所述驱动马达ⅰ202固定在直角减速机ⅰ201的动力输入端，所述驱动马达ⅱ205固定在直角减速机ⅱ204的动力输入端，所述直角减速机ⅰ201、直角减速机ⅱ204以90度行交错设置分别固定在关节架203的两端，可使三维关节2实现三维空间转动。二维关节ⅰ3主要包括直角减速机ⅲ301以及固定在动力输入端的驱动马达ⅲ302。二维关节ⅱ4主要包括直角减速机ⅳ401以及固定在动力输入端的驱动马达ⅳ402，可使二维关节ⅰ3、二维关节ⅱ4实现二维平面转动。动力装置5主要包含两组可充电锂电池：电池组ⅰ501、电池组ⅱ502；电池组ⅰ501、电池组ⅱ502和驱动马达ⅰ202、驱动马达ⅱ205、驱动马达ⅲ302、驱动马达ⅳ402电连接；控制装置6主要包含控制器601、充电口602、电插件603；控制器601固定在大腿a框体内，用于控制仿生腿的3个关节精确运动；充电口602布置在足部c上，用于对仿生腿内部的电池组5充电;电插件603布置在连接架1上，用于和仿生机器人主体通讯。驱动马达ⅰ202、驱动马达ⅱ205、驱动马达ⅲ302、驱动马达ⅳ402为带制动、带传感器的伺服电机，可实时传递回转角度给控制装置6。
装配制造时，该仿生机械腿整体安装完毕后，通过连接架1、电插件603可迅速与仿生机器人主体固连及通讯；在仿生机器人运动过程中，每个仿生腿的控制器601根据仿生机器人主体上控制系统的模糊指令，确定各自仿生腿上三维关节2、二维关节ⅰ3、二维关节ⅱ4的精确运动参数；在电池组5提供电力基础上，三维关节2、二维关节ⅰ3、二维关节ⅱ4的驱动马达ⅰ202、驱动马达ⅱ205、驱动马达ⅲ302、驱动马达ⅳ402驱动减速机ⅰ201、减速机ⅱ204、减速机ⅲ301、减速机ⅳ401转动，实现减速增扭及关节转动；同时每个关节也根据编码器或传感器反馈的转动角度信息及时调整正传、反转、加速、减速、停止等动作。当仿生腿电池组5电量不足时，可通过每个仿生腿自带的充电口602快速充电。
实施例2
参照图3、图4，本实施例便装式仿生腿，具有4个自由度，与实施例1的主要区别在于：所述连接架1采用卡槽加固定销孔形式，用于与机器人快速连接；所述大腿a、小腿b为钛合金制成具有空腔的横截面为圆形的构件；其中大腿a、小腿b外表面还设有太阳能薄膜件ⅰa4、太阳能薄膜件ⅱb4，用于收集太阳能给仿生腿供电;大腿a、小腿b端部设置有弹性可伸缩保护套a5、弹性可伸缩保护套b5，用于保护关节；所述足部c采用具有弹性合金材料来减振缓冲的足状弹性足；所述的三维关节2、二维关节ⅰ3、二维关节ⅱ4分别设置有角度传感器ⅰ206、角度传感器ⅱ207、角度传感器ⅲ303、角度传感器ⅳ403，可实时传递回转角度信息给控制装置6；所述减速机ⅰ201、减速机ⅱ204、减速机ⅲ301、减速机ⅳ401采用rv减速机；所述的驱动马达ⅰ202、驱动马达ⅱ205、驱动马达ⅲ302、驱动马达ⅳ402采用带制动的步进电机；所述电池组5采用两组可充电固体电池；所述充电口602采用无线感应充电口，所述电插件603采用无线蓝牙式进行通讯。
实施例3
参照图5、图6，本实施例便装式仿生腿，具有4个自由度，与实施例1的主要区别在于：所述的连接架1设有螺栓安装孔11a，用于与仿生机器人主体连接；所述的减速机ⅰ201、减速机ⅱ204、减速机ⅲ301、减速机ⅳ401采用蜗轮蜗杆减速机，可实现自锁防止滑转；所述的大腿a、小腿b采用铝合金制成具有空腔的方型构件；其中大腿a、小腿b外表面还设有太阳能薄膜件ⅰa3、太阳能薄膜件ⅱb3，用于收集太阳能给仿生腿供电;所述的足部c上设置有压电材料件c2，利用振动冲击进行发电；所述的电池组5采用两组可充电石墨烯电池。
所述本发明各实施例便装式仿生腿具有如下积极效果：（1）通过连接架及电插件就可实现与仿生机器人主体固连和通讯，无需大量液压管路、电气线路连接，结构简单，安装和拆卸方便；同时管线磨损故障大幅降低，整机可靠性提高；（2）各个仿生腿的关节动作均通过分布式动力和分布式控制器控制，相对于集中在仿生机器人主体上集成控制，可大幅降低控制系统复杂程度，编程简单，同时也避免了集成动力系统的各个仿生腿之间互相动作影响；（3）采用驱动马达+减速机驱动关节转动。相对于液压直线油缸和其他机械连杆转动，关节的转动角度和驱动马达呈现线性关系，程序编制简单，方便调试和运行；同时也可实现大角度转动；（4）在各个仿生腿上设置蓄电池和充电口，相对采用整体电源，既提高可靠性，又提高充电效率。并可在仿生腿的腿节上设置太阳能板或薄膜，可实现仿生腿自我充电、减少能量需求。也可设置温压发电片在驱动马达上，吸收废热并发电，或者在弹性足设置压电发电片，吸收行走过程中的振动冲击并发电。
以上对本发明的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。