类人形机器人及其腿部结构的制作方法

本申请属于类人形服务机器人技术领域，尤其涉及类人形机器人及其腿部结构。

背景技术：

在机器人领域，传统的类人形机器人存在重心低、重量大、转动惯量高等难题，减低腿部的惯量对于机器人的控制有很大的帮助，降低惯量也可以降低机器人所需要的扭矩。现有各种类人形机器人的关节大多为串联构型，这样导致腿部重量很重，转动惯量大。小腿部分由于在整条腿的末端，所以对转动惯量影响也是最大的，怎么减少腿部分的重量很重要。类人形机器人腿部中扭矩最大的为膝关节，为了保存机器人的稳定性，通常腿部都是要曲着膝盖走路，这也更加导致膝关节的负荷，怎么样降低膝关节所需的扭矩也很重要。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种类人形机器人及其腿部结构，以解决现有类人形机器人的腿部结构转动惯量大的技术问题。

本申请实施例提供一种类人形机器人腿部结构，包括：

大腿部；

小腿部，摆动安装于所述大腿部；

膝关节驱动件，安装于所述大腿部；以及

膝关节传动组件，用于将所述膝关节驱动件的动力传递至所述小腿部以使所述小腿部摆动。

可选地，所述膝关节驱动件为转动驱动件，所述膝关节驱动件的壳体以所述膝关节驱动件的输出轴为轴线枢接于所述大腿部，所述膝关节驱动件的输出轴固定于所述大腿部。

可选地，所述膝关节驱动件的输出轴与所述大腿部之间连接有膝关节减速器，所述膝关节减速器的输入轴与所述膝关节驱动件的输出轴连接，所述膝关节减速器的输出轴固定于所述大腿部。

可选地，所述膝关节驱动件的壳体在背对所述膝关节驱动件的输出轴处固定有固定座，所述固定座枢接于所述大腿部；所述固定座通过膝轴承支承在所述大腿部上；所述固定座相对于所述大腿部的枢接轴线与所述膝关节减速器的输出轴共线。

可选地，所述膝关节传动组件包括固定于所述膝关节驱动件的壳体外周面的固定连杆，以及两端分别铰接于所述固定连杆与所述小腿部的连接杆。

可选地，所述膝关节传动组件包括由所述膝关节驱动件驱动转动的膝驱动件同步轮、固定于所述小腿部的小腿同步轮，以及绕设于所述膝驱动件同步轮与小腿同步轮以外的膝同步带。

可选地，所述类人形机器人腿部结构还包括：

脚部，活动连接于所述小腿部；

踝关节驱动件，安装于所述大腿部；

踝侧传动组件，用于将所述踝关节驱动件的动力传递至所述脚部以使所述脚部运动。

可选地，所述踝关节驱动件与所述踝侧传动组件的数量均为二；所述踝关节驱动件的壳体固定于所述大腿部，所述踝关节驱动件的输出轴一一对应地连接至所述踝侧传动组件，所述踝侧传动组件的输出端活动连接于所述脚部；所述脚部与所述小腿部的连接处、两个所述踝侧传动组件的输出端与所述脚部的连接处呈三角形三端点分布。

可选地，所述踝关节驱动件为转动驱动件，所述踝侧传动组件包括转动安装于所述小腿部的传动轴、用于将所述踝关节驱动件的动力传递至所述传动轴的传动机构、由所述传动轴驱动转动的传动连杆，以及两端分别铰接于所述传动连杆与所述脚部的连杆轴。

可选地，所述传动机构包括固定于所述踝关节驱动件的输出轴的踝小带轮、与所述传动轴同轴固定的踝大带轮，以及绕设于所述踝小带轮与所述踝大带轮以外的踝同步带；

或者，所述传动机构为链传动机构。

可选地，所述传动轴与所述传动连杆之间连接有踝侧减速器，所述踝侧减速器的输入轴与所述传动轴连接，所述踝侧减速器的输出轴固定于所述传动连杆。

可选地，所述踝关节驱动件设于所述大腿部内，所述踝关节驱动件的输出轴穿出所述大腿部外；所述传动机构位于所述大腿部的外侧；

所述小腿部开设有安装槽，所述踝侧减速器设于所述安装槽内；所述小腿部的一端伸入所述大腿部内；

所述小腿部开设有与所述安装槽连通的过孔，所述大腿部对应于所述过孔处开设有安装孔，所述传动轴依次穿过所述安装孔与所述过孔后连接于所述踝侧减速器的输入轴。

可选地，所述小腿部固定有安装座，所述安装座包括环形部及连接于所述环形部的筒状部，所述环形部固定于所述小腿部的外侧面，所述筒状部伸入所述安装孔设置；

所述安装座通过安装轴承支承在所述大腿部上，所述安装轴承设于所述筒状部与所述安装孔的内壁之间；

所述传动轴通过支承轴承支承于所述安装座上，所述支承轴承设于所述传动轴与所述筒状部的内壁之间。

可选地，所述大腿部包括大腿顶板及两个分别连接于所述大腿顶板的两个相对边缘的大腿侧板，所述膝关节驱动件转动安装在两个大腿侧板之间，两个所述踝关节驱动件分别安装于两个所述大腿侧板的内侧。

可选地，所述脚部包括底板、与所述底板间隔设置的脚板，以及设置于所述底板与所述脚板之间的六维力传感器，所述小腿部的一端活动连接于所述底板，所述踝侧传动组件的输出端活动连接于所述底板。

本申请实施例提供一种类人形机器人，包括上述的类人形机器人腿部结构。

本申请实施例提供的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：该类人形机器人腿部结构中，将重量较大的膝关节驱动件的安装位置提高到大腿部上，通过膝关节传动组件将膝关节驱动件的动力传递至小腿部，带动小腿部摆动，这使得大腿部的转动惯量降低，有效降低大腿部与小腿部之间膝关节的所需动力。该类人形机器人采用上述腿部结构，类人形机器人的腿部结构转动惯量得到降低，进而有效降小膝关节的所需动力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的类人形机器人腿部结构的立体装配图；

图2为图1的类人形机器人腿部结构的主视图；

图3为图2的类人形机器人腿部结构的局部剖视图；

图4为图2的类人形机器人腿部结构的立体分解图；

图5为图4的类人形机器人腿部结构的进一步立体分解图；

图6为图2的类人形机器人腿部结构在小腿部自立时的结构示意图；

图7为图2的类人形机器人腿部结构在小腿部后摆时的结构示意图；

图8为本申请另一实施例提供的类人形机器人腿部结构的剖视图；

图9为图2的类人形机器人腿部结构在脚部前端下摆时的结构示意图；

图10为图2的类人形机器人腿部结构在脚部前端上摆时的结构示意图；

图11为图2的类人形机器人腿部结构在脚部左摆时的结构示意图；

图12为图2的类人形机器人腿部结构在脚部右摆时的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的类人形机器人的两个腿部结构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1至图3，本申请实施例提供一种类人形机器人腿部结构100，其包括大腿部10、小腿部20、膝关节驱动件40、膝关节传动组件50。小腿部20摆动安装于大腿部10。膝关节驱动件40安装于大腿部10。膝关节传动组件50用于将膝关节驱动件40的动力传递至小腿部20以使小腿部20摆动。

本申请提供的类人形机器人腿部结构100，与现有技术相比，将重量较大的膝关节驱动件40的安装位置提高到大腿部10上，通过膝关节传动组件50将膝关节驱动件40的动力传递至小腿部20，带动小腿部20摆动，这使得大腿部10的转动惯量降低，有效降低大腿部10与小腿部20之间膝关节的所需动力。

在本申请另一实施例中，膝关节驱动件40位于大腿部10的上部分，这使得大腿部10的转动惯量进一步降低，更有效降低大腿部10与小腿部20之间膝关节的所需动力。踝关节驱动件60设置在膝关节驱动件40的下方并且安装在大腿部10，这样能够使得整体结构紧凑，同时也使大腿部10与小腿部20的转动惯量很低，以降低驱动力。

请参阅图3，在本申请另一实施例中，膝关节驱动件40为转动驱动件，膝关节驱动件40的壳体以膝关节驱动件40的输出轴为轴线枢接于大腿部10，膝关节驱动件40的输出轴固定于大腿部10。采用这个方案，相当于转动驱动件的输出轴固定不动，而转动驱动件的壳体产生转动。转动驱动件可以选用电机，结构紧凑，容易控制。

请参阅图3至图5，在本申请另一实施例中，膝关节驱动件40的输出轴与大腿部10之间连接有膝关节减速器41，膝关节减速器41的输入轴(如图3的膝关节减速器41右侧)与膝关节驱动件40的输出轴(如图3的膝关节驱动件40左侧)连接，膝关节减速器41的输出轴(如图3的膝关节减速器41左侧)固定于大腿部10。设置膝关节减速器41，能够降低转速以提高输出扭矩，并配合膝关节传动组件50以控制膝关节转动。在膝关节驱动件40采用电机时，通常定子通电，转子与电机轴将会同步转动。此处，电机轴(即膝关节驱动件40的输出轴)连接于膝关节减速器41的输入轴，而膝关节减速器41的输出轴固定于大腿部10而相对固定，电机轴会转动，与定子固定的电机壳体(即膝关节驱动件40的壳体)也会转动，进而将动力输出。减速器可以选用谐波减速器、rv减速器、行星减速器等。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，膝关节驱动件40的壳体在背对膝关节驱动件40的输出轴处固定有固定座42，固定座42枢接于大腿部10；固定座42通过膝轴承43支承在大腿部10上；固定座42相对于大腿部10的枢接轴线与膝关节减速器41的输出轴共线。采用固定座42将膝关节驱动件40的壳体转动安装于大腿部10上，并采用膝轴承43支承固定座42，这样使膝关节驱动件40的壳体自由稳定地转动以输出动力。

请参阅图1、图5至图7，在本申请另一实施例中，膝关节传动组件50包括固定于膝关节驱动件40的壳体外周面的固定连杆51，以及两端分别铰接于固定连杆51与小腿部20的连接杆52。大腿部10、固定连杆51、连接杆52与小腿部20形成四连杆机构，以膝关节驱动件40的壳体作为转动件，实现膝关节的控制，小腿部20能相对于大腿部10摆动。

请参阅图5、图7，在本申请另一实施例中，小腿部20开设有用于避让连接杆52的避让槽23。设置避让槽23，在小腿部20向后摆时，连接杆52会进入到避让槽23的位置，以避免连接杆52与小腿部20发生干涉。

请参阅图5、图7，在本申请另一实施例中，固定连杆51与连接杆52之间通过关节轴承53铰接，小腿部20与连接杆52之间通过关节轴承53铰接。关节轴承53是一种球面滑动轴承，运动时可以在任意角度旋转摆动。关节轴承53具有载荷能力大、抗冲击、抗腐蚀、耐磨损、自调心、润滑好等特点。采用关节轴承53连接两个连杆，在传动时两个连杆能够可靠转动。

请参阅图8，在本申请另一实施例中，膝关节传动组件50包括由膝关节驱动件40驱动转动的膝驱动件同步轮54、固定于小腿部20的小腿同步轮55，以及绕设于膝驱动件同步轮54与小腿同步轮55以外的膝同步带56。采用同步带机构，也能将膝关节驱动件40的动力传递至膝关节，使小腿部20相对大腿部10摆动。

请参阅图1至图3，在本申请另一实施例中，类人形机器人腿部结构100还包括脚部30、踝关节驱动件60与踝侧传动组件70，脚部30活动连接于小腿部20。踝关节驱动件60安装于大腿部10。踝侧传动组件70用于将踝关节驱动件60的动力传递至脚部30以使脚部30运动。将重量较大的踝关节驱动件60的安装位置提高到大腿部10上，通过踝侧传动组件70将动力传递至脚部30，带动脚部30运动，这使得小腿部20的重量和转动惯量很低，有效降低小腿部20与脚部30之间踝关节的所需动力。

请参阅图1、图2、图5，在本申请另一实施例中，踝关节驱动件60与踝侧传动组件70的数量均为二；踝关节驱动件60的壳体固定于大腿部10，踝关节驱动件60的输出轴一一对应地连接至踝侧传动组件70，踝侧传动组件70的输出端活动连接于脚部30；脚部30与小腿部20的连接处、两个踝侧传动组件70的输出端与脚部30的连接处呈三角形三端点分布。采用这个方案能够实现脚部30的俯仰运动与翻转运动。参阅图1，在机器人需保持站立时，脚部30与小腿部20的连接处、两个踝侧传动组件70的输出端与脚部30的连接处呈三角形三端点分布，机器人的重力经由小腿部20与脚部30传递至地面，确保小腿部20相对于脚部30的稳定性。

具体地，脚部30与小腿部20的连接处位于脚部30的后部，两个踝侧传动组件70的输出端与脚部30的连接处位于脚部30的前部。参阅图9、图10，当两个踝侧传动组件70的输出端与脚部30的连接处向同一个方向移动时，实现踝关节俯仰运动，即脚部30前端上下摆动；参阅图11、图12，当两个踝侧传动组件70的输出端与脚部30的连接处分别向上与向下移动时，实现踝关节翻滚运动和俯仰运动的复合运动，即脚部30前端左右摆动与上下摆动。

请参阅图1、图3、图5，在本申请另一实施例中，踝关节驱动件60为转动驱动件，踝侧传动组件70包括转动安装于小腿部20的传动轴71、用于将踝关节驱动件60的动力传递至传动轴71的传动机构72、由传动轴71驱动转动且向前方延伸的传动连杆73，以及两端分别铰接于传动连杆73与脚部30的连杆轴74。采用这个方案，能够将踝关节驱动件60的动力传递至脚部30，调节脚部30的姿态。工作时，踝关节驱动件60的动力通过传动机构72传递至传动轴71，由传动轴71带动传动连杆73摆动，而小腿部20、传动连杆73、连杆轴74与脚部30形成连杆机构，连杆轴74带动脚部30运动。

小腿部20的一端铰接于脚部30，配合两组踝关节驱动件60与踝侧传动组件70，从而在三个连接位调节脚部30，实现脚部30的俯仰运动与翻转运动。参阅图9、图10，当两个传动连杆73同一个方向转动时，实现踝关节俯仰运动；参阅图11、图12，当两个传动连杆73不同方向转动时，实现踝关节翻滚运动和俯仰运动的复合运动。参阅图1、图6，在小腿部20处于站立状态时，两个连杆轴74与小腿部20均沿竖直方向设置，传动连杆73向机器人的前方延伸，可靠地支撑起大腿部10及相关结构件。

踝关节驱动件60可以选用电机，结构紧凑，容易控制。而且，电机与大腿部10相对固定，电机走线可以相对固定在大腿部10上，避免传统机器人由于关节相对转动而导致走线困难且电线磨损的情况。具体地，两个踝关节驱动件60同轴设置且固定在大腿部10上，并分别配合踝侧传动组件70以驱动脚部30的两个连接位，进而调节脚部30的姿态，同时使结构紧凑。

请参阅图1、图3、图5，在本申请另一实施例中，传动机构72包括固定于踝关节驱动件60的输出轴的踝小带轮721、与传动轴71同轴固定的踝大带轮722，以及绕设于踝小带轮721与踝大带轮722以外的踝同步带723。采用同步带机构，能将踝关节驱动件60的动力传递至传动轴71，使传动轴71转动。另外，大腿部10还设有张紧轮724，张紧轮724抵压于踝同步带723，使得同步带机构工作可靠。

在本申请另一实施例中，传动机构72为链传动机构，采用这种方式也能将踝关节驱动件60的动力传递至传动轴71，使传动轴71转动。

请参阅图2、图3、图5，在本申请另一实施例中，传动轴71与传动连杆73之间连接有踝侧减速器75，踝侧减速器75的输入轴与传动轴71连接，踝侧减速器75的输出轴固定于传动连杆73。设置踝侧减速器75，能降低转速以提高扭矩，使传动连杆73输出预定动力，进而带动连杆轴74与脚部30运动。减速器可以选用谐波减速器、rv减速器、行星减速器等。

请参阅图1、图3，在本申请另一实施例中，踝关节驱动件60设于大腿部10内，踝关节驱动件60的输出轴穿出大腿部10外；传动机构72位于大腿部10的外侧，采用这种方式，结构简单，整体结构紧凑，还能对踝关节驱动件60进行保护。

请参阅图1、图3、图5，在本申请另一实施例中，小腿部20开设有安装槽221，踝侧减速器75设于安装槽221内，小腿部20的一端伸入大腿部10内，使得整体结构紧凑。具体地，两个踝侧减速器75的输出轴同轴设置，两个踝侧减速器75分别设置在小腿部20不同的安装槽221内，这样便于将踝关节驱动件60的动力经过踝侧减速器75传递至传动连杆73，进而使脚部30转动。

进一步地，参阅图3、图5，小腿部20开设有与安装槽221连通的过孔222，大腿部10对应于过孔222处开设有安装孔121，传动轴71依次穿过安装孔121与过孔222后连接于踝侧减速器75的输入轴。采用这个方式，便于传动轴71将动力传递至踝侧减速器75，而且传动轴71容易装配到大腿部10与踝侧减速器75上。

请参阅图3、图5，在本申请另一实施例中，小腿部20固定有安装座80，安装座80包括环形部81及连接于环形部81的筒状部82，环形部81固定于小腿部20的外侧面，筒状部82伸入安装孔121设置；安装座80通过安装轴承83支承在大腿部10上，安装轴承83设于筒状部82与安装孔121的内壁之间；传动轴71通过支承轴承84支承于安装座80上，支承轴承84设于传动轴71与筒状部82的内壁之间。采用这种方式，容易将小腿部20转动安装在大腿部10上，并将传动轴71转动安装在安装座80上，而且采用轴承支承使得两个结构件之间自由转动，同时使整体结构紧凑。

请参阅图1、图2、图5，在本申请另一实施例中，连杆轴74与传动连杆73之间通过关节轴承76铰接。采用关节轴承76连接连杆轴74与传动连杆73，在传动时连杆轴74与传动连杆73能够可靠转动。连杆轴74与脚部30之间通过铰链77铰接，铰链77包括上铰链座771、十字轴772和下铰链座773，十字轴772连接于上铰链座771与下铰链座773。上铰链座771固定于连杆轴74端部，下铰链座773固定于脚部30上，实现连杆轴74活动连接于脚部30上。脚部30与小腿部20之间通过铰链24铰接。该铰链24的结构与装配方式类似于连杆轴74与脚部30之间的铰链77。采用十字铰链连接两个结构件，能够使脚部30相对于小腿部20的摆动角度足够大，脚部30的活动范围更大。

请参阅图3至图5，在本申请另一实施例中，大腿部10包括大腿顶板11及两个分别连接于大腿顶板11的两个相对边缘的大腿侧板12，膝关节驱动件40转动安装在两个大腿侧板12之间。两个踝关节驱动件60分别安装于两个大腿侧板12的内侧，两个踝关节驱动件60的输出轴穿出大腿侧板12的外部，并连接于大腿侧板12外部的传动机构72。小腿部20的一端伸入两个大腿侧板12之间的开口。与传动机构72连接的传动轴71，由外往里穿进大腿侧板12与小腿部20侧壁，再与相应的踝侧减速器75连接。采用这种方式，结构简单，整体结构紧凑，能对驱动件进行保护。

请参阅图2、图3、图5，在本申请另一实施例中，小腿部20包括杆状体21与设于杆状体21的一端的两个框体22，杆状体21的另一端与脚部30活动连接，框体22内形成上述安装槽221以放置踝侧减速器75。采用这种小腿部20，能使小腿部20的重量和转动惯量很低，有效降低小腿部20与脚部30之间踝关节的所需动力。用于避让连接杆52的避让槽23形成于两个框体22之间。小腿部20还包括在两个框体22之间延伸形成的用于与连接杆52铰接的延伸臂25，便于连接杆52铰接于小腿部20，同时参阅图6、图7，使得大腿部10、固定连杆51、连接杆52与小腿部20的延伸臂25形成四连杆机构，以控制膝关节的运动。

请参阅图2、图6，在本申请另一实施例中，脚部30包括底板31、与底板31间隔设置的脚板32，以及设置于底板31与脚板32之间的六维力传感器33，小腿部20的一端活动连接于底板31，踝侧传动组件70的输出端活动连接于底板31。将六维力传感器33设置在底板31与脚板32之间，这样能保护六维力传感器33。机器人在行走时，底板31的受力传递至六维力传感器33，六维力传感器33能够同时测量多个方向力及力矩分量，将检测到的力信号反馈至机器人控制器，以获知脚部30的受力情况，进而控制膝关节驱动件40与踝关节驱动件60的输出动力。

请参阅图1、图13，在本申请另一实施例中，提供一种类人形机器人，包括上述的类人形机器人腿部结构100。该腿部结构100中，将重量较大的膝关节驱动件40的安装位置提高到大腿部10上，通过膝关节传动组件50将膝关节驱动件40的动力传递至小腿部20，带动小腿部20摆动，这使得大腿部10的转动惯量降低，有效降低大腿部10与小腿部20之间膝关节的所需动力。该类人形机器人采用上述腿部结构100，类人形机器人的腿部结构100转动惯量得到降低，进而有效降小膝关节的所需动力。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。