[发明专利]低惯量高承载的腿部结构及应用其的足式机器人

说明书

本发明属于机器人相关技术领域，并公开了一种低惯量高承载的腿部结构及应用其的足式机器人。该腿部结构包括胯部连接器、骨盆总成、膝关节电机、髋关节电机、侧摆关节电机和腿连杆，其中：胯部连接器同时与上述三个电机的定子连接，该三个电机的转子分别与骨盆总成连接，侧摆关节电机与髋关节电机同轴相对，膝关节电机轴线与这两个电机的轴线垂直，髋关节电机驱动大腿连杆转动，膝关节电机驱动小腿连杆转动，侧摆关节电机驱动腿连杆侧向摆动，以此实现机器人腿部外摆内收和大腿、小腿的屈伸。通过本发明，三个关节电机并联到机身，骨盆总成进行动力分流，从而减小腿部惯量，增强腿部刚度，提高承载和动态响应能力。

技术领域

本发明属于机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种低惯量高承载的腿部结构及应用其的足式机器人。

背景技术

足式机器人普遍采用多连杆腿部构型实现行走、蹦跳运动，因此机器人整机性能很大程度上取决于机器人腿的机动性能。高性能足式机器人要求腿部具有高承载能力、轻质量、小惯量、高动态响应，但由于尺度效应的存在，这些目标需求往往存在冲突，对腿部的结构设计提出了挑战，如何采用精巧的结构构型，合理配置结构参数，从而化解设计目标冲突已成为高性能足式机器人研究和开发的热点和难点。

目前相关机构和研发人员已经公开了多种设计方案。例如，已获授权专利CN104875813B公开了一种小型四足机器人的3自由度电动腿结构，包括侧摆关节、髋关节和膝关节，能实现腿部的外摆/内收、大腿屈伸、小腿屈伸等运动。为减小腿部惯量，该方案将膝关节驱动电机上移至胯部,利用四杆机构将电机的旋转运动传递至膝关节。髋膝关节的电机采用了共轴线的布置方案，使得腿部整体结构的重心靠近髋关节旋转轴线，三个关节分别由独立的永磁同步力矩电机直接驱动，侧摆关节电机的定子与机体相连，其转子与髋关节电机的定子相连，同样，髋关节电机的转子连至膝关节定子，由此构成串联式关节配置，其髋膝电机对向布置于腿连杆两侧，电机连接机壳相对较短。处于实审状态的专利文件CN109941369A公开了一种小型四足机器人的3自由度电动腿结构，其髋膝关节安装在腿连杆的内侧，髋关节机壳较长，关节轴承弯矩较大，仅适用于小型足式机器人。专利CN103448828B采用滚珠丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动，以便达到类似直线作动器的作动效果，实现大腿屈伸、小腿屈伸运动。其膝关节旋转电机上置于髋关节轴线附近，有效降低了腿部惯量。但由于丝杠行程有限，腿连杆的运动空间较小，且丝杠伸缩需一定腿结构外活动空间，导致结构设计较困难。专利CN 107200078B采用髋膝平行布置的方式，利用多连杆缩放式机构传递大腿、小腿运动，髋膝运动耦合，由于小腿中间传动导轨的存在，腿刚度较差，机械增益小，执行器所需驱动力较大，也只适合于轻载机器人。美国麻省理工学院自2015年发表的以“Design Principles for Energy-Efficient Legged Locomotionand Implementation on the MIT Cheetah Robot”为代表的系列论文公开了其研制的MITCHEETAH机器人所采用的髋、膝关节共轴布置方案。在该方案中，大、小腿串联布置，髋关节直连大腿连杆，膝关节通过四连杆机构或同步带连接小腿连杆，机器人具有快速奔跑、跳跃的能力，其运动能耗接近动物水平；加州大学伯克利分校研制的ATRIAS也采用了髋、膝关节的共轴分布方案，并使用剪叉机构作为腿连杆，髋膝关节电机分别通过剪叉机构的两旋臂控制腿连杆的屈曲伸张，剪叉机构的应用使腿结构具有较低的重量。

综上，尽管膝关节驱动上置和髋膝共轴的设计方案有效保证了足式机器人腿部结构的动态性能，但仍存在如下问题：

(1)髋膝共轴的串联式腿部结构主要依靠关节轴传动，传动关系相互耦合，负载层层放大，造成关节支撑结构重量较重，减弱关节的刚度，降低承载能力；

(2)由于关节串联关系的存在，后一级关节整体作为前一级关节的负载，由此增大了前一级关节的等效转动惯量，降低腿结构的动态响应能力。

这些问题的存在导致机器人的负载能力受到限制。为获得更高的运动性能、更大的腿部负载能力，需对胯部结构进行优化设计。

发明内容