[發明專利]一種基于多關節耦合的準直驅腿足超動態機器人

有效

• 申請號: 201910913108.2
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110525536B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 黃強;孟非;王磊;劉華欣;范徐笑
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 北京卓唐知識產權代理有限公司 11541
• 代理人: 唐海力

本申請實施例公開了一種基于多關節耦合的準直驅腿足超動態機器人。該機器人支腿可以包括髖關節驅動裝置、大腿機構、膝關節驅動裝置、小腿機構、腿足機構和關節耦合組件。本申請實施例的機器人支腿一方面通過引入仿生跨關節肌腱?韌帶在生物動態運動中的作用原理，并進行功能擴展，可以驅動關節的協同作用，在增加機器人跳躍能力的同時，形成一個靜態無電機功率輸入的平衡點，可以解決直驅機器人在長時間靜止時的電機發熱問題；另一方面通過結合第二減速傳動機構，可以使采用本申請機器人支腿的機器人形成為準直驅腿足機器人，提高了機器人超動態運動能力。

技術領域

本申請涉及機器人相關技術領域，具體地說是涉及一種基于多關節耦合的準直驅腿足超動態機器人。

背景技術

超動態(如跳躍)運動機器人的關鍵技術是驅動系統可以提供一種高功率密度的輸出，同時對控制系統的響應帶寬有很高的要求。

目前為了增加機器人關節的輸出功率大多采用液壓驅動和大減速比的電機驅動，這些元件增加輸出功率的同時增加了機器人系統的慣量和摩擦等，同時大的減速比降低了控制系統的響應速度。

液壓驅動雖然提高了機器人驅動的功率密度，但是其液壓泵噪聲和液壓缸油漏極大的限制了液壓驅動機器人的應用范圍。

高減速比的電機驅動系統雖然增加了驅動密度但是大大的降低了控制系統關節的響應速度和關節運動速度，同時增加了系統的慣量、摩擦等參數，降低了機器人的超動態運動能力。

現有的直驅動機器人也面臨一個嚴峻的問題就是長時間靜止時的驅動系統發熱，導致能量的浪費。例如，采用電機驅動的直驅和準直驅機器人面臨一個嚴重的工程問題就是電機的發熱，尤其是在需要機器人長時間運動或者保持靜態穩定時會產生大量的熱，降低能量利用率，也可能損壞電機驅動系統。

發明內容

針對現有技術之不足，本申請一方面提供了一種機器人支腿。該機器人支腿可以包括髖關節驅動裝置、大腿機構、膝關節驅動裝置、小腿機構、腿足機構和關節耦合組件。所述髖關節驅動裝置與所述大腿機構的上端鉸接形成為髖關節，并通過第一減速傳動機構傳動連接。所述膝關節驅動裝置設置于所述大腿機構上。所述小腿機構的上端與所述大腿機構的下端鉸接形成為膝關節。并且，所述膝關節驅動裝置通過第二減速傳動機構與所述小腿機構傳動連接。所述腿足機構的中部與所述小腿機構的下端鉸接形成為踝關節。并且，在所述腿足機構的上端與所述大腿機構之間設置有彈性連接機構，使得所述大腿機構、所述小腿機構、所述腿足機構和所述彈性連接機構形成為彈性四連桿機構。所述關節耦合組件包括第一拉繩、第一彈性連接件和第二拉繩。在安裝狀態下，所述第一彈性連接件位于髖關節與膝關節之間。所述第一拉繩的下端與所述第一彈性連接件的上端相連接，所述第一拉繩的上端繞過所述膝關節驅動裝置連接在所述髖關節驅動裝置。所述第二拉繩的上端與所述第一彈性連接件的下端相連接，所述第二拉繩的下端繞過設置在膝關節處的滑輪連接在所述腿足機構的上端。

本申請的機器人支腿一方面通過引入仿生跨關節肌腱-韌帶在生物動態運動中的作用原理，并進行功能擴展，可以驅動關節的協同作用，在增加機器人跳躍能力的同時，形成一個靜態無電機功率輸入的平衡點，可以解決直驅機器人在長時間靜止時的電機發熱問題；具體的，通過設置關節耦合組件可以形成跨越髖、膝、踝三關節的彈性耦合運動結構，從而可以使機器人形成靜態無電機功率輸入的平衡，避免靜止狀態下電機的發熱，即多關節的耦合形成一個靜止狀態下無電機功率輸出的平衡，可以避免長時間靜止站立的驅動系統發熱現象；另外，各個關節協同耦合可以減輕膝關節對重力的平衡負載，實現更多能量的超動態運動效果，即更多主動關節的耦合提高電驅動系統的整體能量利用效率，可以實現更高更快的超動態運動。本申請的機器人支腿的另一方面通過結合第二減速傳動機構，可以使采用本申請機器人支腿的機器人形成為準直驅腿足機器人，提高了機器人超動態運動能力。