足万向节基座、足踝组件及小型人形机器人的制作方法

本技术涉及人形机器人，尤其涉及一种用于小型人形机器人的足万向节基座、足踝组件及小型人形机器人。

背景技术：

1、人形机器人的足踝部位用于连接腿部与足部，并在承受机器人支撑载荷的同时，允许足部相对于小腿进行俯仰、侧摆等运动。小型人形机器人的脚踝区域空间有限，万向节、两个驱动摇杆及其球铰连接结构需要在有限空间内协同布置，两个球铰相对于万向节的位置关系还会影响双摇杆对足部姿态的协同控制。

2、现有足踝结构中，驱动摇杆的下端球头通常通过独立摇杆支架安装在脚板或脚踝附近，万向节则由另一支撑结构安装。独立摇杆支架与万向节支撑结构分别加工、定位和装配，容易产生装配累积误差；在反复受力后，各连接界面还可能产生配合间隙，使两个球头相对于万向节转动中心的位置发生偏差，从而增加运动控制的校准难度，并影响双摇杆协同驱动的一致性。

3、此外，机器人行走和姿态调整时，摇杆球头处承受方向和大小反复变化的推拉载荷，独立摇杆支架、紧固件及其连接界面可能因松动或间隙而发生相对碰撞，产生机械噪声。独立摇杆支架、万向节支撑结构以及相应紧固件和装配操作空间还会占用较多脚踝空间，不利于减小足踝结构的体积。

技术实现思路

1、本技术为解决小型人形机器人足踝部位中摇杆铰接结构因装配累积误差和连接间隙影响双摇杆协同运动控制，并在交变载荷下易产生松动碰撞噪声的技术问题，提供一种足万向节基座、足踝组件及小型人形机器人。

2、在一技术方案中，提供一种用于小型人形机器人的足万向节基座。足万向节基座包括基座本体、前铰接翼和后铰接翼，前铰接翼和后铰接翼沿足部前后方向间隔设置于基座本体上，二者之间形成用于安装万向节的万向节安装空间。前铰接翼和后铰接翼分别具有位于足部宽度方向左侧和右侧的侧部。前铰接翼左侧、前铰接翼右侧、后铰接翼左侧和后铰接翼右侧构成四个候选铰接位置。四个候选铰接位置中的两个候选铰接位置分别位于足部宽度方向的相对两侧，且分别一体形成有第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆，第一摇杆铰接杆和所述第二摇杆铰接杆分别由对应的候选铰接位置沿足部宽度方向向外延伸，且分别用于安装与第一摇杆、第二摇杆球铰连接的球头。

3、通过将两个摇杆铰接杆与用于支撑万向节的铰接翼设置为一体结构，球头和万向节的相对位置可由同一足万向节基座确定，并可省去独立摇杆支架及其紧固结构。

4、在一技术方案中，第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆分别一体形成于同一铰接翼在足部宽度方向上的相对两侧。两个摇杆铰接位置由同一铰接翼提供，可以形成统一的加工和装配基准，并使足踝两侧的摇杆载荷经同一铰接翼汇入基座本体。

5、在一技术方案中，该同一铰接翼为后铰接翼。此时，第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆分别设置在后铰接翼的左、右两侧，前铰接翼位于两个摇杆铰接杆的前方，使万向节支撑部位与两个摇杆球铰部位沿足部前后方向错开布置，避免相应安装空间相互重叠。

6、在一技术方案中，第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆的中心轴线重合。两个摇杆铰接杆具有共同的轴线基准，便于使安装在两侧的球头处于相同或接近的高度，并使两个摇杆在足部宽度方向上形成相对均衡的作用位置。

7、在一技术方案中，基座本体、前铰接翼、后铰接翼、第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆一体形成。该一体结构取消了摇杆铰接杆与铰接翼之间的紧固连接，使摇杆载荷沿连续结构传递至基座本体，并可避免摇杆铰接杆松动。

8、在一技术方案中，第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆分别包括与对应铰接翼一体连接的主体段以及连接于主体段外端的装配段，装配段的外径小于主体段的外径。主体段用于承接球头传入的载荷，外径较小的装配段用于穿设球头，并在主体段与装配段之间形成供球头轴向定位的台阶。

9、在一技术方案中，足万向节基座还包括分别安装于第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆的第一球头和第二球头，第一球头和第二球头分别设有供对应装配段穿过的通孔，各装配段的外端分别设有用于限制对应球头沿装配段向外脱出的紧固件。球头由主体段一侧的台阶和装配段外端的紧固件共同限位，可在保持球头安装位置的同时，供相应摇杆形成球铰连接。

10、在一技术方案中，提供一种小型人形机器人的足踝组件，包括脚板、小腿连接件、万向节、第一摇杆、第二摇杆、第一球头、第二球头以及前述足万向节基座；万向节设置于万向节安装空间并与小腿连接件连接，足万向节基座、万向节以及小腿连接件共同形成能够整体安装于脚板的踝部预装模组；足万向节基座与脚板可拆卸连接，第一球头安装于第一摇杆铰接杆，第二球头安装于第二摇杆铰接杆，第一摇杆与第一球头球铰连接，第二摇杆与第二球头球铰连接。由此，万向节与小腿连接件能够先在足万向节基座上完成装配和检查，再随足万向节基座整体安装至脚板。

11、在一技术方案中，基座本体设有脚板连接部，踝部预装模组通过脚板连接部与脚板可拆卸连接。脚板连接部为踝部预装模组提供与脚板对应的定位和紧固位置，便于踝部预装模组整体拆装。

12、在一技术方案中，小腿连接件至少部分伸入万向节安装空间，万向节连接于小腿连接件与足万向节基座之间，以使小腿连接件能够相对于足万向节基座绕万向节限定的第一转动轴线和第二转动轴线转动。小腿连接件伸入前铰接翼和后铰接翼之间，使两条转动轴线的连接结构集中在万向节安装空间内。

13、在一技术方案中，第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆分别一体形成于后铰接翼在足部宽度方向上的相对两侧，并分别沿足部宽度方向向外延伸。两个球头由后铰接翼左右两侧向外安装，万向节安装空间位于两个铰接翼之间，从而将球铰连接位置与万向节的中部安装区域分开。

14、在一技术方案中，万向节限定相交于一交点的第一转动轴线和第二转动轴线，第一球头和第二球头的球心关于经过该交点且沿足部前后方向延伸的竖直平面对称。该对称关系以所述竖直平面为对称面，两个球心分别位于该竖直平面的左、右两侧，且两个球心到该竖直平面的垂直距离相等。第一摇杆和第二摇杆可具有相对应的横向力臂。

15、在一技术方案中，第一球头和第二球头的球心连线沿足部宽度方向延伸，两个球心在足部前后方向上位于经过交点且沿足部宽度方向延伸的竖直平面的同一侧，并且两个球心位于同一高度。该位置关系使两个球头具有相同的前后偏置和高度基准，便于两个摇杆通过同向运动或差动运动向足部施加相互配合的驱动力。

16、在一技术方案中，将每个球心至经过交点且沿足部前后方向延伸的竖直平面的距离记为x，将每个球心至经过交点且沿足部宽度方向延伸的竖直平面的距离记为y，将每个球心至经过交点的水平面的距离记为z，z小于x且小于y。该关系使球头相对于万向节转动中心的水平偏置大于高度偏置，在保留驱动力臂的同时，避免球头位置过高而增加足踝结构的竖向尺寸。

17、在一技术方案中，x为脚板在足部宽度方向上的最大尺寸的1/3至1/2。由此，第一球头和第二球头可在脚板的宽度范围内分别靠近脚板的左侧边缘和右侧边缘布置，以获得相对较大的横向力臂，同时避免球头伸出脚板的宽度范围。

18、在一技术方案中，y为脚板在足部前后方向上的最大尺寸的1/5至1/4。该前后偏置使球头相对于万向节转动中心形成用于驱动足部摆动的前后方向力臂，并使球头与脚板前后端保持间隔。

19、在一技术方案中，第一摇杆和第二摇杆的下端分别设有铰座，铰座内安装有轴承，第一球头和第二球头分别与对应轴承转动配合，以使第一摇杆和第二摇杆分别与对应球头形成球铰连接。轴承为摇杆相对于球头的角度变化提供转动支承，使摇杆能够适应足踝组件绕两条转动轴线运动时产生的摆角变化。

20、在一技术方案中，铰座面向对应摇杆铰接杆的一侧设有挡圈，挡圈设置于对应轴承朝向摇杆铰接杆的一侧，以对轴承进行轴向限位；对应摇杆铰接杆的外端设有紧固件，紧固件用于限制对应球头沿摇杆铰接杆向外脱出。挡圈对轴承限位，紧固件对球头限位，使摇杆侧的转动支承结构与摇杆铰接杆侧的球头分别保持在各自装配位置。

21、在一技术方案中，提供一种小型人形机器人，包括机身、连接于机身的腿部以及连接于腿部的前述足踝组件；小腿连接件连接于腿部的下端，脚板构成小型人形机器人的足部支撑结构。

22、在一技术方案中，在小型人形机器人正常站立且脚板与水平支撑面接触的状态下，水平支撑面至小型人形机器人最高点的竖直距离为0.6米至1.2米。

23、上述技术方案中，将第一摇杆铰接杆和第二摇杆铰接杆直接形成在用于支撑万向节的前铰接翼或后铰接翼上。第一摇杆和第二摇杆产生的驱动力依次经球头、摇杆铰接杆、铰接翼和基座本体传至脚板，无需经过独立摇杆支架。

24、在运动控制方面，万向节安装位置与两个摇杆球铰安装位置由同一足万向节基座确定，可减少分散支架分别加工和装配产生的累积误差，使两个球头相对于万向节转动中心的实际位置更接近预定位置，从而降低位置偏差对双摇杆协同运动控制的影响。

25、在噪声方面，摇杆铰接杆与铰接翼一体形成，二者之间不再设置紧固件，可避免摇杆铰接杆因连接松动而发生相对碰撞，从而降低足踝运行时的机械噪声。在体积方面，摇杆铰接结构与万向节支撑结构共用前铰接翼、后铰接翼和基座本体，省去了独立摇杆支架及其紧固件和装配操作空间，使足踝部件能够集中布置，有利于缩小足踝结构体积。此外，足万向节基座、万向节和小腿连接件可先组成踝部预装模组，再整体安装至脚板，以降低狭小空间对装配操作的限制。球头由主体段与装配段之间的台阶以及装配段外端的紧固件共同轴向限位，能够在承受交变推拉载荷时保持球头的装配位置，并使载荷经一体式摇杆铰接杆连续传递至铰接翼和基座本体。