一种人形机器人下肢结构的制作方法

本发明涉及人形机器人，具体为一种人形机器人下肢结构。

背景技术：

1、人形机器人是机器人领域重要的发展方向，可适配人机协同作业、特种工况执行、仿人运动仿真等多元应用场景。下肢结构作为人形机器人实现行走、蹲起、转向、越障等仿人动作的核心承载与运动执行部件，其结构紧凑度、机械强度以及腿部惯量特性，会对机器人的运动表现、动态平衡能力以及整机外壳集成设计产生较大影响。伴随人形机器人相关技术持续迭代，应用端对下肢同时兼顾轻量化、结构刚度、较小远端转动惯量与紧凑外形的综合需求逐步提高，也对下肢关节排布、承载传动结构的设计提出新的设计挑战。

2、现阶段主流人形机器人髋关节多采用俯仰-横滚-偏航外置布局、横滚-偏航-俯仰构型两类方案。俯仰-横滚-偏航外置布局具备髋部排布直观、装配检修便捷、电机走线无遮挡的特点，但俯仰电机设置于下肢上端，下肢自重与动态摆动载荷通过较长力臂作用在电机输出端，较为直接地提升了对电机扭矩规格的要求；横滚-偏航-俯仰构型可缩短驱动力臂，降低俯仰方向的扭矩需求，不过存在髋部三轴叠装层级较深、轴线不相交的情况。采用上述两类髋关节方案的下肢结构，较为普遍存在外形尺寸偏大、内部空间利用率有限的情况，较难同时达成结构紧凑、机械强度高、腿部远端转动惯量小的设计目标，会增加整机外壳包络的设计难度，也会给下肢运动控制算法的调试运行带来一定压力，为此，我们提出一种人形机器人下肢结构。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种人形机器人下肢结构，单侧腿部包括自上而下依次装配的髋部驱动组件、大腿骨架总成、膝关节传动总成、小腿骨架总成、踝关节传动总成以及脚，所述髋部驱动组件包含沿腿部纵向由上至下排布的多台驱动电机以及止推轴承，所述止推轴承夹装于位于中间位置的驱动电机输出端与下方骨架的对接结合面之间，所述大腿骨架总成包括大腿骨架，所述大腿骨架的左右两侧设置对称安装法兰，所述膝关节传动总成包含驱动电机，该驱动电机横向穿设于所述大腿骨架两侧的安装法兰之间，所述驱动电机两端分别设置输出部件与支撑部件，形成双端支撑限位结构，所述小腿骨架总成与所述大腿骨架相铰接，所述踝关节传动总成包含由连杆、轴承件、十字轴支撑件共同构成的rss闭环连杆结构。

2、在一些实施例中，所述髋部驱动组件包括髋关节横滚电机、髋关节偏航电机、髋关节俯仰电机；所述髋关节横滚电机、所述髋关节偏航电机、所述髋关节俯仰电机沿腿部纵向由上至下排布；所述止推轴承夹装于所述髋关节偏航电机输出端与髋关节俯仰骨架的对接结合面之间；所述髋关节横滚电机端部设有髋关节横滚支撑端插销，所述髋关节横滚支撑端插销将髋关节横滚电机壳体与髋基座定位锁紧；所述髋关节俯仰电机与所述大腿骨架的连接基座设有髋关节俯仰支撑端插销，所述髋关节俯仰支撑端插销将所述髋部驱动组件与所述大腿骨架顶端刚性固定。

3、在一些实施例中，所述大腿骨架为镂空一体式承载支架结构。

4、在一些实施例中，所述膝关节传动总成包括膝关节俯仰电机、膝关节输出轴、膝关节支撑端、膝关节俯仰支撑端轴承、膝关节轴销、膝关节连杆、膝关节连杆轴销；所述膝关节俯仰电机横向穿设于所述大腿骨架两侧的安装法兰之间，所述膝关节俯仰电机一端装配所述膝关节输出轴，另一端装配所述膝关节支撑端，所述膝关节俯仰支撑端轴承装配于所述膝关节支撑端处；所述小腿骨架总成上端通过所述膝关节轴销与所述大腿骨架铰接；所述膝关节俯仰电机收纳于所述大腿骨架的内部装配区间，所述膝关节俯仰电机及其外部防护外壳不超出所述大腿骨架的侧向边界。

5、在一些实施例中，所述小腿骨架总成还包括小腿驱动叉耳；所述膝关节连杆上端通过所述膝关节连杆轴销铰接于所述膝关节输出轴的叉耳上，所述膝关节连杆下端与所述小腿驱动叉耳铰接。

6、在一些实施例中，所述小腿驱动叉耳上的膝关节连杆轴销轴心相对膝关节旋转中心呈30°夹角布置；所述膝关节输出轴、所述大腿骨架、所述小腿驱动叉耳、所述膝关节连杆构成平行四边形传动构型，膝关节的屈伸转动角度不小于120°。

7、在一些实施例中，所述小腿骨架总成包括小腿骨架与电机端盖，所述电机端盖安装于所述小腿骨架的安装孔位；所述踝关节传动总成还包括踝关节电机，所述踝关节电机由所述电机端盖固定。

8、在一些实施例中，所述小腿骨架下端集成所述十字轴支撑件，所述十字轴支撑件与所述脚的安装基座相配合。

9、在一些实施例中，所述踝关节传动总成包括两组对称布置的踝关节连杆以及球轴承，两组所述踝关节连杆、所述球轴承、所述十字轴支撑件共同构成所述rss闭环连杆结构。

10、在一些实施例中，所述踝关节传动总成还包括踝关节输出轴，所述踝关节输出轴连接踝关节电机与所述rss闭环连杆结构。

11、本发明至少具备以下有益效果：

12、1、通过单侧腿部自上而下依次装配髋部驱动组件、大腿骨架总成、膝关节传动总成、小腿骨架总成、踝关节传动总成以及脚，髋部驱动组件内部止推轴承夹装于中间位置驱动电机输出端与下方骨架对接结合面之间，大腿骨架两侧设置对称安装法兰，膝关节传动总成的驱动电机横向穿设于两侧安装法兰之间并形成双端支撑限位结构，小腿骨架总成与大腿骨架相铰接，踝关节传动总成设置由连杆、轴承件、十字轴支撑件共同构成的rss闭环连杆结构：止推轴承承接腿部轴向载荷并补偿装配间隙，双端支撑限位结构对膝关节驱动电机实现两端约束，rss闭环连杆结构配合各关节的联动装配关系，各部件相互配合共同传递运动与承受载荷；止推轴承可抑制电机轴向窜动，双端支撑限位结构分摊落地冲击与弯曲弯矩，rss闭环连杆结构实现踝关节两个方向的运动输出，由此对应改善现有技术轴向承载不足、电机易形变的问题，实现结构更紧凑、关节承载可靠性提高，缓解下肢外形尺寸偏大、内部空间利用率有限所导致的整机外壳包络设计困难与运动控制算法调试运行压力增加的问题。

13、2、本发明通过髋部设置支撑端插销实现电机壳体与对应骨架的刚性定位锁紧，膝关节俯仰电机收纳于大腿骨架内部装配区间且不超出侧向边界，膝关节输出轴、大腿骨架、小腿驱动叉耳、膝关节连杆构成平行四边形传动构型，小腿骨架下端集成十字轴支撑件并与脚的安装基座相配合：支撑端插销约束电机与骨架之间的相对位移，内嵌布置收拢膝关节俯仰电机的大质量部件，平行四边形传动构型按照固定传动关系驱动小腿摆动，十字轴支撑件配合rss闭环连杆结构传递足部调节运动，各结构协同完成腿部屈伸、摆动以及足部姿态调节；电机内嵌布置降低腿部远端转动惯量，平行四边形传动构型简化运动传递关系，支撑端插销规避连接位置滑移，由此对应改善现有技术腿部远端惯量大、运动解算难度高的问题，实现腿部动态响应可靠性提高，降低整机外壳包络的设计难度，减轻下肢运动控制算法调试运行的压力。

1.一种人形机器人下肢结构，其特征在于：单侧腿部包括自上而下依次装配的髋部驱动组件（1）、大腿骨架总成（2）、膝关节传动总成（3）、小腿骨架总成（41）、踝关节传动总成（5）以及脚（6），所述髋部驱动组件（1）包含沿腿部纵向由上至下排布的多台驱动电机以及止推轴承（13）；所述止推轴承（13）夹装于位于中间位置的驱动电机输出端与下方骨架的对接结合面之间，所述大腿骨架总成（2）包括大腿骨架（21），所述大腿骨架（21）的左右两侧设置对称安装法兰，所述膝关节传动总成（3）包含驱动电机，该驱动电机横向穿设于所述大腿骨架（21）两侧的安装法兰之间，所述驱动电机两端分别设置输出部件与支撑部件，形成双端支撑限位结构，所述小腿骨架总成（41）与所述大腿骨架（21）相铰接，所述踝关节传动总成（5）包含由连杆、轴承件、十字轴支撑件（55）共同构成的rss闭环连杆结构。

2.根据权利要求1所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述髋部驱动组件（1）包括髋关节横滚电机（11）、髋关节偏航电机（12）、髋关节俯仰电机（14）；所述髋关节横滚电机（11）、所述髋关节偏航电机（12）、所述髋关节俯仰电机（14）沿腿部纵向由上至下排布；所述止推轴承（13）夹装于所述髋关节偏航电机（12）输出端与髋关节俯仰骨架的对接结合面之间；所述髋关节横滚电机（11）端部设有髋关节横滚支撑端插销（15），所述髋关节横滚支撑端插销（15）将髋关节横滚电机（11）壳体与髋基座定位锁紧；所述髋关节俯仰电机（14）与所述大腿骨架（21）的连接基座设有髋关节俯仰支撑端插销（16），所述髋关节俯仰支撑端插销（16）将所述髋部驱动组件（1）与所述大腿骨架（21）顶端刚性固定。

3.根据权利要求1所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述大腿骨架（21）为镂空一体式承载支架结构。

4.根据权利要求1所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述膝关节传动总成（3）包括膝关节俯仰电机（31）、膝关节输出轴（32）、膝关节支撑端（33）、膝关节俯仰支撑端轴承（34）、膝关节轴销（35）、膝关节连杆（36）、膝关节连杆轴销（37）；所述膝关节俯仰电机（31）横向穿设于所述大腿骨架（21）两侧的安装法兰之间，所述膝关节俯仰电机（31）一端装配所述膝关节输出轴（32），另一端装配所述膝关节支撑端（33），所述膝关节俯仰支撑端轴承（34）装配于所述膝关节支撑端（33）处；所述小腿骨架总成（41）上端通过所述膝关节轴销（35）与所述大腿骨架（21）铰接；所述膝关节俯仰电机（31）收纳于所述大腿骨架（21）的内部装配区间，所述膝关节俯仰电机（31）及其外部防护外壳不超出所述大腿骨架（21）的侧向边界。

5.根据权利要求4所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述小腿骨架总成（41）还包括小腿驱动叉耳（43）；所述膝关节连杆（36）上端通过所述膝关节连杆轴销（37）铰接于所述膝关节输出轴（32）的叉耳上，所述膝关节连杆（36）下端与所述小腿驱动叉耳（43）铰接。

6.根据权利要求5所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述小腿驱动叉耳（43）上的膝关节连杆轴销（37）轴心相对膝关节旋转中心呈30°夹角布置；所述膝关节输出轴（32）、所述大腿骨架（21）、所述小腿驱动叉耳（43）、所述膝关节连杆（36）构成平行四边形传动构型，膝关节的屈伸转动角度不小于120°。

7.根据权利要求1所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述小腿骨架总成（41）包括小腿骨架（41）与电机端盖（42），所述电机端盖（42）安装于所述小腿骨架（41）的安装孔位；所述踝关节传动总成（5）还包括踝关节电机（51），所述踝关节电机（51）由所述电机端盖（42）固定。

8.根据权利要求7所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述小腿骨架（41）下端集成所述十字轴支撑件（55），所述十字轴支撑件（55）与所述脚（6）的安装基座相配合。

9.根据权利要求1所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述踝关节传动总成（5）包括两组对称布置的踝关节连杆（53）以及球轴承（54），两组所述踝关节连杆（53）、所述球轴承（54）、所述十字轴支撑件（55）共同构成所述rss闭环连杆结构。

10.根据权利要求9所述的人形机器人下肢结构，其特征在于：所述踝关节传动总成（5）还包括踝关节输出轴（52），所述踝关节输出轴（52）连接踝关节电机（51）与所述rss闭环连杆结构。