关节单元模组及腿部机器人的制作方法

1.本发明属于智能机械技术领域，更具体地说，是涉及一种关节单元模组及腿部机器人。


背景技术：

2.腿部机器人可用于人形机器人、工业机器人等各种应用场景中。传统腿部机器人多是通过串联方案把各个舵机顺序连接起来组成机器人的一条腿，导致了传统腿部机器人的膝关节舵机设置在膝关节处，脚踝舵机设置于脚踝处，如此导致机器人的质心低、转动惯量大、舵机力矩大、运动控制困难等问题。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的在于提供一种关节单元模组及腿部机器人，以解决现有技术中存在的机器人质心低、舵机所需力矩大的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种关节单元模组，包括用于使腿部旋转的髋转舵机、用于使腿部侧摆的髋侧舵机、用于使大腿结构件前后摆动的髋前舵机、用于使小腿结构件前后摆动的膝前舵机、大腿连杆结构、连接于所述髋前舵机的输出轴的所述大腿结构件、第一固定架和第二固定架，所述髋转舵机、所述髋侧舵机、所述髋前舵机和所述膝前舵机均设于髋关节处，所述大腿连杆结构的一端固定于所述膝前舵机的输出轴，另一端用于与所述小腿结构件转动连接，所述髋转舵机的输出轴与所述第一固定架固定连接，所述髋侧舵机的外壳固定在所述第一固定架上，且所述髋侧舵机的输出轴与所述第二固定架固定连接，所述髋前舵机和所述膝前舵机均固定设置于所述第二固定架。
5.在一个实施例中，所述第一固定架包括两个相对设置的第一固定板以及连接两个所述第一固定板的第二固定板，使所述第一固定架呈u形，所述髋转舵机的输出轴与所述第二固定板固定连接，所述髋侧舵机的外壳固定在其中一个所述第一固定板上。
6.在一个实施例中，所述第二固定架包括两个相对设置的第三固定板以及两个相对设置的第四固定板，其中一个所述第三固定板、其中一个所述第四固定板、另一个所述第三固定板和另一个所述第四固定板依次连接，使所述第二固定架呈框形，所述髋侧舵机的输出轴与其中一个所述第三固定板固定连接，另一个所述第三固定板与其中一个所述第一固定板转动连接，所述髋侧舵机和所述膝前舵机分别固定于两个所述第四固定板。
7.在一个实施例中，所述髋前舵机和所述膝前舵机同轴设置。
8.在一个实施例中，所述髋前舵机和所述膝前舵机的输出轴朝向同一方向设置，所述髋前舵机的输出轴背向所述膝前舵机设置；所述大腿结构件的数量为两个且同步运动，所述大腿连杆结构设于两个所述大腿结构件之间，所述髋前舵机的外壳和其中一个所述大腿结构件之间通过第一轴承支撑，所述膝前舵机的外壳和另一个所述大腿结构件之间通过第二轴承支撑。
9.在一个实施例中，所述膝前舵机的输出轴和所述髋前舵机的外壳通过支撑轴承连
接。
10.在一个实施例中，所述大腿连杆结构包括第一曲轴和第一连杆，所述第一曲轴的一端固定于所述膝前舵机的输出轴，所述第一曲轴的另一端与所述第一连杆转动连接，所述第一连杆的远离所述第一曲轴的一端用于与所述小腿结构件转动连接。
11.本发明还提供一种腿部机器人，包括上述的关节单元模组，还包括与所述大腿连杆结构转动连接的小腿结构件。
12.在一个实施例中，所述腿部机器人还包括固定于所述大腿结构件的脚踝舵机，以及连接于所述脚踝舵机的输出轴的小腿连杆结构，所述小腿连杆结构用于驱动脚板前后转动。
13.在一个实施例中，所述大腿结构件的数量为两个且同步运动，所述大腿连杆结构设于两个所述大腿结构件之间，所述髋前舵机的外壳和其中一个所述大腿结构件之间通过第一轴承支撑，所述膝前舵机的外壳和另一个所述大腿结构件之间通过第二轴承支撑；所述脚踝舵机的数量为两个且同轴设置，两个所述脚踝舵机分别固定于两个所述大腿结构件。
14.本发明提供的关节单元模组及腿部机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明关节单元模组中，膝前舵机通过大腿连杆结构驱动小腿结构件运动，使膝前舵机无需安装在膝关节处，膝前舵机、髋转舵机、髋侧舵机和髋前舵机均设置在髋关节处，一是使得关节舵机结构更加集中，结构更加紧凑，所需的安装空间更小，二是使得膝前舵机设置的高度较高，能够提高腿部机器人的质心，减小舵机所需的力矩。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
16.图1为本发明实施例提供的关节单元模组的立体结构图；
17.图2为本发明实施例提供的关节单元模组的爆炸结构图；
18.图3为本发明实施例提供的关节单元模组的剖视图；
19.图4为本发明实施例提供的腿部机器人的立体结构图；
20.图5为本发明实施例提供的腿部机器人的纵剖图；
21.图6为本发明实施例提供的腿部机器人在膝关节处的剖视图。
22.其中，图中各附图标记：
23.11
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髋转舵机；12
‑
髋侧舵机；13
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髋前舵机；14
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膝前舵机；15
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第一固定架；151
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第一固定板；152
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第二固定板；16
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第二固定架；161
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第三固定板；162
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第四固定板；17
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大腿结构件；18
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大腿连杆结构；181
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第一曲轴；182
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第一连杆；191
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第一轴承；192
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第二轴承；193
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支撑轴承；21
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脚踝舵机；22
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小腿结构件；23
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小腿连杆结构；231
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第二曲轴；232
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第二连杆；24
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舵机连接架；25
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脚板；26
‑
第七轴承。
具体实施方式
24.为了使本发明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，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
26.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发明和简化描述，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发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.现对本发明实施例提供的关节单元模组进行说明。
29.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，关节单元模组包括髋转舵机11、髋侧舵机12、髋前舵机13、膝前舵机14、大腿连杆结构18、大腿结构件17、第一固定架15和第二固定架16。髋转舵机11用于实现髋关节的旋转，使整个腿部随髋关节旋转；髋侧舵机12用于实现髋关节的侧摆，使整个腿部随髋关节侧摆；大腿结构件17固定于髋前舵机13的输出轴处，髋前舵机13用于使大腿结构件17前后摆动，当然，在大腿结构件17摆动时，小腿结构件22随大腿结构件17一同摆动；膝前舵机14用于使小腿结构件22前后摆动，大腿连杆结构18的一端固定于膝前舵机14的输出轴，大腿连杆结构18的另一端用于与小腿结构件22连接，这样，在膝前舵机14工作时，大腿连杆结构18的转动带动小腿结构件22旋转，实现小腿结构件22前后摆动。由于大腿连杆结构18的设置，使得膝前舵机14无需设置在膝关节处，可以将其设置在髋关节处，以提高关节单元模组的质心，减小舵机所需的动力。另外，髋转舵机11、髋侧舵机12、髋前舵机13和膝前舵机14均设于髋关节处，使得该关节单元模组的布局更加紧凑，腿部结构质量较小，整体体积也会更小。具体地，髋转舵机11的输出轴和第一固定架15固定连接，髋转舵机11的壳体可固定于外部结构上；髋侧舵机12的外壳固定在第一固定架15上，髋侧舵机12的输出轴与第二固定架16固定连接；髋前舵机13和膝前舵机14则均固定于第二固定架16上。在髋转舵机11工作时，第一固定架15、髋侧舵机12、第二固定架16、髋前舵机13、膝前舵机14、大腿结构件17和大腿连杆结构18一同旋转，即使整个腿部一同旋转；在髋侧舵机12工作时，第二固定架16、髋前舵机13、膝前舵机14、大腿结构件17和大腿连杆结构18一同侧摆，即使整个腿部一同侧摆。
30.上述实施例中的关节单元模组，膝前舵机14通过大腿连杆结构18驱动小腿结构件22运动，使膝前舵机14无需安装在膝关节处，膝前舵机14、髋转舵机11、髋侧舵机12和髋前舵机13均设置在髋关节处，一是使得关节舵机结构更加集中，结构更加紧凑，所需的安装空间更小，二是使得膝前舵机14设置的高度较高，能够提高腿部机器人的质心，减小舵机所需的力矩。
31.需要说明的是，该关节单元模组可以应用于髋关节，也可以应用于膝关节、肩关节、肘关节等关节结构中，髋转舵机11、髋侧舵机12、髋前舵机13、膝前舵机14、大腿结构件17以及大腿连杆结构18等名称并不限制该关节单元模组的具体应用位置。
32.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，第一固定架15包括两个第一固定板151和一个第二固定板152，第二固定板152的两侧分别连接两个第一固定板151。两个第一固定板151相对设置，使第一固定架15呈u形。具体地，两个第一固定板151可相互平行设置。髋转舵机11的输出轴和第二固定板152固定连接，结合图2，髋转舵机11设置于第一固定架15的顶部。髋侧舵机12的外壳固定在其中一个第一固定板151上，髋侧舵机12的输出轴可穿过第一固定板151与第二固定架16连接，以固定第二固定架16。第一固定架15呈u形时，其内部形成有空间，使得第二固定架16、髋转舵机11、膝前舵机14等可以设置在该空间内，使髋关节处的舵机分布更为紧凑。
33.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，第二固定架16包括两个第三固定板161和两个第四固定板162，两个第三固定板161相对设置，两个第四固定板162相对设置，其中一个第三固定板161、其中一个第四固定板162、另一个第三固定板161和另一个第四固定板162依次连接，使第二固定架16呈框形。其中，两个第三固定板161可相互平行设置，两个第四固定板162也可相互平行设置。第二固定架16设置于第一固定架15的内部，两个第三固定板161可分别邻近两个第一固定板151设置，第一固定板151可与第三固定板161相互平行。髋侧舵机12的输出轴与其中一个第三固定板161固定连接，具体而言，髋侧舵机12固定在其中一个第一固定板151的外侧，其中一个第三固定板161设置于第一固定板151的内侧，髋侧舵机12的输出轴穿过第一固定板151与第三固定板161固定连接，另一个第三固定板161也设置于另一个第一固定板151的内侧，且与该第一固定板151转动连接，具体可通过轴承实现两者的转动连接。髋侧舵机12和膝前舵机14则分别固定于两个第四固定板162。在该实施例中，髋侧舵机12驱动第二固定架16旋转时，第二固定架16的其中一个第三固定板161连接于髋侧舵机12的输出轴，由髋侧舵机12支撑，第二固定架16的另一个第三固定板161与第一固定板151转动连接，由第一固定板151支撑，由此形成对第二固定架16两侧的支撑，使得第二固定架16、髋前舵机13、膝前舵机14等的旋转更加平稳。
34.在本发明的其中一个实施例中，髋前舵机13和膝前舵机14的输出轴朝向同一方向设置，即其中一个舵机的输出轴朝关节模组的内部设置，另一个舵机的输出轴朝关节模组的外部设置。在该实施例中，大腿结构件17和大腿连杆结构18相隔一定距离，不会集中在关节模组的同一个位置，方便大腿结构件17和大腿连杆结构18的结构布局。
35.可选地，请参阅图1至图3，髋前舵机13的输出轴背向膝前舵机14设置，即髋前舵机13的输出轴朝向关节单元模组的外部设置，膝前舵机14的输出轴朝向关节单元模组的内部设置。大腿结构件17连接于髋前舵机13的输出轴，因此大腿结构件17也设置于关节单元模组的外侧，大腿连杆结构18连接于膝前舵机14的输出轴，因此大腿连杆结构18也设置于关节单元模组的内部。大腿结构件17的数量可选为两个，且两个大腿结构件17相互固定，两个大腿结构件17分别设置在关节模组的相对两侧，大腿连杆结构18设置在两个大腿结构件17之间。其中一个大腿结构件17固定于髋前舵机13的输出轴且与该髋前舵机13的外壳之间通过第一轴承191支撑，另一个大腿结构件17和膝前舵机14的外壳之间通过第二轴承192支撑，这样，两个大腿结构件17对髋前舵机13和膝前舵机14形成两侧支撑，增大了髋前舵机13
和膝前舵机14可承受的弯矩。髋前舵机13在工作时，固定于其输出轴的大腿结构件17转动，同时带动另一个大腿结构件17转动，两个大腿结构件17分别受到第一轴承191和第二轴承192的支撑。其中，第一轴承191可支撑于髋前舵机13的背向膝前舵机14一侧，第二轴承192可支撑于膝前舵机14的背向髋前舵机13一侧，使第一轴承191和第二轴承192之间的间距足够大，因此能够承受更大的弯矩。
36.当髋前舵机13和膝前舵机14的输出轴朝向同一方向设置，且髋前舵机13的输出轴背向膝前舵机14设置时，膝前舵机14的输出轴朝向髋前舵机13，膝前舵机14的输出轴和髋前舵机13的外壳之间通过支撑轴承193连接。在膝前舵机14工作时，其输出轴转动，在支撑轴承193的支撑作用下，膝前舵机14的输出轴转动，并不会影响髋前舵机13的位置。因此，在不影响膝前舵机14工作的前提下，能够对髋前舵机13进行支撑。这样，在髋前舵机13或者膝前舵机14受到弯矩作用时，上述的第二固定架16和支撑轴承193可以共同承担弯矩。
37.可选地，髋前舵机13的输出轴面向膝前舵机14设置，即髋前舵机13的输出轴朝向关节模组的内部设置，膝前舵机14的输出轴朝向关节单元模组的外部设置。大腿结构件17连接于髋前舵机13的输出轴，因此大腿结构件17也设置于关节单元模组的内部，大腿连杆结构18连接于膝前舵机14的输出轴，因此大腿连杆结构18也设置于关节单元模组的外侧。大腿连杆结构18的数量可选为两个，且两个大腿连杆结构18同步运动。具体而言，可将两个大腿连杆结构18的第一曲轴181相互固定，使两个大腿连杆结构18同步运动。两个大腿连杆结构18分别设置在关节单元模组的相对两侧，大腿结构件17设置在两个大腿连杆结构18之间。其中一个大腿连杆结构18固定于膝前舵机14的输出轴且与该膝前舵机14的外壳之间通过第三轴承支撑，另一个大腿连杆结构18和髋前舵机13的外壳之间通过第四轴承支撑，这样，两个大腿连杆结构18对髋前舵机13和膝前舵机14形成两侧支撑，增大了髋前舵机13和膝前舵机14可承受的弯矩。膝前舵机14在工作时，固定于其输出轴的大腿连杆结构18转动，同时带动另一个大腿连杆结构18转动，两个大腿连杆结构18分别受到第三轴承和第四轴承的支撑。其中，第三轴承可支撑于膝前舵机14的背向髋前舵机13一侧，第四轴承可支撑于髋前舵机13的背向膝前舵机14一侧，使第三轴承和第四轴承之间的间距足够大，因此能够承受更大的弯矩。
38.当髋前舵机13和膝前舵机14的输出轴朝向同一方向设置，且髋前舵机13的输出轴面向膝前舵机14设置时，髋前舵机13的输出轴朝向膝前舵机14，髋前舵机13的输出轴和膝前舵机14的外壳之间通过支撑轴承连接。在髋前舵机13工作时，其输出轴转动，在支撑轴承的支撑作用下，髋前舵机13的输出轴转动，并不会影响膝前舵机14的位置。因此，在不影响髋前舵机13工作的前提下，能够对膝前舵机14进行支撑。这样，在髋前舵机13或者膝前舵机14受到弯矩作用时，上述的第二固定架16和支撑轴承可以共同承担弯矩。
39.在本发明的其中一个实施例中，髋前舵机13和膝前舵机14的输出轴朝向相反方向设置，且所述髋前舵机13的输出轴背向膝前舵机14设置，膝前舵机14的输出轴背向髋前舵机13设置，即髋前舵机13的输出轴和膝前舵机14的输出轴均朝向关节模组的外部设置。由于大腿结构件17固定于髋前舵机13的输出轴，因此大腿结构件17设置于关节模组的其中一侧，由于大腿连杆结构18固定于膝前舵机14的输出轴，因此大腿连杆结构18设置于关节模组的另外一侧。髋前舵机13的外壳和大腿结构件17之间通过第五轴承支撑，膝前舵机14的外壳和大腿结构件17之间通过第六轴承支撑，使得髋前舵机13和膝前舵机14同时有第五轴
承和第六轴承支撑，形成双侧支撑，可以提高该关节单元模组可承受的弯矩。由于大腿结构件17和大腿连杆结构18分别设置于关节模组的两侧，则第五轴承和第六轴承也分别设置于关节模组的两侧，相距距离较远，可进一步提高该关节模组可承受的弯矩。
40.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3，大腿连杆结构18包括第一曲轴181和第一连杆182。第一曲轴181的一端固定于膝前舵机14的输出轴，第一曲轴181可套设固定在膝前舵机14的输出上，其具体固定方式此处不作限定。第一曲轴181的另一端与第一连杆182转动连接，第一连杆182的远离第一曲轴181的一端则用于与小腿结构件22转动连接。在膝前舵机14工作时，第一曲轴181相应转动，第一曲轴181的旋转带动第一连杆182转动，第一连杆182带动小腿结构件22转动。第一连杆182和小腿结构件22的转动连接处为膝关节。通过第一曲轴181和第一连杆182的转动，可以将膝前舵机14设置于髋关节处，提高关节模组的质心。
41.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3，髋转舵机11、髋侧舵机12、髋前舵机13和膝前舵机14均包括外壳、电机、减速器以及行星架，电机和减速器均设置于外壳内，减速器连接于电机的输出端，行星架连接于减速器的输出端。电机可以是外转子电机、内转子电机、空心杯电机等；减速器可以是一级或者多级行星减速器、圆柱齿轮减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器。行星架设置于外壳的外侧，髋转舵机11的输出轴与对应的行星架固定，第一固定架15则固定在该行星架上；髋侧舵机12的输出轴与对应的行星架固定，第二固定架16则固定在该行星架上；髋前舵机13的输出轴与其对应的行星架固定，大腿结构件17则固定在该行星架上，膝前舵机14的输出轴与其对应的行星架固定，大腿连杆结构18则固定在该行星架上。
42.本发明还提供一种腿部机器人，请参阅图4及图5，腿部机器人包括上述任一实施例中的关节单元模组。该关节单元模组可用于腿部机器人的髋关节处或者膝关节处。腿部机器人还包括小腿结构件22，小腿结构件22的一端与大腿连杆结构18转动连接，转动连接处为膝关节，小腿结构件22的另一端用于与脚板25连接。
43.本发明提供的腿部机器人，上述的关节单元模组中，膝前舵机14通过大腿连杆结构18驱动小腿结构件22运动，使膝前舵机14无需安装在膝关节处，膝前舵机14、髋转舵机11、髋侧舵机12和髋前舵机13均设置在髋关节处，一是使得关节舵机结构更加集中，结构更加紧凑，所需的安装空间更小，二是使得膝前舵机14设置的高度较高，能够提高腿部机器人的质心，减小舵机所需的力矩。
44.在本发明的其中一个实施例中，髋前舵机13和膝前舵机14的输出轴朝向同一方向设置，且髋前舵机13的输出轴背向膝前舵机14设置，即髋前舵机13的输出轴朝向关节单元模组的外部设置，膝前舵机14的输出轴朝向关节模组的内部设置。大腿结构件17连接于髋前舵机13的输出轴，因此大腿结构件17也设置于关节模组的外侧，大腿连杆结构18连接于膝前舵机14的输出轴，因此大腿连杆结构18也设置于关节单元模组的内部。
45.可选地，大腿结构件17的数量可选为两个，且两个大腿结构件17同步运动，两个大腿结构件17分别设置在关节模组的相对两侧，大腿连杆结构18设置在两个大腿结构件17之间。其中一个大腿结构件17固定于髋前舵机13的输出轴且与该髋前舵机13的外壳之间通过第一轴承191支撑，另一个大腿结构件17和膝前舵机14的外壳之间通过第二轴承192支撑，这样，两个大腿结构件17对髋前舵机13和膝前舵机14形成两侧支撑，增大了髋前舵机13和
膝前舵机14可承受的弯矩。
46.可选地，请参阅图4及图6，腿部机器人还包括脚踝舵机21和小腿连杆结构23，脚踝舵机21的输出轴与小腿连杆结构23连接，小腿连杆结构23的另一端用于与脚板25转动连接，在脚踝舵机21工作时，小腿连杆结构23转动，脚板25也相应前后转动。如此，脚踝舵机21可以设置在膝关节处，无需设置在脚踝关节处，可以提高腿部机器人的质心。
47.可选地，脚踝舵机21的数量为两个，小腿连杆结构23的数量也为两个，每个脚踝舵机21的输出轴对应与一个小腿连杆结构23连接。两个脚踝舵机21同轴且固定设置，使得两个脚踝舵机21相互固定和支撑，从而使得膝关节处能够承受更大的弯矩。而且当两个脚踝舵机21的输出轴同轴设置时，占用膝关节的空间更小，结构更加紧凑。
48.其中，小腿结构件22上开设有轴承孔，轴承孔与小腿结构件22沿膝关节转动的转动轴线同轴设置。轴承孔内固定有第七轴承26，第七轴承26的内圈和脚踝舵机21的外壳固定，使得第七轴承26对两个脚踝舵机21的外壳形成支撑。在该实施例中，小腿结构件22包裹于部分脚踝舵机21的外壳的外部，便于小腿结构件22和大腿连杆结构18连接。第一轴承191的数量可为两个，沿膝关节的转动中心轴依次排列，可以对脚踝舵机21形成更好的支撑，能够承受的弯矩也更大。
49.可选地，请参阅图3及图4，关节模组还包括舵机连接架24，两个脚踝舵机21均固定在舵机连接架24上。两个脚踝舵机21的外壳分别固定在舵机连接架24的两侧。舵机连接架24的两端分别与两个大腿结构件17固定连接，两个脚踝舵机21的外壳可分别固定在两个大腿结构件17上。
50.可选地，脚踝舵机21的结构可选为与髋前舵机13的结构相同。
51.可选地，小腿连杆结构23包括第二曲轴231和第二连杆232，第二曲轴231的一端连接于脚踝舵机21的输出轴，第二曲轴231的另一端与第二连杆232转动连接，第二连杆232的远离第二曲轴231的一端转动连接于脚板25。在脚踝舵机21工作时，第二曲轴231转动，带动第二连杆232转动，第二连杆232的转动使脚板25相应转动。两个小腿连杆结构23同步运动能够使脚板25的运动更加平稳。
52.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。