一种新型四足机器人腿部关节的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种新型四足机器人腿部关节。


背景技术：

2.足式机器人相对于传统轮式具有较高的地面适应性，足式机器人为保证行走稳定性，腿部关节一般由三个动力单元组成的三个自由度，组件需要较多零部件，结构设计精密，关节位置准确，成本往往很高，因此如何保证四足机器人精度、稳定性，同时易装配、器件少易加工性能成为设计的关键。另外为保证美观和耐用，各关节走线布置也极为重要。足式机器人为适应地面环境，关节力检测尤为重要，为更准确直观的判断足底受力情况，需要在足底加装足底力传感器。因为足底离控制器所在的机体部分具有一定的距离，需要布信号传输线和足底力传感器电源线，足式机器人腿部经常运动，关节转动的特点，造成布线比较困难，具有比较大生产难度。
3.因此，有必要提供一种新的新型四足机器人腿部关节解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供一种结构简单、传动精度和效率高的新型四足机器人腿部关节。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的新型四足机器人腿部关节包括：机器人本体上安装的侧摆电机，侧摆电机上连接有大腿电机，大腿电机上连接有小腿电机，小腿电机的一侧连接有大腿外壳，大腿外壳的底端转动连接有小腿，小腿的底端安装有足部外壳。
6.优选的，所述小腿电机与大腿外壳固定连接，小腿电机的输出轴延伸至大腿外壳内并固定套接有曲柄盘，小腿电机的输出轴上固定套接有第一轴承，第一轴承的外圈与大腿外壳固定套接，曲柄盘上的曲柄上固定套接有第二轴承，第二轴承的外圈固定套接有传动连杆，小腿上安装有第三轴承和第四轴承，传动连杆与第三轴承的外圈固定套接，大腿外壳通过第四轴承与小腿转动连接。
7.优选的，所述侧摆电机上绕设有侧摆电机走线，大腿电机上绕设有大腿电机走线，小腿电机上绕设有小腿电机走线，大腿外壳内设有第一小腿限位和第二小腿限位。
8.优选的，所述足部外科内安装有压力传感器和传感器电路板，压力传感器与传感器电路板相连接，大腿外壳内设有传感器供电信号线从电机处出线口，小腿上设有第一传感器供电入线口，足部外壳上设有第二传感器供电入线口，机器人本体内的安装的电源信号线经过传感器供电信号线从电机处出线口、第一传感器供电入线口和第二传感器供电入线口进入足部外壳与压力传感器相连接，足部外壳使用塑料缓冲材料。
9.优选的，所述侧摆电机和小腿电机包括定子支架、驱动器端盖兼输出连接单元、转子导磁环、定子线圈、驱动板报滑盖、电机驱动板、轴承压紧盖、线路板保持支架、减速后位置检测环形霍尔阵列、太阳轮、电机转子磁铁组、第一电机轴承、行星架单元、行星架单元兼输出法兰盘、行星轮、中心垂直保持轴、行星轴兼输出销、第二电机轴承、第三电机轴承、第
四电机轴承、行星减速内齿圈、电机角度测量极化磁铁、电机角度测量霍尔、线性霍尔元件、减速后角度反馈磁铁、贯穿金属导体柱、电机驱动板、环形霍尔板、转子支架。
10.优选的，所述大腿电机包括大腿电机小腿膝关节共用走线、中空贯穿面、第一大腿电机太阳轮、第二大腿电机太阳轮、第一大腿电机行星轮、第二大腿电机行星轮、行星减速机外齿圈、驱动板、电机端环形编码器读头、电机端编码器环形编码盘、第一大腿电机轴承、第二大腿电机轴承、大腿电机转子支架、大腿电机转子磁铁组、大腿电机定子线圈、第一级行星减速机输出盘、第二级行星减速机输出盘、第一行星保持架、第二行星保持架、输出销、级联孔。
11.优选的，所述小腿电机的小腿电机电机第二线路走线穿过大腿电机的中空部位后引出，大腿电机第二线路走线穿过大腿电机连接在大腿电机的电路板上同时给大腿电机和小腿电机提供电源和通信回路，大腿电机第二线路走线和侧摆电机第二线路走线均处于机器人本体内。
12.优选的，所述传感器供电信号线从第一传感器供电入线口处断开，采用两段走线，经过非接触式线圈连接，采用无线能量传输和无线信号传输。
13.优选的，所述大腿外壳上设有大腿处线圈、第一连接线和第二连接线。
14.优选的，所述足部外壳外套设有保护套，足部外壳上开设有多个角槽，保护套的内壁上设有对应数量的角块，角块与对应的角槽相适配，保护套的两端固定安装有安装座，安装座上开设有凹槽，的内壁上开设有通孔，足部外壳上开设有两个螺纹孔，通孔与螺纹孔相连通，通过螺栓将通孔与螺纹孔相连接。
15.与相关技术相比较，本发明提供的新型四足机器人腿部关节具有如下有益效果：
16.本发明提供一种新型四足机器人腿部关节，小腿关节的连杆传动实现方式，这种结构简单的组合部件少，连杆腿部传动结构，轴承、限位方法、传动精度和效率好，占空间小保护机构；三个相同动力模组内置双编码器外转子行星结构方案，适应于恶劣环境，降低成本；级联方法电机中空连接，足部无线信号传感方式、无线能量供应，解决了走线外露、弯折疲劳的问题；中空电机位置编码的实现，使数据更加精准。
附图说明
17.图1为本发明提供的新型四足机器人腿部关节的一种较佳实施例的结构示意图；
18.图2为图1所示的腿部关节与机器人本体的结构示意图；
19.图3为图1所示的剖视的结构示意图；
20.图4为图1所示的侧视示意图；
21.图5为图1所示的三个电机的连接结构示意图；
22.图6为图1所示的三个电机其他实施例的连接的结构示意图；
23.图7为图1所示的侧摆电机和小腿电机的其他实施例的结构示意图；
24.图8为图1所示的大腿电机的其他实施例的结构示意图；
25.图9为图7所示的侧视的结构示意图；
26.图10为图1所示的足部外壳的结构示意图；
27.图11为图10所示的俯视剖视的结构示意图；
28.图12为图1所示的其他实施例的结构示意图；
29.图13为本发明提供的新型四足机器人腿部关节的第二实施例的结构示意图；
30.图14为图13所示的保护套的结构示意图；
31.图中标号：1a、侧摆电机，2a、大腿电机，3a、小腿电机，4a、大腿外壳，5a、小腿，6a、足部外壳；
32.1b、曲柄盘，2b、第一轴承，3b、第二轴承，4b、传动连杆，5b、第三轴承，6b、第四轴承；
33.1c、定子支架，2c、驱动器端盖兼输出连接单元，3c、转子导磁环，4c、定子线圈，5c、驱动板报滑盖，6c、电机驱动板，7c、轴承压紧盖，8c、线路板保持支架，9c、减速后位置检测环形霍尔阵列， 10c、太阳轮，11c、电机转子磁铁组，12c、第一电机轴承，13c、行星架单元，14c、行星架单元兼输出法兰盘，15c、行星轮，16c、中心垂直保持轴，17c、行星轴兼输出销，18c、第二电机轴承，19c、第三电机轴承，20c、第四电机轴承，21c、行星减速内齿圈，22c、电机角度测量极化磁铁，23c、电机角度测量霍尔，24c、线性霍尔元件，25c、减速后角度反馈磁铁，26c、贯穿金属导体柱，27c、电机驱动板，28c、环形霍尔板，29c、转子支架；
34.1d、大腿电机小腿膝关节共用走线，2d、中空贯穿面，3d、第一大腿电机太阳轮，4d、第二大腿电机太阳轮，5d、第一大腿电机行星轮，6d、第二大腿电机行星轮，7d、行星减速机外齿圈，8d、foc 驱动板，9d、电机端环形编码器读头，10d、电机端编码器环形编码盘，11d、第一大腿电机轴承，12d、第二大腿电机轴承，13d、大腿电机转子支架，14d、大腿电机转子磁铁组，15d、大腿电机定子线圈， 16d、第一级行星减速机输出盘，17d、第二级行星减速机输出盘，18d、第一行星保持架，19d、第二行星保持架，20d、输出销，21d、级联孔；
35.1e、侧摆电机走线，2e、大腿电机走线，3e、小腿电机走线；
36.1f、第一小腿限位，2f、第二小腿限位；
37.1g、压力传感器，2g、传感器电路板，3g、电机处出线口，4g、第一传感器供电入线口，5g、第二传感器供电入线口；
38.1h、侧摆电机第二线路走线，2h、大腿电机第二线路走线，3h、小腿电机电机第二线路走线；
39.1j、大腿处线圈，2j、第一连接线，3j、第二连接线，4j、磁铁阵列，5j、感应线圈；
40.1k、保护套，2k、角槽，3k、角块，4k、安装座，5k、凹槽，6k、螺纹孔、7k、螺栓。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
42.第一实施例：
43.请结合参阅图1-图11，在本发明的第一实施例中。新型四足机器人腿部关节包括：机器人本体上安装的侧摆电机1a，侧摆电机1a 上连接有大腿电机2a，大腿电机2a上连接有小腿电机3a，小腿电机 3a的一侧连接有大腿外壳4a，大腿外壳4a的底端转动连接有小腿5a，小腿5a的底端安装有足部外壳6a。
44.为保证系统具有足够的精度，传动件足够少，并且要兼顾耐用，传动效率高，另外传动机构运动所占的空间要足够小，才能让腿部设计小，用料少。对于减轻腿部惯量和腿部造型都具有帮助，如图1所示，小腿电机3a的旋转运动经过传动连杆4b唯一器件，将力传递并转换成大腿外壳4a和小腿5a的相对运动，另外传动连杆4b具有死角位置，必须进行两个
方向的限位，防止进入死区如图3所示的第一小腿限位1f和第二小腿限位2f既作为外观件也作为机械支持件；小腿电机a3减速后经过法兰盘将力输出到曲柄盘1b上，传动连杆4b 和第一轴承2b、第二轴承3b、第三轴承5b、第四轴承6b组成四边形连杆机构，将电机旋转的力1∶1传递到小腿5a的关节上，小腿绕第四轴承6b旋转，第一轴承2b、第二轴承3b、第三轴承5b选用低速大承载力滚针轴承，采用凸轮输出连杆结构，内部设置轴承，交叉连杆，腿部单元所需空间只有普通的一半。
45.所述侧摆电机1a绕方向r3进行旋转运动，可以让腿部向身体内部或者外部摆动，进行平衡和测方向的运动，大腿电机2a的运动，将带动大腿外壳4a与小腿5a整体做前后运动如r2所示的运动方向，小腿电机3a的旋转，将小腿5a进行如r1方向的运动，从而完成整条腿的运动，四条腿均如此设计，完成四足机器人的全身运动，如前进后退，侧摆平衡，弹跳，转弯等常规动作，可以很好的适应复杂的地面。其中大侧摆电机1a、大腿电机2a、小腿电机3a内部具有电流传感器，电流和关节的受力成比例，检测内部的电流可以得出关节的受力情况，并可映射出足部外壳6a的受力情况，从而可以感知到足底的软硬，高低等路况信息，并把这些信息告知中央处理器，进行综合控制。
46.腿部单元在整机中的位置，大侧摆电机1a、大腿电机2a、小腿电机3a均基于柔性力控，三个电机精度在0.025度，电气上，三个电机并联在一条电源线上，三个电机can信号并联共用一个物理 can口将当前关节的位置，力矩、速度信息反馈给中央处理器，同时接受中央处理器发出的运动指令，因此整个腿部关节对外电器连接仅一组电源线，和一组信号线，电气简单，三个电机可采用同样的电机结构，这样三个电机结构一样，替换方便，不足的是：小腿电机 3a具有外露的小腿电机走线3e，在小腿电机3a运动中容易剐蹭机身和外部障碍物。在另一个实施例中，三个电机物理连接关系如图6所示，小腿电机3a的小腿电机电机第二线路走线3h穿过大腿电机2a 的中空部位后引出，这样就避免了小腿电机3a的小腿电机电机第二线路走线3h外露情况，提高了整机的安全系数，小腿电机电机第二线路走线3h穿过大腿电机2a的同时连接在大腿电机2a的电路板上同时给大腿电机2a和小腿电机3a提供电源和通信回路，大腿电机第二线路走线2h和侧摆电机第二线路走线1h走线均处于机身内，在外壳保护下比较安全。侧摆电机1a和小腿电机3a采用如图7所示的电机结构，大腿电机2a采用如图8所示的中空电机。
47.足底力虽然可以经过监测各电机电流间接获得，也可以根据放置在足底的压力传感器1g直接获取，从机身到足底，可采取有线和无线两种能量与信号传输供足底的压力传感器1g使用，其中，免布线足底力检测，需要解决无连接能量供应和无连接信号传输，信号传输可采用现有射频技术，直接发射到主机上，而免布线能量供应，可使用腿部运动能量再生，免去从机身到足底的布线，其中足底线路供电可实现方案如下，根据转动时候产生的机械能量，足底在压缩过程产生的能量回收；以及半布线方案，轴承的使用，所需要的电源供应和信号传输可以采用图10所示的，走线贯穿大腿小腿部位，由图10看到在关节部位的运动，会造成走线的弯折，无论走线外露和内置均会存在着弯折疲劳造成的损害，解决此问题的办法，就是在第一传感器供电入线口4g处断开，采用两段走线，之间采用无线能量传输和无线信号传输，进行能量和信息非接触传递，这样避免了第一传感器供电入线口4g处走线的折叠，将布线分成两段，经过非接触式线圈连接，这样走线还需要从小腿电机3a连接到第一连接线2.j，因此可以优化为第一传感器供电入线口4g取消，第一传感器供电入线口4g取
消后，将不能再由机器人本体内电池供电，需要考虑足底供电的产生来源，可以借助小腿5a绕大腿运动产生的机械能转换成电能的方式，其中实施方案如图12所示，4j为磁铁阵列，5j为感应线圈，这两个部件在小腿运动的时候，可以将腿部的机械能转成电能供给脚底力传感器，解决供电问题，脚底力传感器的信号传递，可由足底线路板上的射频收发电路和放置在机器人内部的射频收发电路传输完成，在传感器电路板2g的电路中有cpu和射频收发等电路。
48.如图7所示，在定子支架1c位于定子的外壳内部，具有定子线圈绕组4c，电机绕组受内置的电机驱动线路板6c所控制，电机驱动板上具有检测定子铁心绕组和转子磁铁，其中转子磁铁承载部分的转子支架29c上的电机角度测量极化磁铁22c与电机角度测量霍尔 ic23c，可以确定转子与定子之间的相对位置，并告知电机驱动 cpu27c现在电机的转子与定子电气角度，从而电机驱动板根据这些基础信息，控制电机进行正确旋转，其中电机角度测量霍尔ic23c不仅得到电机定子与转子的相对位置，还得到整个转子部分在电机旋转一圈的360度内的绝对角度信息。此电机绝对角度信息配合第二霍尔角度检测元件，完成减速后的法兰盘机械角度绝对信息。电机正确旋转后的力矩经过太阳轮10c和行星轮15c以及行星减速内齿圈21c 所组成的基本一级行星减速单元，将减速后的行星架单元兼输出法兰盘14c输出。并将旋转力矩通过行星轴兼输出销17c输出到下一级。在输出销20d可以正好插入下一级的级联孔21d，将力矩传递给下一级，在与法兰盘刚性连接的行星架上，有减速后角度反馈磁铁25c，将法兰盘的位置信息，用磁力线透过铝合金转子支架，反馈在第二角度线性霍尔元件24c和减速后位置检测环形霍尔阵列pcb9c上，并把此信息反馈给驱动cpu，来综合第二霍尔阵列板，以及绝对角度编码器上的信息，计算出法兰盘的准确绝对位置。因为两套磁编码器，均具有不怕掉电的特性，而无需用后备电池供电来保持电机的旋转角度信息，极大的提高了电机的实用性和安全性。
49.减速机齿轮组为两级行星结构，这样在同样速比的情况下，太阳轮可以比较粗。太阳轮在设计中处于电机几何中心位置。较粗的太阳轮，允许太阳轮为中空状态，如图8将会有一个贯穿设计，这样允许下一级动力单元的，供电和信号传输经过这里。解决了走线外露的情况。本动力单元工作原理基本类似，简单描述如下，因为中空设计要求，这就决定着在本动力单元中心轴线上的所有器件和电路板都需要为中空设计。大腿电机定子线圈15d固定在与机壳相连接的内部支架上，大腿电机定子线圈15d的三相绕组受foc驱动板8d控制，foc 驱动板8d为能正常经过foc的经典方式控制，需要知道定子与转子的绝对位置。以便于进行磁场矢量合成控制，电机端编码器环形编码盘10d为固定在大腿电机转子支架13d上的绝对位置编码环，电机端编码器环形编码盘10d为间接固定在外壳上的编码器读头，电机端环形编码器读头9d、电机端编码器环形编码盘10d均为中空环状结构的绝对编码器组件，配合完成读取转子和定子的绝对0-360度电气机械位置，为驱动板正确驱动三相无刷伺服电机提供必要条件，本设计为双级减速，两级减速比一样，可以共用一个外齿圈，并且太阳轮和行星轮相同，降低成本和工艺，第一大腿电机太阳轮3d固定在大腿电机转子支架13d上，第一大腿电机太阳轮3d与第二大腿电机行星轮6d以及行星减速机外齿圈7d，组成第一级行星减速，减速后输出力矩由第二大腿电机太阳轮4d承载，第二大腿电机太阳轮4d与第一大腿电机行星轮5d以及行星减速机外齿圈7d组成第二级减速结构，减速后由第二级行星减速机输出盘17d以及输出销20d最终输出至此，完成本动力单元从电机到减速机的基本功能，
电机定子转子的单圈绝对位置驱动cpu可以随时获取，因为单圈编码器物理特性决定，只能表示电机端从0-360度的角度，而并不能代表法兰盘的机械角度，因为中间经过减速机器，比如本设计的9倍减速，一种方案，电机端的输入和法兰盘的输出具有固定的减速比，这样只需要记住电机端的旋转位置和圈数，再除以减速比，就可得知法兰盘的角度，传统设计均为此设计，存在的缺陷，当断电后，圈数信息会丢失。虽然可以用一个后备电池去记忆圈数，增加了电路设计难度，更重要的是电池寿命和电池用光，以及受干扰后，圈数将丢失或不准确。存在着比较大的隐患。本关节设计给出解决方案，只需要在电机对侧放置一环形霍尔阵列板，并在本侧放置一磁铁，这样可以获取到法兰盘相对于壳体的相对刻度位置。这个粗略的刻度位置，配合电机端的环形编码器可以获取精确的法兰盘端角度信息。基本原理简单描述如下：电机端编码器相当于钟表的秒针，经过固定减速后法兰盘上相连的第二霍尔编码环，相当于钟表的时针。电机端编码器每旋转减速比圈数，比如这里的9，第二编码器上感应到的磁力线位置换1个区间，读取第二编码器上磁铁所在的区间(类似于分针)，再加上电机端的读数(秒针)，就可以获取输出法兰盘的最终精确机械位置。
50.与相关技术相比较，本发明提供的新型四足机器人腿部关节具有如下有益效果：
51.本发明提供一种新型四足机器人腿部关节，小腿关节的连杆传动实现方式，这种结构简单的组合部件少，连杆腿部传动结构，轴承、限位方法、传动精度和效率好，占空间小保护机构；三个相同动力模组内置双编码器外转子行星结构方案，适应于恶劣环境，降低成本；级联方法电机中空连接，足部无线信号传感方式、无线能量供应，解决了走线外露、弯折疲劳的问题；中空电机位置编码的实现，使数据更加精准。
52.第二实施例：
53.基于本技术的第一实施例提供的新型四足机器人腿部关节，本技术的第二实施例提出另一种新型四足机器人腿部关节。第二实施例仅仅是第一实施例的优选的方式，第二实施例的实施对第一实施例的单独实施不会造成影响。
54.下面结合附图和实施方式对本发明的第二实施例作进一步说明。
55.请结合参阅图12-图13，本实施例与第一实施例的区别在于，所述足部外壳6a外套设有保护套1k，足部外壳6a上开设有多个角槽 2k，保护套1k的内壁上设有对应数量的角块3k，角块3k与对应的角槽2k相适配，保护套1k的两端固定安装有安装座4k，安装座4k 上开设有凹槽5k，5k的内壁上开设有通孔，足部外壳6a上开设有两个螺纹孔6k，通孔与螺纹孔6k相连通，通过螺栓7k将通孔与螺纹孔6k相连接。
56.通过保护套1k可对足部外壳6a进行保护，防止其磨损，且保护套1k便于更换。
57.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。