具备多机构组合关节及多级控制模块的多关节仿生机械腿的制作方法

本实用新型涉及一种仿生机械腿，具体涉及一种具备多机构组合关节及多级控制模块的多关节仿生机械腿。

背景技术：

仿生机器人能在复杂的环境中完成危险的工作，具有运动平稳、灵活的特性，在军事、检测、救援、教育、娱乐等领域有很大的应用前景。长期以来，仿生机器人都是国内外机器人领域研究的热点之一。仿生机械腿作为仿生机器人的关键部件，一直都是相关研究的重点。

现有技术中，仿生机械腿的实现形式有多种：采用电机和减速机组合实现关节旋转，各个关节串联组成仿生机械腿，其缺陷一是仿生机器人主体承载较大时，腿部的各关节处的承载力对减速机和电机的要求很高，导致成本急剧上升，其缺陷二是因每组减速机和电机的力矩承载能力有限，而其自身质量较大，易造成仿生机械腿抬升时的承载力较小的结果，在大中型仿生机器人中将严重影响功能；采用液压电机实现关节旋转，其主要缺陷是液压电机实现动力需液压泵等较大的辅助设备，在中型的多足仿生机器人中难以应用；采用连杆机构并联实现关节旋转。

cn206465074u公开的一种四边形连杆机构仿生机械腿，以及cn104908839公开的多连杆组合仿生机械腿，解决了大承载问题，其缺陷一是每个关节需多个杆件组合，使每个关节的连杆结构占用了大量空间，不利于空间布局，缺陷二是这种结构只用于实现2~3个关节的仿生机械腿，大于3个关节的实现难度较大。

cn110723232a公开的利用丝杆实现上升和下落的仿生机械腿，其缺陷一是丝杆的布局形式难以应用到大于3个关节的仿生机械腿结构，缺陷二是横杆穿插丝杆后，没有承力机构辅助，导致丝杆受剪切力，极易造成丝杆断裂，缺陷三是采用横杆穿插丝杆的形式极大的限制了关节的摆动角度。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种大扭矩、关节角度范围大、结构与控制简单、安全且稳定可靠的，适用于大承载大中型多足机器人的多关节仿生机械腿。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是，具备多机构组合关节及多级控制模块的多关节仿生机械腿，包括依次连接的基节、转节、大腿节、小腿节和胫节，仿生机器人主体与仿生机械腿的基节以及仿生机械腿的各腿节间通过旋转关节和/或多机构组合关节连接，且还设有多级控制模块；所述多机构组合关节包括推进机构、杆机构、滑动机构和旋转机构；所述推进机构用于提供动力，所述杆机构和旋转机构用于将推进机构的运动转化为转动，所述滑动机构用于承载；所述多级控制模块用于关节的运动控制，设于基节和/或转节和/或大腿节和/或小腿节和/或胫节，各控制模块之间具备层级主从关系，其层级数≥2，且分布于不同的腿节；所述腿节间的连接关节包括多机构组合关节。

进一步，所述推进机构的运动导轨与滑动机构运动导轨平行和/或曲率相同，杆机构支点与旋转机构分别位于推进机构的上方和/或下方和/或一侧和/或一端，杆机构的支点与推进机构分别设于不同的腿节。

进一步，所述多级控制模块包括主控制模块、二级控制模块、三级控制模块，所述层级依次为主从关系，下一级控制模块的指令输出直接和/或间接受控于上一级控制模块，但每一级控制模块均具备独立的数据采集、处理及运算能力。

进一步，所述关节连接的主体与基节关节、基节与转节关节以及转节与大腿节关节，三个相邻关节的旋转轴线两两不平行；所述三个关节的旋转轴线最佳设置为两两垂直。

进一步，所述推进机构设有角度传感器和/或位移传感器和/或点位传感器，所述旋转机构设有角度传感器/或点位传感器。

进一步，所述推进机构为电动机构和/或气动机构和/或液压机构；所述电动机构包括电机、减速机、丝杆机构；所述电机和减速机提供旋转动力；所述丝杆机构将旋转运动转化为沿导轨的推进运动；所述丝杆机构包括丝杆和螺母；优选的，采用具备自锁特性的梯形丝杆组件。

进一步，所述杆机构为单杆和/或多杆连接组合，一端连接于杆机构支点，另一端连接于螺母和/或滑块，杆机构在杆机构支点和螺母/或滑块的连接点均可以转动。

进一步，所述滑动机构为滑轨组件和/或轴承与轴组合和/或套筒与轴组合，包括导轨和滑块。

进一步，所述旋转机构为两个相邻腿节的连接结构，用于实现两个腿节的相对转动；所述连接结构为轴承和/或套筒和/或孔轴配合结构件。

进一步，所述大腿节和/或小腿节和/或胫节设有减震系统，所述减震系统为螺旋弹簧与直线滑轨的组合结构和/或螺旋弹簧与花键滑轨的组合结构。

本实用新型具有以下积极效果：1、本实用新型采用的多机构组合关节，大大提高了关节扭矩，使多足仿生机器人具备大承载能力；2、多机构组合关节的结构形式简单，占用空间小，所需零件均为常用工业零件，成本较低；3、通过调节推进机构、杆机构支点和旋转结构的相对位置，可实现大转角工作范围、大扭矩工作区间以及高速工作区间的设计，灵活多变；4、结构形式明晰，拆装和维护简单；5、多机构组合关节具备自锁功能，进一步降低成本；6、采用多级控制模块方式，有效降低因线缆太长带来的干扰影响，并有效降低长距离传输的信号失真风险，尤其是大中型仿生机器人；7、仿生机械腿的前三个关节的旋转轴线设置为两两不平行，扩展了仿生机械腿的三维活动空间，以及大幅度提高了行走过程中仿生机械腿的摆动速度。

附图说明

图1为本实用新型实施例的腿节结构及关节自由度设置示意图；

图2为图1所示实施例的内部结构示意图；

图3为图1所示实施例中多机构组合关节的结构示意图；

图4为图1所示实施例中多机构组合关节实施形式1的结构示意图；

图5为图1所示实施例中多机构组合关节实施形式2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1，本实施例包括依次连接的基节1、转节2、大腿节3、小腿节4和胫节5。本实例设有6个自由度，其中仿生机器人主体与基节1连接的关节1、基节1与转节2连接的关节2、转节2与大腿节连接的关节3的旋转轴线两两垂直，大腿节3与小腿节4的关节4、小腿节4与胫节5关节5的旋转轴线互相平行。

参照图2，本实施例内部设有仿生机器人主体与基节1的旋转关节11，基节1与转节2的旋转关节21，转节2与大腿节3的多机构组合关节31，大腿节3与小腿节4的多机构组合关节42，小腿节4与胫节5的多机构组合关节51，并设有电源接口与通讯接口12，主控制模块32，二级控制模块41和三级控制模块53，减震系统52。

所述电源接口12给仿生机械腿的提供动力能源；所述主控模块32为本实例的主要控制单元，其具备与主体通讯的功能，并综合处理本实例内的传感器数据以及逻辑计算，同时给二级控制模块41和/或三级控制模块53下发控制指令并接受二级控制模块41和/或三级控制模块53上传的数据及指令。所述主控模块32还控制旋转关节11的电机111、旋转关节21的电机211以及组合关节31的电机3111动作，二级控制模块41控制多机构组合关节42的电机4211动作，三级控制模块53控制多机构组合关节51的电机5111动作。所述减震系统52包括弹簧和花键滑轨，其可在仿生机器人行走时降低落地时对仿生机械腿内部各关节的冲击震动，并可为仿生机械腿抬起时提供弹性能。

参照图3，以本实施例小腿节4与胫节5的多机构组合关节51进一步说明多机构组合关节的具体实施方式。多机构组合关节51包括推进机构511、杆机构512、滑动机构513和旋转机构514。所述推进机构511包括电机5111、编码器5115、齿轮减速机5112、梯形丝杆5113和螺母5114，伺服电机5111与齿轮减速机5112以及齿轮减速机5112与梯形丝杆5113通过轴孔公差配合连接，梯形丝杆5113采用自锁型螺纹丝杆，螺母5114旋合在梯形丝杆5113上；所述杆机构512包括杆机构支点5121、杆5123以及杆与螺母5114铰接点5122，在杆机构支点5121采用轴承的形式与小腿节4的骨架43通过轴承连接，在铰接点5122使用轴承与螺母5114连接；所述滑动机构513包括直线滑轨5131和滑块5132，滑块5132在直线滑轨5131上可自由滑动并与螺母5114固连；所述旋转机构514包括铰接点5142和编码器5141，铰接点5142通过轴承连接小腿节4的骨架43和胫节5的骨架54。

多机构组合关节的运动方式如下：三级控制模块53控制电机5111转动，通过齿轮减速机5112提升扭矩后带动梯形丝杆5113转动，因螺母5114与滑块5132固连限制了螺母的转动，螺母5114与滑块5132同时在直线滑轨5131滑动，实现推进运动，又杆5123与螺母5114连接且可以自由转动，旋转机构514的铰接点5142的一端与骨架54固连，螺母5114沿直线滑轨5131的直线运动被转换为以铰接点5142轴线为中心的旋转运动，从而实现关节的转动。

参照图4和图5，以其中两种实施形式进一步说明多机构组合关节的结构形式。图4为实施形式1，图5为实施形式2。其标号说明如下：a、b为相邻两腿节的骨架；c1为推进机构，c11为电机，c12为减速机，c13为丝杆结构，c14为螺母，c15为编码器；c2为滑动机构，c21为直线滑轨，c22为滑块；c3为杆机构，c31为杆机构支点；c4为旋转机构，c41为编码器。实施形式1与实施形式2各有侧重点，实施形式1的特点为运动范围大，实施形式2的特点为所提供的扭矩大。

本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也仍在本实用新型专利的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

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