一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构及其应用

本发明涉及机器人，尤其涉及一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构及其应用。

背景技术：

1、人形机器人是指外观类似人形，能够完成人类的某些物理功能、感知功能等，它可以广泛应用于国防军工、深海探测、生物医疗、家政服务、交通运输等领域，对于一些不适合人类工作的环境及重复劳动的环境下，人形机器人应用前景十分广阔，可以极大程度减轻人们的负担，鉴于此在科学技术日新月异发展的背景下，各个国家不断加大对人形机器人的研发力度，经过半个世纪的发展，人形机器人领域已产生一大批重要的科技成果，成就喜人。

2、现有的人形机器人下肢自由度一般有六个，即髋关节自旋、前摆和外摆、膝关节的前摆，踝关节的前摆和外摆，这些关节大都把电机驱动模块直接放置到关节旋转处，直接驱动关节运动。由于结构布置的影响，运动惯量大，驱动单元的驱动能力不能进行很好的利用，不利于实现人形机器人快速响应特性及机动灵活特性。

3、最近在机器人行业也出现了差分并联驱动关节，实现两个旋转自由度，即背屈/跖屈和内翻/外翻；但是不具有力控功能，在机器人对外界的数据采集与感知要求越来越全面精准的情况下，驱动关节精确的力反馈是至关重要的。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构及其应用，在小腿构件和脚踝构件之间成对设置直线关节模组，利用直线关节模组实现踝关节的前摆和外摆运动；还将力传感器放置到直线关节模组中，在不增加机械尺寸的前提下，实时检测关节的受力状态。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构，包括小腿构件1和脚踝构件，

4、所述小腿构件底部的前侧与脚踝构件的前侧铰接；

5、所述小腿构件底部的后侧通过2个并联的直线关节模组与脚踝构件的后侧铰接；

6、所述直线关节模组包括支撑结构件、电机、丝杠，所述支撑结构件的上端与小腿构件铰接，所述支撑结构件的下端与电机外壳固连；所述丝杠竖直设于支撑结构件和电机内部；丝杠外可转到套装旋转螺母，所述旋转螺母外依次固定连接旋转轴、电机转子，在与电机转子相对处的电机外壳上设有电机定子；丝杠在电机转子、旋转螺母的带动下沿竖直方向上下运动；所述丝杠的底部连接力传感器，所述力传感器的底部与脚踝构件铰接。

7、进一步，所述直线关节模组的两端均采用双向铰链分别与小腿构件、脚踝构件进行铰接。

8、进一步，所述直线关节模组内设有编码器。

9、进一步，所述小腿构件底部的前侧与脚踝构件的前侧之间采用十字交叉的形式进行铰接。

10、进一步，2个直线关节模组同时伸长或者缩短时，脚踝构件实现前后方向的摆动；2个直线关节模组中一个伸长，另一个缩短时，脚踝构件实现左右方向的摆动。

11、一种人形机器人，应用上述一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构。

12、本发明的有益效果：

13、1、本发明在小腿构件和脚踝构件之间成对设置直线关节模组，通过成对直线关节的不同控制，完成踝关节各自的前摆运动，外摆运动，实现控制两个自由度，具有结构紧凑，重量轻、驱动负载能力强，响应快的特点。并且由于驱动单元上移，减小人形机器人下肢的惯量，增强驱动效果，使得下肢运动灵活机动，响应特性良好。

14、2、不仅将机器人腿部的惯量上移，增加机器人腿部灵活性，为实现机器人快速走行提供可行方案，而且线性模组的连接点与关节的旋转中心有一定的距离，动力臂增大，有助于减小电机的功率要求，增加关节的抗冲击性能。

15、3、本发明所设计的直线关节模组中，设计螺母与电机定子位置相对固定，采用螺母旋转，丝杠伸缩的运动方式，从而实现了直线关节模组的直线伸缩运动，形成稳定的机械结构，使得关节的刚性与抗冲击性大大提高。

16、4、小腿构件和脚踝构件之间的铰接及2个直线关节模组的连接点在构型上形成三角形，利用三角形稳定性好的特性，提高了关节部位刚性及抗冲击性。

17、5、本发明将力传感器放置到直线关节模组中，使力传感器与机械结构融为一体，在不增加机械尺寸的前提下，使得关节的受力状态能够实时检测，可以给机器人的控制提供尽可能多的数据。

18、6、直线关节模组设计为中空结构，可使其中的丝杠运动时穿过关节，提高了关节的运动范围，且将旋转螺母与电机转子连接，转动时电机驱动丝杠做直线运动，可保证直线关节伸缩运动时双列角接触轴承与电机的位置不变，轴承承载了电机侧的弯矩，从而减少了关节受到的弯矩，提高了关节的受力特性。

技术特征：

1.一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构，其特征在于，包括小腿构件(1)和脚踝构件(4)，

2.根据权利要求1所述的一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构，其特征在于，所述直线关节模组(2)的两端均采用双向铰链(5)分别与小腿构件(1)、脚踝构件(4)进行铰接。

3.根据权利要求1所述的一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构，其特征在于，所述直线关节模组(2)内设有编码器(14)。

4.根据权利要求1所述的一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构，其特征在于，所述小腿构件(1)底部的前侧与脚踝构件(4)的前侧之间采用十字交叉的形式进行铰接。

5.根据权利要求1所述的一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构，其特征在于，2个直线关节模组(2)同时伸长或者缩短时，脚踝构件(4)实现前后方向的摆动；2个直线关节模组(2)中一个伸长，另一个缩短时，脚踝构件(4)实现左右方向的摆动。

6.一种人形机器人，其特征在于，腿部应用所述权利要求1所述的一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构。

技术总结
本发明公开了一种人形机器人一体化高集成度本体感知并联差分关节机构及其应用，在小腿构件和脚踝构件之间成对设置直线关节模组，利用直线关节模组实现踝关节的前摆和外摆运动；还将力传感器放置到直线关节模组中，在不增加机械尺寸的前提下，实时检测关节的受力状态。

技术研发人员：黄高,王博,左国玉,赵博浩,赵雪飞
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23