本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種含有直線關節的雙足機器人行走機構。

背景技術：

雙足機器人可以完成人類基本的運動功能，是與人類最接近的一種機器人。對雙足機器人動態行走機制的研究可使我們更深刻理解人類活動的本質，有助于生物醫學和體育運動科學的發展。

目前比較成功的雙足機器人有美國波士頓動力公司的“petman”、“Atlas”，法國Aldebaran Robotics公司的“NAO”機器人,日本本田公司的“ASIMO”機器人等。2004年中國專利文獻CN1474737A公開了日本技研株式會社設計的雙足步行機器人，該機器人很好的模擬了人體結構，在行走方式上可實現高度的擬人化，該專利引領了后續很長一段時間雙足機器人的系統結構。中國專利文獻CN102582714A公開了一種具有負重能力的液壓驅動雙足機器人下肢機構，該專利的特點在于采用液壓提供動力，因而在負重能力上具有明顯優勢。中國專利文獻CN101121424A公開了一種多自由度的雙足機器人下肢機構。中國專利文獻CN101229826A同樣公開了一種雙足機器人的下肢機構，其特點在于采用平行四連桿機構實現了機器人大小腿的機構設計。

上述產品與發明所設計的雙足機器人都模擬了人的腿部結構，即有明顯的大腿、膝關節、小腿，該種方式在結構上具有一定的仿生性，但雙足機器人在行走時支撐腿都有一定的屈膝動作，仿佛人采用扎馬步或扎弓步的方式行走，這種運動方式要求關節作動器需持續輸出較大扭力來維持機體姿態，因而較人行走時支撐腿靠腿部骨骼提供支撐力的直腿行走方式要耗費更大的能量。且這種雙足機器人在行走時需要對腿部結構的大腿、膝關節、小腿等以及機器人腰部結構都進行控制，且多個部件關節間需要達到一定的配合關系才能保證機器人正確行走，控制方式復雜不容易操作。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種含有直線關節的雙足機器人行走機構，將雙足機器人的大腿、膝關節、小腿整合為一個完整的直線關節，具有機構簡單，易于維護，能量消耗低及負重能力強的特點。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種含有直線關節的雙足機器人行走機構，包括腰部機構，所述腰部機構兩側均設置一腿部機構，兩個腿部機構均通過髖關節與腰部機構連接，腿部機構底部與足部機構連接；所述腿部機構包括腿部本體，所述腿部本體內配合設置直線關節，所述直線關節包括主動部和從動部，所述從動部通過連接件與橫向旋轉動力裝置連接，所述主動部運作帶動從動部上下直線運動進而使腿部本體上下移動抬腿，橫向旋轉動力裝置運轉帶動腿部本體前后向擺動，兩個腿部機構的橫向旋轉動力裝置交替運轉帶動腿部本體實現交替邁腿動作。

所述主動部為絲杠，所述從動部為帶絲孔的滑塊。

優選的，所述滑塊還通過直線軸承與直線導軌相配合，直線導軌與絲杠相互平行。

所述絲杠和直線導軌均固定于支撐架上，所述支撐架與腿部本體的外殼固定連接。

優選的，所述直線導軌設置兩條，兩條直線導軌與絲杠相互配合呈等腰三角形。

或者，所述主動部為齒輪，所述從動部為齒條。

或者，所述主動部為液壓元件，所述從動部為滑座。

所述腿部本體底部設置旋轉關節，所述旋轉關節與足部機構連接，控制足部機構俯仰角度。

所述旋轉關節包括橫向設置的動力裝置，動力裝置通過腿足連接件與足部機構連接，動力裝置帶動腿足連接件前后擺動進而調整足部機構的俯仰角度。

所述足部機構包括與腿足連接件相連的連接塊，所述連接塊底部與足底板相固定連接。

兩個所述腿部機構沿腰部機構對稱設置，所述髖關節包括與腰部機構固定連接的縱向旋轉動力裝置，所述縱向旋轉動力裝置通過連桿與橫向旋轉動力裝置連接，縱向旋轉動力裝置運轉帶動腿部本體側向擺動。

優選的，所述腰部機構上部設置承重平臺。

本發明的有益效果為：

本發明的行走機構，在腰部機構兩側設置腿部機構，腿部機構內設置直線關節，腰部機構不動，直線關節運作帶動腿部機構上下移動實現抬腿，通過控制兩側的腿部機構的橫向旋轉動力裝置使腿部機構交替前后擺動，再與直線關節的運轉配合，使機器人實現行走；行走時由直線運動代替了現有機器人屈膝邁腿等動作，直立行走消耗能量更少，機器人整體更為輕盈，控制方式更為簡單，可以更為高效的實現行走，且對行走環境的適應性更強。

本發明中在腿部本體底部設置旋轉關節，可以帶動足部機構調整俯仰角度，進而實現了足部機構的邁步動作，在行走時在較小的抬升高度下就可以行走。

本發明中在腰部機構上連接縱向旋轉動力裝置，縱向旋轉動力裝置帶動腿部本體側向擺動，進而實現左右移動。

本發明在腰部機構上部設置承重平臺，在不需要安裝軀干時可將負重置于腰部平臺上，實現雙足機器人的負重運輸功能。

附圖說明

圖1為本發明的雙足機器人行走機構的整體示意圖；

圖2為本發明提供的雙足機器人單腿機構拆分示意圖；

圖中，1 腰部機構，2 腿部機構，3 足部機構，4 外殼，5 側向旋轉電機，6 連桿，7 前后向旋轉電機，8 連接件，9 滑塊，10 直線軸承，11 減速電機，12 支撐架，13 直線導軌，14 絲杠，15 減速電機，16 腿足連接件，17 連接塊，18 足底板。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

如圖1所示，一種雙足步行機器人行走機構，包括腰部機構1、腿部機構2和足部機構3，腿部機構2和足部機構3對稱置于腰部機構1兩側。

腰部機構1用于連接雙足機器人軀干與腿部機構2，腰部機構1上部可以設置承重平臺，在不需要安裝軀干時可將負重置于腰部平臺上，實現雙足機器人的負重運輸功能，同時機器人的控制系統集成在腰部機構1。

腿部機構2包括腿部本體，腿部本體內配合設置直線關節，直線關節包括主動部和從動部，從動部通過連接件8與橫向旋轉動力裝置(即前后向旋轉電機7)連接，主動部運作帶動從動部上下直線運動進而使腿部本體上下移動抬腿，前后向旋轉電機7運轉帶動腿部本體前后向擺動，兩個腿部機構的前后向旋轉電機7交替運轉帶動腿部本體實現交替邁腿動作。

兩個腿部機構2沿腰部機構1對稱設置，腰部機構1與腿部機構2通過髖關節相連，各側分別通過兩套減速電機帶動腿部做相對于身體前后方向及側方向的擺動運動。髖關節包括與腰部機構1固定連接的縱向旋轉動力裝置(即側向旋轉電機5)，前后向旋轉電機7與通過連桿6與側向旋轉電機5連接，側向旋轉電機5運轉帶動腿部本體側向擺動。其中側向旋轉電機5機體與機器人腰部機構1固連，其旋轉軸通過連桿6與前后向旋轉電機7機體相連。前后向旋轉電機7的輸出軸則通過連接件8與腿部直線關節滑塊9相連。

主動部可以為絲杠，從動部為帶絲孔的滑塊。

或者，主動部可以為齒輪，從動部為齒條。

或者，主動部可以為液壓元件，從動部為滑座。

本實施例中以絲杠和滑塊為例進行描述，如圖2所示，腿部機構2由調節機器人腿運動的直線關節與控制足部俯仰角度的旋轉關節組成。

直線關節包含減速電機11、兩根直線導軌13、直線軸承10、絲杠14、滑塊9、支撐架12與外殼4，其中減速電機11、直線導軌13與絲杠14固定在支撐架12上。滑塊9與直線軸承10固連，直線軸承10穿過直線導軌13，滑塊9絲孔則與絲杠14配合。直線關節減速電機11輸出軸與絲杠14相連，帶動絲杠14做旋轉運動。兩根直線導軌13與絲杠14平行安裝，其安裝端面呈等腰三角形。支撐架12通過螺絲與外殼4相連。在減速電機11運轉時，絲杠14帶動滑塊9上下移動，由滑塊9通過前后向旋轉電機7、連桿6、側向旋轉電機5與機器人腰部機構1固定，由于機器人腿部重量更輕，該機器人腿與機器人腰部連接后，機器人腰部重量更大，機器人腰部不動，從而使得腿部本體上下移動實現抬腿動作。

控制足部俯仰角度的旋轉關節包括橫向設置的動力裝置(即減速電機15)與腿足連接件16，減速電機15機體固定在外殼4上，其輸出軸則與腿足連接件16相連。腿足連接件16是連接機器人腿部機構2與足部機構3的部件，其上端連接減速電機15，下端則與足部機構3相連。

足部機構3包括與腿足連接件16相連的連接塊17，連接塊17底部與足底板18相固定連接。

本發明機器人行走機構的運作過程為：

側向旋轉電機5運轉，通過連桿6、前后向旋轉電機7、連接件8傳遞到腿部機構2，帶動腿部機構2相對于身體側向擺動，完成左右移動；前后向旋轉電機7運轉，通過連接件8傳遞到腿部機構2，帶動腿部機構2相對于身體前后向擺動，完成邁腿動作；減速電機15運轉，通過腿足連接件16傳遞到足部機構3，調整足部機構3前后俯仰角度，模擬人足行走時的邁步動作；減速電機11運轉，通過絲杠14傳遞給腿部直線關節滑塊9，帶動腿部直線關節滑塊9上下運動，由于腰部不動，從而使得腿部本體實現上下移動完成抬腿動作。控制系統控制前后向旋轉電機7、減速電機11、減速電機15運轉，使機器人完成單腿邁腿行走。兩個腿部機構2的前后向旋轉電機7交替運轉帶動腿部本體實現交替邁腿動作。

在行走時，控制系統控制兩個腿部機構的前后向旋轉電機7、減速電機11、減速電機15交替運轉，使機器人完成交替邁腿，從而實現向前行走，控制系統控制兩個腿部機構的側向旋轉電機5交替運轉，實現機器人左右移動行走。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。