1.本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及一种机器人二自由度踝关节结构模块。


背景技术：

2.随着科学技术的快速发展，人们对于仿人机器人的研发及应用越来越重视。仿人机器人的关节较多，且一般每个关节都有一个电机进行驱动控制，但是仿人机器人各个关节对电机的性能要求及整体布置却不一样。通常为了方便进行机器人步态运动控制，一般会尽量提高机器人的重心位置。
3.目前，现有技术中存在的主要问题是：1、仿人机器人踝关节的两个自由度一般为两个驱动电机单独控制转动，关节转动对单个电机扭矩的性能要求较高，结构复杂，不便于装配，制造成本高。2、驱动电机一般安装在靠近脚踝关节旁边的位置，造成机器人腿部重心较低，不利于机器人步态控制。因此，现有技术亟待进一步改进和提高。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明的目的一在于提出一种机器人二自由度踝关节结构模块，解决现有仿人机器人踝关节结构复杂且对电机扭矩要求较高，以及机器人腿部重心较低的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种机器人二自由度踝关节结构模块，包括小腿臂、足部、十字连接轴、齿轮组件及驱动装置，足部通过十字连接轴设在小腿臂的下方，十字连接轴的纵轴部分与足部转动相连。
6.齿轮组件包括设在十字连接轴纵轴部分的锥齿轮一和对称设在小腿臂下端两侧的两个锥齿轮二，两个锥齿轮二均与小腿臂转动配合，锥齿轮一与两个锥齿轮二均啮合。
7.所述驱动装置有两个，且对称设置在小腿臂两侧，各驱动装置的下端均与同侧的锥齿轮二相连，驱动装置带动两个锥齿轮二同步转动。
8.作为本发明一种优选的方案，小腿臂为上下两端敞口的管体结构，其下端两侧对称开设有两个踝关节轴孔。
9.作为本发明一种优选的方案，锥齿轮一套设在十字连接轴纵轴部分，且与十字连接轴纵轴部分转动配合，锥齿轮一与足部固定相连。
10.两个锥齿轮二相背离的一侧分别设有一个连接轴套，锥齿轮二与连接轴套同轴固定相连，各连接轴套均通过轴承与小腿臂的侧壁转动配合。
11.作为本发明一种优选的方案，所述锥齿轮二具有齿轮轴孔二，两个所述齿轮轴孔二相对布置。
12.十字连接轴横轴部分的两端穿过齿轮轴孔二，并与两个锥齿轮二转动配合。
13.作为本发明一种优选的方案，锥齿轮一具有齿轮轴孔一，十字连接轴纵轴部分的
一端穿入齿轮轴孔一并与锥齿轮一转动配合，锥齿轮一通过法兰轴套与足部可拆卸固定相连。
14.作为本发明一种优选的方案，十字连接轴纵轴部分的另一端穿入足部，并与足部转动配合。
15.作为本发明一种优选的方案，驱动装置包括伺服电机和带传动机构，伺服电机固定设置在小腿臂的上部内侧，两个伺服电机的输出端相互背离，且分别通过一个所述带传动机构与连接轴套相连。
16.作为本发明一种优选的方案，所述带传动机构包括第一带轮和第二带轮，所述第一带轮的轮轴与伺服电机的输出端同轴固定相连，第二带轮的轮轴与连接轴套的外端同轴固定相连，第一带轮通过同步带与第二带轮相连。
17.作为本发明一种优选的方案，所述小腿臂的上端两侧对称开设有两个膝关节轴孔。
18.本发明的目的二在于提出上述机器人二自由度踝关节结构模块的工作方法，具体包括如下几个步骤：步骤一，大腿臂带动小腿臂向上运动，在足部离开地面状态下，两个伺服电机接受机器人控制系统发来的指令，开始启动并确定伺服电机输出端的转动方向。
19.步骤二，伺服电机分别驱动两个锥齿轮二同步转动，且转动方向相反，两个锥齿轮二带动锥齿轮一绕其轴线转动，并带动十字连接轴绕其纵轴部分转动，足部绕十字连接轴的纵轴部分转动到预定角度后，两个锥齿轮二停止转动，所述足部保持左右倾斜角度不变。
20.步骤三，伺服电机分别驱动两个锥齿轮二同步转动，且转动方向相同，两个锥齿轮二与锥齿轮一啮合，锥齿轮二、锥齿轮一、十字连接轴和足部保持相对静止状态，同时绕十字连接轴的横轴部分转动到预定角度后，两个锥齿轮二停止转动，所述足部保持前后倾斜角度不变。
21.步骤四，伺服电机停止转动，足部保持预定姿态，大腿臂带动小腿臂向下运动，在足部的下表面与地面接触，上述过程中，步骤三与步骤二可互换。即足部绕十字连接轴横轴部分或纵轴部分的角度调整的先后顺序可调换，足部姿态调节所实现的目的是相同的。
22.通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：1、本发明提供了一种机器人二自由度踝关节结构模块，采用两个伺服电机并联式驱动结构集成驱动电机模块，通过两个伺服电机控制踝关节的锥齿轮组件与十字轴相配合，实现足部绕十字连接轴二个自由度转动，达到了两个驱动电机同时耦合驱动受力的效果，降低了对单个电机扭矩的性能要求。两个伺服电机同向转动时，可以带动机器人的足部绕十字连接轴的横轴部分前后转动，两个电机反向转动时，带动机器人的足部绕十字连接轴的纵轴部分左右转动，结构更简单，制造成本更低，提高了机器人腿部关节的负载能力、能源效率和运动灵活性。
23.2、本发明提供的仿人机器人踝关节结构，将伺服电机及传动机构置于机器人小腿臂上部靠近膝关节的位于，伺服电机通过同步带传动的方式，能够实现仿人机器人踝关节的转动，提高了机器人腿部重心位置，更加有利于机器人步态控制的平衡稳定。
附图说明
24.图1是本发明一种机器人二自由度踝关节结构模块的立体结构示意图。
25.图2是本发明一种机器人二自由度踝关节结构模块的左视视向结构示意图。
26.图3是图2中本发明b-b视向的结构剖视图。
27.图4是图2中本发明c-c视向的结构剖视图。
28.图5是本发明一种机器人二自由度踝关节结构模块的后视视向结构示意图。
29.图6是图5中本发明a-a视向的结构剖视图。
30.图7是图1中本发明某一部分的结构示意图，示出的是十字连接轴和齿轮组件。
31.图8是图1中本发明另一部分的结构示意图，示出的是小腿臂。
32.图中标号说明：1、小腿臂；11、踝关节轴孔11；12、膝关节轴孔；13、长条状侧板；14、连接板；2、足部；21、安装座；3、十字连接轴；4、驱动装置；41、伺服电机；42、第一带轮；43、第二带轮；44、同步带；51、锥齿轮一；52、锥齿轮二；53、连接轴套；54、法兰轴套；55、轴承。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明进行详细说明：实施例1，结合图1至图8，一种机器人二自由度踝关节结构模块，包括小腿臂1、足部2、十字连接轴3、齿轮组件及驱动装置4，足部2通过十字连接轴3设在小腿臂1的下方，十字连接轴3的纵轴部分与足部2转动相连。
34.小腿臂1为上下两端敞口的方形管体结构，其包括左右相对布置的两个长条状侧板13，两个长条状侧板前后两侧的中部分别通过一个连接板14固定相连成一体，形成方管状的小腿臂1，小腿臂1采用中空结构有利于降低其自身重量以及在其内侧安装部件。
35.所述小腿臂1的上端左右两侧对称开设有两个膝关节轴孔12，两个膝关节轴孔12的内径相等且同轴正向相对，小腿臂1的上端通过膝关节组件与大腿臂的下端活动相连，机器人行走过程中大腿臂带动小腿臂1及足部上升或者下降。
36.小腿臂1下端两侧对称开设有两个踝关节轴孔11，两个踝关节轴孔11的内径相等且同轴正向相对。
37.足部2后上方设置有两个安装座21，两个安装座21一前一后相对间隔布置，下端与足部2的上表面固定焊接成一体，所述十字连接轴3位于安装座21之间，所述十字连接轴3纵轴部分与两个安装座21对应。同时，十字连接轴3位于还位于两个踝关节轴孔11之间，十字连接轴3的横轴部分与两个踝关节轴孔11对应。
38.齿轮组件位于小腿臂1下端的两个踝关节轴孔11，包括设在十字连接轴3纵轴部分的锥齿轮一51和对称设在小腿臂1下端左右两侧的两个锥齿轮二52，两个锥齿轮二52均与小腿臂1转动配合，锥齿轮一51与两个锥齿轮二52均啮合。
39.所述驱动装置4有两个，且对称设置在小腿臂1两侧，各驱动装置4的下端均与同侧的锥齿轮二52相连，驱动装置4带动两个锥齿轮二52同步转动。
40.作为本发明的优选方案，锥齿轮一51套设在十字连接轴3纵轴部分的后部，并与十字连接轴3纵轴部分转动相连，锥齿轮一51的后端与足部2固定相连，其前端为与锥齿轮二52相啮合的齿形面。具体地，锥齿轮一51具有齿轮轴孔一，十字连接轴3纵轴部分的后端穿入齿轮轴孔一并与锥齿轮一51转动配合，十字连接轴3纵轴部分的前端穿入位于前侧的安
装座21，并与前侧的安装座21转动配合，前侧的安装座21对十字连接轴3纵轴部分的前端起支撑作用。
41.锥齿轮一51的后端固定有与其同轴布置的法兰轴套54，法兰轴套54也套设在十字连接轴3纵轴部分，锥齿轮一51通过法兰轴套54与足部2上方位于后侧的安装座21可拆卸固定相连。工作状态下，十字连接轴3纵轴部分与锥齿轮一51同步转动，并带动足部2绕十字连接轴3纵轴部分转动，实现足部2下表面的左右高度调节。
42.作为本发明的优选方案，两个锥齿轮二52的齿轮面位于相对侧，两个锥齿轮二52相背离的一侧分别设有一个连接轴套53，锥齿轮二52的外端面与连接轴套53的一端同轴固定焊接成一体，连接轴套53的另一端穿过同侧的踝关节轴孔11，各连接轴套53均通过轴承55与小腿臂1的侧壁转动配合。
43.具体地，所述锥齿轮二52具有齿轮轴孔二，两个所述齿轮轴孔二也同轴相对布置。十字连接轴3横轴部分的两端分别穿过齿轮轴孔二，端部位于连接轴套53内侧，十字连接轴3横轴部分与两个锥齿轮二52自由转动配合，两个锥齿轮二52对十字连接轴3横轴部分起支撑作用，使其始终保持在两个安装座21之间。由于两个锥齿轮二52均与锥齿轮一51啮合，因此两个锥齿轮二52及连接轴套53的转动同步。
44.作为本发明一种优选的方案，驱动装置4包括伺服电机41和带传动机构，伺服电机41固定设置在小腿臂1的上部内侧，两个伺服电机41的输出端相互背离，且分别通过一个所述带传动机构与连接轴套53相连。所述带传动机构包括第一带轮42和第二带轮43，所述第一带轮42的轮轴与伺服电机41的输出端同轴固定相连，第二带轮43的轮轴与连接轴套53的外端同轴固定相连，第一带轮42通过同步带44与第二带轮43相连。
45.所述伺服电机41由机器人的电源为其供电，伺服电机41的信号端与机器人的控制系统通迅相连，控制系统发送指令给伺服电机41启动、停止，以及伺服电机41输出端的转动方向及转速控制，机器人对伺服电机41的供电及控制系统均采用现有技术。
46.实施例2，结合图1至图8，上述机器人二自由度踝关节结构模块的工作方法，大致包括如下几个步骤：步骤一，大腿臂带动小腿臂向上运动，在足部离开地面状态下，两个伺服电机41接受机器人控制系统发来的指令，开始启动并确定伺服电机41输出端的转动方向。
47.步骤二，伺服电机41分别驱动两个锥齿轮二52同步转动，且转动方向相反，两个锥齿轮二52带动锥齿轮一51绕其轴线转动，并带动十字连接轴3绕其纵轴部分转动，足部2绕十字连接轴3的纵轴部分转动到预定角度后，两个锥齿轮二52停止转动，所述足部2保持左右倾斜角度不变。
48.步骤三，伺服电机41分别驱动两个锥齿轮二52同步转动，且转动方向相同，两个锥齿轮二52与锥齿轮一51啮合，锥齿轮二52、锥齿轮一51、十字连接轴3和足部2保持相对静止状态，同时绕十字连接轴3的横轴部分转动到预定角度后，两个锥齿轮二52停止转动，所述足部2保持前后倾斜角度不变。
49.步骤四，伺服电机41停止转动，足部2保持预定姿态，大腿臂带动小腿臂向下运动，在足部的下表面与地面接触，上述过程中，步骤三与步骤二可互换，即足部2绕十字连接轴3横轴部分或纵轴部分的角度调整的先后顺序可调换，足部2姿态调整所实现的目的是相同的。
50.本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
51.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。
52.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。
53.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。