CN101602382B - 一种单驱动四足步行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人的机构。一种单驱动四足步行机器人，电机(3-1)由传动元件(3-4)驱动前、后两根平行配置的转轴，转轴的左右两端分别固定连接曲柄(4-1)。车身安装四个单腿，单腿由一个曲柄摆杆机构与交叉平行四边形串联铰接而成。在车身上设置包括曲柄转动副(4-4)和摆杆转动副(4-5)的一个曲柄摆杆平面四连杆机构，连杆(4-2)外伸端铰接推杆(5-1)下端；长摆杆(5-4)与短连杆(5-2)平行配置，长摆杆(5-4)的下端固定于车身的长摆杆转动副(5-5)，短连杆(5-2)与长摆杆(5-4)的上端分别交叉铰接推杆(5-1)及行走杆(5-3)，推杆(5-1)与长摆杆(5-4)交叉铰接，短连杆(5-2)下端铰接于行走杆(5-3)中部的一个位置，行走杆(5-3)下端为行走足。本发明加大了机器人行走步距和步高，便于抬腿迈步，能调节行走步距和抬腿角度。

Description

一种单驱动四足步行机器人 

(一)技术领域

本发明涉及机器人的行走机构，具体是涉及一种由四足行走步行机器人的行走机构。 

(二)背景技术

目前大多四足步行机器人的行走机构是由多关节机构构成，行走时各关节独立驱动以实现所规划的步态。如一般的四足步行机器人各腿由三至四个关节构成，行走时每个关节需由电机独立驱动，多个电动机协调控制方能完成一个步态。这种步行机器人具有机构结构简单和柔性较好，但由于其需要多个电机驱动、协调控制要求高，因此研制成本较高。 

另一类四足步行机器人机构是基于切比雪夫机构连杆末端点轨迹进行步态规划，通过多杆机构联动实现多足步行机器人机构行走。 

该行走机构单个行走足的具体结构是：在车身配置单腿的位置上设置曲柄转动副和摆杆转动副的一个曲柄摆杆平面四连杆机构，连杆沿摆杆端延伸端即为行走足。当电机驱动曲柄转动时，带动连杆外伸端的行走足移动，行走足的运动轨迹近似为一个上方为近似水平直线，下部为近似椭圆曲线的一个封闭曲线，可以实现一个步子的动作。 

此类机构结构巧妙，它以多杆机构联动代替多电机驱动，具有驱动电机少、驱动控制简单、研制成本低的特点。 

但是它也存在以下主要两不足之处：①由于动作曲线为上方是近似水平直线，下部是近似椭圆曲线，为了实现迈步抬腿动作，必须是下部为近似直线，上部为近似椭圆曲线，因此当行走足安装在机身上时必须上下颠倒过来，两个固定支点设置在机身上的下部，由此导致的结果是底盘太低，所有装置都“挤压”在机身机架的下部，不利于整体部件的配置，安装困难。②如此结构，连杆外伸端的行走足行走步距太短，机器人步距和步高相对该机器人本体尺度较小实用性较差；为了放大步距必须大大加长连杆外伸端的长度，又导致车身的重心大大提高，结构变大，行动不稳。而且，该机构既不能调节抬腿的角度，又不能调节迈步的步距，其步态严重制约了该机构的应用。 

(三)发明内容

本发明的目的是要提供一种由单电机驱动四条腿，机器人行走步距较大，便于抬腿迈步，能调节步距和抬腿角度的四足步行机器人。 

本发明的目的是由如下机构来实现的。 

一种单驱动四足步行机器人，包括单电机驱动机构和配置在车身前后、左右四个位置的单腿机构，其特征在于： 

所述单驱动机构为：安装在车身上的电机，由传动元件驱动前、后两根平行配置的转轴，转轴的左右两端分别固定连接所述单腿机构的曲柄； 

所述单腿机构为：在车身配置单腿的位置上设置包括曲柄转动副和摆杆转动副的一个曲柄摆杆平面四连杆机构，连杆向着摆杆端延伸外伸端铰接一交叉平行四边形机构的推杆下端； 

所述交叉平行四边形机构为：长摆杆与短连杆平行配置，长摆杆的下端固定于车身的长摆杆转动副，长摆杆与短连杆的上端分别交叉铰接行走杆及推杆，推杆与长摆杆交叉铰接，短连杆下端铰接于行走杆中部的一个位置。 

进一步，所述长摆杆转动副在车身上的位置可以在垂直方向调节。 

进一步，所述长摆杆转动副在车身上的位置可以在水平方向调节。 

进一步，所述曲柄长度、连杆长度、摆杆长度与固定杆的长度即曲柄转动副和摆杆转动副之间的长度之比为1∶4∶4∶3。 

进一步，所述连杆延伸段长度与摆杆长度之比为1∶1。 

进一步，在车身上前后左右的四条腿，前腿与后腿，左腿与右腿相互对应配置。 

进一步，所述前后转轴与单腿的曲柄连接中设置初始相位角，车身同侧两曲柄的初始相位角相等，车身异侧曲柄的初始相位角相差180度。 

进一步，所述电机3-1由传动元件驱动一根转轴，再由该转轴经传动元件驱动另一根转轴。 

进一步，所述电机3-1由传动元件分别同时驱动两根转轴。 

进一步，所述传动元件为皮带、链条和/或齿轮。本发明专利提出的单电机驱动四足步行机器人，由电机、传动元件，四个单腿机器足机构装配在车身上组成，通过四个腿部机构中曲柄初始相位设置，机器人行走时总是有两条腿处于触地状态，另两只腿处于跨越状态，完成了四足的交替跨步，实现类似于动物的行走步态。 

当电机转动，通过皮带、链条和/或齿轮组构成的传动元件传递至前、后的转轴，实现驱动安装于转轴上单腿机构的曲柄，由此完成四足的机械联动。驱动曲柄绕曲柄转动副转动一周时，所述的平面四杆机构的连杆延伸线末端的轨迹为一封闭曲线，其上半部近似直线，下半部近似椭圆的轨迹。再由连杆延伸线末端将轨迹曲线铰接输入到交叉平行四边形机构中。通过交叉平行四边形机构将轨迹放大并颠倒，最终行走杆末端运动出一条上半段近似椭圆，下半段近似直线的轨迹曲线。安装于车身对角两轮子的初始相位角相等，与另外一组安装车身异侧曲柄的初始相位角相差180度，从而实现四腿交替跨越。 

本发明的有益效果表现于：本发明专利提出了一种新型单驱动四足步行机器人机构，其单腿机构由一个曲柄摆杆平面四连杆机构连杆外伸末端串联一个交叉平行四边形机构构成；交叉平行四边形机构具有将平面四连杆机构末端轨迹颠倒、放大的功能；交叉平行四边形与步行机器人车身铰接处长摆杆转动副具有垂直方向可调功能，可用来调节轨迹曲线倾斜角度，以适应在不同倾斜角度地面行走；交叉平行四边形与步行机器人车身铰接处长摆杆转动副还具有水平方向可调功能，可用来调节轨迹曲线跨度与跨高；机器人体同侧的两腿机构初始相位为等相位，并与车身异侧两腿机构的初始相位呈180度之差，当电机驱动时各腿机构交替跨步实现行走功能。本发明的步行机器人机构具有研制成本低廉、结构简单、驱动少控制简单、步距步高可调、适应不同倾斜角度的地面行走等特点，既保留了原切比雪夫机构驱动少的特点，又改善其局限性，增加了新功能，扩大了应用范围。 

(四)附图说明

图1是本发明单驱动四足步行机器人的一种实施方式，整体立体配置示意图，图中未显示电机等单驱动机构； 

图2是本发明的单腿机器足机构以机构运动简图表示的示意图； 

图3为本发明的单驱动机构的一种实施方式的电机及传动元件组合的示意图； 

图4为本发明的单腿机器足机构其中平面四连杆机构部分机构运动简图的示意图； 

图5为本发明的单腿机器足机构其中交叉平行四边形机构部分机构运动简图的示意图； 

图6为调整单腿机器足机构其中交叉平行四边形机构部分长摆杆转动副前后位置调节产生的轨迹曲线簇； 

图7为调整单腿机器足机构其中交叉平行四边形机构部分长摆杆转动副上下位置调节产生的轨迹曲线簇； 

图8为本发明的单驱动机构的一种实施方式，电机经传动元件传动给一根转轴，再由该转轴传动给出另一转轴的结构示意图： 

图9为本发明的单驱动机构的一种实施方式，电机经传动元件同时传动给前后两根转轴的结构示意图。 

图中：3-1是电机、3-2是前转轴、3-3是后转轴、3-4是传送元件、4-1是曲柄、4-2是连杆、4-3是摆杆、4-4是曲柄转动副、4-5是摆杆转动副、5-1是推杆、5-2是短摆杆、5-3是行走杆、5-4是长摆杆、5-5是长摆杆转动副。 

(五)具体实施方法 

以下结合附图进一步详细说明本发明的结构。 

一种单驱动四足步行机器人，包括单电机驱动机构和配置在车身前后、左右四个位置的单腿机构： 

所述单驱动机构为：安装在车身上的电机3-1，由传动元件3-4驱动前、 后两根平行配置的转轴，转轴的左右两端分别固定连接所述单腿机构的曲柄4-1。 

所述单腿机构为：在车身配置单腿的位置上设置曲柄转动副4-4和摆杆转动副4-5的一个曲柄摆杆平面四连杆机构，连杆4-2向着摆杆4-3端延伸外伸端铰接一交叉平行四边形机构的推杆5-1下端； 

所述交叉平行四边形机构为：长摆杆5-4与短连杆5-2平行配置，长摆杆5-4的下端固定于车身的长摆杆转动副5-5，长摆杆5-4与短连杆5-2的上端分别交叉铰接行走杆5-3及推杆5-1，推杆5-1与长摆杆5-4交叉铰接，短连杆5-2下端铰接于行走杆5-3中部的一个位置，行走杆5-3的下端为机器人的行走足。 

单腿足经过第一个平面四连杆机构实现了一个上半部近似水平直线和下半部近似椭圆弧线的封闭曲线运动，经铰接后一个交叉平行四边形机构，实现了直线步距的放大和封闭曲线形状的上下颠倒目的，使得机器腿可以向上抬起迈步而不受原轨迹形状的干涉。 

电机3-1由传动元件3-4驱动前、后两根平行配置的转轴，转轴的左右两端分别固定连接各曲柄4-1，转动传递给各单腿。所述长摆杆转动副5-5在车身上的位置可以在水平方向调节，通过调节摆杆转动副5-5在车身上的水平位置可以调节行走杆5-3下端的行走距离，即步距和步高的大小。 

所述长摆杆转动副5-5在车身上的位置可以在上下方向调节，通过调节摆杆转动副5-5在车身上的上下位置可以调节行走杆5-3下端的抬起角度，以适应行走杆5-3迈步不同的角度。 

所述曲柄4-1长度、连杆4-2长度、摆杆4-3长度与固定杆的长度即曲柄转动副4-1和摆杆转动副4-4之间的长度之比为1∶4∶4∶3。所述连杆4-2外延伸长度与摆杆4-3长度之比为1∶1。经设计计算和试验验证，按以上比例配置，可以实现比较合适的机器人行走动作。 

在车身上前后左右的四条腿，前腿与后腿，左腿与右腿相互对应配置。为了协调四条单腿的行走动作，按上述关系对应配置可以采用同样结构的单腿机构。 

所述前转轴、后转轴与单腿的曲柄4-1连接中设置初始相位角，车身同侧两曲柄4-1的初始相位角相等，而车身异侧曲柄4-1的初始相位角相差180度。同样是为了在一个电机动力的传送下协调四条腿动作，实现各腿交替跨步行走的功能。 

电机3-1由传动元件3-4驱动一根转轴，再由该转轴经传动元件3-4驱动另一根转轴。也可以是电机3-1由传动元件3-4分别同时驱动两根转轴，总之由一台电机驱动前后两根转轴的转动。 

所述单电机驱动机构的传动元件3-4为皮带、链条和/或齿轮。由皮带和/或链条、齿轮，特别是可以是一种同步齿形带传动，结构简单、成本低，装配容易。由若干直齿轮或/和伞齿轮啮合组成，由齿轮机构传递动作可靠，适合在地面平整度变化较大的场合使用。 

如图3实施方式中举例一件，由一对锥齿轮将与前进方向一致竖式配置的电机3-1的转动变换传递给横向配置的前转轴3-2，再经两根同步带传动给后转轴3-3继而将运动传递给安装于轴上的单腿机构曲柄4-4。安装于车身同侧两曲柄4-1的初始相位角相等，而车身不同侧曲柄4-1的初始相位角相差180度，机器人可实现四足的交替跨步行走，这也是因为前腿与后腿，左腿与右腿的结构相互对应配置。 

本发明单腿机构由平面四杆机构的连杆4-2延伸线末端串连一个交叉平行四边形机构来放大步距，并且通过调整交叉平行四边形机构的长摆杆转动副5-5位置来改变足部的轨迹曲线，以改变轨迹曲线的形状及倾斜角度，实现调整该机器人的步距和步高目的。 

本发明加大了机器人行走步距，便于抬腿迈步，能调节机器人的行走步距和抬腿角度。 

Claims (10)

1.一种单驱动四足步行机器人，包括单电机驱动机构和配置在车身前后、左右四个位置的单腿机构，其特征在于：

所述单驱动机构为：安装在车身上的电机(3-1)，由传动元件(3-4)驱动前、后两根平行配置的转轴，转轴的左右两端分别固定连接所述单腿机构的曲柄(4-1)；

所述单腿机构为：在车身配置单腿的位置上设置包括曲柄转动副(4-4)和摆杆转动副(4-5)的一个曲柄摆杆平面四连杆机构，连杆(4-2)向着摆杆(4-3)端延伸外伸端铰接一交叉平行四边形机构的推杆(5-1)下端；

所述交叉平行四边形机构为：长摆杆(5-4)与短连杆(5-2)平行配置，长摆杆(5-4)的下端固定于车身的长摆杆转动副(5-5)，短连杆(5-2)与长摆杆(5-4)的上端分别交叉铰接推杆(5-1)及行走杆(5-3)，推杆(5-1)与长摆杆(5-4)交叉铰接，短连杆(5-2)下端铰接于行走杆(5-3)中部的一个位置。

2.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于所述长摆杆转动副(5-5)在车身上的位置可以在垂直方向调节。

3.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于所述长摆杆转动副(5-5)在车身上的位置可以在水平方向调节。

4.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于所述曲柄(4-1)长度、连杆(4-2)长度、摆杆(4-3)长度与固定杆的长度即曲柄转动副(4-4)和摆杆转动副(4-5)之间的长度之比为1∶4∶4∶3。

5.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于所述连杆(4-2)延伸段长度与摆杆(4-3)长度之比为1∶1。

6.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于在车身上前后左右的四条腿，前腿与后腿，左腿与右腿相互对应配置。

7.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征所述前后转轴与单腿的曲柄(4-1)连接中设置初始相位角，车身同侧两曲柄(4-1)的初始相位角相等，车身异侧曲柄(4-1)的初始相位角相差180度。 

8.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于所述电机(3-1)由传动元件(3-4)驱动一根转轴，再由该转轴经传动元件(3-4)驱动另一根转轴。

9.根据权利要求1所述四足步行机器人，其特征在于所述电机(3-1)由传动元件(3-4)分别同时驱动两根转轴。

10.根据权利要求1、8或9所述四足步行机器人，其特征在于所述传动元件(3-4)为皮带、链条和/或齿轮。 

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