CN101746431A - 一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明是在现有多足机器人研究成果下,寻找一种现行汽车、坦克、拖拉机的动力技术与现代电脑、机器人技术相结合的高效行走方式,从而建立一种复合驱动方式,由内燃机通过凸轮刚性提供驱动力,由伺服液压驱动器提供转向动力和调节平衡姿态的四足步行机器人平台;机器人在平坦道路上直行时99%以上的驱动力是由内燃机刚性提供的,当遇有凹凸不平的路面或转向时通过液压驱动系统完成调节平衡姿态和转向的任务;它不仅可以减小液压驱动系统的功率,降低液压驱动系统的使用频率,延长使用寿命,机器人还可以完整模仿自然界中四足动物,实现连贯、圆滑、平稳、强劲有力、高效的行走,在复杂的环境中能够长时间连续工作。

Description

一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种机器人结构,具体的说是一种多足机器人结构。
背景技术
[0002] 机器人或车辆的移动方式主要有轮式、履带式、跨步式和混合式。其中轮式、履带
式的移动方式受到环境的限制,工作范围较小。跨步行走的步行机器人或者车辆取代轮式、
履带式机器人或者车辆能够完成一些复杂环境的工作,还可以节约能源;已经越来越需要
多足步行车辆或机器人满足人们的特殊需要,提高运输工具在崎岖道路或者无路的情况下
的通过能力,或者从事一些人体自身无法完成的工作,从古代的"木牛流马"到现代美国波
士顿动力公司研制出了一种名叫"大狗"的四脚行走的机器人,这是为美国军方所设计的专
门用来负重运输的机器人,多脚行走的机器人越来越受到各国的科学界的重视。
[0003] 目前,多足步行车辆或机器人大都采用多只电动马达驱动或者液压驱动,完全依
赖多只电动马达驱动的机器人,自重大,其动能是通过电能转化而来,能源利用率低,电能
是电池提供的,实际运行过程中不能长时间连续工作,完全依赖液压驱动能源利用率同样
低,自重大;现有跨步行驶的多足步行车辆存在以下共同缺点:(一 )、实际运行过程中传动
效率低;(二 )、实际运行过程中动力不足;(三)、不能完整模仿自然界中的四足动物,实现
连贯、圆滑、平稳地行走。(四)、能源补给不方便,实际运行过程中不能长时间连续工作。
发明内容
[0004] 本发明的目的是在现有机器人技术的基础上,提供一种可以由内燃机通过凸轮传 动机构直接刚性传递驱动力,由液压驱动系统提供转向动力和调整平衡姿态的四足步行机 器人。
[0005] 为了解决上述现有技术中的问题,本发明采用如下技术方案:
[0006] —种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:包括有方框
机架,在该方框机架四个角上设有四个腿单元,每个腿单元通过竖直方向运动机构和其腿
机构顶部的水平运动机构与该方框机架连接,设计在该方框机架上的燃油动力系统通过复
合驱动机构与每个腿单元上的水平运动机构和竖直方向运动机构分别连接。
[0007] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:所
述水平运动机构包括固定在机架上的托盘以及滑行在托盘上的滑盘,所述滑盘为圆形盖
状,其中心朝下固定一球铰,所述托盘中部开一孔,滑盘盖在托盘中部孔上,球铰穿过孔,球
铰可以在孔中设定范围内水平移动。
[0008] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:所 述退机构由小腿、连杆、大腿、上摇臂相互铰链连接组成活动的平行四边形结构,上摇臂上 端与滑盘通过所述球铰铰接,所述竖直方向运动机构由铰链连接在方匡机架上的山字轴摆 动机架、支撑杆、山字轴组成,支撑杆与山字轴摆动机架铰链连接,另一端滑行在机架滑槽 中,山字轴为十字轴万向节中的十字轴的变形体,其实际功能与十字轴万向节相同,大腿通过山字轴与山字轴摆动机架铰接,大腿的万向节铰链连接点、上摇臂上端铰球中心点、大腿 与上摇臂的铰链连接点此三点连线组成的三角形A,大腿的万向节铰链连接点、大腿与小腿 的铰链连接点、小腿末端点此三点连线组成的三角形B,大腿的万向节铰链连接点的选择满 足所述三角形A相似于三角形B。
[0009] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:该 方框机架上的燃油动力系统由内燃机通过无级变速机构输出驱动力带动凸轮轴构成。 [0010] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:所 述复合驱动机构由滑块铰链连接液压传动系统的液压缸构成,复合驱动机构连接于凸轮轴 与各个腿单元之间。
[0011 ] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:所 述液压传动系统包含调节上下运动液压缸、左右运动液压缸和调节前后运动液压缸,调节 前后运动液压缸一端和滑块铰链连接,另一端铰链连接在滑盘中心,调节上下运动液压缸 一端和滑块固定连接,另一端和机架滑槽中的支撑杆上端铰链连接,左右运动液压缸在机 架压槽内,通过导槽滚轮与前后运动液压缸的导槽相互连接。
[0012] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:所 述小腿末端安装三维传感器,可以感知机械腿的落地情况。
[0013] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:所 述液压缸为伺服液压缸。
[0014] 如上所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:行 驶过程中液压传动系统无需工作的情况下,凸轮轴通过复合驱动机构驱动各个腿单元,带 动机器人做前后匀速直线运动,当遇有凹凸不平的路面时,调节上下运动液压缸调整上下 运动姿态,当遇有转向时,由左右运动液压缸通过导槽滚轮驱动调节前后运动液压缸上的 导槽,驱动腿机构左右运动,调节机器人左右运动姿态,与此同步进行的调节前后运动液压 缸调节前后运动姿态,完整模仿自然界中四足动物的行走。
[0015] —种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人是模仿自然界中的如马、 牛、羊、猪、狗之类的四足行走动物设计的;腿机构的平行四边形结构与水平运动机构、竖直 运动机构一起构成平行四边形放大体系;通过腿机构把步行足的运动分成三维运动即前后 运动、左右运动和上下运动的组合,通过平行四边形放大体系把来自传动机构的上下力矩、 前后力矩、左右力矩传递到步行足的末端,形成三维运动的组合;机器人在水平路面上直线 行驶时,燃油动力系统可以通过凸轮传动装置,直接向步行足传递前后运动的力矩和上下 运动的力矩;每条步行足的末端都装有三维传感器,感知步行足的落地情况,当遇有凹凸不 平的路面时,调节上下运动液压缸调整上下运动姿态,达到机器人平稳行驶的目的,当遇有 转向时,由左右运动液压缸通过导槽滚轮驱动调节前后运动液压缸上的导槽,驱动腿机构 左右运动,调节机器人左右运动姿态,与此同步进行的调节前后运动液压缸调节前后运动 姿态,从而达到机器人平稳、圆滑转向的目的,这样就能完整模仿自然界中的如马、牛、羊、 猪、狗之类的四足动物的行走。
[0016] 本项发明的意义是:在现有多足机器人研究成果下,寻找一种现行汽车、坦克、拖 拉机、摩托车的动力技术与现代电脑、机器人技术相结合的高效行走方式,从而建立一种由 内燃机通过凸轮轴刚性传递驱动力,由液压传动系统提供转向动力和调节平衡姿态的四足步行机器人平台;它可以充当武器系统、山地运输工具、农业机械的平台;考古、勘探、通讯 系统的载体;步行机器人代替汽车,可以节能(有资料表明可以节省66%_83%的能源); 尤其是投入到社会主义新农村建设中去,应用于农业机械,如喷洒农药、撒肥料,可以解放 亿万农村旁动力。
[0017] 本发明的优点是:机器人的驱动力是直接由内燃机刚性提供或通过液压传动系间 接提供的,便于能源补给。调节前后运动液压缸和调节左右运动液压缸工作时是驱动机器 人做水平运动,无克服重力做功,是不需要大的功率,小型液压缸即可,调节上下运动液压 缸工作是支撑杆位置处于极顶时工作,作用力较小,液压缸也不需大的功率,小型液压缸就 可以,这样可以减轻机器人自身的重力,降低生产成本;液压传动系统可以全方位调整每条 步行足的三维运动状态,使得机器人能完整模仿自然界中的四足动物,实现连贯、圆滑、平 稳地行走。机器人在平坦道路直行时99%以上的驱动力是由内燃机通过凸轮轴刚性提供 的,这样实际运行过程中提高传动效率,可以解决机器人实际运行过程中会出现动力不足 的问题,同时减少液压系统的工作频率,延长液压缸的使用寿命;本发明实际运行过程中可 以在复杂的环境中长途跋涉,能够长时间的、高效地、平稳地连续工作。
附图说明
[0018] 图1 ,本发明的实施例整体参照图;
[0019] 图2,本发明的实施例等轴测视图;
[0020] 图3,本发明的实施例腿机构参照图(机架隐藏);
[0021] 图4,本发明的实施例腿机构及其山字轴的装配示意图;
[0022] 图5,本发明的实施例腿单元的左视图;
[0023] 图6,本发明的实施例腿机构的平行四边形放大原理示意图; [0024] 图7,本发明的实施例左视图;
[0025] 图8,本发明的实施例竖直方向运动机构局部放大视图; [0026] 图9,本发明的实施例局部放大视图A。
[0027] 三维感应器1、小腿2、连杆3、大腿4、上摇臂5、球铰6、滑盘7、调节前后运动液压 缸8、左右运动液压缸9、滑块10、调节上下运动液压缸11、支撑杆12、山字轴摆动机架13、 山字轴14、压槽滚轮15、导槽滚轮16、导槽17、托盘18、机架压槽19、机架滑槽20、前后运动 导槽21、滑块(上下运动机构)23,钢球30、内燃机01、凸轮轴02、上下运动凸轮03、前后运 动凸轮04、凸轮轴齿轮05、变速机构输出齿轮06、方框机架100。
具体实施方式
[0028] 参照附图,进一步说明本发明。
[0029] 图1,图2,图3,图4,图中所示一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器 人(以下简称机器人)包括有方框机架IOO,在该方框机架100四个角上设有四个腿单元, 每个腿单元通过上下运动机构和其腿机构顶部的水平运动机构与该方框机架100连接,设 计在该方框机架100上的燃油动力系统通过复合驱动机构与每个腿单元上的水平运动机 构和竖直方向运动机构分别连接。
[0030] 所述该方框机架100上的燃油动力系统由内燃机01通过无级变速器机构06输出
6驱动力带动凸轮轴02构成。
[0031] 所述四个腿单元包含水平方向运动机构、竖直方向运动机构和腿机构。水平方向 运动机构包括固定在方框机架100上托盘18、钢球30、滑行在托盘上的滑盘7、球铰6 (或者 应用三转轴相交与一点的万向节,即三维x轴、y轴、z轴)。滑盘7为圆形盖状,其中部朝 下固定一球铰6,所述托盘18中部开一孔,孔边向上凸起,以便阻止所述钢球30滚落,滑盘 7盖在托盘18中部孔上,球铰6穿过圆形孔,滑盘7与托盘18之间装满钢球30,球铰可以 在圆形孔中设定范围内水平移动。
[0032] 所述退机构由大腿4、小腿2、连杆3、上摇臂5组成,小腿2与大腿4、连杆3分别 铰链连接,大腿4、连杆3与上摇臂5对应铰链连接,所述大腿4、小腿2、连杆3、上摇臂5相 互铰链连接组成可变形的平行四边形结构;退机构的上摇臂5上端与滑盘7 (即水平方向运 动机构)通过所述球铰6铰接。
[0033] 如图4、图5、图6、图8所示,所述竖直方向运动机构由铰链连接在方匡机架100上 的山字轴摆动机架13、支撑杆12、山字轴14组成,山字轴14为十字轴万向节中的十字轴的 变形体,其实际功能与十字轴万向节相同,所述山字轴14与所述山字轴摆动机架13、大腿4 铰接,形成山字轴万向节,大腿4通过所述山字轴万向节与山字轴摆动机架13铰接; [0034] 大腿4的万向节铰接点、上摇臂5上端铰球6中心点、大腿4与上摇臂5的铰链连 接点此三点连线组成的三角形A,大腿的万向节铰接点、大腿与小腿的铰链连接点、小腿末 端点此三点连线组成的三角形B,大腿的万向节铰接点的选择满足所述三角形A相似于三 角形B。
[0035] 如图6所示,万向节铰接点在大腿上的选择满足ab比de = bc比cd,大腿的万向 节铰接点c、上摇臂上端铰球中心点a、大腿与上摇臂的铰链连接点b,三点连线组成的三角 形abc,大腿的万向节铰接点c、大腿与小腿的铰链连接点d、小腿末端点e,三点连线组成的 三角形cde ;由平行四边形的结构决定直线ab〃直线de,角abc =角cde,由于ab比de = bc比cd,可以导出三角形abc相似于三角形cde,而且无论角abc和角cde怎样变化,三角 形abc还是相似于三角形cde,可以导出ab比de = bc比cd = ac比ce, a点三维位移必 然在e点得到反方向的放大三维位移。
[0036] 如图2、图3、图7、图9所示,所述该方框机架100上的燃油动力系统由内燃机01 通过无级变速机构输出驱动力带动凸轮轴02构成。
[0037] 所述复合驱动机构由滑块铰链连接液压传动系统的液压缸构成,复合驱动机构连 接于凸轮轴02与各个腿单元之间。
[0038] 所述液压传动系统包含调节上下运动液压缸11、左右运动液压缸9和调节前后运 动液压缸8,调节前后运动液压缸8的一端和滑块10铰链连接,另一端铰链连接在滑盘7中 心,调节上下运动液压缸11 一端和滑块23固定连接,另一端和滑槽中的支撑杆12上端铰 链连接,左右运动液压缸9在机架压槽19内,通过导槽滚轮15与前后运动液压缸8的导槽 17相互连接。
[0039] 所述小腿末端安装三维传感器l,可以感知机械腿的落地情况。 [0040] 所述液压缸为伺服液压缸。
[0041] 图中实施例,是模仿自然界中的如马、牛、羊、猪、狗之类的四足行走动物设计的。 腿机构的平行四边形结构与水平运动机构、竖直运动机构一起构成平行四边形放大体系,通过腿机构把步行足的运动分成三维运动即前后运动、左右运动和上下运动的组合;通过
平行四边形放大体系把来自传动机构的上下力矩、前后力矩、左右力矩传递到步行足的末
端,形成三维运动的组合;
[0042] 机器人的运行过程如下:
[0043] 机器人在水平路面直线行驶时,行驶过程中液压传动系统无需工作,内燃机01的 驱动力通过无级变速机构(与汽车、摩托车的无级变速机构相似或者相同),传递给输出齿 轮06,输出齿轮06与凸轮轴齿轮05啮合,带动凸轮轴02转动。
[0044] 凸轮轴02上的上下运动凸轮03通过凸轮上的设定的滑槽推动机架滑槽20中的 滑块23做前后运动,滑块23带动固定连接其上的上下运动液压缸ll,液压缸11的另一端 和机架滑槽20中支撑杆12上端点铰链连接,通过支撑杆12传递上下运动的力矩,带动摆 动机架13上下摆动,摆动机架13带动山字轴14上下运动,通过腿机构的平行四边形放大 体系将山字轴14的上下运动放大,驱动小腿2末端上下运动。
[0045] 凸轮轴02上的前后运动凸轮04通过凸轮上的设定的滑槽推动前后运动导槽21 中的滑块10做前后直线运动,滑块10带动铰链连接其上的前后运动液压缸8,液压缸8的 另一端铰链连接在滑盘7的中心,驱动滑盘7水平直线运动(为了确保滑盘7水平直线运 动,这时左右液压缸9的导槽滚轮16处于前后运动导槽21的直线上,使得导槽17与前后 运动导槽21处于一条直线上。)滑盘7带动腿机构的上摇臂5上端做水平直线运动,通过 腿机构的平行四边形放大体系将上摇臂5上端的水平直线运动放大,驱动小腿2末端水平 直线运动,带动机器人前行。
[0046] 当遇有凹凸不平的路面时,调节上下运动液压缸11调整其自身长短,改变滑槽中 支撑杆12上端点的位置,通过支撑杆改变上下运动的姿态,调整摆动机架13上下摆动状 态,带动山字轴14的上下运动状态的改变,通过腿机构的平行四边形放大体系,调整小腿2 末端上下运动姿态,达到保持机器人平稳行驶的目的。
[0047] 当遇有转向时,由左右运动液压缸9通过导槽滚轮16驱动调节前后运动液压缸8 上的导槽17,改变前后运动液压缸8的运动导向,驱动腿机构左右运动,调节机器人左右运 动姿态,与此同步进行的调节前后运动液压缸8调节自身长短,带动滑盘7,改变滑盘7前后 运动状态,滑盘7带动腿机构的上摇臂5上端前后移动,通过腿机构的平行四边形放大体系 将上摇臂5上端的前后位移放大,调节小腿2末端前后运动姿态,达到机器人完整模仿自然 界中四足动物的行走的目的。
8

Claims (9)

  1. 一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在于:包括有方框机架100,在该方框机架四个角上设有四个腿单元,每个腿单元通过竖直方向运动机构和其腿机构顶部的水平运动机构与该方框机架连接,设计在该方框机架上的燃油动力系统通过复合驱动机构与每个腿单元上的水平运动机构和竖直方向运动机构分别连接。
  2. 2. 如权利要求1所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在 于:所述水平运动机构包括固定在机架上的托盘18以及滑行在托盘上的滑盘7,所述滑盘7为圆形盖状,其中心朝下固定一球铰6,所述托盘18中部开一孔,滑盘7盖在托盘18中部 孔上,球铰6穿过孔,球铰6可以在孔中设定范围内水平移动。
  3. 3. 如权利要求1和2所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特 征在于:所述退机构由小腿2、连杆3、大腿4、上摇臂5相互铰链连接组成活动的平行四边 形结构,上摇臂5上端与滑盘7通过所述球铰6铰接,所述竖直方向运动机构由铰链连接在 方匡机架100上的山字轴摆动机架13、支撑杆12、山字轴14组成,支撑杆12与山字轴摆 动机架13铰链连接,另一端滑行在机架滑槽20中,山字轴14为十字轴万向节中的十字轴 的变形体,其实际功能与十字轴万向节相同,大腿4通过山字轴14与山字轴摆动机架13铰 接,大腿4的万向节铰链连接点、上摇臂上端球铰6中心点、大腿4与上摇臂5的铰链连接 点此三点连线组成的三角形A,大腿4的万向节铰链连接点、大腿4与小腿2的铰链连接点、 小腿2末端点此三点连线组成的三角形B,大腿4的万向节铰链连接点的选择满足所述三角 形A相似于三角形B。
  4. 4. 如权利要求1所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在 于:该方框机架100上的燃油动力系统由内燃机01通过无级变速机构输出驱动力带动凸轮 轴02构成。
  5. 5. 如权利要求1和4所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特 征在于:所述复合驱动机构由滑块铰链连接液压传动系统的液压缸构成,复合驱动机构连 接于凸轮轴02与各个腿单元之间。
  6. 6. 如权利要求1和5所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特 征在于:所述液压传动系统包含调节上下运动液压缸11、左右运动液压缸9和调节前后运 动液压缸8,调节前后运动液压缸8 —端和滑块10铰链连接,另一端铰链连接在滑盘7中 心,调节上下运动液压缸11 一端和滑块23固定连接,另一端和机架滑槽20中的支撑杆12 上端铰链连接,左右运动液压缸9在机架压槽19内,通过导槽滚轮16与前后运动液压发动 机的导槽17相互连接。
  7. 7. 如权利要求3所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在 于:所述小腿2末端安装三维传感器,可以感知机械腿的落地情况。
  8. 8. 如权利要求5所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特征在 于:所述液压缸为伺服液压缸。
  9. 9. 如权利要求1和6所述一种可以由内燃机刚性传递驱动力的四足步行机器人,其特 征在于:行驶过程中液压传动系统无需工作的情况下,凸轮轴02通过复合驱动机构驱动各 个腿单元,带动机器人做前后匀速直线运动,当遇有凹凸不平的路面时,调节上下运动液压 缸11调整上下运动姿态,当遇有转向时,由左右运动液压缸9通过导槽滚轮16驱动调节前 后运动液压缸8上的导槽17,驱动腿机构左右运动,调节机器人左右运动姿态,与此同步进行的调节前后运动液压缸8调节前后运动姿态,完整模仿自然界中四足动物的行走。
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