CN101774408A - 一种四足仿生步行机构 - Google Patents
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Abstract
一种四足仿生步行机构，属于机器人技术领域。本发明通过对步行机构的全新方案设计，提高了机器人的作业范围和能力。其主要特征在于：四足步行机构可以在复杂环境中前进、后退、转弯，同时对侧向冲击有很稳定的姿态保持能力；四足步行机构的结构简单紧凑，提高了步行机构的承载能力，使其具有更高的应用价值；本发明还具有较强的延展性，可以向四足以上偶数对步行机构拓展。本发明在航天测试、军事、工业、考古、勘探等领域具有很强的实用价值。
Description
1技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种四足仿生步行机构。
2背景技术
移动机器人主要包括轮式移动机器人、步行移动机器人、蠕动机器人、履带式移动机器人、爬行机器人和水下推进式机器人等。两足、四足和六足步行机器人各有其特点：如两足步行最适合于与人类同样的行动空间内移动，六足步行是具有最佳的稳定裕量与硬件复杂度比值的步行机器人.而四足步行则具有以下特点：在凹凸或松脆的环境中，也能趴开四条腿，主动保持稳定的静止姿态；在车轮或履带无法通过的不平地面条件下，也能利用静态稳定步行低速而稳定地通过；能采用动态稳定步行，此时虽然有摇动，但能高速行走；能实现任意方向上的行走并能抵抗侧向冲击。
早在1966到1977年，美国R.B.McGhee和A.A.Frank在加利福尼亚大学便设计了名为加利福尼亚马的电动四足步行机。同时，1968年美国通用电气公司R.S.Mosher与美陆军移动系统实验室R.A.Liston合作制成一种四足步行机实用样机。不过，早期的这几种四足机器人设计比较简单，只是一种雏形。1988年，日本机械研究所研制成能动四足步行机器人，是一种设计比较完整的四足机器人，但距离真正的使用还有一定的差距。而在2008年3月美国官方公布了一段关于军用机械狗的录像，该录像中一只能够在粗糙地面快速跑动，并且能够承受较重负荷的军用机械狗“Big Dog”吸引了数百万网民的目光，并且一举在互联网上造成轰动。而国内的清华大学的五足机器人和双三足机器人、上海交通大学的四足机器人JTUWM、华中科技大学的多足机器人及其控制装置研究模型、上海交通大学2002年的微型六足机器人代表了国内步行机器人的发展水平，为国内机器人发展做出贡献但其中也都各具不足之处。
3设计内容
本发明目的在于提出一种四足步行仿生机构来实现仿生节律运动，该四足步行机构可以在较为复杂的环境中实现远距离目标运动并能承受一定载荷。
本发明的技术方案如下：一种实现节律性行走的四足步行机构，主要包括本体、驱动系统、执行系统、动力配备、行走系统、控制单元、传感器、显示器。其具体特征如下：
本体是四足步行机构的各部件的承载平台，伺服电动缸驱动系统、动力配备(电池组、发电机)和控制单元、显示器都安装在上面。结构主要是由型材焊接而成。其余各部分通过螺栓与本体连接。
行走系统包括四个行走单元，每个单元结构相同。每个行走单元由大腿、小腿和摆动框构成。摆动框与本体由转动副连接，可以侧向摆动，是实现转弯和平衡侧向冲击的机械条件；大腿和摆动框之间、大腿和小腿之间都是由合页连接起来。
驱动系统包括四个驱动单元，每个单元组成相同。每个单元包括大腿伺服电动缸驱动器，小腿伺服电动缸驱动器和摆动伺服电动缸驱动器。
执行系统包括四个执行单元，每个单元结构相同。每个结构单元由大腿伺服电动缸、小腿伺服电动缸、摆动伺服电动缸组成。大腿伺服电动缸驱动器接受控制系统信号，大腿伺服电动缸推杆带动大腿运动；小腿伺服电动缸驱动器接受控制系统信号，小腿伺服电动缸推杆带动小腿运动；摆动伺服电动缸驱动器接受控制系统信号，伺服电动缸推杆带动摆动框运动。
动力配备主要由发电机和蓄电池组(备用动力)构成。工作时发电机直接提供动力，特殊情况下使用备用动力蓄电池组给系统提供动力，从而保证实现远距离的目标运动并能承载一定量的载荷。
4附图说明
图1是本设计的四足步行仿生机器人系统示意图，其中a为主视图，b右视图。其中1本体、2发电机安装空间、3蓄电池组安装空间、4伺服电动缸驱动器、5前左摆动框、6前左大腿伺服电动缸、7前左小腿伺服电动缸、8前左大腿、9前左小腿、10后左小腿、11后左大腿、12后左小腿伺服电动缸、13后左大腿伺服电动缸、14控制单元安装空间、15显示器装配空间、16前右摆动伺服电动缸、17前左摆动伺服电动缸。
图2是双腿装配示意图，其中a为主视图，b为右视图。其中18摆动框柱销、19前左大腿伺服电动缸推杆、20柱销空、21前左小腿伺服电动缸推杆、22伺服电动缸支座、23螺纹孔、24摆动伺服电动缸支座a、25前左摆动伺服电动缸推杆、26摆动伺服电动缸支座b、27前右大腿伺服电动缸、28前右小腿伺服电动缸、29球铰连接头、30大、小腿连接合页、31大腿和摆动框连接合页、32摆动框支座。
5具体实施方式
以下结合附图对发明作进一步说明：
本发明的四足步行仿生机器人的工作状态主要有前进、转弯和侧向冲击平衡三种。
前进的实现过程：(以前左行走单元为例说明)前左大腿(8)通过连接合页(31)与前左摆动框(5)连接，前左大腿伺服电动缸(6)上端与本体(1)柱销连接，下端通过球铰连接头与伺服电动缸支座(22)连接，前左大腿伺服电动缸推杆(19)推动前左大腿(8)前后摆动。前左小腿(9)与前左大腿(8)下端通过连接合页(30)旋转副连接，前左小腿伺服电动缸(7)上端通过柱销与伺服电动缸支座(22)连接，下端通过球铰连接头与前左小腿(9)连接，前左小腿伺服电动缸推杆(21)推动前左小腿(9)摆动。前左大腿(8)和前左小腿(9)的协调运动实现行走单元的抬起和向前摆动。四个行走单元的工作过程相同，四个行走单元的协调运动实现了步行机器人的前进。后退的工作过程与前进过程相反。
转弯的实现过程：前左摆动框(5)上设计有摆动框柱销(18)，其与本体(1)以旋转副连接，前左摆动伺服电动缸(17)一端与摆动伺服电动缸支座a(24)连接，一端与摆动伺服电动缸支座b(26)连接，摆动伺服电动缸支座(24)固结在前左摆动框(5)上，前左摆动伺服电动缸推杆(25)推动前左摆动框(5)，带动行走单元摆动，每个行走单元的摆动过程相同，在四个行走单元的协同作用下实现步行机器人的转弯。
侧向冲击平衡过程：当整个系统在运动过程中在受到侧向冲击(以右向冲击为例)时，前右摆动伺服电动缸推杆(26)拉动前右摆动框(27)向左运动，前左摆动伺服电动缸推杆推动前左摆动框向左运动，系统后部分的两个行走单元也有类似的平衡运动，在四个行走单元的协调作用下，实现转弯工作状态。
Claims (10)
1.一种实现步态行走的四足仿生机构，主要包括：本体(1)、行走系统、驱动系统(伺服电动缸驱动器组)、执行系统(伺服电动缸组)、控制单元(14)、显示器(15)动力配备。其特征在于：连接方法为显示器(15)、动力配备、驱动系统、控制单元(14)固结在本体(1)安装基座上。
2.根据权利要求1所述的四足步行机构，其特征在于执行系统包括四个执行单元，每个单元(以前左单元为例)由前左大腿伺服电动缸(6)、前左小腿伺服电动缸(7)、前左摆动伺服电动缸(17)组成。
3.根据权利要求1所述的四足步行机构，其特征在于驱动系统包括四个驱动单元，每个单元(以前左单元为例)包括前左大腿伺服电动缸驱动器(4a)、前左小腿伺服电动缸驱动器(4b)、摆动伺服电动缸驱动器(4c)。
4.根据权利要求1所述的四足步行机构，其特征在于行走系统包括四个步行单元，每个单元(以前左单元为例)由前左大腿(8)、前左小腿(9)和前左摆动框(5)组成。
5.根据权利要求1所述的四足步行机构，其特征在于动力配备包括发电机(2)和蓄电池组(3)，工作时由发电机提供动力，特殊情况下可以使用备用动力蓄电池组(3)提供动力。
6.根据权利要求1、2所述的四足步行机构的执行系统，其特征在于连接方法：前左大腿伺服电动缸(6)上端通过柱销与本体(1)连接，下端通过球铰连接头与伺服电动缸支座(22)连接，前左小腿伺服电动缸(7)上端通过柱销与伺服电动缸支座(22)连接，下端通过球铰连接头与前左小腿(9)连接，前左摆动伺服电动缸(17)一端与摆动伺服电动缸支座a(24)连接，一端与摆动伺服电动缸支座b(25)连接。
7.根据权利要求1、4所述的四足步行机构的行走系统，其特征在于连接方法：通过前左摆动框(5)上的摆动框柱销(18)与本体(1)以旋转副连接，前左大腿(8)和前左摆动框(5)通过连接合页(31)旋转副连接，前左小腿(9)和前左大腿(8)通过连接合页(30)旋转副连接。
8.根据权利要求1、2、4所述的四足步行机构，其特征是前左大腿伺服电动缸推杆(19)在大腿伺服电动缸(6)方向直线运动推动前左大腿(8)摆动，前左小腿伺服电动缸推杆(21)在前左小腿伺服电动缸(7)方向直线运动推动前左小腿(9)摆动，前左摆动伺服电动缸推杆(26)在前左摆动伺服电动缸(17)方向直线运动推动前左摆动框(5)左右运动，带动行走单元左右摆动。
9.根据权利要求1、8所述的四足步行机构，其特征在于每个行走单元(以前左单元为例)通过前左大腿(8)和前左小腿(9)的联合运到实现单条腿的上下前后运动，通过四个行走单元的协调运动实现前后运动。
10.根据权利要求1、8所述的四足步行机构，其特征在于每个行走单元(以前左单元为例)通过前左摆动伺服电动缸(17)推动前左摆动框(5)左右运动，前左摆动框(5)连同整个行走单元左右侧向运动，四个摆动伺服电动缸的协同作用实现转弯和对侧向冲击的调节。
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