CN101927793B - 匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构 - Google Patents
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Abstract
一种匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构，属于机器人技术应用领域。包括机体(A)以及安装于机体上的四条肢体；其中每条肢体结构均相同，均由第一舵机(1)、第二舵机框架(3)、第二舵机(4)、大腿支架(7)、第三舵机(9)、小腿支架(10)、踝部连接板(12)、双向连接件(13)、直立支撑球头(14)、匍匐支撑球头(15)组成；上述第一舵机(1)的输出轴线与机体(A)中心轴线平行，第二舵机(4)的输出轴线与第一舵机(1)的输出轴线垂直、第三舵机(9)的输出轴线与第二舵机(4)的输出轴线平行。该机器人可实现匍匐运动与直立运动的相互转化，提高了四足机器人复杂环境下越障能力，为高效稳定运动提供多种运动模式。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构设计及其运动实现，主要应用于复杂地面多功能行走运动的足式机器人。
背景技术
适应山地环境的足式机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。
变结构足式机器人能够实现复杂地面爬坡，可调整前后端高低体位运动相结合的方式，满足更大坡度的山地环境运动要求，增强了山地环境运动的适应性，提高了足式机器人的移动能力。可依据行走的速度和地面状况，可选择不同的运动方式，因此变结构足式机器人的步态转变方式为节约能耗、实现高效运动提供有利途径。变结构足式机器人将在山地救灾、林地勘测等特殊复杂环境下有巨大的需求背景。
经生物学观测可知，低体位匍匐运动的爬行速度相对较慢(如鳄鱼、乌龟等)，高体位的直立奔跑运动的速度相对较快(如豹、马等)。变结构足式机器人能够根据不同的复杂环境，完成低体位匍匐爬行、高体位直立奔跑运动，具有优良的运动能力，可替代人类完成各种复杂地面运动等作业任务。低速运动时通常采用匍匐爬行运动，主要表现在身体贴近地面缓慢爬行，在静止状态下可依靠身体着地以节约肢体输出力；在高速状态时可采用直立奔跑方式，主要表现在身体远离地面，肢体位于身体下方，通过肢体协调运动实现快速运动。因此，变结构足式机器人具有重要的实用价值。
比较国内外较为著名的足式机器人，其中MIT，Stanford，Carnegie Mellon等研究机构研制的“LittleDog”是一款用于研究动力学的四足机器人，其运动方式属于直立运动方式。TITAN-VIII机器人每足具有三个自由度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动两个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度，实现在不平地面的静态稳定运行，其运动方式属于匍匐爬行运动方式。
美国军方“Bigdog”四足机器人可以攀越35度的斜坡，可以承载40多公斤的装备，约相当于其重量的30％，其液压装置由单缸两冲程发动机驱动。能够自行沿着简单的路线行进，或被远程控制。可在山地、沼泽、雪地等环境中行走，其运动方式属于直立运动方式。
华中科技大学研制的“4+2”多足步行机器人。而所谓“4+2”是指步行机器人在复杂步行区域最多可利用六条腿来实现稳健的步行运动，而在工作区域又可作为具有两条上臂的四足机器人。因此，该机器人不仅具有步行移动的基本功能而且可借助相应的末端执行上具，如机械手臂来完成指定的作业任务，体现机器人的多功能性，其运动方式属于匍匐爬行运动方式。
现有的机器人中并没有可以同时实现匍匐运动和直立运动的四足机器人，因此本发明注重提出变结构运动方式，体现变结构运动的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构设计及其运动实现，该变结构四足机器人可实现匍匐运动与直立运动的相互转化，提高了四足机器人复杂环境下越障能力，为高效稳定运动提供多种运动模式。
一种匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构，其特征在于：
包括机体以及安装于机体上的四条肢体；
其中每条肢体结构均相同，均由第一舵机、第二舵机框架、第二舵机、大腿支架、第三舵机、小腿支架、踝部连接板、双向连接件、直立支撑球头、匍匐支撑球头组成；其中第一舵机安装于机体上，第二舵机框架一端安装于第一舵机的输出轴上，第二舵机安装于第二舵机框架内，大腿支架一端安装于第二舵机的输出轴上，第三舵机安装于大腿支架的另一端，小腿支架一端安装于第三舵机的输出轴上，踝部连接板安装于小腿支架的另一端，直立支撑球头和匍匐支撑球头通过双向连接件 安装于踝部连接板上；
上述第一舵机的输出轴线与机体中心轴线平行，第二舵机的输出轴线与第一舵机的输出轴线垂直、第三舵机的输出轴线与第二舵机的输出轴线平行；
上述四条肢体按以下方式实现变结构四足机器人匍匐与直立之间变换：所述变结构四足机器人处于匍匐初始状态时，首先将四足弯曲紧缩后减小左右支撑点距离，然后其前腿开始翻转，提供前身高度，之后其前腿直立，进一步提高前身高度，然后其后退开始翻转，提供后身高度，之后其后退直立，进一步提高后身高度，此时其处于直立初始状态；匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人能够在直立初始状态按照上述的方式逆序转变成匍匐初始状态，最终能够实现匍匐运动和直立运动相互转变的变结构运动。
本发明的工作原理为：匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人运动时，可从匍匐运动状态转变为直立运动状态，即从低体位运动转变到高体位运动，提高了机器人的越障能力和行动效率；同时也可实现从直立运动状态转变为匍匐运动状态，即从高体位运动转变到低体位运动，提高了机器人的运动稳定性。这种匍匐运动和直立运动相互转变的变结构运动形式，提高了足式机器人的运动能力，增加了运动模式的选择方式，为多功能稳定高效的足式机器人运动提供结构创新方式。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明能够实现匍匐运动与直立运动的相互转化，提高了四足机器人的运动能力。
2、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足四足机器人复杂环境下越障能力，为高效稳定运动提供多种运动模式。
3、本发明在不增加自由度数和自由度分布的前提下，可同时实现匍匐运动和直立运动，提高了四足机器人的有效运动功能，为四足机器人结构创新设计提供有利途径和良好的方式方法，有助于机器人结构和功能的一体化设计。
附图说明
图1是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构示意图。
图2是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构肢体分解示意图。
图3-1是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人匍匐初始状态1示意 图。
图3-2是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人匍匐运动状态2示意图。
图3-3是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人前腿翻转运动状态3示意图。
图3-4是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人前腿直立运动状态4示意图。
图3-5是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人后腿翻转运动状态5示意图。
图3-6是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人后腿直立运动状态6示意图。
图3-7是本发明匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人直立初始状态7示意图。
上述图中标号名称：A、机体；1、第一舵机；2、主支架；3、第二舵机框架；4、第二舵机；5、连接杆；6、支撑架；7、大腿支架；7-1、大腿支架的一部分；7-2、大腿支架的另一部分；9、第三舵机；10、小腿支架；10-1、小腿支架的一部分；10-2、小腿支架的另一部份；12、踝部连接板；13、双向连接件；14、直立支撑球头；15、匍匐支撑球头；
图中Elf部分为肢体分解部分。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
结合图1、2、3-1，3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7，本实施例为一种匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构设计及其运动实现，包括：机体A、第一舵机、前主支架、第二舵机框架、第二舵机、连接杆、支撑架、大腿支架、第三舵机、小腿支架、踝部连接板、双向连接件、直立支撑球头、匍匐支撑球头。
如图2所示为肢体的结构分解，机体与主支架通过螺栓固定连接(简称固连)，将第一舵机固定在主支架上，第一舵机的输出轴与第二舵机框架一端固连，第二舵机框架另一端与支撑架销钉连接，支撑架与主支架通过连接杆固连，第二舵机固定 在第二舵机框架上，第二舵机的输出轴与大腿支架固连，大腿支架另一端与第二舵机框架销钉连接，第三舵机固定于大腿支架上，第三舵机的输出轴与小腿支架固连，小腿支架另一端与大腿支架销钉连接，双向连接件通过踝部连接板与小腿支架连接，匍匐支撑球头和直立支撑球头分别与双向连接件。
如图3-1所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人处于匍匐初始状态，身体紧贴地面，可实现低体位的低速稳定爬行运动；如图3-2所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人处于匍匐运动状态，将四足弯曲紧缩后减小左右支撑点距离；如图3-3所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人前腿开始翻转，提供前身高度；如图3-4所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人前腿直立，进一步提高前身高度；如图3-5所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人后腿开始翻转，提供后身高度；如图3-6所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人后腿直立，进一步提高后身高度；如图3-7所示，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人处于直立初始状态。同理，匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人可在直立初始状态按图逆序所示转变成匍匐初始状态，最终可实现匍匐运动和直立运动相互转变的变结构运动。
上述第二舵机框架3一端安装于第一舵机的输出轴上，另一端可以通过支撑架6固定，支撑架通过连接杆5与机体A固定。此结构避免了第一舵机承载输出轴悬臂支撑，提高了该运动关节稳固性能，为实现匍匐与直立运动的相互转变提供必要的设备保障。
Claims (2)
1.一种匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人结构，其特征在于：
包括机体(A)以及安装于机体上的四条肢体；
其中每条肢体结构均相同，均由第一舵机(1)、第二舵机框架(3)、第二舵机(4)、大腿支架(7)、第三舵机(9)、小腿支架(10)、踝部连接板(12)、双向连接件(13)、直立支撑球头(14)、匍匐支撑球头(15)组成；其中第一舵机(1)安装于机体(A)上，第二舵机框架(3)一端安装于第一舵机的输出轴上，第二舵机(4)安装于第二舵机框架内，大腿支架(7)一端安装于第二舵机的输出轴上，第三舵机(9)安装于大腿支架的另一端，小腿支架(10)一端安装于第三舵机的输出轴上，踝部连接板(12)安装于小腿支架的另一端，直立支撑球头(14)和匍匐支撑球头(15)通过双向连接件(13)安装于踝部连接板(12)上；
上述第一舵机(1)的输出轴线与机体(A)中心轴线平行，第二舵机(4)的输出轴线与第一舵机(1)的输出轴线垂直、第三舵机(9)的输出轴线与第二舵机(4)的输出轴线平行；
上述四条肢体按以下方式实现变结构四足机器人匍匐与直立之间变换：所述变结构四足机器人处于匍匐初始状态时，首先将四足弯曲紧缩后减小左右支撑点距离，然后其前腿开始翻转，提供前身高度，之后其前腿直立，进一步提高前身高度，然后其后退开始翻转，提供后身高度，之后其后退直立，进一步提高后身高度，此时其处于直立初始状态；匍匐与直立运动互变的变结构四足机器人能够在直立初始状态按照上述的方式逆序转变成匍匐初始状态，最终能够实现匍匐运动和直立运动相互转变的变结构运动。
2.根据权利要求1所述的变结构四足机器人结构，其特征在于：上述第二舵机框架(3)一端安装于第一舵机的输出轴上，另一端通过支撑架(6)固定，支撑架通过连接杆(5)与机体(A)固定。
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