CN102001371A - 一种液压驱动式四足机器人 - Google Patents

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Abstract

一种液压驱动式四足机器人，属机器人领域。包括机体(1)及安装于机体上的四条腿；每条腿均由第一液压缸缸体(2)、第一液压缸伸缩杆(3)、第一平行四边Ⅰ连杆(4)、第一平行四边Ⅱ连杆(5)、髋部(6)、第二液压缸缸体(7)、第二液压缸伸缩杆(8)、第二平行四边Ⅰ连杆(9)、第二平行四边Ⅱ连杆(10)、大腿(11)、第三液压缸缸体(12)、第三液压缸伸缩杆(13)、第三平行四边Ⅰ连杆(14)、第三平行四边Ⅱ连杆(15)、小腿(16)、弹簧(17)、伸缩足(18)、脚掌(19)组成。液压驱动的四足机器人关节设计采用基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，实现关节控制的简单化，提高了足式机器人关节的运动性能。

Description

一种液压驱动式四足机器人
技术领域
本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种液压驱动式四足机器人。
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。
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。具有液压驱动的四足机器人将在山地救灾、物资运输、林地勘测等特殊复杂环境下有巨大的需求背景。
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，采用直流电机驱动锥齿轮实现关节运动方式。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，关节驱动也采用电机驱动。由于现有的电机驱动具有承载能力差缺点，为了能够承载更高负载的要求，通常也采用液压驱动方式，如美国军方“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、冰雪地等环境中行走，具有较好的适应性。
山东大学荣学文等发明的《具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构》（申请号：201010153672.8））具有与Bigdog相似的运动机构。在液压缸直线驱动实现足式机器人关节转动方式中，采用伸缩四连杆机构实现，（如美国军方的Bigdog四足机器人、山东大学荣学文发明的《具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构》（申请号：201010153672.8））。由于传统的伸缩四连杆机构运动时会出现运动关节转速与液压缸移动速度之间速比k随不同运动位置而明显不同。由于足式机器人关节受力的复杂性及其特殊性，即在关节运动速度和驱动力矩大小这两者的均衡性上有特殊要求，对关节运动机构设计具有较高的设计要求。一般在关节运动到往返两个极限位置时关节通常需要较大的驱动力矩，而此时的伸缩四连杆机构的速比k较大使得必须选择更大驱动功率的液压缸才能满足，选择更大功率的液压缸更不利于足式机器人机构轻巧的客观要求；而处于中间状态时所需的驱动力矩有可能较小，选择大功率的液压缸又不必要。这种传统的伸缩四连杆机构在同等功率的液压驱动时足式机器人关节凸显输出力矩和转动速度的不均衡缺点，使得关节运动控制难度增加，不利于足式机器人运动实现，也阻碍了液压驱动足式机器人关节设计思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种关节控制简单的液压驱动式四足机器人。 
一种液压驱动的四足机器人结构设计，其特征在于：
包括机体以及安装于机体上的四条腿；其中每条腿结构均相同。其中每条腿均包括：第一液压缸缸体、第一液压缸伸缩杆、第一平行四边Ⅰ连杆、第一平行四边Ⅱ连杆、髋部、第二液压缸缸体、第二液压缸伸缩杆、第二平行四边Ⅰ连杆、第二平行四边Ⅱ连杆、大腿、第三液压缸缸体、第三液压缸伸缩杆、第三平行四边Ⅰ连杆、第三平行四边Ⅱ连杆、小腿、弹簧、伸缩足、脚掌。
机体与第一液压缸缸体通过铰链连接，第一液压缸缸体与第一液压缸伸缩杆之间为液压驱动的直线移动副，第一液压缸伸缩杆、第一平行四边Ⅰ连杆一端和第一平行四边Ⅱ连杆一端共同铰接，第一平行四边Ⅰ连杆另一端与机体铰接，第一平行四边Ⅱ连杆另一端与髋部铰接，髋部另一端与机体铰接后组成了髋关节左右驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；第二液压缸缸体与髋部铰接，第二液压缸缸体与第二液压缸伸缩杆之间为液压驱动的直线移动副，第二液压缸伸缩杆、第二平行四边Ⅰ连杆一端和第二平行四边Ⅱ连杆一端共同铰接，第二平行四边Ⅰ连杆另一端与髋部铰接，第二平行四边Ⅱ连杆另一端与大腿铰接，大腿与髋部共同铰接后组成了髋关节前后驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；第三液压缸缸体与大腿铰接，第三液压缸缸体与第三液压缸伸缩杆之间为液压驱动的直线移动副，第三液压缸伸缩杆、第三平行四边Ⅰ连杆一端和第三平行四边Ⅱ连杆一端共同铰接，第三平行四边Ⅰ连杆另一端与大腿铰接，第三平行四边Ⅱ连杆另一端与小腿铰接，小腿与大腿铰接后组成了膝关节驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；小腿与伸缩足之间为直线移动副，两者之间通过弹簧进行约束，具有缓冲蓄能作用；脚掌与伸缩足固连，脚掌为柔性材料，具有增加摩擦系数和增加阻尼作用，能为足式机器人提供更高摩擦力、减小冲击力。
本发明的工作原理为：现有的液压驱动足式机器人中均采用伸缩四连杆机构实现液压直线驱动带动关节转动，因此本发明注重提出基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，使运动关节转速与液压缸移动速度之间速比k在不同运动位置时基本保持相同。以膝关节为例，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动时，通过直线移动装置带动平行四边形杆件转动，最终实现大腿和小腿之间转角变化，完成了液压缸等装置的这种直线运动到关节转动的运动传动。由于平行四边形的运动特点，使得驱动伸缩四连杆运动的力与转动关节点之间力臂变化较小，比单纯的伸缩四连杆具有运动输出更为稳定特点。液压驱动的四足机器人关节设计采用基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构提高了足式机器人关节的运动性能，为机构轻巧、运动高效的足式机器人关节设计提供机构创新和优化方式。液压驱动的多关节运动协调控制，实现了四足机器人在复杂山地等环境下高负载和高效的移动功能。
本发明与现有技术相比有如下优点： 
1、本发明能够实现直线运动到关节转动的运动传动，结合平行四边形的运动特点，比单纯的伸缩四连杆具有运动输出更为稳定特点。
2、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足足式机器人在不同条件下关节特殊运动的性能要求，为高效稳定运动提供机构运动保障。
3、 本发明改善了原有伸缩四连杆机构性能，提高了足式机器人关节运动性能，降低了液压等直线驱动的足式机器人关节的控制难度，提高了四足机器人的运动效率，为足式机器人结构创新设计提供有利途径和良好的方式方法。
附图说明
图1是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计总体分布图；
图2是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计A向右前腿分解示意图；
图3是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计B向右前腿分解示意图；
图4是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计的主视图；
图5是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计的俯视图；
图6是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计的左视图；
图7是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计的三维效果图；
图8是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构示意图；
图9是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动示意图；
图10是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构状态1示意图；
图11是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构状态2示意图；
图12是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构状态3示意图；
图13是本发明一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构某尺寸下的运动仿真图；
图14是一种液压驱动的四足机器人结构设计中膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构该尺寸下输入量与输出量数据比较图；
上述图中标号名称： 1、机体； 2、第一液压缸缸体； 3、第一液压缸伸缩杆； 4、第一平行四边Ⅰ连杆；5、第一平行四边Ⅱ连杆；6、髋部； 7、第二液压缸缸体；8、第二液压缸伸缩杆；9、第二平行四边Ⅰ连杆； 10、第二平行四边Ⅱ连杆； 11、大腿；12、第三液压缸缸体；13、第三液压缸伸缩杆； 14、第三平行四边Ⅰ连杆； 15、第三平行四边Ⅱ连杆；16、小腿；17、弹簧；18、伸缩足；19、脚掌；
图中
Figure 2010105549981100002DEST_PATH_IMAGE001
部分为右前腿分解部分；A向为针对机器人侧面方向；B向为针对机器人正面方向。
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1，1-2、1-3、2-1、2-2、2-3、2-4、3、4、5-1、5-2、5-3、6-1、6-2，本实施例为一种液压驱动的四足机器人结构设计，包括：机体1以及安装于机体上的四条腿；其中每条腿结构均相同。其中每条腿均包括：第一液压缸缸体2、第一液压缸伸缩杆3、第一平行四边Ⅰ连杆4、第一平行四边Ⅱ连杆5、髋部6、第二液压缸缸体7、第二液压缸伸缩杆8、第二平行四边Ⅰ连杆9、第二平行四边Ⅱ连杆10、大腿11、第三液压缸缸体12、第三液压缸伸缩杆13、第三平行四边Ⅰ连杆14、第三平行四边Ⅱ连杆15、小腿16、弹簧17、伸缩足18、脚掌19。
如图2和1-3所示，分别为右前腿A向和B向的结构分解示意图，机体1与第一液压缸缸体2通过铰链连接，第一液压缸缸体2与第一液压缸伸缩杆3之间为液压驱动的直线移动副，第一液压缸伸缩杆3、第一平行四边Ⅰ连杆4一端和第一平行四边Ⅱ连杆5一端共同铰接，第一平行四边Ⅰ连杆4另一端与机体1铰接，第一平行四边Ⅱ连杆5另一端与髋部6铰接，髋部6另一端与机体1铰接后组成了髋关节左右驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；第二液压缸缸体7与髋部6铰接，第二液压缸缸体7与第二液压缸伸缩杆8之间为液压驱动的直线移动副，第二液压缸伸缩杆8、第二平行四边Ⅰ连杆9一端和第二平行四边Ⅱ连杆10一端共同铰接，第二平行四边Ⅰ连杆9另一端与髋部6铰接，第二平行四边Ⅱ连杆10另一端与大腿11铰接，大腿11与髋部6共同铰接后组成了髋关节前后驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；第三液压缸缸体12与大腿11铰接，第三液压缸缸体12与第三液压缸伸缩杆13之间为液压驱动的直线移动副，第三液压缸伸缩杆13、第三平行四边Ⅰ连杆14一端和第三平行四边Ⅱ连杆15一端共同铰接，第三平行四边Ⅰ连杆14另一端与大腿11铰接，第三平行四边Ⅱ连杆15另一端与小腿16铰接，小腿16与大腿11铰接后组成了膝关节驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；小腿16与伸缩足18之间为直线移动副，两者之间通过弹簧17进行约束，具有缓冲蓄能作用；脚掌19与伸缩足18固连，脚掌19为柔性材料，具有增加摩擦系数和增加阻尼作用，能为足式机器人提供更高摩擦力、减小冲击力。
如图4所示为一种液压驱动的四足机器人结构设计主视图；图5所示为一种液压驱动的四足机器人结构设计俯视图；图6所示为一种液压驱动的四足机器人结构设计左视图。最终如图7所示为一种液压驱动的四足机器人结构设计三维效果图。
如图8所示为膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构示意图，其中包括：大腿11、第三液压缸缸体12、第三液压缸伸缩杆13、第三平行四边Ⅰ连杆14、第三平行四边Ⅱ连杆15、小腿16。液压缸的直线往返移动，实现了膝关节转动。
如图9所示为膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动示意图，上述液压缸驱动力F实现直线移动，驱动基于平行四边形的伸缩四连杆，完成膝关节力矩
Figure 687039DEST_PATH_IMAGE002
输出，实现膝关节转动。
如图10所示，为膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态1，液压缸移动最长值时的机构运动状态；如图11所示，为膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态2，液压缸移动处于中间值时的机构运动状态；如图12所示，为膝关节基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态3，液压缸移动处于最短值时的机构运动状态。同理，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构中液压缸直线移动实现关节的往返转动，保证了直线驱动实现关节转动的运动传动方式，可广泛应用于液压等直线驱动的足式机器人关节运动的机构设计。
如图13所示，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，在第三平行四边Ⅰ连杆14和第三平行四边Ⅱ连杆15的长度尺寸均为0.1m时，当大腿11与小腿16成直角时设为中间状态（零状态），此时的第三液压缸缸体12和大腿11的铰接点与大腿11和小腿16的铰接点（坐标位置为（0,0.5m））的相对坐标位置为（0.3m，-0.05m）。在该尺寸下进行运动仿真，结果如图14所示，当直线移动副在1秒内匀速伸缩直线移动0.1m时，相应转动关节较为匀速的转动了60°（-30°_30°），表明运动关节转速与直线移动速度之间速比k在不同运动位置时均较为恒定，此特性能够减小关节运动控制难度，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构比传统的伸缩四连杆具有更好特性，可进一步为优化直线驱动实现关节传动的足式机器人关节设计提供新的途径和方式。其中第三液压缸缸体12和大腿11的铰接点与大腿11和小腿16的铰接点的相对坐标位置、第三平行四边Ⅰ连杆14和第三平行四边Ⅱ连杆15长度尺寸进行不同组合，能够得到关节的不同运动性能，实际应用中可调整优化上述尺寸大小，满足实际工况下关节运动性能要求。

Claims (1)

1.一种液压驱动式四足机器人，其特征在于：包括机体（1）以及安装于机体上的四条腿；其中每条腿结构均相同，均由第一液压缸缸体（2）、第一液压缸伸缩杆（3）、第一平行四边Ⅰ连杆（4）、第一平行四边Ⅱ连杆（5）、髋部（6）、第二液压缸缸体（7）、第二液压缸伸缩杆（8）、第二平行四边Ⅰ连杆（9）、第二平行四边Ⅱ连杆（10）、大腿（11）、第三液压缸缸体（12）、第三液压缸伸缩杆（13）、第三平行四边Ⅰ连杆（14）、第三平行四边Ⅱ连杆（15）、小腿（16）、弹簧（17）、伸缩足（18）、脚掌（19）组成；其中机体(1)与第一液压缸缸体(2)通过铰链连接，第一液压缸缸体（2）与第一液压缸伸缩杆（3）之间为液压驱动的直线移动副，第一液压缸伸缩杆（3）、第一平行四边Ⅰ连杆（4）一端和第一平行四边Ⅱ连杆（5）一端共同铰接，第一平行四边Ⅰ连杆（4）另一端与机体（1）铰接，第一平行四边Ⅱ连杆（5）另一端与髋部（6）铰接，髋部（6）另一端与机体（1）铰接后组成了髋关节左右驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；其中第二液压缸缸体（7）与髋部（6）铰接，第二液压缸缸体（7）与第二液压缸伸缩杆（8）之间为液压驱动的直线移动副，第二液压缸伸缩杆（8）、第二平行四边Ⅰ连杆（9）一端和第二平行四边Ⅱ连杆（10）一端共同铰接，第二平行四边Ⅰ连杆（9）另一端与髋部（6）铰接，第二平行四边Ⅱ连杆（10）另一端与大腿（11）铰接，大腿（11）与髋部（6）共同铰接后组成了髋关节前后驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；其中第三液压缸缸体（12）与大腿（11）铰接，第三液压缸缸体（12）与第三液压缸伸缩杆（13）之间为液压驱动的直线移动副，第三液压缸伸缩杆（13）、第三平行四边Ⅰ连杆（14）一端和第三平行四边Ⅱ连杆（15）一端共同铰接，第三平行四边Ⅰ连杆（14）另一端与大腿（11）铰接，第三平行四边Ⅱ连杆（15）另一端与小腿（16）铰接，小腿（16）与大腿（11）铰接后组成了膝关节前后驱动的平行四边形伸缩四连杆机构；其中小腿（16）与伸缩足（18）之间为直线移动副，两者之间通过具有缓冲蓄能作用的弹簧（17）约束；脚掌（19）与伸缩足（18）固连。
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