CN103318289A - 一种腿型结构可变的模块化液压驱动四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为一种液压驱动四足机器人，动态平衡性好、地形适应性强、负载能力好、性价比高，采用模块化和仿生学结构设计，可通过子装配体快速拆装实现四种腿型变换，一机多用，在物理样机阶段实验验证各种腿型优缺点。单腿两腿节三自由度，包含髋关节及大腿组件、膝关节及小腿组件和侧摆组件。依据仿生学原理，大腿部分采用侧摆加连接块的形式，既保证足够刚度强度，稳定承重，又可以尽量减轻重量，保证液压缸足够的活动空间；小腿部分包含足端橡胶垫和被动伸缩的双向弹簧减震机构，多重减震可以有效缓冲和吸收接地时的瞬时冲击力；双向弹簧机构可解决离地时冲击力消失、弹簧快速回弹的撞击造成零部件寿命有限和足端力传感器等电子元器件易损问题。

Description

一种腿型结构可变的模块化液压驱动四足机器人

技术领域

本发明涉及一种液压驱动四足机器人，采用模块化和仿生学结构设计，属于机械工程和机器人技术领域，动态平衡性好、地形适应性强、负载能力好、性价比高，可适用于复杂非结构化地形作业和执行特种任务。

背景技术

由于对非结构化环境的良好适应性，足式机器人在野外作业、星球探测、军事应用等领域具有很好的应用前景，随着美国BigDog的研制成功，国内外掀起了足式机器人研究的热潮，国内相关单位也已展开相关研究，但大都处于研究起步阶段，相关关键技术仍亟待解决。

对于四足机器人，单腿的腿部关节配置形式通常有膝式和肘式两种，组合起来则有4种腿型配置，分别是外弯型（前膝后肘）、内弯型（前肘后膝）、全肘型和全膝型。目前，国内外处于实验阶段和已经加工出样机的四足机器人中，四种配置形式都有，都可以实现基本的行走功能。

在公开号为CN1483554A的中国发明专利公开了清华大学的“一种可调节的四足仿生机器人运动结构”，该机器人顶部基准平板上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽，四条腿与顶部基准平板之间采用吊装式结构；大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动沿各自关节轴摆动。该机器人采用电机驱动结构简单，通过简单的变换装配方向可实现多种腿型配置的仿生形体结构，但是仅处于方案设计阶段，很多实际生产加工的问题没有考虑，无法快速制作出物理样机，更无法实现产品化。

在公开号为CN102390458A的中国发明专利公开了山东大学的“具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构”，该机器人包括躯干、移动架、质心调整装置和四条机器人腿，躯干下部设有四条机器人腿，躯干上部通过质心调整装置与移动架连接。采用液压驱动，具有较大的负重能力，这种线性执行元件无法做到简单的变换装配方向，只能作为一种腿型使用；每条腿有三腿节四自由度，具有冗余自由度，使机器人地形适应性和越障能力提高，但同时更多的冗余自由度也极大地增加了控制难度和动态姿态调整难度；关节处较薄弱，在越障和承受较大冲击时易被破坏。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术的不足，提供一种动态平衡性好、地形适应性强、负载能力好、性价比高的液压驱动四足机器人，且可以通过模块化的子装配体快速拆装实现四种腿型变换，一机多用，在物理样机阶段实验验证各种腿型优缺点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种腿型结构可变的模块化液压驱动四足机器人，包括机体框架和两个双腿模块，可以通过改变双腿模块在机体框架上的安装形式，实现外弯、内弯、前后屈等不同仿生形体样机的变换，连接方式简单、可靠，拆装便捷；并且由于采用模块化设计，单腿发生故障时，可以快速拆卸更换维修。

所述机体框架为一方铝焊接框架，连接双腿模块，也可以在此基础上增加附件用以承担负载和安装液压泵站等其他部件。

所述双腿模块由双腿连接框架和两个单腿模块构成，其安装形式固定，但是可以通过在整机上的安装位置，改变腿型安装形式，有肘式和膝式两种，可组合成四种不同腿型配置的四足机器人。

所述单腿模块是两腿节三自由度腿，单腿包含髋关节及大腿组件、膝关节及小腿组件和侧摆组件，各自通过髋关节、膝关节和侧摆轴连接起来，每个自由度分别由一个液压缸驱动。

所述大腿部分采用侧摆加连接块的形式，由生物运动研究，运动时关节受力情况要明显比腿部更大、变化更剧烈，因此动物的大腿和小腿骨骼大都在关节处膨大，呈现两端大中间小的形状。根据仿生学原理，这种大腿形式既可以保证足够的刚度强度，能够稳定承重，又可以尽量减轻重量，保证液压缸足够的活动空间。

所述小腿部分包含有一套被动伸缩的双向弹簧减震机构，内筒弹簧和外筒弹簧分别通过小腿内筒和小腿外筒起作用，初始平衡状态两弹簧均被压缩，弹力方向相反；小腿足端有可以极其方便安装拆换的橡胶垫，既可以增加足端与地面的摩擦力，保护足端力传感器，又可以起到部分缓冲减震作用。通常大部分足式机器人的小腿减震设计都是只考虑到接地的瞬时冲击吸收减震问题，而忽略了离地时冲击力消失，弹簧快速回弹的撞击，造成零部件寿命有限，足端力传感器等电子元器件极易损坏的问题。

当机器人快速行走或者奔跑时，地面对机器人足部有较大的瞬时冲击力，经过足端橡胶垫的初步吸收缓冲，使得小腿外筒相对于小腿内筒向上运动，外筒弹簧压缩量增大，内筒弹簧压缩量减小，吸收地面对足部的冲击，起到缓冲和减震的作用；当足端离开地面时，瞬时冲击力消失，使得小腿外筒相对于小腿内筒向下运动，外筒弹簧压缩量减小，内筒弹簧压缩量增大，此时内筒弹簧可以保证外筒不会极快速地恢复平衡位置，进而避免了运动中的撞击和噪声。

在上述结构设计中，充分考虑了机械限位，在髋关节和膝关节连接块均设置了机械限位挡块，当髋关节或膝关节轴超过预定摆动量时，挡块起作用避免过度冲击角位移传感器极限角；同时，该挡块的机械限位还可作为姿态控制的零位，为角位移传感器提供精确的相对零点。

本发明的优点：（1）可以通过改变双腿模块在机体框架上的安装形式，实现外弯、内弯、前后屈等不同仿生形体样机的变换，连接方式简单、可靠，拆装便捷，并且由于采用模块化设计，单腿发生故障时，可以快速拆卸更换维修；（2）根据仿生学原理，侧板加关节连接块的大腿形式既可以保证足够的刚度强度，能够稳定承重，又可以尽量减轻重量，保证液压缸足够的活动空间；（3）小腿包含足端橡胶垫和双向弹簧机构，多重减震可以有效缓冲和吸收接地时的瞬时冲击力，同时双向弹簧机构又可解决离地时冲击力消失时弹簧快速回弹时的撞击，造成零部件寿命有限，足端力传感器等电子元器件极易损坏的问题；（4）关节连接块挡块的机械限位，既可以避免过度冲击角位移传感器极限角，保护元器件，又可以作为姿态控制的零位，为角位移传感器提供精确的相对零点；（5）该机器人动态平衡性好、地形适应性强、负载能力好、性价比高，可以在物理样机阶段一机多用，可适用于复杂非结构化地形作业和执行特种任务。

附图说明

附图1为本发明的内弯型立体结构示意图；

附图2为本发明的外弯型立体结构示意图；

附图3为本发明的前后屈型立体结构示意图；

附图4为本发明的双腿模块示意图；

附图5为本发明的单腿模块示意图；

附图6为侧摆组件正视图；

附图7为侧摆组件侧视图；

附图8为髋关节及大腿组件组成示意图；

附图9为髋关节及大腿组件剖视图；

附图10为膝关节及小腿组件组成示意图；

附图中：1—机体框架，2—双腿模块，3—双腿连接框架，4—单腿模块，5—侧摆组件，6—液压缸Ⅰ，7—髋关节及大腿组件，8—膝关节及小腿组件，9—液压缸Ⅱ，10—髋关节侧摆连接块，11—侧摆轴支撑座，12—侧摆轴，13—髋关节液压缸连接块，14—转动副Ⅰ，15—侧摆侧板，16—侧摆液压缸安装座Ⅰ，17—液压缸Ⅲ，18—转动副Ⅱ，19—紧固件Ⅰ，20—髋关节侧摆连接块侧板，21—连接柱Ⅰ，22—侧摆液压缸安装座Ⅱ，23—髋关节连接块，24—髋关节轴，25—橡胶垫柱，26—大腿侧板，27—连接柱Ⅱ，28—紧固件Ⅱ，29—转动副Ⅲ，30—套筒，31—角位移传感器，32—摩擦垫，33—转动副Ⅳ，34—膝关节连接块，35—转动副Ⅴ，36—小腿内筒，37—滑动轴承，38—小腿外筒，39—橡胶足端，40—膝关节轴，41—外筒弹簧，42—内筒弹簧，43—小腿足端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，该机器人包括机体框架1和两个双腿模块2，用螺栓等紧固件将两个双腿模块2按前膝后肘式安装即为内弯型机器人。

如图2所示，将两个双腿模块2按前肘后膝式安装即为外弯型机器人。

如图3所示，将两个双腿模块2按全肘式或全膝式安装即为全肘或全膝式型机器人，连接方式简单、可靠，可快速拆装实现不同腿型配置的转换。

如图4所示，双腿模块2包括双腿连接框架3和两个单腿模块4。

如图5所示，单腿模块4包括侧摆组件5、液压缸Ⅰ6、髋关节及大腿组件7、膝关节及小腿组件8、液压缸Ⅱ9。将侧摆组件5中的侧摆轴支撑座11和侧摆液压缸安装座Ⅰ16通过螺栓连接与双腿连接框架3紧固；髋关节及大腿组件7通过髋关节轴24与侧摆组件5构成转动副，模拟四足动物的髋关节；膝关节及小腿组件8通过膝关节轴40与髋关节及大腿组件7构成转动副，模拟四足动物的膝关节；液压缸Ⅰ6两端分别通过转动副Ⅰ14和转动副Ⅲ29安装在侧摆组件5和髋关节及大腿组件7上，模拟四足动物的大腿肌肉驱动髋关节摆动；液压缸Ⅰ9两端分别通过转动副Ⅲ29和转动副Ⅴ35安装在髋关节及大腿组件7和膝关节及小腿组件8上，模拟四足动物的小腿肌肉驱动膝关节摆动。

如图6和图7所示，侧摆组件5包括髋关节侧摆连接块10、侧摆轴支撑座11、侧摆轴12、髋关节液压缸连接块13、转动副Ⅰ14、侧摆侧板15、侧摆液压缸安装座Ⅰ16、液压缸Ⅲ17、转动副Ⅱ18、紧固件Ⅰ19、髋关节侧摆连接块侧板20、连接柱Ⅰ21、侧摆液压缸安装座Ⅱ22。将侧摆轴12通过转动副Ⅱ18穿过髋关节侧摆连接块10、侧摆轴支撑座11和髋关节液压缸连接块13，两端通过轴端挡圈固定，构成侧摆运动轴系，模拟四足动物胯部的侧摆运动；侧摆侧板15通过螺栓等紧固件固定在髋关节侧摆连接块10和髋关节液压缸连接块13上，单侧通过预留孔位安装侧摆液压缸安装座Ⅱ22；液压缸Ⅲ17两端通过转动副分别连接侧摆液压缸安装座Ⅰ16和侧摆液压缸安装座Ⅱ22，模拟四足动物胯部肌肉驱动侧摆轴运动。

如图8和图9所示，髋关节及大腿组件7包括髋关节连接块23、髋关节轴24、橡胶垫柱25、大腿侧板26、连接柱Ⅱ27、紧固件Ⅱ28、转动副Ⅲ29、套筒30、角位移传感器31、摩擦垫32、转动副Ⅳ33。髋关节轴24依次穿过套筒30、角位移传感器31、摩擦垫32和转动副Ⅳ33，通过紧固件Ⅱ28和转动副Ⅲ29将两个互为镜像的髋关节连接块23连接起来，构成髋关节；两块大腿侧板26通过紧固件固定在髋关节连接块23两侧，既作为大腿部分承重，又保证了液压缸Ⅱ9有足够的活动空间；采用侧板加关节块的方式，既保证了强度又最大程度上减轻了重量。

如图10所示，膝关节及小腿组件8包括膝关节连接块34、转动副Ⅴ35、小腿内筒36、滑动轴承37、小腿外筒38、橡胶足端39、膝关节轴40、外筒弹簧41、内筒弹簧42、小腿足端43。膝关节轴40采用与髋关节轴24相同的结构，通过转动副Ⅴ35将两个互为镜像的膝关节连接块34连接起来，构成膝关节；同时将小腿内筒36上端的方形连接块卡在膝关节连接块34下部的方形槽内，通过紧固件拧紧防止转动；依次在小腿内筒36上从下到上套上外筒弹簧41、滑动轴承37、内筒弹簧42和小腿外筒38，构成小腿主体部分；此时外筒弹簧41和内筒弹簧42弹力方向相反，既保证小腿的承重减震效果，又避免了小腿外筒38过于自由滑动在运动中的噪声问题；橡胶足端39放入小腿足端43后，通过螺栓与小腿外筒38固连，既改善了足端与地面接触效果，又十分方便更换维护。

当机器人快速行走或者奔跑时，地面对机器人足部有较大的瞬时冲击力，经过足端橡胶垫39的初步吸收缓冲，使得小腿外筒38相对于小腿内筒36向上运动，外筒弹簧41压缩量增大，内筒弹簧42压缩量减小，吸收地面对足部的冲击，起到缓冲和减震的作用；当足端离开地面时，瞬时冲击力消失，使得小腿外筒38相对于小腿内筒36向下运动，外筒弹簧41压缩量减小，内筒弹簧42压缩量增大，此时内筒弹簧42可以保证外筒38不会极快速地恢复平衡位置，进而避免了运动中的撞击和噪声。

Claims (1)

1.一种腿型结构可变的模块化液压驱动四足机器人，其特征在于：该机器人由机体框架（1）、两个双腿模块（2）及其他附属紧固件构成； 

所述双腿模块（2）由双腿连接框架（3）、两个单腿模块（4）及其他附属紧固件构成；所述单腿模块（4）由侧摆组件（5）、液压缸Ⅰ（6）、髋关节及大腿组件（7）、膝关节及小腿组件（8）、液压缸Ⅱ（9）及其他附属紧固件构成； 

所述侧摆组件（5）中的侧摆轴支撑座（11）和侧摆液压缸安装座Ⅰ（16）通过螺栓连接与双腿连接框架（3）紧固；髋关节及大腿组件（7）通过髋关节轴（24）与侧摆组件（5）构成转动副，模拟四足动物的髋关节；膝关节及小腿组件（8）通过膝关节轴（40）与髋关节及大腿组件（7）构成转动副，模拟四足动物的膝关节；液压缸Ⅰ（6）两端分别通过转动副Ⅰ（14）和转动副Ⅲ（29）安装在侧摆组件（5）和髋关节及大腿组件（7）上，模拟四足动物的大腿肌肉驱动髋关节摆动；液压缸Ⅰ（9）两端分别通过转动副Ⅲ（29）和转动副Ⅴ（35）安装在髋关节及大腿组件（7）和膝关节及小腿组件（8）上，模拟四足动物的小腿肌肉驱动膝关节摆动； 

所述髋关节及大腿组件（7）依据仿生学原理，采用大腿侧板（26）加髋关节连接块（23）形式，既可以保证足够的刚度和强度，能够稳定承重，又可以尽量减轻重量，还可保证液压缸有足够的活动空间； 

所述膝关节及小腿组件（8）包含足端橡胶垫（39）和双向弹簧机构，多重减震方式可以有效缓冲和吸收接地时的瞬时冲击力，同时双向弹簧机构又可解决离地时冲击力消失，弹簧快速回弹的撞击造成零部件寿命缩短，足端力传感器等电子元器件损坏的问题。 

Images