CN103407514B - 四足仿生机器人腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四足仿生机器人腿，用于解决现有机器人腿由于纯刚性结构带来的运动结构单一的技术问题。技术方案是该机器人腿由机体支架、大腿支架、小腿连接杆、小腿连接板、关节盘限位块、小腿支撑座和小腿套筒等刚性结构，以及关节盘和关节盘液压缸轴刚柔调制机构，以及脚掌等柔性结构组成。动力驱动装置采用液压驱动。由于在刚性结构的基础上设置了柔性环节弹簧用来缓冲吸震，关节盘与关节盘限位块的配合仿人体膝关节组织，实现了小腿的灵活运动以及上台阶和跳跃等运动。

Description

四足仿生机器人腿

技术领域

本发明涉及一种机器人腿，特别是涉及一种四足仿生机器人腿。

背景技术

足式机器人凭借其离散式支撑运动，在复杂地形和不可预知环境中表现出极强的适应性和运动灵活性，在矿产采掘、星际表面探测、抢险救灾和军事侦查与反恐等国民经济和国防建设等各个领域有着广泛的应用前景。高速和高机动性是足式机器人的发展趋势之一，而作为足式机器人重要运动支撑系统的机器人腿，直接决定了机器人的运动学和动力学特征，对足式机器人高速高机动性有着重要影响。以常见四足哺乳动物“狗”生物腿为仿生原型，基于其生物“骨骼-肌肉”解剖特性和“骨骼-肌肉”集成运动特性，面向奔跑运动的仿生四足机器人腿的设计是足式机器人的另一发展趋势。

电机驱动的机器腿动态性能与负载能力差，液压驱动能为机器人的高速运动提供足够的动力，机器人具有一定的负载能力，能够动态行走，行走速度快且动态性能好。因此，具有液压驱动的仿生四足机器人具有巨大的需求背景。

文献1“授权公告号是CN101791994B的中国专利”公开了一种凸轮驱动控制使四足机器人的行走机构，该机器人的行走机构由轴、减速齿轮、凸轮以及连杆组成，驱动装置由直流伺服电机与三凸轮驱动组件构成，该机器人虽然结构简单，但是由凸轮与连杆机构这种纯刚性结构来负责机器腿的动作使得腿的运动规律单一，只能在平地上行走，运动速度低，且电机驱动承载能力差，为了能够承载更高的负载，目前也多采用液压驱动。

文献2“授权公告号是CN102390457B的中国专利”公开了一种四足机器人腿部机构，该机器人的腿部结构主要由机械部分与减震弹簧组成，在不增加自由度的情况下通过增加关节数来提高机器人的运动性能。但是其小腿机构由移动导杆与弹簧组成，在受压与地面接触时，小腿伸缩，运动参数易发生变化，不利于连续快速二次地形适应及控制。

发明内容

为了克服现有机器人腿由于纯刚性结构带来的运动结构单一的不足，本发明提供一种四足仿生机器人腿。该机器人腿由机体支架、大腿支架、小腿连接杆、小腿连接板、关节盘限位块、小腿支撑座和小腿套筒等刚性结构组成；以及关节盘和关节盘液压缸轴刚柔调制机构组成；以及脚掌等柔性结构组成。动力驱动装置采用液压驱动。由于在刚性结构的基础上设置了柔性环节弹簧用来缓冲吸震，关节盘与关节盘限位块的配合仿人体膝关节组织，可实现小腿的灵活运动，并可以实现上台阶以及跳跃等运动。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种四足仿生机器人腿，其特点是包括机体支架1、机体液压缸轴2、第一液压缸缸体3、第一液压缸活塞杆4、大腿支架6、大腿第一液压缸轴7、大腿第二液压缸轴8、第二液压缸缸体9、第二液压缸活塞杆10、关节盘12、关节盘液压缸轴13、小腿连接杆15、小腿连接板16、关节盘限位块17、小腿支撑座18、牵拉绳索19、弹簧20、小腿套筒21和脚掌22。机体部分由机体支架1、机体液压缸轴2、第一液压缸缸体3和第一液压缸活塞杆4组成。机体支架1与大腿支架6通过大腿连接轴承5连接。大腿部分由大腿支架6、大腿第一液压缸轴7、大腿第二液压缸轴8、第二液压缸缸体9和第二液压缸活塞杆10组成。关节刚柔调制机构由关节盘12和关节盘液压缸轴13组成。小腿部分由小腿连接杆15、小腿连接板16、关节盘限位块17、小腿支撑座18、牵拉绳索19、弹簧20、小腿套筒21和脚掌22组成。关节盘12与小腿连接杆15通过关节盘连接轴承11连接。大腿支架6与小腿连接板16通过小腿连接轴承14连接。机体液压缸轴2与机体支架1固连，第一液压缸缸体3与机体液压缸轴2连接，第一液压缸活塞杆4与大腿第一液压缸轴7连接，通过第一液压缸活塞杆4的伸缩控制大腿的摆动。大腿连接轴承5将第一液压缸活塞杆4的直线运动转化成大腿的往返转动。第一液压缸活塞杆4伸长时，大腿支架6向下摆动。第一液压缸活塞杆4缩回时，大腿支架6向上摆动。大腿第一液压缸轴7和大腿第二液压缸轴8与大腿支架6固连，关节盘液压缸轴13与关节盘12固连。第二液压缸缸体9与大腿第二液压缸轴8连接，第二液压缸活塞杆10与关节盘12上的关节盘液压缸轴13连接，通过第二液压缸活塞杆10的伸缩控制关节盘12的摆动，关节盘连接轴承11将第二液压缸活塞杆10的直线运动转化成关节盘12的往返转动。小腿连接板16、关节盘限位块17、小腿支撑座18、小腿套筒21和脚掌22固连组成小腿整体外形。牵拉绳索19一端与弹簧20相连，另一端与关节盘12固连。弹簧20一端与牵拉绳索19相连，另一端与脚掌22相连。牵拉绳索19与小腿套筒21之间为直线移动副，两者之间通过弹簧20约束。当第二液压缸活塞杆10缩回时，关节盘12向下摆动，关节盘12凸缘抵住关节盘限位块17与小腿支撑座18使牵拉绳索19向下摆动，弹簧20压缩，脚掌22着地。当第二液压缸活塞杆10伸长时，关节盘12向上摆动，关节盘12凸缘脱离关节盘限位块17，牵拉绳索19随着关节盘凸缘的向上运动也向上运动，弹簧20拉伸，小腿整体部分在弹簧20的作用下也向上运动，脚掌22脱离地面。

所述脚掌22是柔性材料。

本发明的有益效果是：该机器人腿由机体支架、大腿支架、小腿连接杆、小腿连接板、关节盘限位块、小腿支撑座和小腿套筒等刚性结构组成；以及关节盘和关节盘液压缸轴刚柔调制机构组成；以及脚掌等柔性结构组成。动力驱动装置采用液压驱动。由于在刚性结构的基础上设置了柔性环节弹簧用来缓冲吸震，关节盘与关节盘限位块的配合仿人体膝关节组织，实现了小腿的灵活运动以及上台阶和跳跃等运动。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明四足仿生机器人腿的结构图。

图2是图1中大腿支架的主视图。

图3是图1中大腿支架的左视图。

图4是图1中大腿支架和关节盘的俯视图。

图5是图1中大腿支架和小腿套筒的主视图。

图6是图1中大腿支架和小腿套筒的左视图。

图7是图1中脚掌触地时的结构图。

图8是图1中脚掌抬起时的结构图。

图中，1-机体支架，2-机体液压缸轴，3-第一液压缸缸体，4-第一液压缸活塞杆，5-大腿连接轴承，6-大腿支架，7-大腿第一液压缸轴，8-大腿第二液压缸轴，9-第二液压缸缸体，10-第二液压缸活塞杆，11-关节盘连接轴承，12-关节盘，13-关节盘液压缸轴，14-小腿连接轴承，15-小腿连接杆，16-小腿连接板，17-关节盘限位块，18-小腿支撑座，19-牵拉绳索，20-弹簧，21-小腿套筒，22-脚掌。

具体实施方式

以下实施例参照图1～8。

本实施例为一种液压驱动刚柔复合四足机器人单腿，该机器腿由机体、大腿、关节刚柔调制机构、小腿构成。动力驱动装置采用液压驱动。在刚性结构的基础上设置了柔性环节弹簧用来缓冲吸震。机体部分由机体支架1、机体液压缸轴2、第一液压缸缸体3和第一液压缸活塞杆4组成。机体与大腿用大腿连接轴承5连接。大腿部分由大腿支架6、大腿第一液压缸轴7、大腿第二液压缸轴8、第二液压缸缸体9和第二液压缸活塞杆10组成。关节刚柔调制机构由关节盘12和关节盘液压缸轴13组成。小腿部分由小腿连接杆15、小腿连接板16、关节盘限位块17、小腿支撑座18、牵拉绳索19、弹簧20、小腿套筒21和脚掌22组成。关节盘12与小腿连接杆15采用关节盘连接轴承11连接，保证关节盘的自由转动。大腿与小腿连接板16用小腿连接轴承14连接，保证小腿整体部分能够自由转动。

机体与大腿采用大腿连接轴承5连接，保证大腿的自由转动。关节盘12与小腿连接杆15采用关节盘连接轴承11连接，保证关节盘的自由转动。大腿与小腿连接板16通过小腿连接轴承14连接，保证小腿整体部分能够自由转动。

机体液压缸轴2与机体支架1固连，第一液压缸缸体3与机体液压缸轴2连接，第一液压缸活塞杆4与大腿第一液压缸轴7连接，通过第一液压缸活塞杆4的伸缩控制大腿的摆动。大腿连接轴承5将第一液压缸活塞杆4的直线运动转化成大腿的往返转动。第一液压缸活塞杆4伸长时，大腿支架6向下摆动。第一液压缸活塞杆4缩回时，大腿支架6向上摆动。

大腿第一液压缸轴7和大腿第二液压缸轴8与大腿支架6固连，关节盘液压缸轴13与关节盘12固连。第二液压缸缸体9与大腿第二液压缸轴8连接，第二液压缸活塞杆10与关节盘12上的关节盘液压缸轴13连接，通过第二液压缸活塞杆10的伸缩控制关节盘12的摆动，关节盘连接轴承11将第二液压缸活塞杆10的直线运动转化成关节盘12的往返转动。

小腿连接板16、关节盘限位块17、小腿支撑座18、小腿套筒21和脚掌22固连组成小腿整体外形。牵拉绳索19一端与弹簧20相连，另一端与关节盘12固连。弹簧20一端与牵拉绳索19相连，另一端与脚掌22相连。牵拉绳索19与小腿套筒21之间为直线移动副，两者之间通过弹簧20约束，弹簧20具有缓冲、蓄能、吸震的作用。脚掌22为柔性材料，具有增加摩擦系数与缓冲作用，能够减小冲击力且能在粗糙地面行走。

当第二液压缸活塞杆10缩回时，关节盘12向下摆动，关节盘12凸缘抵住关节盘限位块17与小腿支撑座18使牵拉绳索19向下摆动，弹簧20压缩，脚掌22着地。当第二液压缸活塞杆10伸长时，关节盘12向上摆动，关节盘12凸缘脱离关节盘限位块17，牵拉绳索19随着关节盘凸缘的向上运动也向上运动，弹簧20拉伸，小腿整体部分在弹簧20的作用下也向上运动，脚掌22脱离地面。小腿连接轴承14保证小腿整体能够自由转动。

由四足机器人单腿的结构尺寸可以精确的知道第一液压缸活塞杆4的伸长距离与大腿支架6摆角、第二液压缸活塞杆10的伸长距离与关节盘12摆角之间的关系，通过小腿部分各结构的连接也可知道关节盘12摆角与行走距离之间的关系，因此，可以通过控制系统控制液压缸活塞杆的伸缩以及两液压缸的协调控制来实现机器腿的动作，从而达到四足机器人奔跑的目的。

具体工作过程为：

步骤一、控制系统控制第一液压缸活塞杆4伸出一定长度，大腿支架6在力的作用下向下摆动。

步骤二、控制系统控制第二液压缸活塞杆10缩回一定长度，关节盘12在力的作用下向下摆动。关节盘12凸缘抵住关节盘限位块17与小腿支撑座18使牵拉绳索19向下摆动，弹簧20压缩，脚掌22着地。

步骤三、控制系统控制第一液压缸活塞杆4缩回一定长度，大腿支架6在力的作用下向上摆动。

步骤四、控制系统控制第二液压缸活塞杆10伸长一定长度，关节盘12向上摆动，关节盘12凸缘脱离关节盘限位块17，牵拉绳索19随着关节盘凸缘的向上运动，弹簧20拉伸，小腿整体部分在弹簧20的作用下也向上运动，脚掌22脱离地面。

Claims (2)

1.一种四足仿生机器人腿，其特征在于：包括机体支架(1)、机体液压缸轴(2)、第一液压缸缸体(3)、第一液压缸活塞杆(4)、大腿支架(6)、大腿第一液压缸轴(7)、大腿第二液压缸轴(8)、第二液压缸缸体(9)、第二液压缸活塞杆(10)、关节盘(12)、关节盘液压缸轴(13)、小腿连接杆(15)、小腿连接板(16)、关节盘限位块(17)、小腿支撑座(18)、牵拉绳索(19)、弹簧(20)、小腿套筒(21)和脚掌(22)；机体部分由机体支架(1)、机体液压缸轴(2)、第一液压缸缸体(3)和第一液压缸活塞杆(4)组成；机体支架(1)与大腿支架(6)通过大腿连接轴承(5)连接；大腿部分由大腿支架(6)、大腿第一液压缸轴(7)、大腿第二液压缸轴(8)、第二液压缸缸体(9)和第二液压缸活塞杆(10)组成；关节刚柔调制机构由关节盘(12)和关节盘液压缸轴(13)组成；小腿部分由小腿连接杆(15)、小腿连接板(16)、关节盘限位块(17)、小腿支撑座(18)、牵拉绳索(19)、弹簧(20)、小腿套筒(21)和脚掌(22)组成；关节盘(12)与小腿连接杆(15)通过关节盘连接轴承(11)连接；大腿支架(6)与小腿连接板(16)通过小腿连接轴承(14)连接；机体液压缸轴(2)与机体支架(1)固连，第一液压缸缸体(3)与机体液压缸轴(2)连接，第一液压缸活塞杆(4)与大腿第一液压缸轴(7)连接，通过第一液压缸活塞杆(4)的伸缩控制大腿的摆动；大腿连接轴承(5)将第一液压缸活塞杆(4)的直线运动转化成大腿的往返转动；第一液压缸活塞杆(4)伸长时，大腿支架(6)向下摆动；第一液压缸活塞杆(4)缩回时，大腿支架(6)向上摆动；大腿第一液压缸轴(7)和大腿第二液压缸轴(8)与大腿支架(6)固连，关节盘液压缸轴(13)与关节盘(12)固连；第二液压缸缸体(9)与大腿第二液压缸轴(8)连接，第二液压缸活塞杆(10)与关节盘(12)上的关节盘液压缸轴(13)连接，通过第二液压缸活塞杆(10)的伸缩控制关节盘(12)的摆动，关节盘连接轴承(11)将第二液压缸活塞杆(10)的直线运动转化成关节盘(12)的往返转动；小腿连接板(16)、关节盘限位块(17)、小腿支撑座(18)、小腿套筒(21)和脚掌(22)固连组成小腿整体外形；牵拉绳索(19)一端与弹簧(20)相连，另一端与关节盘(12)固连；弹簧(20)一端与牵拉绳索(19)相连，另一端与脚掌(22)相连；牵拉绳索(19)与小腿套筒(21)之间为直线移动副，两者之间通过所述弹簧(20)约束；当第二液压缸活塞杆(10)缩回时，关节盘(12)向下摆动，关节盘(12)凸缘抵住关节盘限位块(17)与小腿支撑座(18)使牵拉绳索(19)向下摆动，弹簧(20)压缩，脚掌(22)着地；当第二液压缸活塞杆(10)伸长时，关节盘(12)向上摆动，关节盘(12)凸缘脱离关节盘限位块(17)，牵拉绳索(19)随着关节盘凸缘的向上运动也向上运动，弹簧(20)拉伸，小腿整体部分在弹簧(20)的作用下也向上运动，脚掌(22)脱离地面。

2.根据权利要求1所述的四足仿生机器人腿，其特征在于：所述脚掌(22)是柔性材料。