CN103935417A - 带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，包含前躯干、后驱干、脊柱关节和弹性腿，前驱干和后躯干通过脊柱关节连接，在躯干下方的两端分别安装一条弹性腿，脊柱关节由端盖、万向节、波纹管、液压油管、齿轮泵和电磁阀组成，上下两个端盖通过万向节在中心位置连接，在上下两个端盖之间均匀分布四个波纹管，对称布置的两个波纹管通过液压油管、齿轮泵和电磁阀连接在一起；在躯干的两端分别装有卷线轮，卷线轮与第二舵机的输出轴连接，钢丝绳的一端固定在卷线轮上、另一端固定在踝关节上。本发明的运动更协调、稳定，能够更好地模拟猫科动物的运动特征，同时也能减小落地时地面对机器人的冲击力。

Description

带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人

技术领域

本发明涉及的是一种仿生机器人，具体的说是一种仿生四足机器人。

背景技术

机器人是集机械、电子、计算机、传感器、控制技术等多门学科为一体的综合技术，反应了一个国家的智能化和自动化的研究水平，同时也是一个国家高科技技术的综合表现。足式机器人有优于轮式、履带式和蠕动式机器人的出色表现，拥有多种步态，而且具有一定的越障功能，这大大提高了机器人的应用范围，特别是在复杂地形条件下进行探险、勘察、军事等领域都能得到广泛的应用。

在足式机器人中，四足机器人既有优于两足机器人的平稳性，又避免了六足、八足机器人结构的复杂性，在整个足式机器人中占有很大比重，四足机器人技术研究是当前足式机器人研究领域的热点和前沿方向之一。

目前关于大多数仿生多足机器人的研究，均是以刚性躯干为模型，并不考虑系统构件的变形，不能很好的体现动物的运动特征，实际上运动生物的肌肉、腱和韧带像弹簧一样能够储存和释放能量，其运动过程中具有柔性变形，动力学形态复杂。生物学家对猫科动物进行了研究，发现其在运动过程中，弹性的腿部结构可以减少与地面的冲击力，既能提高运动速度，又能提高能量利用率，在高速运动中，除了腿部的大幅度摆动外，脊柱关节也起到了很重要的作用，在猫科动物奔跑过程中，其躯干形状并不是刚性不变的，而是可以进行弯曲和伸展的柔性体。例如根据一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人（专利号CN201110196221.7），其机器人的缓冲仅采用足端上方的弹簧，关节采用转动副实现，为了更好的模拟猫科动物的行走，需要一种仿生机器人，更好的利用其弹性腿和柔性关节。

发明内容

本发明的目的为了真实的反应动物的运动特征，使机器人的运动更加稳定，更加协调而提供一种带脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人。

本发明的目的是这样实现的：带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，包含前躯干、后驱干、脊柱关节和弹性腿，前驱干和后躯干通过脊柱关节连接，在前躯干和后躯干下方的两端分别安装弹性腿，脊柱关节包括端盖、万向节、波纹管、液压油管、两个齿轮泵和两个电磁阀，上下两个端盖通过万向节在中心位置连接，在上下两个端盖之间均匀分布四个波纹管，对称布置的两个波纹管通过液压油管、一个齿轮泵和一个电磁阀连接在一起；在前躯干和后躯干的两端分别装有卷线轮，卷线轮与固定在前躯干和后躯干两端的卷线轮舵机的输出轴连接，钢丝绳的一端固定在卷线轮上，钢丝绳另一端固定在弹性腿上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.弹性腿包括滑轮、钢丝绳、大腿、小腿、足部、压簧和拉簧，滑轮与固定在前躯干和后躯干下方两端的滑轮舵机连接，滑轮安装在大腿的髋关节上，小腿的一端与大腿连接、另一端与足部连接，钢丝绳跨过滑轮，所述钢丝绳另一端固定在弹性腿上是指钢丝绳的一端固定在弹性腿的踝关节上，拉簧的一端与大腿连接、另一端与足部连接，压簧的套在导杆上。

2.弹性腿的足部的末端形状是球形。

3.两个齿轮泵和两个电磁阀分别布置在上下两个端盖上。

带脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，该机器人包括躯干、脊柱以及安装于躯干上的四条腿。在前后躯干上对称安装四个卷线轮，卷线轮与卷线轮舵机的输出轴相连，舵机安装在舵机架上，舵机架安装在躯干上。脊柱关节包括端盖，两端盖之间安装二自由度十字轴式刚性万向节和波纹管，二自由度十字轴式刚性万向节包括位于中间的十字轴、与十字轴连接的万向节叉、与端盖连接的万向轴基座，第一端盖上安装相互连通的第一齿轮泵、第一二位四通电磁阀，第二端盖上安装相互连通的第二齿轮泵、第二二位四通电磁阀，所述的波纹管有四个，第一二位四通电磁阀分别连通第一、第二波纹管，第二二位四通电磁阀分别连通第三、四波纹管。

四条腿的结构均相同，由大腿、滑轮、小腿、足部、缓冲装置、拉簧组成。其中大腿的一端与滑轮通过转动副相连，大腿的另一端与小腿的一端通过转动副相连构成膝关节，小腿的另一端与足部在足部一端的三分之一处通过转动副连接构成踝关节，足端采用的是橡胶球形足。其中缓冲装置由直线轴承、直线轴承座、导杆、压簧组成，直线轴承座与大腿在大腿一端的三分之一处通过转动副相连，导杆端部与足部通过转动副相连，转动副的转动轴线与小腿和足部的转动副轴线共线。直线轴承安装到直线轴承座上，导杆套在直线轴承里，导杆可以在直线轴承里自由滑动，压簧套在导杆上。拉簧与大腿通过转动副相连，转动副与直线轴承座和大腿的转动副共轴线，拉簧的另一端与足部的一端通过转动副相连。

本发明提供的带脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人与现有技术比具有的优点是：本发明突破了传统仿生四足机器人的刚性结构，使机器人的运动更加协调、稳定；给机器人增加了一个柔性脊柱，使机器人的脊柱关节有两个转动自由度，能够更好地模拟猫科动物的运动特征；在机器人足部加了一个由拉簧组成的被动自由度，使机器人在落地时具有一个缓冲过程，减小了落地时地面对机器人的冲击力。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是弹性腿的结构图；

图3是脊柱关节结构图；

图4是脊柱关节的部分元件结构图。

具体实施方式

本发明提供了一种带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，下面结合附图对本发明做更详细的描述。

实施案例一：结合图1、图3和图4，本发明有以下几部分组成：弹性腿1、前驱干3、脊柱关节4、后躯干6，四条腿的结构和运动原理完全相同。滑轮舵机2安装在前后躯干如图1所示位置的下方，其输出轴连接大腿11的一端。卷线轮舵机8安装在前后躯干如图所示位置的上方，其输出轴连接卷线轮5。前驱干3和后躯干6通过脊柱关节4连在一起。脊柱关节4由第一端盖24、二自由度十字轴式刚性万向节25、第一波纹管26、第二波纹管32、第三波纹管27、第四波纹管33、液压油管28、二位四通电磁阀29、第二端盖30、齿轮泵31组成。

第一端盖24与第二端盖30中间通过二自由度十字轴式刚性万向节25连接，二自由度十字轴式刚性万向节25中间的十字轴可以实现两个方向的自由度变化。第一端盖24和第二端盖30的内侧均匀地连着第一波纹管26、第二波纹管32、第三波纹管27、第四波纹管33。第二端盖30上固定有一套齿轮泵31和二位四通电磁阀29，第一端盖24上也同样有一套齿轮泵和二位四通电磁阀。齿轮泵31和二位四通电磁阀29、第三波纹管27、第四波纹管33通过液压油管28连接，实现液压油的流动。

第二端盖30跟齿轮泵31和二位四通电磁阀29相互作用，当二位四通电磁阀29在正向工作位置时，可以通过齿轮泵31的作用，使液压油从第三波纹管27流向第四波纹管33，第三波纹管27的液压油减少，将发生收缩弯曲变形，第四波纹管33的液压油增加，将发生伸长弯曲变形，从而使第一端盖24和第二端盖30沿着二自由度十字轴式刚性万向节的一个自由度方向转动，当二位四通电磁阀29在负向工作位置时，此自由度可以往相反的方向转动，实现一个自由度的变化。同理，当第一端盖24与另一套齿轮泵和二位四通电磁阀发生作用时，第一端盖24和第二端盖30沿着二自由度十字轴式刚性万向节的另一个自由度方向转动，实现第二个自由度的变化。

实施案例二：结合图2，弹性腿1由钢丝绳9、滑轮10、大腿11、小腿14、足部16、球形足17、导杆13、直线轴承21、直线轴承座22、压簧15、拉簧20、限位销18组成。大腿11的一端安装在滑轮舵机2的输出轴上，滑轮10安装在大腿11的髋关节23上，大腿11与小腿14连接形成膝关节12，小腿14的一端与足部16的三分之一处连接形成踝关节19，足部16的一端为橡胶球形足17。直线轴承座22的一端与大腿11的三分之一处通过转动副连接，直线轴承21通过过盈配合安装在直线轴承座22上，导杆13的一端套在直线轴承21里，导杆13的另一端与足部16在踝关节19处连接，压簧15套在导杆13上。拉簧20的一端通过转动副连接在大腿11的三分之一处，另一端与足部16的一端通过转动副连接。限位销18用来限制足部16的运动范围。

该腿部结构的功能主要是实现行走，通过卷线轮舵机8、钢丝绳9来实现腿部的运动，钢丝绳9一端固定在踝关节19上，钢丝绳9跨过滑轮10，卷线轮舵机8收缩钢丝绳9使压簧15压缩，就实现了膝关节12的运动，当需要实现弹性腿1伸长的时候，卷线轮舵机8释放钢丝绳9，落地时球形足17与地面接触，足部16带动拉簧20作伸缩运动，这就实现了踝关节19的运动。

Claims (4)

1.带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，包含前躯干、后驱干、脊柱关节和弹性腿，前驱干和后躯干通过脊柱关节连接，在前躯干和后躯干下方的两端分别安装弹性腿，其特征是：脊柱关节包括端盖、万向节、波纹管、液压油管、两个齿轮泵和两个电磁阀，上下两个端盖通过万向节在中心位置连接，在上下两个端盖之间均匀分布四个波纹管，对称布置的两个波纹管通过液压油管、一个齿轮泵和一个电磁阀连接在一起；

在前躯干和后躯干的两端分别装有卷线轮，卷线轮与固定在前躯干和后躯干两端的卷线轮舵机的输出轴连接，钢丝绳的一端固定在卷线轮上，钢丝绳另一端固定在弹性腿上。

2.根据权利要求1所述的带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，其特征是：弹性腿包括滑轮、钢丝绳、大腿、小腿、足部、压簧和拉簧，滑轮与固定在前躯干和后躯干下方两端的滑轮舵机连接，滑轮安装在大腿的髋关节上，小腿的一端与大腿连接、另一端与足部连接，钢丝绳跨过滑轮，所述钢丝绳另一端固定在弹性腿上是指钢丝绳的一端固定在弹性腿的踝关节上，拉簧的一端与大腿连接、另一端与足部连接，压簧的套在导杆上。

3.根据权利要求2所述的带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，其特征是：足部的末端形状是球形。

4.根据权利要求1、2或3所述的带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，其特征是：两个齿轮泵和两个电磁阀分别布置在上下两个端盖上。