CN104139811A - 一种欠驱动的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

一种欠驱动的仿生四足机器人，属于仿生机器人领域，解决现有仿生四足机器人腿部的质量和转动惯量过大的问题，同时减小与地面碰撞产生的能量损失，增加腿的柔顺性。本发明由机身以及前左腿、前右腿、后左腿、后右腿组件构成，前左腿、前右腿、后左腿和后右腿组件的结构相同，前左腿、前右腿组件左右对称、分别连接于机身前部的左右两侧，后左腿、后右腿组件左右对称、分别连接于机身后部的左右两侧。本发明驱动电机都布置在机身上，减小了腿部的质量和转动惯量，提高机器人运动速度；通过拉线方式实现膝关节和踝关节联动，减小了主动电机的数量；腿部拉簧顺应机构和踝关节处扭簧，可以降低与地面碰撞带来的能量损失，提高能量的利用效率。

Description

一种欠驱动的仿生四足机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种欠驱动的仿生四足机器人。

背景技术

移动机器人在科学探索、山地运输、消防营救、地质勘探和军事行动等领域具有极为广阔的应用前景。目前移动机器人主要包括足式、轮式、履带式等几种类型，相比轮式、履带式机器人，足式机器人具有更大的工作空间、更强的地面适应能力、更大的灵活性等特点，逐渐成为机器人理论和技术的研究热点。足式机器人主要分为两足、四足、六足机器人，以四足哺乳动物为参考对象的仿生四足机器人比两足机器人静态稳定性好、地面适应能力强，比六足机器人行动灵活、结构简单，因此仿生四足机器人的理论研究和原型开发是足式机器人行业的研究重点。

进入20世纪90年代以来，随着计算机技术和仿生学技术的飞速发展，四足机器人也进入了高速发展的阶段，国内外涌现了大批具有代表性的仿生四足机器人。按照腿部关节的驱动方式可以分为全驱动和欠驱动，其中采用全驱动的仿生四足机器人有Bisam，Hyq，Kolt，BigDog，Aibo，Scout-II，Titan，LittleDog，Tekken。其中最具有代表性的是波士顿动力公司开发的BigDog，它不仅可以实现多种运动步态，还具有很强的环境适应能力和抗干扰的能力。国内有哈尔滨工业大学研制的足轮混合式的四足机器“HIT-HYBTOR”，清华大学研制的“Biosbot”四足机器人，上海交通大学开发四足步行机器人“JTUWM-III”，中国科学院自动化研究所研制的仿生四足机器人“FROGI”，华中科技大学的研发的“4+2”多足步行机器人。但是，全驱动的机器人腿部体积偏大、质量大、惯量大、结构复杂，不利于快速奔跑。与全驱动相比，欠驱动的机器人结构简单、运动灵活，有利于机器人的快速运动。目前，最具代表性的欠驱动仿生四足机器人是麻省理工学院研发的Cheetah^[机器人和洛桑联邦理工学院开发的ALSP机器人，其采用欠驱动机构实现机器人腿部设计，减轻了机器人腿部质量和转动惯量，优化腿部结构，实现机器人快速运动。然而，从仿生机器人腿部结构上看，以上欠驱动机器人腿部结构仍然比较复杂，与动物的结构存在一定的差异。从设计原理上看，没有深入探讨各个关节运动的内在联系，只是简单利用欠驱动机构实现了关节的联动，运动性能有待进一步的提升。

从动物的运动中可以发现，腿部各个关节之间存在一定的联动关系，通过关节的耦合可以优化腿部结构的构型，有效的减小腿部结构的质量、惯量。关节耦合可以通过欠驱动机构实现，因此研究欠驱动的机器人腿部构型的是实现仿生四足机器人快速运动的关键问题。

发明内容

本发明提供一种欠驱动的仿生四足机器人，解决现有仿生四足机器人腿部的质量和转动惯量过大的问题，采用拉线和拉簧的方式，实现机器人腿组件的欠驱动结构，同时减小高速运动过程中与地面碰撞产生的能量损失，增加腿的柔顺性。

本发明所提供的一种欠驱动的仿生四足机器人，由机身以及前左腿组件、前右腿组件、后左腿组件、后右腿组件构成，前左腿组件、前右腿组件、后左腿组件和后右腿组件的结构相同，前左腿组件、前右腿组件左右对称、分别连接于机身前部的左右两侧，后左腿组件、后右腿组件左右对称、分别连接于机身后部的左右两侧，其特征在于：

A、所述机身为框架式盒体，盒体左侧从前至后依次装有前左髋关节轴承、前左导线轮轴承、后左导线轮轴承、后左髋关节轴承，盒体右侧从前至后依次装有前右髋关节轴承、前右导线轮轴承、后右导线轮轴承、后右髋关节轴承；

前左髋关节轴承、前左导线轮轴承、后左导线轮轴承、后左髋关节轴承和前右髋关节轴承、前右导线轮轴承、后右导线轮轴承、后右髋关节轴承一一对应，分别关于机身中轴线为对称；

相应所述前左髋关节轴承、前右髋关节轴承位置，关于机身中轴线为对称，机身内左右部分分别固定有前左髋关节电机和前右髋关节电机；相应所述前左导线轮轴承、前右导线轮轴承位置，关于盒体中轴线为对称，机身内左右部分分别固定有前左导线轮电机和前右导线轮电机；

前左导线轮穿过前左导线轮轴承并与其配合，同时通过螺钉与前左导线轮电机的法兰盘相连固定，所述前左导线轮为两槽滑轮，具有前左导线轮内侧轨道和前左导线轮外侧轨道；

前右导线轮穿过前右导线轮轴承并与其配合，同时通过螺钉与前右导线轮电机的法兰盘相连固定，所述前右导线轮为两槽滑轮，具有前右导线轮内侧轨道和前右导线轮外侧轨道；

相应所述后左导线轮轴承、后右导线轮轴承位置，关于盒体中轴线为对称，机身内左右部分分别固定有后左导线轮电机和后右导线轮电机；相应所述后左髋关节轴承、后右髋关节轴承位置，关于机身中轴线为对称，机身内左右部分分别固定有后左髋关节电机和后右髋关节电机；

后左导线轮穿过后左导线轮轴承并与其配合，同时通过螺钉与后左导线轮电机的法兰盘相连固定，所述后左导线轮为两槽滑轮，具有后左导线轮内侧轨道和后左导线轮外侧轨道；

后右导线轮穿过后右导线轮轴承并与其配合，同时通过螺钉与后右导线轮电机的法兰盘相连固定；所述后右导线轮为两槽滑轮，具有后右导线轮内侧轨道和后右导线轮外侧轨道；

B、所述前左腿组件包括大腿部件、小腿部件、跖部件和趾骨部件；

B1、所述大腿部件包括大腿头、大腿管、髋关节轴、髋滑轮、髋轴承，所述大腿头和大腿管均为空心管状，互相垂直且连为一体，大腿头内固接有与大腿管的轴线垂直的髋关节轴，髋滑轮通过髋轴承安装于髋关节轴上，能够围绕髋关节轴转动；所述大腿头穿过前左髋关节轴承并与其配合，同时通过螺钉与前左髋关节电机的法兰盘相连固定，前左髋关节电机转动带动大腿管摆动；所述髋滑轮为两槽滑轮，具有髋滑轮内侧轨道和髋滑轮外侧轨道；

B2、所述小腿部件包括小腿管、膝关节轴、膝滑轮、膝轴承，小腿管的上端通过膝关节轴与所述大腿部件的大腿管末端转动连接，膝滑轮通过膝轴承安装于小腿管内的膝关节轴上，能够围绕膝关节轴转动；所述膝滑轮为两槽滑轮，具有膝滑轮内侧轨道和膝滑轮外侧轨道；

B3、所述跖部件包括跖管、踝关节轴、踝滑轮、踝轴承，跖管的上端通过踝关节轴与所述小腿部件的小腿管下端转动连接，所述踝滑轮通过踝轴承安装于跖管内的踝关节轴上，能够围绕踝关节轴转动；所述踝滑轮为两槽滑轮，具有踝滑轮内侧轨道和踝滑轮外侧轨道；

B4、所述趾骨部件包括底脚和脚轴，底脚通过脚轴与所述跖部件的跖管转动连接；

B5、第一导线一端固定在前左导线轮内侧轨道的上边，另一端进入大腿部件，沿髋滑轮内侧轨道逆时针绕一周，引向膝滑轮，沿膝滑轮内侧轨道逆时针绕一周后引向踝滑轮，沿踝滑轮内侧轨道顺时针绕一周后固定在跖管上；

第二导线一端固定在前左导线轮外侧轨道的下边，另一端进入大腿部件，沿髋滑轮外侧轨道顺时针绕一周，引向膝滑轮，沿膝滑轮外侧轨道顺时针绕一周后引向踝滑轮，沿踝滑轮外侧轨道逆时针绕一周后固定在跖管上；

C、所述前右腿组件和前左腿组件结构相同，区别仅在于，其位置和所述前左腿组件右、左对称，连接于机身前部的右侧，前右腿组件的大腿头穿过前右髋关节轴承并与其配合，同时通过螺钉与前右髋关节电机的法兰盘相连固定；

所述前右导线轮上以与前左腿组件完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件完全相同的路径，固定于前右腿组件的跖部件的跖管上；

D、所述后左腿组件和前左腿组件结构相同，区别仅在于，其连接于机身后部的左侧，后左腿组件的大腿头穿过后左髋关节轴承并与其配合，同时通过螺钉与后左髋关节电机的法兰盘相连固定；

所述后左导线轮上以与前左腿组件完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件完全相同的路径，固定于后左腿组件的跖部件的跖管上；

E、所述后右腿组件和前左腿组件结构相同，区别仅在于，其位置和所述后左腿组件右、左对称，连接于机身后部的右侧，后右腿组件的大腿头穿过后右髋关节轴承并与其配合，同时通过螺钉与后右髋关节电机的法兰盘相连固定；

所述后右导线轮上以与前左腿组件完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件完全相同的路径，固定于后右腿组件的跖部件的跖管上。

所述的欠驱动的仿生四足机器人，其特征在于：

所述大腿部件的大腿管末端内部具有左右对称的左凸台和右凸台，所述小腿管的上端与所述大腿管末端转动连接时，所述膝关节轴穿过左凸台和右凸台；

所述小腿管的内腔具有左右对称的轴向左凹槽和轴向右凹槽；

所述跖管上端左右两侧分别具有对称的左圆柱凸台、右圆柱凸台，所述跖管的上端与所述小腿部件的小腿管下端转动连接时，所述踝关节轴穿过左圆柱凸台和右圆柱凸台；

第三导线一端固定在大腿管的左凸台上，另一端逆时针绕过左凸台引出与内侧拉簧的上端连接，内侧拉簧位于小腿管的轴向左凹槽内，第四导线一端与内侧拉簧的下端连接，另一端逆时针绕过跖管的左圆柱凸台，并固定在左圆柱凸台上；

第五导线一端固定在大腿管的右凸台上，另一端顺时针绕过右凸台引出与外侧拉簧的上端连接，外侧拉簧位于小腿管的轴向右凹槽内，第六导线一端与外侧拉簧的下端连接，另一端顺时针绕过跖管的右圆柱凸台，并固定在右圆柱凸台上。

所述的欠驱动的仿生四足机器人，其特征在于：

所述趾骨部件中，所述脚轴上套有脚部扭簧，脚部扭簧一端固定在所述跖部件上，另一端抵在底脚上，实现底脚相对于跖部件转动时的缓冲作用；

所述底脚的上表面和后边缘分别固定有前限位块、后限位块，共同用于限制底脚相对于跖部件的转动范围，防止底脚运动角度过大。

本发明中，固定在机身上的前左、前右、后左、后右髋关节轴承以及前左、前右、后左、后右髋关节电机与相应前左腿、前右腿、后左腿、后右腿组件的大腿头构成髋关节运动机构；

前左、前右、后左、后右导线轮，前左、前右、后左、后右导线轮轴承以及前左、前右、后左、后右导线轮电机与相应前左腿、前右腿、后左腿、后右腿组件的大腿部件、小腿部件、跖部件构成膝-踝关节耦合运动机构；

跖部件和趾骨部件构成跖骨关节运动机构；

髋关节运动机构与膝-踝关节耦合运动机构在各自电机的驱动下主动运动，膝-踝关节耦合运动机构通过拉线实现膝关节和踝关节的耦合运动，以前左腿组件为例，由于第一导线与第二导线的缠绕方式形成一个闭环，两条导线总线长为定值，当前左导线轮电机顺时针转动带动前左导线轮转动时，第一导线向前左导线轮回收拉紧，第二导线向前左导线轮外舒张，依次带动髋滑轮、膝滑轮顺时针转动，踝滑轮逆时针转动，由于第一导线长度减小，必然导致相关机构向着第一导线缠绕线长减小的方向运动，即小腿管绕膝关节轴顺时针转动，跖管绕踝关节轴逆时针转动，从而使整个前左腿组件伸长；反之，当前左导线轮电机逆时针转动带动前左导线轮转动时，第一导线向前左导线轮外舒张，第二导线向前左导线轮内回收拉紧，依次带动髋滑轮、膝滑轮逆时针转动，踝滑轮顺时针转动，由于第二导线长度减小，必然导致相关机构向着第二导线缠绕线长减小的方向运动，即小腿管绕膝关节轴逆时针转动，跖管绕踝关节轴顺时针转动，从而使整个前左腿组件缩短。

在大腿管、小腿管和跖管上所设置的第三导线、第四导线、第五导线、第六导线以及外内侧拉簧、侧拉簧构成拉簧顺应机构，拉簧顺应机构在机械腿触地时实现被动运动。此机构为膝关节和踝关节运动添加约束，以前左腿组件为例，若无此约束，当前左导线轮电机不转时，还存在小腿管和跖部件可能同时顺时针转动或者同时逆时针转动(此时也满足第一导线和第二导线的总长保持不变)。添加该约束之后，若小腿管和跖管同时逆时针转动，则会受到外侧拉簧的拉力限制，若小腿管和跖管同时顺时针转动，则会受到内侧拉簧的拉力限制。此外，当机械腿着地时，由于前左髋关节电机和前左导线轮电机不转动，在机身重力和机器人蹬地的力作用下，由于第一导线与第二导线长度不改变，在此约束下，机械腿触地时，小腿管和跖管必然同时顺时针运动或逆时针运动。当小腿管相对于膝关节轴顺时针旋转，跖管相对于踝关节轴顺时针旋转时，内侧拉簧长度增加，在内侧拉簧的拉力作用下，小腿管转动速度会减缓；当小腿管相对于膝关节轴逆时针旋转，跖管相对于踝关节轴逆时针旋转时，外侧拉簧长度增加，在外侧拉簧的拉力作用下，小腿管转动速度也会减缓，从而使机械腿顺应接触地面，并将能量储存起来，以便腾空时利用。

综上所述，本发明驱动电机都布置在机身上，减小了腿部的质量和转动惯量，增加机器人运动灵活性，提高机器人运动速度；优化了腿组件的机械结构，使其具有类似动物腿部构型；通过拉线的方式实现膝关节和踝关节联动，减小了主动电机的数量，优化机器人机构构型；腿部安装有拉簧顺应机构，踝关节处也有扭簧，这些弹性元件可以降低机器人运动中与地面碰撞带来的能量损失，增加腿的柔顺性，改善机构的应力分布，提高能量的利用效率。

附图说明

下面将结合附图及实施实例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1中的机身左侧视图；

图3为图1中的机身右侧视图；

图4为前左导线轮局部剖视图；

图5为前左腿组件结构示意图；

图6为大腿部件局部剖视图；

图7为前左腿组件内部结构示意图；

图8为第一导线绕放示意图；

图9为第二导线绕放示意图；

图10为顺应机构的结构示意图；

图11为趾骨部件的局部剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的实施例，由机身100以及前左腿组件200、前右腿组件300、后左腿组件400、后右腿组件500构成，前左腿组件200、前右腿组件300、后左腿组件400和后右腿组件500的结构相同，前左腿组件200、前右腿组件300左右对称、分别连接于机身100前部的左右两侧，后左腿组件400、后右腿组件500左右对称、分别连接于机身100后部的左右两侧；

如图2、图3所示，所述机身100为框架式盒体，盒体左侧从前至后依次装有前左髋关节轴承110、前左导线轮轴承120、后左导线轮轴承130、后左髋关节轴承140，盒体右侧从前至后依次装有前右髋关节轴承150、前右导线轮轴承160、后右导线轮轴承170、后右髋关节轴承180；

前左髋关节轴承110、前左导线轮轴承120、后左导线轮轴承130、后左髋关节轴承140和前右髋关节轴承150、前右导线轮轴承160、后右导线轮轴承170、后右髋关节轴承180一一对应，分别关于机身中轴线为对称；

相应所述前左髋关节轴承110、前右髋关节轴承150位置，关于机身中轴线为对称，机身100内左右部分分别固定有前左髋关节电机111和前右髋关节电机151；相应所述前左导线轮轴承120、前右导线轮轴承160位置，关于盒体中轴线为对称，机身100内左右部分分别固定有前左导线轮电机121和前右导线轮电机161；

如图4所示，前左导线轮122穿过前左导线轮轴承120并与其配合，同时通过螺钉与前左导线轮电机121的法兰盘相连固定，所述前左导线轮122为两槽滑轮，具有前左导线轮内侧轨道122A和前左导线轮外侧轨道122B；

前右导线轮162穿过前右导线轮轴承160并与其配合，同时通过螺钉与前右导线轮电机161的法兰盘相连固定，所述前右导线轮162为两槽滑轮，具有前右导线轮内侧轨道162A和前右导线轮外侧轨道162B；

相应所述后左导线轮轴承130、后右导线轮轴承170位置，关于盒体中轴线为对称，机身100内左右部分分别固定有后左导线轮电机131和后右导线轮电机171；相应所述后左髋关节轴承140、后右髋关节轴承180位置，关于机身中轴线为对称，机身100内左右部分分别固定有后左髋关节电机141和后右髋关节电机181；

后左导线轮132穿过后左导线轮轴承130并与其配合，同时通过螺钉与后左导线轮电机131的法兰盘相连固定，所述后左导线轮132为两槽滑轮，具有后左导线轮内侧轨道132A和后左导线轮外侧轨道132B；

后右导线轮182穿过后右导线轮轴承180并与其配合，同时通过螺钉与后右导线轮电机181的法兰盘相连固定；所述后右导线轮182为两槽滑轮，具有后右导线轮内侧轨道182A和后右导线轮外侧轨道182B；

如图5所示，所述前左腿组件200包括大腿部件210、小腿部件220、跖部件230和趾骨部件240；

如图6所示，所述大腿部件210包括大腿头211、大腿管212、髋关节轴213、髋滑轮214、髋轴承215，所述大腿头211和大腿管212均为空心管状，互相垂直且连为一体，大腿头内固接有与大腿管的轴线垂直的髋关节轴213，髋滑轮214通过髋轴承215安装于髋关节轴213上，能够围绕髋关节轴213转动；所述大腿头211穿过前左髋关节轴承110并与其配合，同时通过螺钉与前左髋关节电机111的法兰盘相连固定，前左髋关节电机111转动带动大腿管212摆动；所述髋滑轮214为两槽滑轮，具有髋滑轮内侧轨道214A和髋滑轮外侧轨道214B；

如图5所示，所述小腿部件220包括小腿管221、膝关节轴222、膝滑轮223、膝轴承224，小腿管221的上端通过膝关节轴222与所述大腿部件210的大腿管212末端转动连接，膝滑轮223通过膝轴承224安装于小腿管221内的膝关节轴222上，能够围绕膝关节轴222转动；所述膝滑轮223为两槽滑轮，具有膝滑轮内侧轨道223A和膝滑轮外侧轨道223B；

如图5所示，所述跖部件230包括跖管231、踝关节轴232、踝滑轮233、踝轴承234，跖管231的上端通过踝关节轴232与所述小腿部件220的小腿管221下端转动连接，所述踝滑轮233通过踝轴承234安装于跖管231内的踝关节轴232上，能够围绕踝关节轴232转动；所述踝滑轮233为两槽滑轮，具有踝滑轮内侧轨道233A和踝滑轮外侧轨道233B；

如图5所示，所述趾骨部件240包括底脚241和脚轴242，底脚241通过脚轴242与所述跖部件230的跖管231转动连接；

如图7、图8、图9所示，第一导线216一端固定在前左导线轮内侧轨道122A的上边，另一端进入大腿部件，沿髋滑轮内侧轨道214A逆时针绕一周，引向膝滑轮223，沿膝滑轮内侧轨道223A逆时针绕一周后引向踝滑轮233，沿踝滑轮内侧轨道233A顺时针绕一周后固定在跖管231上；

第二导线217一端固定在前左导线轮外侧轨道122B的下边，另一端进入大腿部件，沿髋滑轮外侧轨道214B顺时针绕一周，引向膝滑轮223，沿膝滑轮外侧轨道223B顺时针绕一周后引向踝滑轮233，沿踝滑轮外侧轨道233B逆时针绕一周后固定在跖管231上；

所述前右腿组件300和前左腿组件200结构相同，区别仅在于，其位置和所述前左腿组件200右、左对称，连接于机身100前部的右侧，前右腿组件300的大腿头穿过前右髋关节轴承150并与其配合，同时通过螺钉与前右髋关节电机151的法兰盘相连固定；

所述前右导线轮162上以与前左腿组件200完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件200完全相同的路径，固定于前右腿组件300的跖部件的跖管上；

所述后左腿组件400和前左腿组件200结构相同，区别仅在于，其连接于机身100后部的左侧，后左腿组件400的大腿头穿过后左髋关节轴承140并与其配合，同时通过螺钉与后左髋关节电机141的法兰盘相连固定；

所述后左导线轮132上以与前左腿组件200完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件200完全相同的路径，固定于后左腿组件400的跖部件的跖管上；

所述后右腿组件500和前左腿组件200结构相同，区别仅在于，其位置和所述后左腿组件400右、左对称，连接于机身100后部的右侧，后右腿组件500的大腿头穿过后右髋关节轴承180并与其配合，同时通过螺钉与后右髋关节电机181的法兰盘相连固定；

所述后右导线轮182上以与前左腿组件200完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件200完全相同的路径，固定于后右腿组件500的跖部件的跖管上。

如图10所示，本实施例中，所述大腿部件210的大腿管212末端内部具有左右对称的左凸台212A和右凸台212B，所述小腿管221的上端与所述大腿管212末端转动连接时，所述膝关节轴222穿过左凸台212A和右凸台212B；

所述小腿管221的内腔具有左右对称的轴向左凹槽221A和轴向右凹槽221B：

所述跖管231上端左右两侧分别具有对称的左圆柱凸台231A、右圆柱凸台231B，所述跖管231的上端与所述小腿部件220的小腿管221下端转动连接时，所述踝关节轴233穿过左圆柱凸台231A和右圆柱凸台231B；

第三导线251一端固定在大腿管212的左凸台212A上，另一端逆时针绕过左凸台212A引出与内侧拉簧252的上端连接，内侧拉簧252位于小腿管221的轴向左凹槽221A内，第四导线253一端与内侧拉簧252的下端连接，另一端逆时针绕过跖管231的左圆柱凸台231A，并固定在左圆柱凸台231A上；

第五导线254一端固定在大腿管212的右凸台212B上，另一端顺时针绕过右凸台212B引出与外侧拉簧255的上端连接，外侧拉簧255位于小腿管221的轴向右凹槽221B内，第六导线256一端与外侧拉簧255的下端连接，另一端顺时针绕过跖管231的右圆柱凸台231B，并固定在右圆柱凸台231B上。

如图11所示，本实施例中，所述趾骨部件240中，所述脚轴242上套有脚部扭簧243，脚部扭簧243一端固定在所述跖部件230上，另一端抵在底脚241上，实现底脚241相对于跖部件230转动时的缓冲作用；

所述底脚241的上表面和后边缘分别固定有前限位块244、后限位块245，共同用于限制底脚241相对于跖部件230的转动范围，防止底脚241运动角度过大。

Claims (3)

1.一种欠驱动的仿生四足机器人，由机身(100)以及前左腿组件(200)、前右腿组件(300)、后左腿组件(400)、后右腿组件(500)构成，前左腿组件(200)、前右腿组件(300)、后左腿组件(400)和后右腿组件(500)的结构相同，前左腿组件(200)、前右腿组件(300)左右对称、分别连接于机身(100)前部的左右两侧，后左腿组件(400)、后右腿组件(500)左右对称、分别连接于机身(100)后部的左右两侧，其特征在于：

A、所述机身(100为框架式盒体，盒体左侧从前至后依次装有前左髋关节轴承(110)、前左导线轮轴承(120)、后左导线轮轴承(130)、后左髋关节轴承(140)，盒体右侧从前至后依次装有前右髋关节轴承(150)、前右导线轮轴承(160)、后右导线轮轴承(170)、后右髋关节轴承(180)；

前左髋关节轴承(110)、前左导线轮轴承(120)、后左导线轮轴承(130)、后左髋关节轴承(140)和前右髋关节轴承(150)、前右导线轮轴承(160)、后右导线轮轴承(170)、后右髋关节轴承(180)一一对应，分别关于机身中轴线为对称；

相应所述前左髋关节轴承(110)、前右髋关节轴承(150)位置，关于机身中轴线为对称，机身(100)内左右部分分别固定有前左髋关节电机(111)和前右髋关节电机(151；相应所述前左导线轮轴承(120)、前右导线轮轴承(160)位置，关于盒体中轴线为对称，机身(100)内左右部分分别固定有前左导线轮电机(121)和前右导线轮电机(161)；

前左导线轮(122)穿过前左导线轮轴承(120)并与其配合，同时通过螺钉与前左导线轮电机(121)的法兰盘相连固定，所述前左导线轮(122)为两槽滑轮，具有前左导线轮内侧轨道(122A)和前左导线轮外侧轨道(122B)；

前右导线轮(162)穿过前右导线轮轴承(160)并与其配合，同时通过螺钉与前右导线轮电机(161)的法兰盘相连固定，所述前右导线轮(162)为两槽滑轮，具有前右导线轮内侧轨道(162A)和前右导线轮外侧轨道(162B)；

相应所述后左导线轮轴承(130)、后右导线轮轴承(170)位置，关于盒体中轴线为对称，机身(100)内左右部分分别固定有后左导线轮电机(131)和后右导线轮电机(171)；相应所述后左髋关节轴承(140)、后右髋关节轴承(180)位置，关于机身中轴线为对称，机身(100)内左右部分分别固定有后左髋关节电机(141)和后右髋关节电机(181)；

后左导线轮(132)穿过后左导线轮轴承(130)并与其配合，同时通过螺钉与后左导线轮电机(131)的法兰盘相连固定，所述后左导线轮(132)为两槽滑轮，具有后左导线轮内侧轨道(132A)和后左导线轮外侧轨道(132B)；

后右导线轮(182)穿过后右导线轮轴承(180)并与其配合，同时通过螺钉与后右导线轮电机(181)的法兰盘相连固定；所述后右导线轮(182)为两槽滑轮，具有后右导线轮内侧轨道(182A)和后右导线轮外侧轨道(182B)；

B、所述前左腿组件(200)包括大腿部件(210)、小腿部件(220)、跖部件(230)和趾骨部件(240)；

B1、所述大腿部件(210)包括大腿头(211)、大腿管(212)、髋关节轴(213)、髋滑轮(214)、髋轴承(215)，所述大腿头(211)和大腿管(212)均为空心管状，互相垂直且连为一体，大腿头内固接有与大腿管的轴线垂直的髋关节轴(213)，髋滑轮(214)通过髋轴承(215)安装于髋关节轴(213)上，能够围绕髋关节轴(213)转动；所述大腿头(211)穿过前左髋关节轴承(110)并与其配合，同时通过螺钉与前左髋关节电机(111)的法兰盘相连固定，前左髋关节电机(111)转动带动大腿管(212)摆动；所述髋滑轮(214)为两槽滑轮，具有髋滑轮内侧轨道(214A)和髋滑轮外侧轨道(214B)；

B2、所述小腿部件(220)包括小腿管(221)、膝关节轴(222)、膝滑轮(223)、膝轴承(224)，小腿管(221)的上端通过膝关节轴(222)与所述大腿部件(210)的大腿管(212)末端转动连接，膝滑轮(223)通过膝轴承(224)安装于小腿管(221)内的膝关节轴(222)上，能够围绕膝关节轴(222)转动；所述膝滑轮(223)为两槽滑轮，具有膝滑轮内侧轨道(223A)和膝滑轮外侧轨道(223B)；

B3、所述跖部件(230)包括跖管(231)、踝关节轴(232)、踝滑轮(233)、踝轴承(234)，跖管(231)的上端通过踝关节轴(232)与所述小腿部件(220)的小腿管(221)下端转动连接，所述踝滑轮(233)通过踝轴承(234)安装于跖管(231)内的踝关节轴(232)上，能够围绕踝关节轴(232)转动；所述踝滑轮(233)为两槽滑轮，具有踝滑轮内侧轨道(233A)和踝滑轮外侧轨道(233B)；

B4、所述趾骨部件(240)包括底脚(241)和脚轴(242)，底脚(241)通过脚轴(242)与所述跖部件(230)的跖管(231)转动连接；

B5、第一导线(216一端固定在前左导线轮内侧轨道(122A)的上边，另一端进入大腿部件，沿髋滑轮内侧轨道(214A)逆时针绕一周，引向膝滑轮(223)，沿膝滑轮内侧轨道(223A)逆时针绕一周后引向踝滑轮(233)，沿踝滑轮内侧轨道(233A)顺时针绕一周后固定在跖管(231)上；

第二导线(217)一端固定在前左导线轮外侧轨道(122B)的下边，另一端进入大腿部件，沿髋滑轮外侧轨道(214B)顺时针绕一周，引向膝滑轮(223)，沿膝滑轮外侧轨道(223B)顺时针绕一周后引向踝滑轮(233)，沿踝滑轮外侧轨道(233B)逆时针绕一周后固定在跖管(231)上；

C、所述前右腿组件(300)和前左腿组件(200)结构相同，区别仅在于，其位置和所述前左腿组件(200)右、左对称，连接于机身(100)前部的右侧，前右腿组件(300)的大腿头穿过前右髋关节轴承(150)并与其配合，同时通过螺钉与前右髋关节电机(151)的法兰盘相连固定；

所述前右导线轮(162)上以与前左腿组件(200)完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件(200)完全相同的路径，固定于前右腿组件(300)的跖部件的跖管上；

D、所述后左腿组件(400)和前左腿组件(200)结构相同，区别仅在于，其连接于机身(100)后部的左侧，后左腿组件(400)的大腿头穿过后左髋关节轴承(140)并与其配合，同时通过螺钉与后左髋关节电机(141)的法兰盘相连固定；

所述后左导线轮(132)上以与前左腿组件(200)完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件(200)完全相同的路径，固定于后左腿组件(400)的跖部件的跖管上；

E、所述后右腿组件(500)和前左腿组件(200)结构相同，区别仅在于，其位置和所述后左腿组件(400)右、左对称，连接于机身(100)后部的右侧，后右腿组件(500)的大腿头穿过后右髋关节轴承(180)并与其配合，同时通过螺钉与后右髋关节电机(181)的法兰盘相连固定；

所述后右导线轮(182)上以与前左腿组件(200)完全相同方式，固定并引出两条导线，两条导线另一端以与前左腿组件(200)完全相同的路径，固定于后右腿组件(500)的跖部件的跖管上。

2.如权利要求1所述的欠驱动的仿生四足机器人，其特征在于：

所述大腿部件(210)的大腿管(212)末端内部具有左右对称的左凸台(212A)和右凸台(212B)，所述小腿管(221)的上端与所述大腿管(212)末端转动连接时，所述膝关节轴(222)穿过左凸台(212A)和右凸台(212B)；

所述小腿管(221)的内腔具有左右对称的轴向左凹槽(221A)和轴向右凹槽(221B)；

所述跖管(231)上端左右两侧分别具有对称的左圆柱凸台(231A)、右圆柱凸台(231B)，所述跖管(231)的上端与所述小腿部件(220)的小腿管(221)下端转动连接时，所述踝关节轴(233)穿过左圆柱凸台(231A)和右圆柱凸台(231B)；

第三导线(251)一端固定在大腿管(212)的左凸台(212A)上，另一端逆时针绕过左凸台(212A)引出与内侧拉簧(252)的上端连接，内侧拉簧(252)位于小腿管(221)的轴向左凹槽(221A)内，第四导线(253)一端与内侧拉簧(252)的下端连接，另一端逆时针绕过跖管(231)的左圆柱凸台(231A)，并固定在左圆柱凸台(231A)上；

第五导线(254)一端固定在大腿管(212)的右凸台(212B)上，另一端顺时针绕过右凸台(212B)引出与外侧拉簧(255)的上端连接，外侧拉簧(255)位于小腿管(221)的轴向右凹槽(221B)内，第六导线(256)一端与外侧拉簧(255)的下端连接，另一端顺时针绕过跖管(231)的右圆柱凸台(231B)，并固定在右圆柱凸台(231B)上。

3.如权利要求1或2所述的欠驱动的仿生四足机器人，其特征在于：

所述趾骨部件(240)中，所述脚轴(242)上套有脚部扭簧(243)，脚部扭簧(243)一端固定在所述跖部件(230)上，另一端抵在底脚(241)上，实现底脚(241)相对于跖部件(230)转动时的缓冲作用；

所述底脚(241)的上表面和后边缘分别固定有前限位块(244)、后限位块(245)，共同用于限制底脚(241)相对于跖部件(230)的转动范围，防止底脚(241)运动角度过大。