CN104554510A - 带有柔性结构的仿生机器狗 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有柔性结构的仿生机器狗，包括机身框架、柔性脊背、四条腿、头部、颈部、尾部和驱动装置，四条腿均包括大腿、小腿和足部，四条腿的大腿的顶端分别与前框架和后框架的两侧连接，颈部的底端和前框架的前端、大腿底端和小腿顶端以及小腿底端和足部之间均采用铰接连接，头部与颈部顶端连接，尾部顶端与后框架后端连接，柔性脊背的两端分别连接前框架的后端和后框架的前端，驱动装置包括数组电机和传动机构，电机通过传动机构带动大腿、小腿、足部、头部、颈部和尾部完成一定的动作，柔性脊背为柔性连接件，四条腿均设有柔性部件，本发明运动形态多样，柔性结构能够吸收冲击和传递能量，提高运动灵活性。

Description

带有柔性结构的仿生机器狗

技术领域

本发明涉及一种仿生机器，具体涉及一种带有柔性结构的仿生机器狗。

背景技术

狗具有极强的运动能力和交互能力，以狗为原型，开发小型轻便和适应性强的仿生机器狗不仅对机器人学的发展具有重要意义，作为智能家居的一种也具有广阔的应用和发展前景。日本索尼公司早先生产的四足机器狗“爱宝”就是家居生活用机器人的代表。爱宝具有很强的人机交互能力以及拥有一套成长系统，但是只是外形仿生，运动能力不强。

机器狗的主要的运动部位为腿部以及对运动起到辅助作用的脊柱部位。将韧带、肌腱这些结构运用到腿部和脊柱的仿生结构设计中将提高机器狗的运动性能和降低能耗。目前，国内外研发了不同构型的四足机器人，许多具有很强的运动性能，但是大多采用刚性机身，不具备良好的柔性结构。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种带有柔性结构的仿生机器狗，本发明设有多处柔性结构，具备运动灵活平稳、能够实现多种运动形态、能适应多种地形的优点。

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种带有柔性结构的仿生机器狗，包括机身框架、柔性脊背、四条腿、头部、颈部、尾部和驱动装置，机身框架包括前框架和后框架，四条腿均包括大腿、小腿和足部，四条腿的大腿的顶端分别与前框架和后框架的两侧连接，颈部的底端和前框架的前端、大腿底端和小腿顶端以及小腿底端和足部之间均采用铰接连接，头部与颈部顶端连接，尾部顶端与后框架后端连接，柔性脊背的两端分别连接前框架的后端和后框架的前端，所述的驱动装置包括数组电机和传动机构，电机通过传动机构带动大腿、小腿、足部、头部、颈部和尾部完成一定的动作，所述的柔性脊背为柔性连接件，四条腿均设有柔性部件。

所述的柔性脊背包括钢板弹簧和阻尼气缸，弹簧钢板和阻尼气缸的两端分别连接前框架的后端和后框架的前端，阻尼气缸位于弹簧钢板的下方。

所述的大腿和小腿的连接部分的传动机构包括绕线盘、线、弹簧和孔座，线的一端与绕线盘的凹槽连接，线的另一端与小腿的底端连接，机身框架、大腿和小腿上均设有孔座，线被限制在孔座的通孔中，弹簧的两端分别固定在小腿和大腿上，第一电机与绕线盘连接，第一电机固定在机身框架上。

所述的尾部的传动机构包括拨叉机构、驱动齿轮、花键轴、花键轴承座、第一传动链、第二传动链、传动轴和传动轴轴承座，拨叉机构包括拔叉、拔叉导轨、拔叉导轨轴承座和电永磁铁，第二电机固定在后框架上，第二电机与花键轴连接，花键轴两端设在花键轴承座中，花键轴穿过驱动齿轮的齿轮孔和拔叉一端的U型开口，驱动齿轮的齿轮孔与花键轴配合，驱动齿轮位于拔叉的U型开口内，拔叉导轨穿过拔叉的另一端，拔叉导轨与花键轴平行，拔叉导轨的两端设在拔叉导轨轴承座中，电永磁铁固定在拔叉导轨轴承座外侧，电永磁铁可以吸引和排斥拔叉使拔叉位于拔叉导轨最左端或最右端，驱动齿轮在拔叉导轨的最左端和最右端分别连接第一传动链和第二传动链，第一传动链和第二传动链分别连接传动轴，传动轴两端设在传动轴轴承座上，传动轴与尾部连接，花键轴承座、拔叉导轨轴承座和传动轴轴承座均固定在后框架上，所述的拔叉正对电永磁铁的一面嵌有永磁铁。

所述的第一传动链为第一齿轮系，传动轴上固定有第一齿轮，传动轴上设有直杆，直杆与传动轴垂直，直杆的一端固定在传动轴上，直杆的另一端穿过尾部顶端的通孔，直杆的另一端设有定位螺母，定位螺母与尾部外侧接触，第一齿轮系的输出端齿轮与第一齿轮啮合，拔叉位于拔叉导轨最右端时，驱动齿轮与第一齿轮系输入端齿轮啮合。

所述的第二传动链为第二齿轮系，第二齿轮系的输出端为第一圆锥齿轮，传动轴的直杆上套有第二圆锥齿轮，第二圆锥齿轮固定在尾部上，第一圆锥齿轮与第二圆锥齿轮啮合，拔叉位于拔叉导轨最左端时，驱动齿轮与第二齿轮系的输入端齿轮啮合。

所述的大腿顶端的内侧固定有第三圆锥齿轮，第三圆锥齿轮和大腿上设有通孔，第三电机和第四电机固定在机身框架上，第三电机与连接杆连接，连接杆穿过一对定位耳片，定位耳片固定在机身框架上，连接杆位于两定位耳片之间的部分上设有直杆，直杆与连接杆垂直，直杆的一端固定在连接杆上，直杆的另一端穿过第三圆锥齿轮和大腿的通孔，直杆的另一端设有定位挡圈，定位挡圈与大腿外侧接触，第四电机的输出轴前端固定有第四圆锥齿轮，第四圆锥齿轮与第三圆锥齿轮啮合。

所述颈部的底端固定有两个销轴，第五电机固定在前框架的前部，第五电机与其中一个销轴的一端连接，销轴的另一端设在固定座中，另一个销轴的两端分别设在两个固定座中，固定座固定在前框架上。

所述头部的底端固定有突出轴，第六电机固定在颈部的顶端，第六电机与突出轴的底端连接。

所述的足部通过转轴与小腿的底部铰接，转轴上设有扭簧，扭簧的一端与小腿接触，扭簧的另一端固定在足部上。

本发明的有益效果是：

驱动装置能够实现头部、颈部、大腿、小腿、足部和尾部的运动，运动形态灵活多样，柔性脊背和腿部能够吸收冲击和传递能量，提高运动灵活性。

附图说明

图1是本发明的结构框架图

图2是本发明的立体图。

图3是本发明的正视图。

图4是本发明的俯视图。

图5是本发明的尾部的结构示意图。

图6是本发明的大腿与框架连接的结构示意图。

图7是本发明的颈部和头部的结构示意图。

图8是本发明的足部的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明包括机身框架、柔性脊背、四条腿、头部10、颈部11、尾部18和驱动装置，机身框架包括前框架1和后框架3，四条腿均包括大腿7、小腿8和足部9，四条腿的大腿7的顶端分别与前框架1和后框架3的两侧连接，颈部11的底端和前框架1的前端、大腿7底端和小腿8顶端以及小腿8底端和足部9之间均采用铰接连接，头部10与颈部11顶端连接，尾部18顶端与后框架3后端连接，柔性脊背的两端分别连接前框架1的后端和后框架3的前端，所述的驱动装置包括数组电机和传动机构，电机通过传动机构带动大腿7、小腿8、足部9、头部10、颈部11和尾部18完成一定的动作，所述的柔性脊背为柔性连接件，四条腿均设有柔性部件。

如图3所示，所述的柔性脊背包括钢板弹簧2和阻尼气缸12，弹簧钢板2和阻尼气缸12的两端分别连接前框架1的后端和后框架3的前端，阻尼气缸12位于弹簧钢板2的下方，弹簧钢板2与阻尼气缸12共同组成了弹簧阻尼系统，使脊背具有柔性；柔性脊背提高了仿生机器狗运动的灵活性，尤其当运动速度较快时，弹簧钢板2周期性地屈张回弹，不仅能传递前框架1和后框架3之间的能量，还能降低能耗。

如图2至图4所示，大腿7和小腿8的连接部分的传动机构包括绕线盘6、尼龙线13、弹簧15和孔座14，尼龙线13的一端与绕线盘6的凹槽连接，尼龙线13的另一端与小腿7的底端连接，机身框架、大腿7和小腿8上均设有孔座14，尼龙线13被限制在孔座14的通孔中，弹簧15的两端分别固定在小腿8和大腿7上，第一电机5通过减速器和联轴器16与绕线盘6连接，绕线盘6固定在绕线盘座17上，第一电机5通过电机座4固定在机身框架上。当第一电机工作时，第一电机驱动绕线盘6将尼龙线13收紧，在转矩的作用下促使小腿8绕大腿7转动，弹簧15被拉伸，当第一电机处于自由状态或反转状态时，尼龙线13由拉紧变松弛，弹簧15收缩，在弹簧15的回复力作用下，促使小腿8绕大腿7完成特定轨迹的运动；上述的传动机构和第一电机的组合模拟和实现了“膝关节”的转动，即大腿7和小腿8的相对转动；所述的尼龙线13具有一定的拉伸弹性，不易被拉断；所述的孔座14限定了尼龙线13的运动路径，使尼龙线13不会干扰其它的工作部件；所述的弹簧15使得“膝关节”具有一定的柔性结构，提高了运动的灵活性，降低了能耗。

如图5所示，在本实施例中，尾部18的传动机构包括拨叉机构、驱动齿轮29、花键轴28、花键轴承座27、第一传动链、第二传动链、传动轴20和传动轴轴承座22，拨叉机构包括拔叉31、拔叉导轨32、拔叉导轨轴承座30和电永磁铁33，第二电机26固定在电机座4上，第二电机26的输出轴通过减速器和联轴器与花键轴28连接，花键轴28两端设在花键轴承座27中，花键轴28穿过驱动齿轮29的齿轮孔和拔叉31一端的U型开口25，驱动齿轮29的齿轮孔与花键轴28配合，驱动齿轮29位于拔叉31的U型开口25内，拔叉导轨32穿过拔叉31的另一端，拔叉导轨32与花键轴28平行，拔叉导轨32的两端设在拔叉导轨轴承座30中，电永磁铁33固定在拔叉导轨轴承座30外侧，电永磁铁33可以吸引和排斥拔叉31使拔叉31位于拔叉导轨32最左端或最右端，驱动齿轮29在拔叉导轨32的最左端和最右端分别连接第一传动链和第二传动链，第一传动链和第二传动链分别连接传动轴20，传动轴两端设在传动轴轴承座22上，传动轴20与尾部18连接，电机座4、花键轴承座27、拔叉导轨轴承座30和传动轴轴承座22固定在后框架3上，所述的拔叉31正对电永磁铁33的一面嵌有永磁铁，电永磁铁33通过改变电流方向可以实现磁场翻转，在电永磁铁33的磁力作用下，拔叉31被吸引或排斥到拔叉导轨32最左端或最右端。

如图5所示，在本实施例中，第一传动链为第一齿轮系，传动轴20上固定有第一齿轮21，传动轴上设有直杆，直杆与传动轴20垂直，直杆的一端固定在传动轴上，直杆的另一端穿过尾部18顶端的通孔，直杆的另一端还设有定位螺母24，定位螺母24与尾部18外侧接触，第一齿轮系的输出端齿轮23与第一齿轮啮合21，拔叉31位于拔叉导轨32最右端时，驱动齿轮29与第一齿轮系输入端齿轮23啮合。

如图5所示，在本实施例中，第二传动链为第二齿轮系，第二齿轮系的输出端为第一圆锥齿轮37，传动轴20的直杆上套有第二圆锥齿轮19，第二圆锥齿轮19固定在尾部18上，第一圆锥齿轮37与第二圆锥齿轮19啮合，拔叉31位于拔叉导轨32最左端时，驱动齿轮29与第二齿轮系的输入端齿轮34啮合。

如图5所示，在本实施例中，第一齿轮系的输入端齿轮23、中间齿轮23和输出端齿轮23为同一个齿轮23；第二齿轮系的输入端齿轮34与第一中间齿轮35在同一根传动轴上，第二中间齿轮36与第一中间齿轮35啮合，第二中间齿轮36与第一圆锥齿轮37在同一根传动轴上。

通过电永磁铁33正向和反向通电可以将拔叉31吸引到拔叉导轨32的最左端或排斥到拔叉导轨32的最右端，当拔叉31位于拔叉导轨32最右端时，驱动齿轮29与第一齿轮系输入端齿轮23啮合，此时，第二电机26带动驱动齿轮29转动，驱动齿轮29通过第一齿轮系带动尾部18做上下摆动的动作，当拔叉31位于拔叉导轨32最左端时，驱动齿轮29与第二齿轮系的输入端齿轮34啮合，此时，第二电机26带动驱动齿轮29转动，驱动齿轮29通过第二齿轮系带动尾部18做左右摆动的动作。当尾部在第二电机26的带动下上下摆动时，第一圆锥齿轮19始终与第二圆锥齿轮37啮合，此时第二圆锥齿轮37不仅随直杆上下转动，同时还在绕直杆转动，通过第二电机26和传动机构的配合可以仿生并实现尾部18的左右摇摆和上下摇摆，仿生效果良好。

如图6所示，大腿7顶端的内侧固定有第三圆锥齿轮45，第三圆锥齿轮45和大腿7上设有通孔，第三电机44和第四电机38通过电机座4固定在机身框架上，第三电机44的输出轴通过减速器和联轴器与连接杆42连接，连接杆42穿过一对定位耳片41，定位耳片41固定在机身框架上，连接杆42位于两定位耳片41之间的部分上设有直杆39，直杆39与连接杆42垂直，直杆39的一端固定在连接杆42上，直杆39的另一端穿过第三圆锥齿轮45和大腿7的通孔，直杆39的另一端设有定位螺母43，定位螺母43与大腿7外侧接触，第四电机38与减速器连接，第四电机38的输出轴前端固定有第四圆锥齿轮40，第四圆锥齿轮40与第三圆锥齿轮45啮合。第三电机44通过连接杆42带动大腿7从机身框架内侧向机身框架外侧摆动，也可以反向带动大腿从机身框架外侧向机身框架内侧摆动；第四电机38通过圆锥齿轮40带动大腿7前后摆动；第三电机44和第四电机38通过与传动机构的配合仿生并实现了“髋关节”的前后转动和左右转动。

如图7所示，所述颈部11的底端固定有两个销轴49，第五电机47通过电机座4固定在前框架1的前部，第五电机47通过减速器和联轴器与其中一个销轴49的一端连接，销轴49的另一端设在固定座48中，另一个销轴49的两端分别设在两个固定座49中，所述的固定座48固定在前框架1上。第五电机47可以带动颈部11上下摆动，犹如“点头”。

如图7所示，头部10的底端固定有突出轴50，第六电机46通过电机座4固定在颈部11的顶端，第六电机46通过减速器和联轴器与突出轴50的底端连接。第六电机46可以带动头部10左右摆动，犹如“摇头”。

如图8所示，足部9通过转轴52与小腿8的底部铰接，转轴52上套有扭簧51，扭簧51的一端与小腿8接触上，扭簧51的另一端固定在足部9上。当足部9受压时，扭簧51吸收能量并起到减震的作用，扭簧51的结构适宜于不同的地形。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例,而不是对本发明技术方案的限定，任何对本发明技术特征所做的等同替换或相应改进，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：包括机身框架、柔性脊背、四条腿、头部、颈部、尾部和驱动装置，机身框架包括前框架和后框架，四条腿均包括大腿、小腿和足部，四条腿的大腿的顶端分别与前框架和后框架的两侧连接，颈部的底端和前框架的前端、大腿底端和小腿顶端以及小腿底端和足部之间均采用铰接连接，头部与颈部顶端连接，尾部顶端与后框架后端连接，柔性脊背的两端分别连接前框架的后端和后框架的前端，所述的驱动装置包括数组电机和传动机构，电机通过传动机构带动大腿、小腿、足部、头部、颈部和尾部完成一定的动作，所述的柔性脊背为柔性连接件，四条腿均设有柔性部件。

2.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的柔性脊背包括钢板弹簧和阻尼气缸，弹簧钢板和阻尼气缸的两端分别连接前框架的后端和后框架的前端，阻尼气缸位于弹簧钢板的下方。

3.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的大腿和小腿的连接部分的传动机构包括绕线盘、线、弹簧和孔座，线的一端与绕线盘的凹槽连接，线的另一端与小腿的底端连接，机身框架、大腿和小腿上均设有孔座，线被限制在孔座的通孔中，弹簧的两端分别固定在小腿和大腿上，第一电机与绕线盘连接，第一电机固定在机身框架上。

4.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的尾部的传动机构包括拨叉机构、驱动齿轮、花键轴、花键轴承座、第一传动链、第二传动链、传动轴和传动轴轴承座，拨叉机构包括拔叉、拔叉导轨、拔叉导轨轴承座和电永磁铁，第二电机固定在后框架上，第二电机与花键轴连接，花键轴两端设在花键轴承座中，花键轴穿过驱动齿轮的齿轮孔和拔叉一端的U型开口，驱动齿轮的齿轮孔与花键轴配合，驱动齿轮位于拔叉的U型开口内，拔叉导轨穿过拔叉的另一端，拔叉导轨与花键轴平行，拔叉导轨的两端设在拔叉导轨轴承座中，电永磁铁固定在拔叉导轨轴承座外侧，电永磁铁可以吸引和排斥拔叉使拔叉位于拔叉导轨最左端或最右端，驱动齿轮在拔叉导轨的最左端和最右端分别连接第一传动链和第二传动链，第一传动链和第二传动链分别连接传动轴，传动轴两端设在传动轴轴承座上，传动轴与尾部连接，花键轴承座、拔叉导轨轴承座和传动轴轴承座均固定在后框架上，所述的拔叉正对电永磁铁的一面嵌有永磁铁。

5.如权利要求4所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的第一传动链为第一齿轮系，传动轴上固定有第一齿轮，传动轴上设有直杆，直杆与传动轴垂直，直杆的一端固定在传动轴上，直杆的另一端穿过尾部顶端的通孔，直杆的另一端设有定位螺母，定位螺母与尾部外侧接触，第一齿轮系的输出端齿轮与第一齿轮啮合，拔叉位于拔叉导轨最右端时，驱动齿轮与第一齿轮系输入端齿轮啮合。

6.如权利要求4或5所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的第二传动链为第二齿轮系，第二齿轮系的输出端为第一圆锥齿轮，传动轴的直杆上套有第二圆锥齿轮，第二圆锥齿轮固定在尾部上，第一圆锥齿轮与第二圆锥齿轮啮合，拔叉位于拔叉导轨最左端时，驱动齿轮与第二齿轮系的输入端齿轮啮合。

7.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的大腿顶端的内侧固定有第三圆锥齿轮，第三圆锥齿轮和大腿上设有通孔，第三电机和第四电机固定在机身框架上，第三电机与连接杆连接，连接杆穿过一对定位耳片，定位耳片固定在机身框架上，连接杆位于两定位耳片之间的部分上设有直杆，直杆与连接杆垂直，直杆的一端固定在连接杆上，直杆的另一端穿过第三圆锥齿轮和大腿的通孔，直杆的另一端设有定位挡圈，定位挡圈与大腿外侧接触，第四电机的输出轴前端固定有第四圆锥齿轮，第四圆锥齿轮与第三圆锥齿轮啮合。

8.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述颈部的底端固定有两个销轴，第五电机固定在前框架的前部，第五电机与其中一个销轴的一端连接，销轴的另一端设在固定座中，另一个销轴的两端分别设在两个固定座中，固定座固定在前框架上。

9.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述头部的底端固定有突出轴，第六电机固定在颈部的顶端，第六电机与突出轴的底端连接。

10.如权利要求1所述的一种带有柔性结构的仿生机器狗，其特征是：所述的足部通过转轴与小腿的底部铰接，转轴上设有扭簧，扭簧的一端与小腿接触，扭簧的另一端固定在足部上。