CN105109575B - 仿犬四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿犬四足机器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎、腰部和后脊椎，前脊椎、腰部和后脊椎共同组成脊椎，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与腰部前端相连，腰部后端与后脊椎联接，后脊椎固定于后肩梁上；腰部包括两条平行设置的充气橡胶棒，两条橡胶棒的两端延伸为一体的便于与前后脊椎固定连接的片状橡胶片；腰部橡胶棒的变形能够提供脊椎竖直方向的弯曲自由度；其中一根充气橡胶棒与竖直设置的第一液压缸相连，第一液压缸实时控制脊椎的横滚自由度，另一根充气橡胶棒与水平设置的第二液压缸相连，第二液压缸实时控制脊椎水平方向的偏转自由度。该机器人身体平衡易于调整，运动稳定性好，减小了机器人的冲击。

Description

仿犬四足机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是一种仿犬四足机器人。

背景技术

目前，四足机器人大多采用刚性机体结构，存在躯体姿态不平稳和地面冲击力大等问题，无法满足跳跃，奔跑等高速运动，也不能在不平的地面稳定行走，为克服上述不足，提高四足机器人的动态性能，非常需要设计一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人。四足机器人身体需要具有俯仰的自由度,横滚自由度和偏转自由度。腿部要有弹性。

中国专利申请：201110196221.7公开了一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人。分为前躯干、脊柱、腰部、后躯干以及四条结构相同的腿等几部分；前躯干或后躯干中的轴承与各条腿上的法兰轴构成转动副,前躯干与脊柱用转动副联接,由电机和齿轮组驱动,使机器人身体具有俯仰的自由度,脊柱与腰部用带有扭簧的转动副联接,使机器人身体具有横滚自由度,腰部和后躯干也用带有扭簧的转动副联接,使机器人身体具有偏转自由度,机器人腿部由大腿,小腿构成,都由电机和齿轮组驱动,小腿装有压簧。该专利申请结构较为复杂，制作成本高，驱动多，能耗高。

申请人申请的中国专利申请201410520580.7公开了一种仿生四足机器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎组成脊椎，腿部包括前后两对腿，两对腿分别通过具有俯仰和侧摆两个自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与后脊椎活动联接，后脊椎固定于后肩梁上；每一条腿都是大腿和小腿一体化结构，大腿是刚性板，膝部和小腿是由有弹性的钢板构成；前脊椎的后端呈稍宽的长方形，该长方形中心处设有一通孔，通孔中设置有橡胶圈，前脊椎的后端通过一穿过橡胶圈的长销轴及螺母与后脊椎相连，且长销轴与橡胶圈之间有间隙；前脊椎后端分别固定有上、下、左、右四个向外自由穿出后脊椎框架的销，每个销上均套有弹簧。该专利的脊椎和腿部柔性，不便控制，运动稳定性有待提高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种仿犬四足机器人，该机器人身体平衡易于调整，脊椎和腿部柔性好，运动稳定性好，减小了机器人的冲击。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种仿犬四足机器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎、腰部和后脊椎，前脊椎、腰部和后脊椎共同组成脊椎，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与腰部前端相连，腰部后端与后脊椎联接，后脊椎固定于后肩梁上；

所述腿部包括大腿、小腿和足端，大腿上端分别通过具有俯仰自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连，大腿下端与小腿上端铰接，小腿下端与足端固定连接；

所述腰部包括两条平行设置的充气橡胶棒，两条橡胶棒的两端延伸为一体的便于与前后脊椎固定连接的片状橡胶片；腰部橡胶棒的变形能够提供脊椎竖直方向的弯曲自由度；其中一根充气橡胶棒与竖直设置的第一液压缸相连，第一液压缸实时控制脊椎的横滚自由度，另一根充气橡胶棒与水平设置的第二液压缸相连，第二液压缸实时控制脊椎水平方向的偏转自由度；

所述足端包括大橡胶块、小橡胶块和弹簧。大橡胶块沿其顶部中心向下开有方形盲孔，沿方形盲孔底部向下开有圆形盲孔，大橡胶块的前后面开有键槽型通孔；方形盲孔中放置有小橡胶块，小橡胶块的底部开有与大橡胶块的圆形盲孔相对应的圆形盲孔，弹簧放置于两个盲孔中；小橡胶块前后面开有与大橡胶块的键槽型通孔相对应的圆形通孔，小橡胶块左右面上有与上表面相贯通的U型槽；小腿下端伸入到小橡胶块的U型槽中且用胶固定；由螺栓穿过键槽型通孔和圆孔将大橡胶块、小橡胶块、小腿连接在一起，并保证该螺栓连接是有间隙的松动连接，以保证大橡胶块可上下移动。

所述小橡胶块的左右面与大橡胶块的方形盲孔内壁接触，小橡胶块的前后面与大橡胶块的方形盲孔内壁之间有间隙。

所述弹簧上端固定在小橡胶块底部，弹簧下端固定在大橡胶块上。

所述大腿上下端分别通过第三、第四液压缸连接于前、后肩梁上，大腿上半部一突出点铰接于前、后肩梁上。大腿与前、后肩梁连接处为髋关节。

所述小腿为第五液压缸，第五液压缸的缸体与大腿下端铰接，第五液压缸的液压杆末端与足端固定连接。第五液压缸可实时调整腿部长度，以便调整身体平衡。

所述前脊椎为方形钢板，具有一定的柔性和刚度。

所述后脊椎为方形钢板，其也具有一定的柔性和刚度。

每个充气橡胶棒的中间有气嘴，便于橡胶棒充气。

本发明主要包括肩梁，脊椎，腿部及足端。脊椎由三部分组成，包括前脊椎，腰部和后脊椎。所述腿部包括前后两对腿，两对腿分别通过具有俯仰自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连；大腿和小腿、大腿和肩梁以及腿部和液压缸都是铰接。前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与腰部前端相连，腰部的后端与后脊椎活动联接，后脊椎通过螺栓固定于后肩梁上。腰部主要由2个充气橡胶棒组成，每个橡胶棒的中间有气嘴，便于橡胶棒充气，橡胶棒的两端部是橡胶片，便于与前脊椎的后部通过螺栓固定连接，也便于与后脊椎的前部通过螺栓固定连接。依靠腰部的变形提供脊椎竖直方向的弯曲自由度，脊椎的横滚自由度和脊椎水平方向的偏转自由度。竖直方向的液压缸可实时控制脊椎的横滚自由度，水平方向的液压缸可实时控制脊椎水平方向的偏转自由度，水平方向和竖直方向的液压缸也都是通过螺栓固定的。大部分液压缸两端都是螺栓铰接。髋关节处和膝关节处是铰接。小腿液压缸的下端与足端是固定连接。

本发明是具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人，主要运用仿生学原理，仿造犬类动物的运动躯干构造，具有较好的运动灵活性。四足机器人身体具有俯仰的自由度，横滚自由度和水平偏转自由度，腿部有弹性。本发明采用柔性机构替代传统的刚性结构，机器人身体平衡易于调整，增加机器人的运动稳定性，减小机器人的冲击。

附图说明

图1是本发明主视图；

图2是一个实施例的脊椎部分俯视图；

图3是图5中A-A剖面结构示意图；

图4是足端结构左视图；

图5是足端结构俯视图；

图6是小橡胶块结构示意图；

图7是大橡胶块结构示意图；

其中1.足端，2.小腿，3.大腿，4第一.螺栓，5.第二螺栓，6.第三螺栓，7.第四液压缸，8.第四螺栓，9.第一液压缸，10.第五螺栓，11.第六螺栓，12.第七螺栓，13.第七螺母，14.第八螺栓，15.第八螺母，16.第九螺栓，17.第三液压缸，18前肩梁，19.前脊椎，20.腰部，21.第二液压缸，22.后脊椎，23.后肩梁，24.第十螺栓，25.第十一螺栓，26.第十二螺栓，27.大橡胶块，28.小橡胶块，29.弹簧，30-32.第十三螺栓、垫片和螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图7所示，仿犬四足机器人，包括腿部、前肩梁18、后肩梁23、前脊椎19、腰部20和后脊椎22，前脊椎19、腰部20和后脊椎22共同组成脊椎，前脊椎19一端呈悬臂梁状水平通过第九螺栓16固定于前肩梁18中部，另一端通过第十二螺栓26与腰部20前端相连，腰部20后端与后脊椎22通过第七螺栓12、螺母13连接，后脊椎22通过第十螺栓24固定于后肩梁23上。

腿部包括大腿3、小腿2和足端1，大腿3上端分别通过具有俯仰自由度的髋关节与前肩梁18和后肩梁23相连，大腿3下端与小腿2上端铰接，小腿2下端与足端1固定连接；大腿3和小腿2、大腿3和肩梁以及腿部和液压缸都是铰接。大部分液压缸两端都是螺栓铰接。髋关节处和膝关节处是铰接。小腿液压缸的下端与足端是固定连接。

腰部20包括两条平行设置的充气橡胶棒，两条橡胶棒的两端延伸为一体的便于与前后脊椎19、22通过第七螺栓12、螺母13固定连接的片状橡胶片；腰部橡胶棒的变形能够提供脊椎竖直方向的弯曲自由度；其中一根充气橡胶棒与竖直设置的第一液压缸9相连，第一液压缸9通过第八螺栓14和第八螺母15固定连接于后肩梁23上，第一液压缸9实时控制脊椎的横滚自由度，另一根充气橡胶棒与水平设置的第二液压缸21通过第十一螺栓25相连，第二液压缸21实时控制脊椎水平方向的偏转自由度。

大腿3上下端分别通过第三、第四液压缸17、7连接于前、后肩梁18、23上，第三液压缸的上下端分别通过第五、第六螺栓10、11与大腿上端及前、后肩梁18、23铰接。

第四液压缸7上端通过第四螺栓8铰接于前肩梁18、后肩梁23上。小腿2为第五液压缸，第五液压缸的缸体与大腿3下端通过第一螺栓4铰接，第五液压缸的液压杆末端与足端1固定连接。第五液压缸可实时调整腿部长度，控制身体平衡。

前脊椎19为方形钢板，具有一定的柔性和刚度。后脊椎22为方形钢板，其也具有一定的柔性和刚度。

足端结构如图3-图7所示，足端1包括大橡胶块27、小橡胶块28、弹簧29、螺栓30、垫片31、螺母32。大橡胶块27沿其顶部中心向下开有方形盲孔，沿方形盲孔底部向下开有圆形盲孔，大橡胶块27的前后面开有键槽型通孔；方形盲孔中放置有小橡胶块28，小橡胶块28的底部开有与大橡胶块的圆形盲孔相对应的圆形盲孔，弹簧29放置于两个盲孔中；小橡胶块28前后面开有与大橡胶块27的键槽型通孔相对应的圆孔，小橡胶块28左右面上有与上表面相贯通的U型槽；小腿2下端伸入到小橡胶块的U型槽中且用胶固定；由第十三螺栓30穿过键槽型通孔和圆孔将大橡胶块27、小橡胶块28、小腿2连接在一起，并保证该螺栓连接是有间隙的松动连接，以保证大橡胶块可上下移动。

大橡胶块27的上部为硬橡胶，下部为软橡胶；小橡胶块28采用硬橡胶。

小橡胶块28的左右面与大橡胶块27的方形盲孔内壁接触，小橡胶块28的前后面与大橡胶块27的方形盲孔内壁之间有间隙。

大橡胶块27与小橡胶块28上的圆形盲孔作为弹簧29的定位孔，弹簧29上端固定在小橡胶块28底部，弹簧29下端固定在大橡胶块27上。

当大橡胶块27下部蹬地受压变形且向上移动，第十三螺栓30带动小橡胶块28向下移动，两橡胶块之间发生相对滑动产生摩擦力，弹簧29也随之受压变形；依靠大橡胶块27、弹簧29的形变以及大橡胶块27与小橡胶块28之间的摩擦起到缓冲吸振的作用。当大橡胶块2离开地面时，弹簧29恢复变形，大橡胶块27下移，小橡胶块28上移，回到初始位置。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种仿犬四足机器人，其特征是，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎、腰部和后脊椎，前脊椎、腰部和后脊椎共同组成脊椎，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与腰部前端相连，腰部后端与后脊椎连接，后脊椎固定于后肩梁上；

所述腿部包括大腿、小腿和足端，大腿上端通过具有俯仰自由度的髋关节分别与前肩梁和后肩梁相连，大腿下端与小腿上端铰接，小腿下端与足端固定连接；

所述腰部包括两条平行设置的充气橡胶棒，两条橡胶棒的两端延伸为一体的便于与前后脊椎固定连接的片状橡胶片；腰部橡胶棒的变形能够提供脊椎竖直方向的弯曲自由度；其中一根充气橡胶棒与竖直设置的第一液压缸相连，第一液压缸实时控制脊椎的横滚自由度，另一根充气橡胶棒与水平设置的第二液压缸相连，第二液压缸实时控制脊椎水平方向的偏转自由度；

所述足端包括大橡胶块、小橡胶块和弹簧，大橡胶块沿其顶部中心向下开有方形盲孔，沿方形盲孔底部向下开有圆形盲孔，大橡胶块的前后面开有键槽型通孔；方形盲孔中放置有小橡胶块，小橡胶块的底部开有与大橡胶块的圆形盲孔相对应的圆形盲孔，弹簧放置于两个圆形盲孔中；小橡胶块前后面开有与大橡胶块的键槽型通孔相对应的圆形通孔，小橡胶块左右面上有与上表面相贯通的U型槽；小腿下端伸入到小橡胶块的U型槽中且用胶固定；由螺栓穿过键槽型通孔和圆形通孔将大橡胶块、小橡胶块、小腿连接在一起，并保证该螺栓连接是有间隙的松动连接，以保证大橡胶块上下移动。

2.如权利要求1所述的仿犬四足机器人，其特征是，所述小橡胶块的左右面与大橡胶块的方形盲孔内壁接触，小橡胶块的前后面与大橡胶块的方形盲孔内壁之间有间隙。

3.如权利要求1所述的仿犬四足机器人，其特征是，所述弹簧上端固定在小橡胶块底部，弹簧下端固定在大橡胶块上。

4.如权利要求1所述的仿犬四足机器人，其特征是，所述大腿上下端分别通过第三、第四液压缸连接于前、后肩梁上，大腿上半部一突出点铰接于前、后肩梁上。

5.如权利要求4所述的仿犬四足机器人，其特征是，所述小腿为第五液压缸，第五液压缸的缸体与大腿下端铰接，第五液压缸的液压杆末端与足端固定连接；第五液压缸能实时调整腿部长度，以便调整身体平衡。

6.如权利要求1所述的仿犬四足机器人，其特征是，所述前脊椎为方形钢板。

7.如权利要求1所述的仿犬四足机器人，其特征是，所述后脊椎为方形钢板。

8.如权利要求1所述的仿犬四足机器人，其特征是，每个充气橡胶棒的中间有气嘴，便于橡胶棒充气。