CN105667624B - 电驱动四足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电驱动四足仿生机器人，包括驱动机器人运动的电控系统，还包括头部，所述头部通过颈部、头部连杆与前躯干连接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干连接；所述后躯干的后部设有尾部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干铰接，实现尾部与前躯干的联动；所述前躯干的两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿；所述后腿的长度长于前腿；所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处。前后躯干单独设计，通过腰部自由度连接，腰部自由度可实现前后躯干的相对俯仰运动，使得整体运动更加协调、稳定。

Description

电驱动四足仿生机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种电驱动四足仿生机器人。

背景技术

腿足式机器人是移动机器人领域的一个重要分支，与常见的轮式或履带式移动机器人相比，腿足式机器人具有更好的移动灵活性和复杂地形的适应能力。其中四足机器人相对于单足或双足机器人运动更加稳定，与六足或更多足的机器人相比结构又更加简单，因此四足机器人成为了机器人界一个新的研究热点。

自上世纪60年代后期以来，国内外许多科学家开始研究开发机器人实验平台，国外较有代表性的有美国的BigDog、LittleDog和LS3机器人，意大利的HyQ机器人，瑞士的StralETH机器人、日本的Tekken和TITAN系列机器人等，国内则先后有清华大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、上海交通大学、山东大学、国防科技大学等多家单位研制了不同形式的四足机器人并取得了一定的成果。然而上述机器人均针对实验室研究或特殊任务设计，且造价昂贵。

近年来出现了一批小型商业化的四足机器人，但其结构仿生性差，体态不够逼真，行走速度慢，动作规划欠缺，步态稳定性差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电驱动四足仿生机器人，前后躯干单独设计，通过腰部自由度连接，腰部自由度可实现前后躯干的相对俯仰运动，使得整体运动更加协调、稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

电驱动四足仿生机器人，包括驱动机器人运动的电控系统，还包括头部，所述头部通过颈部、头部连杆与前躯干连接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干连接；所述后躯干的后部设有尾部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干铰接，实现尾部与前躯干的联动；所述前躯干的两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿；所述后腿的长度长于前腿；所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处。

所述前躯干包括依次相接的前躯干前部、前躯干中部和前躯干后部，所述前躯干前部的宽度小于前躯干后部的宽度，所述前躯干后部的宽度小于前躯干中部的宽度。所述后躯干包括依次相接的后躯干前部、后躯干中部和后躯干后部，所述后躯干后部的宽度小于后躯干前部的宽度，所述后躯干前部的宽度小于后躯干中部的宽度。

所述前躯干后部与后躯干前部铰接，形成腰部。这样整体是肩宽胯窄，加之腰部的自由度，总体呈现前宽后窄中间细的结构，使得体态更加优美。前后躯干单独设计，通过腰部自由度连接，腰部自由度可实现前后躯干的相对俯仰运动，使得整体运动更加协调、稳定。

所述前躯干前部与所述颈部的一端和头部连杆的一端都铰接，所述颈部的另一端和头部连杆的另一端都与头部铰接。颈部和头部连杆的两端分别固定在头部和前躯干，其四个铰接点形成四个自由度的封闭四边形，由颈部与前躯干连接处的主动自由度实现头颈联动效果。头部连杆机构的优点是：可以保证在调节头部传感器相对位置时，不改变传感器相对躯干的姿态，保证测量场相对于躯干的有效范围。

所述尾部的两端中的一端设有上下两个铰接点，所述后躯干后部与所述尾部的上铰接点铰接，所述尾部的下铰接点与所述尾部连杆的一端铰接，所述尾部连杆的另一端与所述前躯干后部铰接。尾部通过尾部连杆与腰部自由度联动。尾部连杆的两端分别铰接在前躯干后部和尾部，加之尾部与后躯干的铰接点和腰部的铰接点，形成四个自由度的封闭四边形，由腰部主动自由度实现尾部的联动效果。可根据头部的前后移动，而由腰部带动尾部的相对移动，从而在体型运动及调整过程中保持整体质心稳定。

所述前腿包括肩部横摆关节，所述肩部横摆关节的上端铰接前躯干，下端通过肩部俯仰关节铰接第一前臂，所述第一前臂通过肘部俯仰关节铰接第二前臂，所述第二前臂通过腕关节铰接前脚趾，所述第二前臂与前脚趾之间连接弹性减振体。

所述后腿包括髋部横摆关节，所述髋部横摆关节的上端铰接后躯干，下端通过髋膝俯仰关节铰接第一后臂，所述第一后臂通过踝关节铰接第二后臂，所述第二后臂通过指关节铰接后脚趾，所述第二后臂与后脚趾之间连接弹性减振体。

仿照四足哺乳动物髋关节及腿部骨骼结构，采用前、后腿尺寸不同的方案，通过前后腿不同的连接件，后腿连接件略长且成一定得角度，其后腿驱动功率较大。前后腿均包含三个主动自由度和一个从动自由度；在关节拓扑方面，采用了全肘式关节拓扑，后腿大腿部分驱动采用髋膝一体的结构，增加后摆范围，后腿的踝关节可以起到调节腿部长度以及辅助发力的效果。其优点是增加并优化了腿部的工作空间，足端具备更大且有效的运动范围，更加适合高速行走或者奔跑，采用更加仿生的关节拓扑结构，使得站立体态更美观、生动；且运动时，前腿转向并辅助驱动，后腿驱动，提高了运动的机动性，并使动作更加自如，仿生。

本发明前后腿采用独有的指关节的弹性减震体，分别安装在前腿的腕关节与前脚趾之间，以及后腿的指关节与后脚趾之间。通过弹性减震体和从动的腕关节自由度和指关节自由度，降低腿部与地面的撞击，起到保护驱动器，保持躯干运动稳定的作用。

所述后腿髋膝俯仰关节的下端向尾部方向倾斜。

所述弹性减振体为压缩弹簧、橡胶弹簧、复合弹簧、油气或空气弹簧。

本发明的有益效果：

1本发明的头部与躯干采用头部连杆机构，可以保证在调节头部传感器相对位置时，不改变传感器相对躯干的姿态，保证测量场相对于躯干的有效范围。

2腰部主动自由度实现尾部的联动，可根据头部的前后移动，而由腰部带动尾部的相对移动，从而在体型运动及调整过程中保持整体质心稳定。

3增加并优化了腿部的工作空间，足端具备更大且有效的运动范围，更加适合高速行走或者奔跑，采用更加仿生的关节拓扑结构，使得站立体态更美观、生动；且运动时，前腿转向并辅助驱动，后腿驱动，提高了运动的机动性，并使动作更加自如，仿生。

4通过弹性减震体和从动的腕关节自由度和趾关节自由度，降低腿部与地面的撞击，起到保护驱动器，保持躯干运动稳定的作用。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的正视图；

图3为前腿站立示意图；

图4为后腿站立示意图；

图5为本发明的轴测图；

其中，1.头部，2.前躯干，3.后躯干，4.尾部，5.头部连杆，6.颈部，7.尾部连杆，8.腰部，9.前腿，10.后腿，11.弹性减振体，12.第一前臂，13 第二前臂，14 第一后臂，15 第二后臂，

9.1 肩部横摆关节,9.2 肩部俯仰关节,9.3 肘部俯仰关节,9.4 腕关节；

10.1 髋部横摆关节,10.2 髋膝俯仰关节,10.3 踝关节,10.4 指关节。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，电驱动四足仿生机器人，包括驱动机器人运动的电控系统，还包括头部1，所述头部1通过颈部6、头部连杆5与前躯干2连接，头部1和颈部6联动，所述前躯干2与后躯干3连接；所述后躯干3的后部设有尾部4，所述尾部4还通过尾部连杆7与所述前躯干2铰接，实现尾部4与前躯干2的联动；所述前躯干2的两侧分别设有前腿9，所述后躯干3的两侧分别设有后腿10；所述后腿10的长度长于前腿9；所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处。电控系统通过电机驱动头部、颈部、前腿、后腿及前躯干和后躯干运动。

所述前躯干2包括依次相接的前躯干前部、前躯干中部和前躯干后部，所述前躯干前部的宽度小于前躯干后部的宽度，所述前躯干后部的宽度小于前躯干中部的宽度。所述后躯干包括依次相接的后躯干前部、后躯干中部和后躯干后部，所述后躯干后部的宽度小于后躯干前部的宽度，所述后躯干前部的宽度小于后躯干中部的宽度。

所述前躯干后部与后躯干前部铰接，形成腰部8。这样整体是肩宽胯窄，加之腰部8的自由度，总体呈现前宽后窄中间细的结构，使得体态更加优美。前后躯干单独设计，通过腰部8自由度连接，腰部8自由度可实现前后躯干的相对俯仰运动，使得整体运动更加协调、稳定。

所述前躯干前部与所述颈部6的一端和头部连杆5的一端都铰接，所述颈部6的另一端和头部连杆5的另一端都与头部1铰接。颈部6和头部连杆5的两端分别固定在头部1和前躯干，其四个铰接点形成四个自由度的封闭四边形，由颈部6与前躯干连接处的主动自由度实现头颈联动效果。头部连杆机构的优点是：可以保证在调节头部1传感器相对位置时，不改变传感器相对躯干的姿态，保证测量场相对于躯干的有效范围。

所述尾部4的两端中的一端设有上下两个铰接点，所述后躯干后部与所述尾部4的上铰接点铰接，所述尾部4的下铰接点与所述尾部连杆7的一端铰接，所述尾部连杆7的另一端与所述前躯干后部铰接。尾部4通过尾部连杆7与腰部8自由度联动。尾部连杆7的两端分别铰接在前躯干2和尾部4，加之尾部4与后躯干3的铰接点和腰部8的铰接点，形成四个自由度的封闭四边形，由腰部8主动自由度实现尾部4的联动效果。可根据头部1的前后移动，而由腰部8带动尾部4的相对移动，从而在体型运动及调整过程中保持整体质心稳定。

如图3和图5所示，所述前腿9包括肩部横摆关节9.1，所述肩部横摆关节9.1的上端铰接前躯干2，下端通过肩部俯仰关节9.2铰接第一前臂12，所述第一前臂12通过肘部俯仰关节9.3铰接第二前臂13，所述第二前臂13通过腕关节9.4铰接前脚趾，所述第二前臂13与前脚趾之间连接弹性减振体11。

如图4和图5所示，所述后腿10包括髋部横摆关节10.1，所述髋部横摆关节10.1的上端铰接后躯干3，下端通过髋膝俯仰关节10.2铰接第一后臂14，所述第一后臂14通过踝关节铰接10.3第二后臂15，所述第二后臂15通过指关节铰接10.4后脚趾，所述第二后臂15与后脚趾之间连接弹性减振体11。

仿照四足哺乳动物髋关节及腿部骨骼结构，采用前腿9和后腿10尺寸不同的方案，通过前腿9、后腿10不同的连接件，后腿10连接件略长且成一定得角度，其后腿10驱动功率较大。前腿9、后腿10均包含三个主动自由度和一个从动自由度；在关节拓扑方面，采用了全肘式关节拓扑，后腿10大腿部分驱动采用髋膝一体的结构，增加后摆范围，后腿10的踝关节可以起到调节腿部长度以及辅助发力的效果。其优点是增加并优化了腿部的工作空间，足端具备更大且有效的运动范围，更加适合高速行走或者奔跑，采用更加仿生的关节拓扑结构，使得站立体态更美观、生动；且运动时，前腿9转向并辅助驱动，后腿10驱动，提高了运动的机动性，并使动作更加自如，仿生。

本发明前腿9和后腿10采用独有的指关节的弹性减震体，分别安装在前腿9的腕关节与前脚趾之间，以及后腿10的指关节与后脚趾之间。通过弹性减震体和从动的腕关节自由度和指关节自由度，降低腿部与地面的撞击，起到保护驱动器，保持躯干运动稳定的作用。

如图3所示所述后腿10髋膝俯仰关节的下端向尾部4方向倾斜。为后腿10比前腿9长出的部分提供空间。

所述弹性减振体11为压缩弹簧、橡胶弹簧、复合弹簧、油气或空气弹簧。

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 (10)

1.电驱动四足仿生机器人，包括驱动机器人运动的电控系统，其特征是，还包括头部，所述头部通过颈部、头部连杆与前躯干连接，头部和颈部联动，所述前躯干与后躯干连接，前后躯干单独设计，通过腰部自由度连接，腰部自由度可实现前后躯干的相对俯仰运动；所述后躯干的后部设有尾部，所述尾部还通过尾部连杆与所述前躯干铰接，实现尾部与前躯干的联动；所述前躯干的两侧分别设有前腿，所述后躯干的两侧分别设有后腿；所述后腿的长度长于前腿；所述前躯干的最宽处宽于后躯干的最宽处。

2.如权利要求1所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述前躯干包括依次相接的前躯干前部、前躯干中部和前躯干后部，所述前躯干前部的宽度小于前躯干后部的宽度，所述前躯干后部的宽度小于前躯干中部的宽度。

3.如权利要求2所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述后躯干包括依次相接的后躯干前部、后躯干中部和后躯干后部，所述后躯干后部的宽度小于后躯干前部的宽度，所述后躯干前部的宽度小于后躯干中部的宽度。

4.如权利要求3所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述前躯干后部与后躯干前部铰接。

5.如权利要求2所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述前躯干前部与所述颈部的一端和头部连杆的一端都铰接，所述颈部的另一端和头部连杆的另一端都与头部铰接。

6.如权利要求3所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述尾部的两端中的一端设有上下两个铰接点，所述后躯干后部与所述尾部的上铰接点铰接，所述尾部的下铰接点与所述尾部连杆的一端铰接，所述尾部连杆的另一端与所述前躯干后部铰接。

7.如权利要求1所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述前腿包括肩部横摆关节，所述肩部横摆关节的上端铰接前躯干，下端通过肩部俯仰关节铰接第一前臂，所述第一前臂通过肘部俯仰关节铰接第二前臂，所述第二前臂通过腕关节铰接前脚趾，所述第二前臂与前脚趾之间连接弹性减振体。

8.如权利要求1所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述后腿包括髋部横摆关节，所述髋部横摆关节的上端铰接后躯干，下端通过髋膝俯仰关节铰接第一后臂，所述第一后臂通过踝关节铰接第二后臂，所述第二后臂通过指关节铰接后脚趾，所述第二后臂与后脚趾之间连接弹性减振体。

9.如权利要求8所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述髋膝俯仰关节的下端向尾部方向倾斜。

10.如权利要求8所述电驱动四足仿生机器人，其特征是，所述后腿的弹性减振体为压缩弹簧、橡胶弹簧、复合弹簧、油气或空气弹簧。