CN106005090B - 一种双摆杆柔性四腿行走机器人 - Google Patents

Abstract

一种双摆杆柔性四腿行走机器人，它包括机身、电源箱、双摆杆机构和四个柔性腿机构；双摆杆机构包括机身、电机、丝杠电机、推架和双摆杆；柔性腿机构包括大、小腿，足，弹簧，滑套和内、外弹性板；机身、大、小腿、足相互转动串联；电机通过双摆杆机构驱动四个柔性腿机构以马步行走，大腿前摆时，地面阻力驱使大、小腿、足相互柔性反转，双弹性板牵引滑套压缩弹簧，足离地时弹簧通过滑套和双弹性板牵引大、小腿、足相互正转，直至柔性腿机构伸直自锁；大腿后摆时，地面阻力增强大、小腿、足相互伸直自锁能力，实现柔性腿机构蹬地行走；丝杠电机通过变化大腿摆幅，改变行走方向。本发明驱动数少，易控制，结构简单，适于不规则路面行快速走。

Description

一种双摆杆柔性四腿行走机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种足式机器人。

背景技术

足式机器人是移动机器人家族的一种特殊机器人，近年来成为机器人比较活跃的研究领域。相比轮式和履带式移动机器人，基于仿生学原理的足式机器人虽然结构比较复杂，控制相对繁琐，但却有其独特的优点：足式机器人自由度多，可以实现复杂灵活的运动方式，且因为足式机器人行走过程中的支撑点是离散的，可以在极不规则的路面上行走，能够跨越或跳越障碍，适应性极强，在军事侦察、灾后搜救、航空航天、工业管道、医学检测、家庭娱乐、仿生学等领域都有广泛的应用前景。其中四足机器人的结构和控制方法成为足式机器人领域更受关注的研究对象。这类机器人用于做人类不能做的事，在人无法进入的狭小空间进行作业和救援，在人无法适应的极端环境下进行危险作业；也用于做人不愿意做的事，把人类从危险、有害、复杂的环境中解救或解脱出来。多年来世界各国高度重视足式机器人的研究、研制与应用。2005年美国BostonDynamics公司研制了军用大狗四足机器人。2003年东京工业大学开发机器人Quadlator II；Tmsuk和三洋电机开发成功的两种型号的面向家庭安全用途的4足行走机器人。青岛启东电子设备设备有限公司研制BIO-12四足爬虫机器人，具有12自由度，单腿4自由度。2006年清华大学发明专利公开“一种可调整的四足仿生机器人运动结构”，其特征是大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动其沿各自关节轴摆动。2009年上海师范大学专利公开一种四足步行机器人的行走机构，在机架的前、后部设置两足驱动组件。2016授权发明专利CN104228996B公开一种用于坡路行走的双动力四足机器人。2015授权专利CN103465991B公开一种简易型四足机器人，包括两个电动推杆通过相应机构驱动四个腿。2012年授权专利CN102211627B公开一种基于仿生设计的四足机器人机构，每个足采用一个驱动电机，其髋部采用差动锥齿轮。2016年发明授权专利CN104139811B公开一种包括四个驱动电机的欠驱动的仿生四足机器人。上述足式机器人各具特色，但仍然存在诸多不足：驱动数多，结构复杂，质量大，控制难度大，故障率较高。如何克服上述诸多不利因素一直是行走机器人研究领域努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、结实可靠、易于制造和控制、行走速度快、左右转弯灵活的双摆杆柔性四腿行走机器人。

本发明包括机身、电源箱、双摆杆机构和四个柔性腿机构，其中，电源箱固连在机身的底部,双摆杆机构位于机身顶面中部，四个结构相同的柔性腿机构分布在机身的矩形四个顶角；

所述双摆杆机构包括机身，电机，丝杠电机，曲柄，连杆，滑块，推架，导杆，前摆杆，后摆杆，四个销轴，四个球套和四个球滑座，双摆杆机构的机身与双摆杆柔性四腿行走机器人的机身属于同一构件；所述机身是矩形体，在该机身的中部靠近正面设有竖直通孔，在机身两侧对称设有两个靠近中心的水平通孔，在机身两侧远离中心对称设有相互正交的两个竖直通孔和两个水平通孔；所述曲柄设有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述连杆两端设有相互平行的通孔，所述滑块是矩形体，该滑块中部设有相互正交的螺纹孔和通孔；所述推架是矩形体，该推架中部设有矩形开槽和水平通孔，该推架两侧对称设有两个水平通孔和两个竖直通孔，所述前、后摆杆中部设有开槽和竖直中心轴，所述前、后摆杆两端均设有垂直于开槽并与竖直中心轴正交的两个同轴心的端轴；电机固连在机身的底面，电机的驱动轴穿过机身的中部竖直通孔与曲柄中心通孔键连接，曲柄的端部通孔通过销轴与连杆一端的通孔转动副联接，该连杆的另一端通孔通过销轴与滑块的通孔转动副联接；滑块与推架的矩形开槽滑动副联接，丝杠电机与推架中部固连，丝杠电机的驱动丝杠穿过推架的中部水平通孔与滑块的螺纹孔螺纹联接，两个导杆的两端分别与机身的两个靠近中心的水平通孔固连，两个导杆中部与推架两侧的水平通孔滑动副联接；两个销轴一端分别与推架两侧的两个对称竖直通孔固连，其另一端分别与对称的前、后摆杆的开槽移动副联接；前、后摆杆的中心轴分别与机身两侧的竖直通孔转动副联接，前、后摆杆的端轴均与球套上过球心的通孔圆柱副联接，所述球套设有凸球面，所述球滑座中心设有凹球面通孔，球套与球滑座球副联接；

所述柔性腿机构包括大腿、小腿、足、上轴、中轴、下轴、弹簧、滑套、立柱和内、外弹性板；所述大腿上端设有矩形开槽，球滑座与大腿上端的矩形开槽移动副联接，构成每个摆杆的两端轴分别与两个柔性腿机构的大腿圆柱副-球副-移动副的复合联接；大腿的中部和下端均设有与大腿上端的矩形开槽正交的通孔，大腿的中部通孔通过上轴与上述机身两侧远离中心的水平通孔转动副联接，所述小腿上、下端均设有相互平行的矩形开槽和与矩形开槽正交的通孔，中部设有与矩形开槽平行的矩形长槽，矩形长槽两端设有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形开槽内，足上端位于小腿下端矩形开槽内，大腿下端通孔通过中轴与小腿上端通孔转动副联接，小腿下端通孔通过下轴与足上端的通孔转动副联接，足的上端设有弹性蹄；立柱与小腿的矩形长槽两端的通孔连接，设有中心通孔的滑套和弹簧滑动套在立柱上，弹簧两端分别抵在滑套下面和小腿矩形长槽的底部；内弹性板两端分别与大腿下端和滑套内侧连接，外弹性板两端分别与滑套外侧和足上端连接。

电机通过曲柄、连杆、滑块、推架驱动双摆杆机构相互反向摆动，带动四个腿机构以马步行走。大腿前摆时，地面阻力驱使足、小腿、大腿相互柔性反转，内、外弹性板带动滑块压缩弹簧；足离地时弹簧通过滑块和内、外弹性板牵引足、小腿、大腿相互正转，直至足、小腿、大腿相互伸直和自锁；大腿后摆时，地面阻力增强足、小腿、大腿的相互伸直和自锁能力，实现腿机构的弹性蹄蹬地行走。丝杠电机通过改变滑块在推架的相对位置改变摆杆的转角和大腿摆幅，实现改变前行方向。单驱动柔性四腿行走机器人站立时，各腿机构呈伸直垂直机架状态，由于各腿机构的上轴线相对中、下轴线向前偏置，所以四个腿机构呈稳定自锁站立状态。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、两个直流电动机驱动，容易控制；

2、结构简单，结实可靠，容易制造；

3、腿部的质量和转动惯量小，行走速度快；

4、变化两侧大腿摆幅过程简单，便于实现左右转弯。

5、可以等效马前行、爬坡等灵活复杂的运动方式，在极不规则的路面上行走，适应性强。在军事侦察、灾后搜救、航空航天探测、工业管道内部检测、医学检测、家庭娱乐、仿生学等领域都有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的主视图。

图中：1-机身、2-电机、3-曲柄、4-连杆、5-销轴、6-推架、7-滑块、8-丝杠电机、9-导杆、10-1后摆杆、10-2-前摆杆、11-上轴、12-大腿、13-中轴、14-内弹性板、15-外弹性板、16-小腿、17-下轴、18-足、19-电源箱、20-立柱、21-弹簧、22-滑套、23-球套、24-球滑座。

具体实施方式

在图1和图2所示的双摆杆柔性四腿行走机器人示意图中，电源箱19固连在机身1的底部,双摆杆机构位于机身顶面中部，四个结构相同的柔性腿机构分布在机身的矩形四个顶角；

所述双摆杆机构包括机身1，电机2，丝杠电机8，曲柄3，连杆4，滑块7，推架6，导杆9，前摆杆10-2，后摆杆10-1，四个销轴5，四个球套23和四个球滑座24，双摆杆机构的机身与双摆杆柔性四腿行走机器人的机身属于同一构件；所述机身是矩形体，在该机身的中部靠近正面设有竖直通孔，在机身两侧对称设有两个靠近中心的水平通孔，在机身两侧远离中心对称设有相互正交的两个竖直通孔和两个水平通孔；所述曲柄设有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述连杆两端设有相互平行的通孔，所述滑块是矩形体，该滑块中部设有相互正交的螺纹孔和通孔；所述推架是矩形体，该推架中部设有矩形开槽和水平通孔，该推架两侧对称设有两个水平通孔和两个竖直通孔，所述前、后摆杆中部设有开槽和竖直中心轴，所述前、后摆杆两端设有垂直于开槽并与竖直中心轴正交的两个同轴心的端轴；电机固连在机身的底面，电机的驱动轴穿过机身的竖直通孔与曲柄中心通孔键连接，曲柄的端部通孔通过销轴与连杆一端的通孔转动副联接，该连杆的另一端通孔通过销轴与滑块的通孔转动副联接；滑块与推架的矩形开槽滑动副联接，丝杠电机与推架中部固连，丝杠电机的驱动丝杠穿过推架的中部水平通孔与滑块的螺纹孔螺纹联接，两个导杆的两端分别与机身的两个靠近中心的水平通孔固连，两个导杆中部与推架两侧的水平通孔滑动副联接；两个销轴一端分别与推架两侧的两个对称竖直通孔固连，其另一端分别与对称的前、后摆杆的开槽移动副联接；前、后摆杆的中心轴分别与机身两侧的竖直通孔转动副联接，前、后摆杆的端轴均与球套上过球心的通孔圆柱副联接，所述球套设有凸球面，所述球滑座中心设有凹球面通孔，球套与球滑座球副联接；

所述柔性腿机构包括大腿12、小腿16、足18、上轴11、中轴13、下轴17、弹簧21、滑套22、立柱20、内弹性板14、外弹性板15；所述大腿上端设有矩形开槽，球滑座与大腿上端的矩形开槽移动副联接，构成每个摆杆的两端轴分别与两个柔性腿机构的大腿圆柱副-球副-移动副的复合联接；大腿的中部和下端均设有与大腿上端的矩形开槽正交的通孔，大腿的中部通孔通过上轴与上述机身两侧远离中心的水平通孔转动副联接，所述小腿上、下端均设有相互平行的矩形开槽和与矩形开槽正交的通孔，中部设有与矩形开槽平行的矩形长槽，矩形长槽两端设有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形开槽内，足上端位于小腿下端矩形开槽内，大腿下端通孔通过中轴与小腿上端通孔转动副联接，小腿下端通孔通过下轴与足上端的通孔转动副联接，足的下端设有弹性蹄；立柱与小腿的矩形长槽两端的通孔连接，设有中心通孔的滑套和弹簧滑动套在立柱上，弹簧两端分别抵在滑套下面和小腿矩形长槽的底部；内弹性板两端分别与大腿下端和滑套内侧连接，外弹性板两端分别与滑套外侧和足上端连接。

Claims (1)

1.一种双摆杆柔性四腿行走机器人，其包括机身、电源箱、双摆杆机构和四个柔性腿机构，其特征在于：所述电源箱固连在机身的底部,双摆杆机构位于机身顶面中部，四个结构相同的柔性腿机构分布在机身的矩形四个顶角；所述双摆杆机构包括机身，电机，丝杠电机，曲柄，连杆，滑块，推架，导杆，前摆杆，后摆杆，四个销轴，四个球套和四个球滑座，双摆杆机构的机身与双摆杆柔性四腿行走机器人的机身属于同一构件；所述机身是矩形体，在该机身的中部靠近正面设有竖直通孔，在机身两侧对称设有两个靠近中心的水平通孔，在机身两侧远离中心对称设有相互正交的两个竖直通孔和两个水平通孔；所述曲柄设有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述连杆两端设有相互平行的通孔，所述滑块是矩形体，该滑块中部设有相互正交的螺纹孔和通孔；所述推架是矩形体，该推架中部设有矩形开槽和水平通孔，该推架两侧对称设有两个水平通孔和两个竖直通孔，所述前、后摆杆中部设有开槽和竖直中心轴，所述前、后摆杆两端均设有垂直于开槽并与竖直中心轴正交的两个同轴心的端轴；电机固连在机身的底面，电机的驱动轴穿过机身的中部竖直通孔与曲柄中心通孔键连接，曲柄的端部通孔通过销轴与连杆一端的通孔转动副联接，该连杆的另一端通孔通过销轴与滑块的通孔转动副联接；滑块与推架的矩形开槽滑动副联接，丝杠电机与推架中部固连，丝杠电机的驱动丝杠穿过推架的中部水平通孔与滑块的螺纹孔螺纹联接，两个导杆的两端分别与机身的两个靠近中心的水平通孔固连，两个导杆中部与推架两侧的水平通孔滑动副联接；两个销轴一端分别与推架两侧的两个对称竖直通孔固连，其另一端分别与对称的前、后摆杆的开槽移动副联接；前、后摆杆的中心轴分别与机身两侧的竖直通孔转动副联接，前、后摆杆的端轴均与球套上过球心的通孔圆柱副联接，所述球套设有凸球面，所述球滑座中心设有凹球面通孔，球套与球滑座球副联接；

所述柔性腿机构包括大腿、小腿、足、上轴、中轴、下轴、弹簧、滑套、立柱和内、外弹性板；所述大腿上端设有矩形开槽，球滑座与大腿上端的矩形开槽移动副联接，构成每个摆杆的两端轴分别与两个柔性腿机构的大腿圆柱副-球副-移动副的复合联接；大腿的中部和下端均设有与大腿上端的矩形开槽正交的通孔，大腿的中部通孔通过上轴与上述机身两侧远离中心的水平通孔转动副联接，所述小腿上、下端均设有相互平行的矩形开槽和与矩形开槽正交的通孔，中部设有与矩形开槽平行的矩形长槽，矩形长槽两端设有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形开槽内，足上端位于小腿下端矩形开槽内，大腿下端通孔通过中轴与小腿上端通孔转动副联接，小腿下端通孔通过下轴与足上端的通孔转动副联接，足的上端设有弹性蹄；立柱与小腿的矩形长槽两端的通孔连接，设有中心通孔的滑套和弹簧滑动套在立柱上，弹簧两端分别抵在滑套下面和小腿矩形长槽的底部；内弹性板两端分别与大腿下端和滑套内侧连接，外弹性板两端分别与滑套外侧和足上端连接。