CN106672105B - 一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢，包含膝关节、踝关节、第一腿部构件、第二腿部构件、第三腿部构件等。这里，第一拉索、第二拉索、第一拉簧、第二拉簧、第三拉索、第四拉索共同组成机器人下肢张拉整体结构的受拉部件，与第一腿部构件、第二腿部构件、第三腿部构件等受压部件一起完成机器人后肢的运动。其中，第三拉索、第四拉索配合第一拉索、第二拉索、第一拉簧、第二拉簧实现膝关节和踝关节的运动，避免第一腿部构件与第二腿部构件、第二腿部构件与第三腿部构件间的磨损与冲击，同时，第三拉索、第四拉索的存在有效避免触地冲击过程中机器人后肢腿部构件的剪应力集中分布，进而保护机器人后肢腿部构件免于剪切破坏。

Description

一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢

技术领域

本发明涉及机械仿生工程技术领域，具体涉及一种应用于四足机器人的基于张拉整体结构的仿生四足机器人后肢。

背景技术

由于四足行走具有稳定性好、适应能力强的优点，近年来在世界范围内有关四足机器人的研究得到广泛开展。但是出于简化设计与控制的目的，目前多数四足机器人的关节(膝关节与踝关节等)均被设计为铰连接。由于四足机器人的作业环境通常十分复杂，下肢腿部构件和关节往往承受拉压、剪切、弯曲和扭转等多种类型载荷的作用，尤其处于高速动态运动模式时，现有的四足机器人经常因为腿部构件和关节失效而导致机体运动失败，而目前尚无较好的解决方法。

近年来，随着学科之间的深入交叉与融合，张拉整体思想引起了世界范围内生物力学与仿生机器人领域研究者的重视。张拉整体结构的概念最初由美国结构工程师Fuller首次提出，是指由非连续受压构件包含于连续受拉构件而形成的一种自平衡空间稳定结构。经过多年发展，其设计思想已经成功应用在机器人领域之中，如美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)Mirletz研究组设计了具有多自由度张拉柔性脊柱的机器人。在张拉整体结构中，受压构件之间不存在刚性接触，从而为解决四足机器人腿部关节失效问题提供了新思路。

同时，生物力学研究表明，在四足哺乳动物的下肢中，并不存在传统四足机器人下肢中的铰链关节，而是肌肉骨骼系统，其中，肌肉主动收缩产生肌肉力并通过肌腱将力传递至连接骨骼，从而产生骨骼的关节性运动。从生物力学角度出发可知，骨骼-肌肉系统中的骨骼主要承受压载荷，而韧带、肌肉等组织则主要承受拉载荷。由此，动物的腿部骨骼-肌肉系统可视为是由具有空间拓扑结构特征的受拉的韧带、肌肉、肌腱组织与受压骨骼构成的一种存在于生物体的特殊“张拉整体结构”。这种特殊的结构中柔性的拉索(肌肉、韧带)可使得四足动物腿部关节和腿部骨骼在高速动态运动中能够从容应对足-地冲击载荷，同时柔性连接代替刚性连接可消除形成关节的刚性骨骼间的摩擦，进而降低了能耗。

综观上述四足机器人腿部关节、张拉整体结构的研究现状及四足动物腿部的优异生物力学结构特征，急需一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的四足机器人所使用的下肢在多种类型载荷的作用下使腿部构件和腿部关节失效，导致机器人运动失败的问题，而提供一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢。研究表明，该机器人后肢可以在机体运动过程中避免因地面冲击力作用而导致的腿部构件剪应力集中破坏，以及膝关节和踝关节的冲击损坏。

本发明包含膝关节、踝关节、第一腿部构件、第二腿部构件、第三腿部构件。

所述的膝关节由第一紧定螺钉、第一拉索、第一销、第一拉杆、第一弹簧支架、第一螺钉、第一压簧、第一垫片、第一螺母、第一弹簧挂件、第一拉簧、第一滑轮、第一吊环螺钉组成。其中，一对第一拉索穿过第一腿部构件的底部，由一对第一紧定螺钉保证第一拉索与第一腿部构件的相对位置，两对第一滑轮通过四个第一销对称布置在第二腿部构件的顶部，对第一拉索起导向与支撑作用。第一拉索两端跨过第一滑轮并与第一拉杆固连，第一拉杆将第一压簧作用于第一弹簧支架与第一垫片之间的弹力转化为第一拉杆对第一拉索的拉力，这里，第一垫片的位置由旋紧在第一拉杆上的第一螺母确定，第一弹簧支架通过第一螺钉固定在第二腿部构件上。第一弹簧挂件穿过第一腿部构件并与第一腿部构件固连，一对第一拉簧对称布置在第一弹簧挂件与第一吊环螺钉之间，这里，一对第一吊环螺钉通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件上。

所述的踝关节由第二螺母、第二垫片、第二压簧、第二螺钉、第二弹簧支架、第二拉杆、第二拉索、第二销、第二拉簧、第二弹簧挂件、第二吊环螺钉、第二紧定螺钉、第二滑轮组成。其中，一对第二拉索穿过第三腿部构件的上部，由一对第二紧定螺钉保证第二拉索与第三腿部构件的相对位置，两对第二滑轮通过四个第二销对称布置在第二腿部构件的底部，对第二拉索起导向与支撑作用。第二拉索两端跨过第二滑轮并与第二拉杆固连，第二拉杆将第二压簧作用于第二弹簧支架与第二垫片之间的弹力转化为第二拉杆对第二拉索的拉力，这里，第二垫片的位置由旋紧在第二拉杆上的第二螺母确定，第二弹簧支架通过第二螺钉固定在第二腿部构件上。第二弹簧挂件穿过第三腿部构件并与第三腿部构件固连，一对第二拉簧对称布置在第二弹簧挂件与第二吊环螺钉之间，这里，一对第二吊环螺钉通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件上。

所述的第三拉索、第四拉索跨越膝关节与踝关节，其中，第三拉索顶部与第三拉杆固连，第三拉索底部通过第一压块、第二压块、第五螺钉固定在第三腿部构件上。第四拉索顶部通过螺栓、第四螺母固定在拉索夹头上，拉索夹头以螺纹连接的方式与气缸固连，第四拉索底部通过第七螺钉固定在第三腿部构件底部。这里，第一滑轮组、第二滑轮组、第三滑轮组分别通过第四螺钉固定在第二腿部构件的左侧并对第三拉索起到支撑与导向的作用。第四滑轮组、第五滑轮组、第六滑轮组分别通过第四螺钉固定在第二腿部构件的右侧并对第四拉索起到支撑与导向的作用。第三拉索与第四拉索的拉力分别由第三压簧、气缸提供，第三压簧的弹力作用于第三垫片进而推动第三螺母带动与第三螺母固连的第三拉杆为第三拉索提供拉力，这里，第三弹簧支架通过第三螺钉固定在第一腿部构件上并对第三压簧起到支撑与限位作用，气缸支架通过第六螺钉固定在第一腿部构件上，气缸以螺纹连接的方式与气缸支架固连。

本发明的工作过程和原理：

在具体的实施过程中，膝关节、踝关节为基于张拉整体的构型，可以实现腿部各个关节在矢状面内的运动，由于膝关节、踝关节并不是传统铰接式关节故可以避免刚体之间的摩擦。第一拉簧、第二拉簧成对使用，限制第二腿部构件、第三腿部构件在冠状面内的运动。这里，第一拉索、第二拉索、第一拉簧、第二拉簧、第三拉索、第四拉索共同组成机器人下肢张拉整体结构中的受拉部件，与第一腿部构件、第二腿部构件、第三腿部构件等受压部件一起完成机器人后肢的运动。第三拉索、第四拉索分别跨越膝关节与踝关节，其中第四拉索由气缸提供拉力同时带动第二腿部构件、第三腿部构件运动使机器人后肢主动蹬离地面，第三拉索由第三压簧提供拉力用于机器人后肢在蹬离地面后的复位，气缸与第三压簧交替作用完成机器人后肢的完整动作。同时，由于第三拉索、第四拉索模拟四足哺乳动物的后肢利用肌腱、韧带的传动方式，可以解决机器人后肢应力集中分布的问题，这有利于保护机器人后肢，提高其使用寿命。

本发明的有益效果：

1、本发明使用跨越两个关节的拉索模仿四足哺乳动物后肢肌肉-肌腱的工作方式，拉索的存在可有效避免触地冲击过程中机器人后肢腿部构件的剪应力集中分布，进而保护后肢腿部构件免于剪切破坏。

2、本发明通过使用张拉整体结构实现了膝关节和踝关节在矢状平面内的运动，由于本发明中的关节不存在传统铰链式关节中的关节轴，同时在运动中消除了构成关节的刚性体间的磨损与冲击作用，从而显著提高关节稳定性与使用寿命。

3、本发明利用气缸与弹簧配合跨越两个关节的拉索实现机器人后肢完整的运动，只有一个主动元件，从而可以提高机器人的运动能效。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图2的左视局部视图。

图4为图2的A向视图。

其中：1-膝关节；101-第一紧定螺钉；102-第一拉索；103-第一销；104-第一拉杆；105-第一弹簧支架；106-第一螺钉；107-第一压簧；108-第一垫片；109-第一螺母；110-第一弹簧挂件；111-第一拉簧；112-第一滑轮；113-第一吊环螺钉；2-踝关节；201-第二螺母；202-第二垫片；203-第二压簧；204-第二螺钉；205-第二弹簧支架；206-第二拉杆；207-第二拉索；208-第二销；209-第二拉簧；210-第二弹簧挂件；211-第二吊环螺钉；212-第二紧定螺钉；213-第二滑轮；3-第一腿部构件；4-气缸；5-第三螺母；6-第三垫片；7-第三压簧；8-第三弹簧支架；9-第三螺钉；10-第三拉杆；11-第三拉索；12-第一滑轮组；13-第四螺钉；14-第二滑轮组；15-第二腿部构件；16-第三滑轮组；17-第一压块；18-第二压块；19-第五螺钉；20-第三腿部构件；21-气缸支架；22-第六螺钉；23-拉索夹头；24-螺栓；25-第四螺母；26-第四滑轮组；27-第四拉索；28-第五滑轮组；29-第六滑轮组；30-第七螺钉。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3及图4所示，本实施例包含膝关节1、踝关节2、第一腿部构件3、第二腿部构件15、第三腿部构件20。

所述的膝关节1由第一紧定螺钉101、第一拉索102、第一销103、第一拉杆104、第一弹簧支架105、第一螺钉106、第一压簧107、第一垫片108、第一螺母109、第一弹簧挂件110、第一拉簧111、第一滑轮112、第一吊环螺钉113组成。其中，一对第一拉索102穿过第一腿部构件3的底部，由一对第一紧定螺钉101保证第一拉索102与第一腿部构件3的相对位置，两对第一滑轮112通过四个第一销103对称布置在第二腿部构件15的顶部，对第一拉索102起导向与支撑作用。第一拉索102两端跨过第一滑轮112并与第一拉杆104固连，第一拉杆104将第一压簧107作用于第一弹簧支架105与第一垫片108之间的弹力转化为第一拉杆104对第一拉索102的拉力，这里，第一垫片108的位置由旋紧在第一拉杆104上的第一螺母109确定，第一弹簧支架105通过第一螺钉106固定在第二腿部构件15上。第一弹簧挂件110穿过第一腿部构件3并与第一腿部构件3固连，一对第一拉簧111对称布置在第一弹簧挂件110与第一吊环螺钉113之间，这里，一对第一吊环螺钉113通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件15上。

所述的踝关节2由第二螺母201、第二垫片202、第二压簧203、第二螺钉204、第二弹簧支架205、第二拉杆206、第二拉索207、第二销208、第二拉簧209、第二弹簧挂件210、第二吊环螺钉211、第二紧定螺钉212、第二滑轮213组成。其中，一对第二拉索207穿过第三腿部构件20的上部，由一对第二紧定螺钉212保证第二拉索207与第三腿部构件20的相对位置，两对第二滑轮213通过四个第二销208对称布置在第二腿部构件15的底部，对第二拉索207起导向与支撑作用。第二拉索207两端跨过第二滑轮213并与第二拉杆206固连，第二拉杆206将第二压簧203作用于第二弹簧支架205与第二垫片202之间的弹力转化为第二拉杆206对第二拉索207的拉力，这里，第二垫片202的位置由旋紧在第二拉杆206上的第二螺母201确定，第二弹簧支架205通过第二螺钉204固定在第二腿部构件15上。第二弹簧挂件210穿过第三腿部构件20并与第三腿部构件20固连，一对第二拉簧209对称布置在第二弹簧挂件210与第二吊环螺钉211之间，这里，一对第二吊环螺钉211通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件15上。

所述的第三拉索11、第四拉索27跨越膝关节1与踝关节2，其中，第三拉索11顶部与第三拉杆10固连，第三拉索11底部通过第一压块17、第二压块18、第五螺钉19固定在第三腿部构件20上。第四拉索27顶部通过螺栓24、第四螺母25固定在拉索夹头23上，拉索夹头23以螺纹连接的方式与气缸4固连，第四拉索27底部通过第七螺钉30固定在第三腿部构件20底部。这里，第一滑轮组12、第二滑轮组14、第三滑轮组16分别通过第四螺钉13固定在第二腿部构件15的左侧并对第三拉索11起到支撑与导向的作用。第四滑轮组26、第五滑轮组28、第六滑轮组29分别通过第四螺钉13固定在第二腿部构件15的右侧并对第四拉索27起到支撑与导向的作用。第三拉索11与第四拉索27的拉力分别由第三压簧7、气缸4提供，第三压簧7的弹力作用于第三垫片6进而推动第三螺母5带动与第三螺母5固连的第三拉杆10为第三拉索11提供拉力，这里，第三弹簧支架8通过第三螺钉9固定在第一腿部构件3上并对第三压簧7起到支撑与限位作用，气缸支架21通过第六螺钉22固定在第一腿部构件3上，气缸4以螺纹连接的方式与气缸支架21固连。

在具体的实施过程中，膝关节1、踝关节2为基于张拉整体的构型，可以实现腿部各个关节在矢状面内的运动，由于膝关节1、踝关节2并不是传统铰接式关节故可以避免刚体之间的摩擦。第一拉簧111、第二拉簧209成对使用，限制第二腿部构件15、第三腿部构件20在冠状面内的运动。这里，第一拉索102、第二拉索207、第一拉簧111、第二拉簧209、第三拉索11、第四拉索27共同组成机器人下肢张拉整体结构中的受拉部件，与第一腿部构件3、第二腿部构件15、第三腿部构件20等受压部件一起完成机器人后肢的运动。第三拉索11、第四拉索27分别跨越膝关节1与踝关节2，其中第四拉索27由气缸4提供拉力同时带动第二腿部构件15、第三腿部构件20运动使机器人后肢主动蹬离地面，第三拉索11由第三压簧7提供拉力用于机器人后肢在蹬离地面后的复位，气缸4与第三压簧7交替作用完成机器人后肢的完整动作。同时，由于第三拉索11、第四拉索27模拟四足哺乳动物的后肢利用肌腱、韧带的工作方式，可以解决机器人后肢应力集中分布的问题，这有利于保护机器人后肢，提高其使用寿命。

Claims (1)

1.一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢，其特征在于：包含膝关节（1）、踝关节（2）、第一腿部构件（3）、第二腿部构件（15）和第三腿部构件（20）；

所述的膝关节（1）由第一紧定螺钉（101）、第一拉索（102）、第一销（103）、第一拉杆（104）、第一弹簧支架（105）、第一螺钉（106）、第一压簧（107）、第一垫片（108）、第一螺母（109）、第一弹簧挂件（110）、第一拉簧（111）、第一滑轮（112）、第一吊环螺钉（113）组成；其中，一对第一拉索（102）穿过第一腿部构件（3）的底部，由一对第一紧定螺钉（101）保证第一拉索（102）与第一腿部构件（3）的相对位置，两对第一滑轮（112）通过四个第一销（103）对称布置在第二腿部构件（15）的顶部，对第一拉索（102）起导向与支撑作用；第一拉索（102）两端跨过第一滑轮（112）并与第一拉杆（104）固连，第一拉杆（104）将第一压簧（107）作用于第一弹簧支架（105）与第一垫片（108）之间的弹力转化为第一拉杆（104）对第一拉索（102）的拉力，这里，第一垫片（108）的位置由旋紧在第一拉杆（104）上的第一螺母（109）确定，第一弹簧支架（105）通过第一螺钉（106）固定在第二腿部构件（15）上；第一弹簧挂件（110）穿过第一腿部构件（3）并与第一腿部构件（3）固连，一对第一拉簧（111）对称布置在第一弹簧挂件（110）与第一吊环螺钉（113）之间，这里，一对第一吊环螺钉（113）通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件（15）上；

所述的踝关节（2）由第二螺母（201）、第二垫片（202）、第二压簧（203）、第二螺钉（204）、第二弹簧支架（205）、第二拉杆（206）、第二拉索（207）、第二销（208）、第二拉簧（209）、第二弹簧挂件（210）、第二吊环螺钉（211）、第二紧定螺钉（212）、第二滑轮（213）组成；其中，一对第二拉索（207）穿过第三腿部构件（20）的上部，由一对第二紧定螺钉（212）保证第二拉索（207）与第三腿部构件（20）的相对位置，两对第二滑轮（213）通过四个第二销（208）对称布置在第二腿部构件（15）的底部，对第二拉索（207）起导向与支撑作用；第二拉索（207）两端跨过第二滑轮（213）并与第二拉杆（206）固连，第二拉杆（206）将第二压簧（203）作用于第二弹簧支架（205）与第二垫片（202）之间的弹力转化为第二拉杆（206）对第二拉索（207）的拉力，这里，第二垫片（202）的位置由旋紧在第二拉杆（206）上的第二螺母（201）确定，第二弹簧支架（205）通过第二螺钉（204）固定在第二腿部构件（15）上；第二弹簧挂件（210）穿过第三腿部构件（20）并与第三腿部构件（20）固连，一对第二拉簧（209）对称布置在第二弹簧挂件（210）与第二吊环螺钉（211）之间，这里，一对第二吊环螺钉（211）通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件（15）上；

第三拉索（11）、第四拉索（27）跨越膝关节（1）与踝关节（2），其中，第三拉索（11）顶部与第三拉杆（10）固连，第三拉索（11）底部通过第一压块（17）、第二压块（18）、第五螺钉（19）固定在第三腿部构件（20）上；第四拉索（27）顶部通过螺栓（24）、第四螺母（25）固定在拉索夹头（23）上，拉索夹头（23）以螺纹连接的方式与气缸（4）固连，第四拉索（27）底部通过第七螺钉（30）固定在第三腿部构件（20）底部；这里，第一滑轮组（12）、第二滑轮组（14）、第三滑轮组（16）分别通过第四螺钉（13）固定在第二腿部构件（15）的左侧并对第三拉索（11）起到支撑与导向的作用；第四滑轮组（26）、第五滑轮组（28）、第六滑轮组（29）分别通过第四螺钉（13）固定在第二腿部构件（15）的右侧并对第四拉索（27）起到支撑与导向的作用；第三拉索（11）与第四拉索（27）的拉力分别由第三压簧（7）、气缸（4）提供，第三压簧（7）的弹力作用于第三垫片（6）进而推动第三螺母（5）带动与第三螺母（5）固连的第三拉杆10为第三拉索（11）提供拉力，这里，第三弹簧支架（8）通过第三螺钉（9）固定在第一腿部构件（3）上并对第三压簧（7）起到支撑与限位作用，气缸支架（21）通过第六螺钉（22）固定在第一腿部构件（3）上，气缸（4）以螺纹连接的方式与气缸支架（21）固连；

膝关节（1）、踝关节（2）为基于张拉整体的构型，能实现腿部各个关节在矢状面内的运动，由于膝关节（1）、踝关节（2）并不是传统铰接式关节故能避免刚体之间的摩擦，第一拉簧（111）、第二拉簧（209）成对使用，限制第二腿部构件（15）、第三腿部构件（20）在冠状面内的运动，第一拉索（102）、第二拉索（207）、第一拉簧（111）、第二拉簧（209）、第三拉索（11）、第四拉索（27）共同组成机器人下肢张拉整体结构中的受拉部件，与第一腿部构件（3）、第二腿部构件（15）、第三腿部构件（20）等受压部件一起完成机器人后肢的运动；第三拉索（11）、第四拉索（27）分别跨越膝关节（1）与踝关节（2），其中第四拉索（27）由气缸（4）提供拉力同时带动第二腿部构件（15）、第三腿部构件（20）运动使机器人后肢主动蹬离地面，第三拉索（11）由第三压簧（7）提供拉力用于机器人后肢在蹬离地面后的复位，气缸（4）与第三压簧（7）交替作用完成机器人后肢的完整动作；第三拉索（11）、第四拉索（27）模拟四足哺乳动物的后肢利用肌腱、韧带的工作方式。

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