CN106976494B - 一种可变拓扑结构的四足机器人机构 - Google Patents

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Abstract

一种可变拓扑结构的四足机器人机构，包括躯干单元和腿部单元，躯干单元的底部连接有四条腿部单元；腿部单元包括髋部腿节、大腿腿节和小腿腿节，躯干单元与髋部腿节之间、髋部腿节和大腿腿节之间、大腿腿节和小腿腿节之间分别由联接半轴连接，髋部腿节与躯干单元之间连接有髋关节横滚直线液压作动器，大腿腿节与髋部腿节之间连接有大腿俯仰直线液压作动器，小腿腿节与大腿腿节之间连接小腿俯仰直线液压作动器。该机构每条腿采用三个直线液压缸控制，有效的降低了腿部运动惯量，使腿部单元模块化，有效的增加了结构的易变性并较低维护难易度，腿部单元分片式设计，有效降低了运动惯量，保证了运动拓扑结构的易变性。

Description

一种可变拓扑结构的四足机器人机构
技术领域
本发明涉及一种可变拓扑结构的四足机器人机构，目的在于突破单一拓扑结构的四足机器人对不同地形通过能力的局限，属于仿生机器人领域。
背景技术
足式机器人从上世纪60年代出现，到现在已有半百年的历史。随着控制元件、控制方法、新型材料等的发展，足式机器人的可靠性及智能程度得到了飞跃式的提升。从2008年波士顿动力首次公开的BigDog，到2011年出现的负重比更多的LS3，再到后期的Cheetah及spot系列等等，一次次的冲击着四足机器人各类指标的极限。
在已公布的、技术较为成熟的四足样机中，其腿部采用的拓扑结构大致可以分为四类：双膝式、双肘式、前肘后膝式和前膝后肘式。从稳定性和操控能力上讲，四种类型并没有太大的差异，但由于前肘后膝式和前膝后肘式这两种拓扑结构采用了全对称布置方式，能有效抑制关节控制误差引起的躯干质心在前进方向的抖动。再者对于特殊地形，例如坡度较大的山地，前膝后肘式具有较大的通行能力较优，同时前肘后膝式和前膝手肘式较比双膝或肘式有效的节约了腹部空间，对于大负重的四足平台，现有的较成熟的几款样机大多采用了以上两种结构。
发明内容
针对单一拓扑结构的四足机器人对不同地形通过能力的局限性，综合不同拓扑结构对于机器人本体的稳定性、操控能力、负重能力等优势，本发明提供一种可变拓扑结构的四足机器人，可以在前肘后膝式和前膝手肘式拓扑结构自由变换。
该四足机器人机构，包括躯干单元和腿部单元，躯干单元的底部连接有四条腿部单元；腿部单元包括髋部腿节、大腿腿节和小腿腿节，躯干单元与髋部腿节之间、髋部腿节和大腿腿节之间、大腿腿节和小腿腿节之间分别由联接半轴连接，髋部腿节与躯干单元之间连接有髋关节横滚直线液压作动器，大腿腿节与髋部腿节之间连接有大腿俯仰直线液压作动器，小腿腿节与大腿腿节之间连接小腿俯仰直线液压作动器。
所述躯干单元采用焊接框架结构，保证结构强度的前提下有效的降低了结构重量，增加了内部安装空间。
所述躯干单元通过跨梁与髋部腿节连接，髋关节横滚直线液压作动器连接在跨梁与髋部腿节之间。所述四条腿部单元中，前部两条腿部单元共用一个跨梁，后部两条腿部单元共用一个跨梁。
所述髋部腿节包括髋关节外部连接框和内板，内板连接在髋关节外部连接框内。
所述髋关节横滚直线液压作动器的缸体和活塞分别通过连接轴铰接在髋部腿节和躯干单元上。
所述大腿俯仰直线液压作动器的活塞缸和缸体通过连接轴分别铰接在大腿腿节及内板上。
所述小腿腿节包括小腿过渡腿节和小腿底端腿节，小腿底端腿节固定连接在小腿过渡腿节上。
所述小腿俯仰直线液压作动器通过连接轴分别铰接在大腿腿节及小腿过渡腿节上。
本发明的腿部单元通过直线液压作动器构成完整的运动链，其自身通过程序控制的节律运动和与外界的交互作用，使机器人产生相对于地面的移动，能够实现前肘后膝式行走方式，前膝后肘行走方式。变换过程中，机器人应处于停机或是卸荷状态，通过人工干预将腿部单元摆至另一侧，此时小腿俯仰直线液压作动器作动区间也换至了另一侧，通过切换控制程序，使机器人完成不同结构步态的调整。由于直线液压作动器的活塞杆作动长度较长，加之腿部单元的三节构件均采用了分片式设计，有效的将杆件的活动范围划分了两个半区，从而通过停机或是卸荷状态下的人工干预，便可实现前膝手肘式或是前肘后膝式行走模式切换。而在运动过程中，为防止油缸的作动程序紊乱或其它突发状况引起的油缸作动突破半区界限，造成机构损坏，除了采用两套控制程序外，还采用对直线液压作动器上位移传感器信号进行“硬性限位”，当检测达到位移极限时采用单作动器伺服阀卸荷或是整体运动归位处理方式，避免直线液压作动器的进一步作动。
本发明机构采用12自由度，每条腿采用三个直线液压缸控制，有效的降低了腿部运动惯量，躯干采用焊接式框架结构，内部可集成液压系统、控制系统、动力源等，在保证强度的前提下能有效的增加部件的安装空间且有较好的散热性能。本发明具有以下特点：
(1)腿部单元的腿节采用了分片式设计，有效降低了运动惯量，保证了运动拓扑结构的易变性；
(2)腿部单元各腿节采用了双半轴连接，将直线液压作动器的驱动空间分为了两个半区，保证了油缸在两个半区自由切换的无障碍通过；
(3)腿部单元与躯干单元采用螺栓连接，此番设计使腿部单元模块化，有效的增加了结构的易变性并较低维护难易度。
附图说明
图1是本发明可变拓扑结构的四足机器人机构的结构示意图(前肘后膝式)。
图2是本发明中腿部单元的结构分解示意图。
图3是本发明中直线液压驱动器的结构示意图。
图4是本发明中腿部单元由前膝后肘式变为前肘后膝式的状态示意图。
图5是本发明可变拓扑结构的四足机器人机构的前膝后肘式状态示意图。
图6是本发明的前膝后肘式(左A)和前肘后膝式(右B)拓扑机构示意图。
图中：1.躯干单元，2.腿部单元，3.髋关节横滚直线液压作动器，4.大腿俯仰直线液压作动器，5.小腿俯仰直线液压作动器；
201.跨梁，202.髋关节外部连接框，203.内板，204.锁紧扣盖，205.联接半轴，206.大腿腿节，207.直线液压作动器连接轴，208.锁紧螺栓，209.小腿过渡腿节，210.小腿底端腿节；
A.前膝后肘式拓扑结构，B.前肘后膝式拓扑结构。
具体实施方式
本发明的可变拓扑结构的四足机器人机构，如图1所示，包括躯干单元1、腿部单元2、、髋关节横滚直线液压作动器3、大腿俯仰直线液压作动器4及小腿俯仰直线液压作动器5。躯干单元1的底部连接有四条腿部单元2。腿部单元2分为三节，之间由联接半轴依次连接。
躯干单元1采用焊接框架结构，保证结构强度的前提下有效的降低了结构重量，增加了内部安装空间。躯干单元1内部可集成动力源、闭式液压驱动系统及控制系统等部件。
腿部单元2的结构如图2所示，采用高强度航空铝合金作为设计材料，采用力学及杆件优化原理优化构型，在保证强度的同时有效的较低了腿部运动惯量。腿部单元2包括跨梁201、髋关节外部连接框202、大腿腿节206和小腿腿节。髋关节外部连接框202通过联接半轴205连接在跨梁201的一端。髋关节外部连接框202与跨梁201之间连接髋关节横滚直线液压作动器3，髋关节横滚直线液压作动器3的缸体和活塞分别通过连接轴铰接在髋关节外部连接框202及跨梁201上。髋关节外部连接框202中设置有内板203，两者通过锁紧扣盖204锁紧连接，使两者合为一体组成腿部单元2的髋部腿节。大腿腿节206与内板203通过联接半轴205连接，这种采用联接半轴的连接方式保证了腿部拓扑结构的改变，区分了直线液压作动器的作动空间。大腿腿节206与内板203之间连接有大腿俯仰直线液压作动器4，大腿俯仰直线液压作动器4的活塞缸和缸体通过连接轴分别铰接在大腿腿节206及内板203上。小腿过渡腿节209通过联接半轴连接在大腿腿节206上。小腿底端腿节210与小腿过渡腿节209通过锁紧螺栓208固定连接在一起，使两者合为一体组成腿部单元2的小腿腿节。大腿腿节206与小腿过渡腿节209之间连接小腿俯仰直线液压作动器5，小腿俯仰直线液压作动器5通过连接轴分别铰接在大腿腿节206及小腿过渡腿节209上。通过三个直线液压作动器的活塞杆和缸体分别联接不同腿节，组成完整的驱动链。因此，该机器人机构共有12个自由度，分别为髋关节横滚、四个大腿俯仰和四个小腿俯仰。各直线液压作动器均采用如图3所示的现有结构。
前部两个腿部单元2可以共用一套跨梁201，后部两个腿部单元2也可以共用一套跨梁。
躯干单元1与腿部单元2中的跨梁201通过螺栓连接，此番设计将腿部单元2模块化，有效的增加了结构的易变性。
腿部单元2通过直线液压作动器构成完整的运动链，其自身通过程序控制的节律运动和与外界的交互作用，使机器人产生相对于地面的移动。由于四足机器人在同样自重的情况下采用不同的拓扑结构需求的油缸输出力有较大的差异(前肘后膝式明显小于前膝后肘式)，且对于在非运动方向的速度扰动各有不同，特别是在位置控制时，这种扰动区别明显(前肘后膝式扰动最小)，但对于急陡坡度的通过能力，前膝后肘式明显的高于前肘后膝式。因此对于不同坡度较缓或是平地多采用图5所示的前肘后膝式行走方式(参见图6)，而对于坡度较大的地形采用如图1所示的前膝后肘行走方式(参见图6)。其变换过程如图4所示。
变换过程中，机器人应处于停机或是卸荷状态，通过人工干预将腿部单元2摆至另一侧，此时直线液压作动器3作动区间也换至了另一侧，通过切换控制程序，使机器人完成不同结构步态的调整。由于油缸的长度完全可以达到结构死区，为防止机器人在运行过程中由于程序紊乱或是操作失误，导致出现图4中的中间腿部单元状态，在程序中对不同拓扑结构中的位移传感器在相应运动半区中做位置限位，使机器人在到达限定位置时运动停止并依据程序设定做腿部单元归位处理。

Claims (1)

1.一种可变拓扑结构的四足机器人机构，包括躯干单元和腿部单元，躯干单元的底部连接有四条腿部单元；其特征是：腿部单元包括髋部腿节、大腿腿节和小腿腿节，躯干单元与髋部腿节之间、髋部腿节和大腿腿节之间、大腿腿节和小腿腿节之间分别由联接半轴连接，髋部腿节与躯干单元之间连接有髋关节横滚直线液压作动器，大腿腿节与髋部腿节之间连接有大腿俯仰直线液压作动器，小腿腿节与大腿腿节之间连接小腿俯仰直线液压作动器；
所述躯干单元通过跨梁与髋部腿节连接，髋关节横滚直线液压作动器连接在跨梁与髋部腿节之间；
所述四条腿部单元中，前部两条腿部单元共用一个跨梁，后部两条腿部单元共用一个跨梁；
所述髋部腿节包括髋关节外部连接框和内板，内板连接在髋关节外部连接框内；
所述髋关节横滚直线液压作动器的缸体和活塞分别通过连接轴铰接在髋部腿节和躯干单元上；
所述大腿俯仰直线液压作动器的活塞缸和缸体通过连接轴分别铰接在大腿腿节及内板上；大腿腿节与内板通过联接半轴连接，这种采用联接半轴的连接方式保证了腿部拓扑结构的改变，区分了直线液压作动器的作动空间；
所述小腿腿节包括小腿过渡腿节和小腿底端腿节，小腿底端腿节固定连接在小腿过渡腿节上；
所述小腿俯仰直线液压作动器通过连接轴分别铰接在大腿腿节及小腿过渡腿节上；
腿部单元各腿节双半轴连接，将直线液压作动器的驱动空间分为了两个半区，保证油缸在两个半区自由切换的无障碍通过；通过三个直线液压作动器的活塞杆和缸体分别联接不同腿节，组成完整的驱动链，使机器人机构共有12个自由度，分别为髋关节横滚、四个大腿俯仰和四个小腿俯仰；
腿部单元通过直线液压作动器构成完整的运动链，使机器人产生相对于地面的移动，对于不同坡度较缓或是平地采用前肘后膝式行走方式，对于坡度较大的地形采用前膝后肘行走方式，两种行走方式变换过程中，机器人应处于停机或是卸荷状态，通过人工干预将腿部单元摆至另一侧，此时直线液压作动器作动区间也换至了另一侧，使机器人完成不同结构步态的调整。
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