CN107539385A - 一种变阻尼柔性腿及其四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变阻尼柔性腿，包括依次连接的髋关节、大腿、膝关节、小腿和足端；髋关节上设置有用于带动整个变阻尼柔性腿外展的第一驱动系统、用于带动大腿转动的第二驱动系统以及用于带动膝关节转动的第三驱动系统，第一驱动系统和/或第二驱动系统中设置有变阻尼控制装置，变阻尼控制装置包括磁流变阻尼器和弹簧，弹簧套设在所述磁流变阻尼器外，第一驱动系统和/或第二驱动系统与磁流变阻尼器和弹簧连接。本发明提供的变阻尼柔性腿，在第一驱动系统和/或第二驱动系统中设置了变阻尼装置，通过该磁流变阻尼器和弹簧的组合，利用磁流变阻尼器实现各个关节变阻尼的特性，能够起到更好的减振缓冲作用。

Description

一种变阻尼柔性腿及其四足机器人

技术领域

本发明涉及自动化机械人领域，尤其涉及一种变阻尼柔性腿及其四足机器人。

背景技术

在机器人领域，四足机器人是其中一种，更具体的属于足式机器人中的一种。现有的机器人，尤其是四足机器人中，为了便于控制，使得控制更加简单、方便，其腿部结构一般主要是刚性结构；这种结构虽然控制简单、方便，但是没有任何的缓冲减振结构，在使用过程中有较大的冲击震动。

因此，在上述刚性结构的机器人的腿部机构中，其刚性结构多采用被动减振，抗震动能力较弱，机器人受震动的影响较大；长期使用过程中，容易引震动、冲击造成机器人损坏或者老化，影响其使用寿命。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够带有柔性缓冲结构，能够主动降低冲击震动对机器人的影响，进而保证机器人的使用寿命的变阻尼柔性腿及其四足机器人。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种变阻尼柔性腿，包括依次连接的髋关节、大腿、膝关节、小腿和足端；所述髋关节上设置有用于带动整个变阻尼柔性腿外展的第一驱动系统、用于带动大腿转动的第二驱动系统以及用于带动膝关节转动的第三驱动系统，所述第一驱动系统和/或第二驱动系统中设置有变阻尼控制装置，所述变阻尼控制装置包括磁流变阻尼器和弹簧，所述弹簧套设在所述磁流变阻尼器外，所述第一驱动系统和/或第二驱动系统与所述磁流变阻尼器和所述弹簧连接。

一些实施例中，所述变阻尼控制装置还包括磁流变阻尼器活塞杆，所述磁流变阻尼器设置在所述磁流变阻尼器活塞杆上，所述弹簧套设在所述磁流变阻尼器外。

一些实施例中，所述髋关节上设置有大腿安装支架，所述大腿与所述大腿安装支架连接；所述第一驱动系统包括第一驱动电机和第一减速器，所述第一减速器包括第一刚轮和第一柔轮，所述第一驱动电机与所述第一刚轮连接，所述第一柔轮与大腿安装支架相连；所述第一刚轮上固定有第一传动轮，所述第一传动轮通过第一传动带与所述磁流变阻尼器和所述弹簧相连。

一些实施例中，所述第一传动轮为钢丝绳轮，所述第一传动带为钢丝绳。

一些实施例中，所述第二驱动系统包括第二驱动电机和第二减速器，所述第二减速器包括第二刚轮和第二柔轮，所述第二刚轮与所述大腿相连；所述第二驱动电机连接在所述第二刚轮上，所述第二柔轮上固定有第二传动轮，所述第二传动轮通过第二传动带与所述磁流变阻尼器和所述弹簧连接。

一些实施例中，所述第二传动轮为链轮，所述第二传动带为链条。

一些实施例中，所述第三驱动系统包括第三驱动电机和第三减速器，所述第三减速器包括第三刚轮和第三柔轮，所述第三驱动电机连接在第三刚轮上，所述第三柔轮上固定有第三传动轮，所述第三传动轮通过第三传动带与膝关节连接。

一些实施例中，所述第三传动轮为链轮，所述第三传动带为链条。

一些实施例中，所述第一驱动系统、第二驱动系统或第三驱动系统中的至少一个中设置有绝对值码盘。

另外，本发明还提供了一种四足机器人，包括机器人本体和四个机械腿，其特征在于，所述四个机械腿的至少一个为权利要求1-9任意一项所述的变阻尼柔性腿。

有益效果：本发明提供的变阻尼柔性腿，在第一驱动系统和/或第二驱动系统中设置了变阻尼装置，该变阻尼装置包括磁流变阻尼器和弹簧，通过该磁流变阻尼器和弹簧的组合，利用磁流变阻尼器实现各个关节变阻尼的特性，能够起到更好的减振缓冲作用。

附图说明

图1是本发明提供的变阻尼柔性腿整体结构示意图。

图2是图1中B-b处的截面示意图。

图3是本发明提供的变阻尼柔性腿另外一个方位的整体结构示意图。

图4是图3中A-a处的截面示意图。

附图标记：

髋关节10；大腿安装支架101；第一驱动电机111；第一减速器112；第一刚轮113；第一柔轮114；第一传动轮115；第一传动带116；第二驱动电机121；第二减速器122；第二刚轮123；第二柔轮124；第二传动轮125；第二传动带126；第三驱动电机131；第三减速器132；第三刚轮133；第三柔轮134；第三传动轮135；第三传动带136；大腿20；膝关节30；小腿40；足端50；变阻尼控制装置60；磁流变阻尼器61；弹簧62；磁流变阻尼器活塞杆63；绝对值码盘70；髋关节安装架80。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1至图4详细说明一下本发明提供的变阻尼柔性腿及其四足机器人。

为了解决传统的四足机器人(也包括其他机器人)中多采用被动减振，其腿部结构均为刚性结构，没有任何缓冲减振结构；在使用过程中，会存在较大的冲击震动，影响机器人寿命的技术问题。

如图1所示，本发明提供了一种变阻尼柔性腿，包括依次连接的髋关节10、大腿20、膝关节30、小腿40和足端50。上述结构，为机器人腿部结构的常规组成部分，一般情况下，髋关节10固定在机器人本体上，大腿20通过大腿安装支架101连接在髋关节10上，同时大腿20的另一端与膝关节30连接，膝关节30再连接小腿40，小腿40再连接足端50。优选的，一些实施例中，足端50固定在小腿40的端部。

一个实施例中，在变阻尼柔性腿中，包含了三个自由度；分别为髋关节10两个自由度，膝关节301个自由度。由三个自由度的存在，髋关节10上设置有三个驱动系统，分别为第一驱动系统、第二驱动系统和第三驱动系统。其中，第一驱动系统用于带动整个变阻尼柔性腿外展，也就是代表髋关节10上的一个自由度的控制；第二驱动系统用于带动大腿20转动，也即是代表髋关节10上的另一个自由度的控制；而第三驱动系统用于带动膝关节30转动，就是代表膝关节30上的一个自由度的控制。

为了解决上述技术问题，提供一种具有良好减振缓冲效果的变阻尼柔性腿，在本发明中，第一驱动系统和/或第二驱动系统中设置有变阻尼控制装置60，该变阻尼控制装置60包括磁流变阻尼器61和弹簧62，弹簧62套设在磁流变阻尼器61外，第一驱动系统和/或第二驱动系统与所述磁流变阻尼器61和弹簧62连接。

上述包含了三个方案，均是在髋关节10上设置变阻尼控制装置60；更具体的，为磁流变阻尼器61和弹簧62。方案一是在第一驱动系统中设置变阻尼控制装置60，方案二是在第二驱动系统中设置变阻尼控制装置60，方案三是在第一驱动系统和第二驱动系统中都设置变阻尼控制装置60。使得，髋关节10在带动整个变阻尼柔性腿外展或大腿20转动的同时，其自身具有一定的缓冲减振功能。

其中，上述外展的含义是指第一驱动系统能够带动变阻尼柔性腿在一个方向上延伸；一般情况下，第一驱动系统上会是指有驱动轴，通过驱动轴来带动变阻尼柔性腿的运动。

更具体的，一个实施例中，如图1所示，髋关节10安装在髋关节安装架80上，髋关节10的下端设置有大腿安装支架101，大腿20的一端安装在该大腿安装支架101上，另一端与膝关节30连接。

在本发明中，变阻尼柔性腿实现了对机器人髋关节10的变阻尼控制，可以很大程度上降低冲击、振动对机器人的影响，同时可以完成机器人柔性腿结构到刚性腿结构的变换，可以进行对照试验。

其中，磁流变阻尼器61通过电流控制磁场强度来实现对髋关节10的变阻尼控制。一般情况下，磁流变阻尼材料为液态，其在一定磁场强度下可以变为刚性的固体材料。利用磁流变阻尼器61的这一特点，就可以实现髋关节10由柔性到刚性的切换，基于此变阻尼柔性腿可以实现髋关节10的变阻尼控制，降低震动、冲击对机器人的影响。

如图3和如图4所示，变阻尼控制装置60还包括磁流变阻尼器活塞杆63，该磁流变阻尼器活塞杆63用来固定整个变阻尼器装置，使其安装在髋关节10上。其中，磁流变阻尼器61设置在该磁流变阻尼器活塞杆63上，一般情况下，可以采用套设；弹簧62再套设在磁流变阻尼器61外。换句话说，从磁流变阻尼器活塞杆63往外，依次设置有磁流变阻尼器61和弹簧62。

如图1所示，本发明的一个实施例中，髋关节10上设置有大腿安装支架101，大腿20与大腿安装支架101连接；通过大腿安装支架101，将大腿20安装在髋关节10上。

如图4所示，所述第一驱动系统包括第一驱动电机111和第一减速器112，所述第一减速器112包括第一刚轮113和第一柔轮114，所述第一驱动电机111与所述第一刚轮113连接，所述第一柔轮114与大腿安装支架101相连；所述第一刚轮113上固定有第一传动轮115，所述第一传动轮115通过第一传动带116与所述磁流变阻尼器61和所述弹簧62相连。其中，第一减速器112优选为谐波减速器，同时包括第一刚轮113和第一柔轮114，第一刚轮113可以选用钢材质轮，为谐波减速器钢轮；第一柔轮114为减速器柔轮。

通过第一传动带116和第一传动轮115的作用，将第一驱动系统与弹簧62和磁流变阻尼器61连接起来；实现髋关节10的外展运动，以带动整个变阻尼柔性腿的外展。

一个优选实施例中，第一传动轮115选用钢丝绳轮，第一传动带116选用与之配合的钢丝绳。

其中，第一驱动电机111上设置有绝对值码盘70，可以计算出髋关节10的关节转角及弹簧62的压缩量。

如图2所示，本发明的一个实施例中，所述第二驱动系统包括第二驱动电机121和第二减速器122，所述第二减速器122包括第二刚轮123和第二柔轮124，所述第二刚轮123与所述大腿20相连；所述第二驱动电机121连接在所述第二刚轮123上，所述第二柔轮124上固定有第二传动轮125，所述第二传动轮125通过第二传动带126与所述磁流变阻尼器61和所述弹簧62连接。其中，第二刚轮123为谐波减速器刚轮，优选钢材质制成；第二柔轮124为减速器柔轮。

通过第二传动轮125和第二传动带126的配合，将第二驱动系统与弹簧62和磁流变阻尼器61连接在一起，实现髋关节10大腿20的转动。

一个优选实施例中，第二传动轮125为链轮，第二传动带126为链条。如图2所示。

其中，第二驱动电机121上设置有绝对值码盘70，可以计算出髋关节10的关节转角及弹簧62的压缩量。

如图2所示，本发明的一个实施例中，所述第三驱动系统包括第三驱动电机131和第三减速器132，所述第三减速器132包括第三刚轮133和第三柔轮134，所述第三驱动电机131连接在第三刚轮133上，所述第三柔轮134上固定有第三传动轮135，所述第三传动轮135通过第三传动带136与膝关节30连接。其中，第三刚轮133为谐波减速器钢轮，第三柔轮134为减速器柔轮。通过第三传动轮135和第三传动带136的配合，将第三驱动系统与膝关节30连接在一起。

一个优选实施例中，第三传动轮135为链轮，第三传动带136为链条。

其中，第一驱动电机111上设置有绝对值码盘70，可以计算出髋关节10的关节转角及弹簧62的压缩量。

其中，膝关节30上也设置有相应的链轮，与第三传动带136连接；通过第三传动带136带动膝关节30上的链轮转动，进而通过膝关节30上的钢丝绳带动小腿的运动。

以上三个驱动系统，第一驱动系统、第二驱动系统和第三驱动系统，可以都包含在本发明的一个实施例中，如本发明的附图中，就含有上述三个驱动系统。

如上文中所述，在本发明提供的第一驱动系统、第二驱动系统和第三驱动系统中的至少一个中设置有绝对值码盘70；优选全部设置有绝对值码盘70。更具体的，绝对值码盘70设置在第一驱动电机111、第二驱动电机121或第三驱动电机131上。

另外，本发明还提供了一种四足机器人，包括机器人本体和四个机械腿，其中，四个机械腿的至少一个为本发明提供的变阻尼柔性腿。

在本发明中，上述磁流变阻尼器61优选成对出现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种变阻尼柔性腿，包括依次连接的髋关节、大腿、膝关节、小腿和足端；其特征在于，所述髋关节上设置有用于带动整个变阻尼柔性腿外展的第一驱动系统、用于带动大腿转动的第二驱动系统以及用于带动膝关节转动的第三驱动系统，所述第一驱动系统和/或第二驱动系统中设置有变阻尼控制装置，所述变阻尼控制装置包括磁流变阻尼器和弹簧，所述弹簧套设在所述磁流变阻尼器外，所述第一驱动系统和/或第二驱动系统与所述磁流变阻尼器和所述弹簧连接。

2.根据权利要求1所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述变阻尼控制装置还包括磁流变阻尼器活塞杆，所述磁流变阻尼器设置在所述磁流变阻尼器活塞杆上，所述弹簧套设在所述磁流变阻尼器外。

3.根据权利要求1所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述髋关节上设置有大腿安装支架，所述大腿与所述大腿安装支架连接；所述第一驱动系统包括第一驱动电机和第一减速器，所述第一减速器包括第一刚轮和第一柔轮，所述第一驱动电机与所述第一刚轮连接，所述第一柔轮与大腿安装支架相连；所述第一刚轮上固定有第一传动轮，所述第一传动轮通过第一传动带与所述磁流变阻尼器和所述弹簧相连。

4.根据权利要求3所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述第一传动轮为钢丝绳轮，所述第一传动带为钢丝绳。

5.根据权利要求1所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述第二驱动系统包括第二驱动电机和第二减速器，所述第二减速器包括第二刚轮和第二柔轮，所述第二刚轮与所述大腿相连；所述第二驱动电机连接在所述第二刚轮上，所述第二柔轮上固定有第二传动轮，所述第二传动轮通过第二传动带与所述磁流变阻尼器和所述弹簧连接。

6.根据权利要求5所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述第二传动轮为链轮，所述第二传动带为链条。

7.根据权利要求1所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述第三驱动系统包括第三驱动电机和第三减速器，所述第三减速器包括第三刚轮和第三柔轮，所述第三驱动电机连接在第三刚轮上，所述第三柔轮上固定有第三传动轮，所述第三传动轮通过第三传动带与膝关节连接。

8.根据权利要求7所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述第三传动轮为链轮，所述第三传动带为链条。

9.根据权利要求1所述的变阻尼柔性腿，其特征在于，所述第一驱动系统、第二驱动系统或第三驱动系统中的至少一个中设置有绝对值码盘。

10.一种四足机器人，包括机器人本体和四个机械腿，其特征在于，所述四个机械腿的至少一个为权利要求1-9任意一项所述的变阻尼柔性腿。