CN107571933A - 一种应用于四足机器人的悬挂系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于四足机器人的悬挂系统，包括四个机架连接组件、四个悬挂机构和四个单腿连接组件。其中机架连接组件安装于机架上；所述的悬挂机构包括支撑架、横臂组件与连杆组件；通过支撑架、横臂组件与机架连接组件间构成左右两侧的两套平行四杆机构；且两套平行四杆机构间通过连接杆组件相连。两套平行四杆机构之间安装有减震器，其两端分别与机架上连接件和单腿连接组件上的减震器支座连接。单腿连接组件安装于单腿结构的髋关节端部。本发明悬挂系统可以在四足机器人移动过程中在机器人单腿模块与机身之间起到减震缓冲的作用，增加了单腿与机身之间的柔性，且在机器人运动过程中，不会影响到单腿的姿态，对四足机器人的运动影响较小。

Description

一种应用于四足机器人的悬挂系统

技术领域

本发明涉及四足机器人技术领域，具体是一种应用于四足机器人的悬挂系统。

背景技术

目前，常规的移动机器人包括轮式机器人和履带式机器人，与它们相比，足式机器人具有更强的地形适应能力以及更好的机动性能。其中，以四足哺乳动物为参考对象的四足机器人比两足机器人有更好的静态稳定性和更强的地面适应能力，比六足机器人行动灵活、结构简单、控制较为容易且具有更好的承载能力。长期以来，四足机器人一直是国内外足式机器人领域的研究热点之一。

悬挂系统是最初应用在汽车制造中汽车车架与车轮或车桥之间的一切连接装置的总称。通过悬挂系统，可以有效地降低移动平台的震动，缓解平台关键零件之间的冲击，提高平台的稳定性和可靠性。公开号为CN 106114103 A的发明专利提出了一种轮式移动机器人的多连杆悬挂系统，在机器人移动过程中均起到缓冲减震的作用，但目前悬挂系统在四足机器人中未见相关的研究应用。

高承载的四足机器人在抢险救灾、排雷探险、星球探测和军事领域都有着广泛的应用。通过在四足机器人机身上装载各种精密仪器及设备，其可以在一些危险复杂的环境中完成运输任务和操作任务。这就要求四足机器人在负载状态下具有较强的机动能力和运动稳定性，同时在机器人运动过程中保证本体内设备的完整性以及减少机身所受的运动冲击。在机器人机械结构方面，机身的柔性不足限制了机器人的机动性能以及地形适应能力，影响了机器人本体抗冲击的能力。传统的四足机器人的柔性主要表现在它们的腿部足端柔性和机身腰椎柔性。

公开号为CN 103625572 A的发明专利提出了一种带有弹性四杆机构的四足机器人腿，弹性的腿结构可以减少足端落地时产生的冲击力，并且能够储存和释放能量；公开号为CN103303389 A的发明专利提出一种可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，解决了机器人的腰椎结构死板僵硬、冲击损害大等缺点，在运动过程中起到缓冲减震作用。然而，四足机器人的腿部柔性的缓冲效果与地面对足端的接触力有关，其缓冲效果受地形影响较大；腰椎柔性虽然可以缓冲地面对机器人本体的运动冲击，但是由于机器人机身结构是柔性的，在机器人运动过程中本体上装载的精密仪器设备容易因为机身的形变而造成一定程度的损坏。通过对动物的肩部和髋部结构的作用机理进行分析，其在动物本体与腿结构的之间起到良好的缓冲运动冲击的作用。因此，机器人的机身与单腿之间的柔性机构的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种应用于四足机器人的悬挂系统，是一种应用于四足机器人机身与单腿之间的悬挂系统。

本发明应用于四足机器人的悬挂系统，包括机架连接组件、悬挂机构与单腿连接组件。

所述机架连接组件安装于四足机器人的机架上，具有一个减震器连接位与两侧的悬挂机构连接件。所述悬挂机构通过左右两侧的支撑架、横臂组件，与机架连接组件中的悬挂机构连接件共同构成左右两侧的两套平行四杆机构；两套平行四杆机构间通过连接杆组件相连。

所述单腿连接组件包括安装于髋关节顶端的髋关节连接件，髋关节连接件上安装的减震器支座；减震器两端分别安装于机架连接组件上的减震器连接位与减震器支座上。

当四足机器人单腿结构的足端离开地面时，足端没有受到地面的反作用力，此时悬挂系统的减震器受到机械限位，保持自然伸直状态，悬挂系统并不会对单腿结构的姿态有影响。

在机器人单腿结构的足端与地面接触过程中，单腿结构收到瞬时冲击力，传递到减震器上，减震器会受力压缩并吸收地面对单腿的冲击力；此时横臂相对机架转动，整个单腿机构相对四足机器人的机架发生平动，不会对单腿结构的姿态产生影响；

当机器人单腿结构的足端与地面分离时，足端受到的来自地面的冲击力消失，此时减震器受自身弹簧的压力恢复到自然伸直状态。

本发明的优点在于：

1、本发明应用于四足机器人的悬挂系统，既可以对机器人机身起到缓冲减震的作用，同时不会影响单腿的运动姿态，对机器人整体的运动影响较小，同时可保证机器人机身为刚性结构，增大了内部环境的完整性和其承载能力。

2、本发明应用于四足机器人的悬挂系统，所提供的应用于四足机器人的悬挂系统，基于模块化设计的核心思想，其悬挂系统模块位于机架与单腿结构之间，可根据不同四足机器人的机架和单腿结构，更改相应的机架连接组件和单腿连接组件，分别与其机架和单腿结构连接，形成机架-悬挂系统-单腿结构这三模块组成的机器人。

3、本发明应用于四足机器人的悬挂系统，当机器人在崎岖地面运动过程中，单腿结构受到地面反作用力使平行四边形机构摆动，同时压缩弹簧起到缓冲减震作用。四条单腿结构的悬挂系统相互独立，互不影响，可以分别根据单腿所处的地形进行缓冲减震，保证了机器人机身的稳定性，减少机器人机身因崎岖地面而造成的颠簸和倾斜。

4、本发明应用于四足机器人的悬挂系统中，悬挂机构的横臂组件采用双连杆固定，其结构的强度相对于一般汽车的前摆式悬挂系统的强度更高。

附图说明

图1为本发明应用于四足机器人的悬挂系统安装方式示意图；

图2为本发明应用于四足机器人的悬挂系统整体结构示意图；

图3为本发明应用于四足机器人的悬挂系统中悬挂机构结构爆炸图。

图中：

1-机架连接组件 2-悬挂机构 3-单腿连接组件

4-单腿结构 5-机架 101-机架上连接件

102-机架内连接件 201-支撑架 202-减震器

203-横臂 204-连杆 205-黄铜套

301-髋关节连接件 302-减震器支座 401-髋关节

402-膝关节 403-大腿组件 404-踝关节

405-小腿组件 406-足端

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明应用于四足机器人的悬挂系统，用于机器人的单腿结构4与机架5间的连接，适用于具有双层结构机架2，以及具有由髋关节401、膝关节402及大腿组件403、踝关节404及小腿组件405和足端406构成的传统四足机器人单腿结构的四组机器人，如图1所示。

本发明应用于四足机器人的悬挂系统，包括机架连接组件1、悬挂机构2与单腿连接组件3，如图1所示。

如图2所示，所述机架连接组件1安装于四足机器人的机架上，包括机架上连接件101和机架内连接件102。其中，机架上连接件101为板状结构，固定安装于机架上层上表面边缘位置；机架上连接件101前侧设计有减震器连接位，位于上层机架外部，用于悬挂机构2中减震器202的安装。机架内连接件102为两个，位于机架上层与下层之间，上下两端分别与机架上层和下层固定；且两个机架内连接件102分别位于机架上连接件101左右两侧，机架内连接件102用来安装悬挂机构2。

所述悬挂机构2包括支撑架201、减震器202、横臂组件与连接杆组件，如图3所示。其中，支撑架201为两个，分别位于机架上连接件左右两侧。横臂组件具有四根横臂203，四根横臂203分为两组，每组两根；则两组横臂202的两端分别与机架上连接件101左侧与右侧机架内连接件102和支撑架201铰接，铰接处均装有黄铜套205，使机架上连接件101左右与右侧的机架内连接件102、支撑架201与两根横臂203间构成两套平行四杆机构，且两组横臂203均可绕所连接的机架内连接件102和支撑架201转动。连杆组件具有四根连杆204，四根连杆204分为两组，每组两根；则两组连杆204位于两组横臂之间，且两组连杆204的分别平行设置，两端分别与左右相互对称的两根横臂203固连，使四足机器人运动过程中，两套平行四杆机构始终保持左右对称；同时增强本发明悬挂系统的结构强度。减震器202内部结构为一个弹簧-阻尼系统，且其内部存在一个机械限位，即在自然伸直状态下，减震器的长度是固定的，不会因受拉而伸长。减震器202上端通过销钉固定安装于机架上连接件101的减震器安装位上，减震器202下端通过销钉固定安装于单腿连接组件3中的减震器支座302上，可以实现减震器202的两端分别绕机架上连接件101和减震器支座302转动。

所述单腿连接组件3包括髋关节连接件301与减震器支座302。其中，髋关节连接件301下表面与单腿结构中髋关节末端端面贴合设置。髋关节连接件301上表面前端设计有减震器支座定位槽，中部两侧设计有支撑架定位槽。减震器支座302配合设置于减震器定位槽内定位后，通过螺钉将减震器支座302、髋关节连接件301与髋关节末端间固定。同样，两支撑架201底端分别配合设置于两个支撑架定位槽内，通过螺钉将两支撑架201、髋关节连接件301与髋关节末端间固定。同时髋关节连接件301后端还开有螺钉孔，通过螺钉穿过螺钉孔，将单腿连接板301与髋关节末端固定。

本发明悬挂机构利用双平行四边形的原理，可以保证与悬挂机构相连的单腿结构中髋关节连接件301始终与地面平行，使得在悬挂系统作用过程中，对单腿结构的姿态影响较小，对四足机器人整体的运动影响较小。

在四足机器人移动过程中，机器人单腿模块与机身之间起到减震缓冲的作用，增加了单腿与机身之间的柔性。四足机器人的单腿结构与地面接触时，机器人的身部重力作用在悬挂系统上，在悬挂系统受力压缩过程中，减震器202会受力压缩。由于悬挂系统内的悬挂机构2为平行四边形机构，减震器202的形变会使横臂202发生转动，使单腿结构发生平动与四足机器人的机架产生相对位移。其支撑架的运动轨迹为平动，即悬挂系统的运动并不会影响到单腿的姿态，单腿仅相对机架作平动，没有相对转动，因此，悬挂系统对四足机器人的运动影响较小。在四足机器人支撑状态下，减震器202两端的受力会达到一个平衡状态，四足机器人也会达到一个静态平衡的状态。

在四足机器人动态行走过程中，四足机器人的运动是通过各条腿的协调运动来实现的。机器人单腿的运动可分为足地分离和足地接触过程。

当四足机器人单腿结构的足端离开地面时，单腿结构在空中摆动，由于足端并没有受到地面对它的反作用力，此时悬挂系统的减震器202由于受到机械限位，其保持自然伸直状态并没有发生形变，此时机器人的机架与单腿结构可以看成刚性连接，悬挂系统并不会对单腿的姿态有影响。

当机器人单腿结构的足端与地面接触过程，地面对机器人单腿结构有较大的瞬时冲击力，经过单腿的传递到悬挂系统的减震器9上，减震器9会受力压缩并吸收地面对单腿的冲击力，起到缓冲和减震的作用。此时横臂202相对机架1转动，整个单腿机构相对四足机器人的机架发生平动，并不会对单腿结构的姿态产生影响。

当足端与地面分离时，足端受到的来自地面的冲击力消失，此时减震器202受自身弹簧的压力恢复到自然伸直状态，由于减震器202的内部是一个弹簧-阻尼系统，减震器202不会极快速地恢复到平衡位置，进而避免了运动中的撞击和噪声，也保证了抬腿瞬间单腿结构不会突然地运动，保护了单腿结构的内部结构。

当四足机器人在崎岖不平的地面行走时，由于四足机器人的悬挂系统为独立悬挂系统，即四条单腿结构的悬挂系统相互独立，互不影响，每一个悬挂机构2的减震器202可以分别根据单腿结构所处的地形进行缓冲减震，保证了运动过程中机器人的机身的稳定性，减少四足机器人的机身因崎岖地面而造成的颠簸和倾斜。

Claims (2)

1.一种应用于四足机器人的悬挂系统，其特征在于：作为独立模块，将机器人的单腿结构与机架间连接；包括机架连接组件、悬挂机构与单腿连接组件；

所述机架连接组件安装于四足机器人的机架上，具有一个减震器连接位与两侧的悬挂机构连接件；

所述悬挂机构通过左右两侧的支撑架、横臂组件，与机架连接组件中的悬挂机构连接件共同构成左右两侧的两套平行四杆机构；两套平行四杆机构间通过连接杆组件相连；

所述单腿连接组件包括安装于髋关节顶端的髋关节连接件，髋关节连接件上安装的减震器支座；减震器两端分别安装于机架连接组件上的减震器连接位与减震器支座上。

2.如权利要求1所述一种应用于四足机器人的悬挂系统，其特征在于：当四足机器人单腿结构的足端离开地面时，足端没有受到地面的反作用力，此时悬挂系统的减震器受到机械限位，保持自然伸直状态，悬挂系统并不会对单腿结构的姿态有影响。

在机器人单腿结构的足端与地面接触过程中，单腿结构收到瞬时冲击力，传递到减震器上，减震器会受力压缩并吸收地面对单腿的冲击力；此时横臂相对机架转动，整个单腿机构相对四足机器人的机架发生平动，不会对单腿结构的姿态产生影响；

当机器人单腿结构的足端与地面分离时，足端受到的来自地面的冲击力消失，此时减震器受自身弹簧的压力恢复到自然伸直状态。