CN107825412A - 一种多构态仿生机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种多构态仿生机器人机构，包括三个可伸缩连杆和四个闭链五杆机构，其特征在于，所述三个可伸缩连杆包括第一可伸缩连杆、第二可伸缩连杆和第三可伸缩连杆，所述四个闭链五杆机构包括第一闭链五杆机构、第二闭链五杆机构、第三闭链五杆机构及第四闭链五杆机构。由于闭链五杆机构以及可伸缩连杆变形，此机器人机构具有多个构态，具备两栖工作能力，通过改变足部与地面接触面积，实现适应不同路面；又可以实现俯仰、翻转等多种动作；通过改变机器人机构宽度，实现适应狭窄工作空间；其蛇形构态能适应水下、陆地各种复杂工作环境；驱动简单，在不改变驱动装置的情况下，能实现对机器人机构各构态的驱动，可以满足多任务的工作要求。

Description

一种多构态仿生机器人机构

技术领域

本发明涉及仿生机器人机构设计领域，特别是一种多构态仿生机器人机构。

背景技术

随着仿生机器人技术水平的不断提高，多足类仿生机器人、鱼类仿生机器人、蛇类仿生 机器人以及两栖类仿生机器人的研究成果日趋丰富，在灾后营救、野外探测、海底资源开发、 水下打捞以及树木整枝等工作领域，具有广阔的应用前景。

然而，面对越来越复杂的工作环境，以及越来越高的工作要求，单一构态的机器人机构 越来越力不从心，中国专利ZL 201410520580.7公开了一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四 足机器人，该机器人具有俯仰、横滚和偏转自由度，但是机械腿与地面接触为单一的点接触 形式，在沙地、沼泽等特殊工作场合明显不足；中国专利ZL 201010223020.7公开了一种两 栖仿生龟机器人机器人，可同时实现陆地运动步态和水中运动步态，但是未考虑复杂的海底 工作环境，其他专利所公开的机器人机构与这两个专利类似，不能真正实现灵活适应环境。

这就要求机器人在陆地工作时，面对实际工作环境，能够实现俯仰动作，在机器人翻倒 后仍能继续工作，还能够改变机器人宽度以适应狭窄空间，同时处于松软地面时，可以改变 足部与地面接触面积，实现安全可靠的工作。在水下工作时，要求机器人能够降低重心，以 减小阻力增加稳定性，同时能以仿生蛇的构态，灵活适应于海底珊瑚、礁石等复杂环境。

未见有能满足上述要求的，能够通过构态变换实现两栖工作，同时可以灵活适应工作环 境，而且驱动简单的仿生机器人机构。

发明内容

本发明提供了一种多构态仿生机器人机构，驱动简单，具备陆地和水下两种工作模式， 同时在两种工作模式中，又可以改变机器人机构构态，以适应复杂的工作环境，具有很好的 环境适应性，可以满足多任务的工作要求。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：

一种多构态仿生机器人机构，包括三个可伸缩连杆和四个闭链五杆机构，其特征在于，所 述三个可伸缩连杆包括第一可伸缩连杆、第二可伸缩连杆和第三可伸缩连杆，所述闭链五杆 机构包括第一闭链五杆机构、第二闭链五杆机构、第三闭链五杆机构及第四闭链五杆机构， 所述第一闭链五杆机构包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆，第一杆一端与第一 可伸缩连杆通过铰链连接，另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，第二杆一端与第一可伸 缩连杆连接，且处于第一杆外侧，另一端与第三杆一端通过铰链连接，第三杆处于第二杆外 侧，第三杆另一端与第四杆一端通过铰链连接，第四杆处于第三杆外侧，第四杆另一端与第 五杆一端通过铰链连接，第五杆处于第四杆内侧，第五杆另一端与第二可伸缩连杆通过铰链 连接，且处于第一杆外侧；所述第二闭链五杆机构，包括第六杆、第七杆、第八杆、第九杆 和第十杆，第六杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第一杆外侧与第五杆内侧， 第六杆另一端与第三可伸缩连杆通过铰链连接，第七杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接， 且处于第五杆外侧，另一端与第八杆一端通过铰链连接，且第八杆处于第七杆外侧，第八杆 另一端与第九杆一端通过铰链连接，第九杆处于第八杆内侧，第九杆另一端与第十杆一端通 过铰链连接，第十杆处于第九杆内侧，第十杆另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，第十 杆处于第六杆外侧；所述第三闭链五杆机构，包括第十一杆、第十二杆、第十三杆、第十四 杆、第十五杆，第十一杆一端与第一可伸缩连杆通过铰链连接，另一端与第二可伸缩连杆通 过铰链连接，第十二杆一端与第一可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第十一杆的外侧，第十 二杆另一端与第十三杆一端通过铰链连接，且第十三杆处于第十二杆的外侧，第十三杆另一 端与第十四杆一端通过铰链连接，且第十四杆处于第十三杆的外侧，第十四杆另一端与第十 五杆一端通过铰链连接，且第十五杆处于第十四杆的内侧，第十五杆另一端与第二可伸缩连 杆通过铰链连接，且第十五杆处于第十一杆的外侧；所述第四闭链五杆机构，包括第十六杆、 第十七杆、第十八杆、第十九杆和第二十杆，第十六杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接， 且第十六杆处于第十一杆的外侧和第十五杆的内侧，第十六杆另一端与第三可伸缩连杆通过 铰链连接，第十七杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第十五杆外侧，第十七杆 另一端与第十八杆一端通过铰链连接，且第十八杆处于第十七杆的外侧，第十八杆另一端与 第十九杆一端通过铰链连接，且第十九杆处于第十八杆的内侧，第十九杆一端与第二十杆一 端通过铰链连接，且第二十杆处于第十九杆的内侧，第二十杆另一端与第三可伸缩连杆通过 铰链连接，且第二十杆处于第十六杆的外侧。

所述的一种多构态仿生机器人机构，第一杆、第六杆、第十一杆和第十六杆长度相同； 第二杆、第三杆、第四杆、第五杆、第七杆、第八杆、第九杆、第十杆第十二杆、第十三杆、第十四杆、第十五杆、第十七杆、第十八杆第十九杆和第二十杆长度相同，且长度均为第一杆长度的一半。

如图1所示，为此多构态仿生机器人机构的第一构态，第二杆、第五杆、第七杆、第十杆、 第十二杆、第十五杆、第十七和第二十杆为驱动构件，可以实现此机器人机构灵活运动。

如图2所示，为此多构态仿生机器人机构的第二构态，第二杆、第五杆、第七杆、第十 杆、第十二杆、第十五杆、第十七和第二十杆为驱动构件，机器人机构发生翻转后，仍然可 以保持原有运动，实现适应复杂环境的要求。

如图3所示，为此多构态仿生机器人机构的第三种构态，此时第五杆与第一杆始终平行， 第七杆与第六杆始终平行，第十五杆始终与第十一杆平行，第十七杆始终与第十六杆平行， 四个闭链五杆机构机构均转换为四杆机构，驱动第二杆、第十杆、第十二杆和第二十杆，增 加了与地面接触面积，可以实现此构态时机器人机构在松软地面上的步进运动。

如图4所示，为此多构态仿生机器人机构的第四种构态，此时第三杆与第四杆固连为同 一杆，第二杆与第五杆始终平行，第八杆与第九杆固连为同一杆，第七杆与第十杆始终平行， 第十三杆与第十四杆固连为同一杆，第十二杆与第十五杆始终平行，第十八杆与第十九杆固 连为同一杆，第十七杆与第二十杆始终平行，四个闭链五杆机构均转换为平行四杆机构，进 一步增加了与地面接触面积，驱动第二杆或者第五杆，第七杆或者第十杆，第十二杆或者第 十五杆，第十七干或者第二十杆，也可以实现此构态时机构在松软地面上的步进运动。

如图5所示，为此多构态仿生机器人机构的第五种构态，此时第二杆与第三杆重合为同 一杆，第四杆和第五杆均与第一杆平行，第九杆与第十杆重合为同一杆，第七杆和第八杆均 与第六杆平行，第十二杆与第十三杆重合为同一杆，第十四杆和第式五杆均与第十一杆平行， 第十九杆与第二十杆重合为同一杆，第十七杆和第十八杆均与第十六杆平行，此构态时机器 人重心降低、结构紧凑，可以更加稳定的完成工作要求，驱动第二杆、第十杆、第十二杆、 第二十杆以及驱动第一杆、第六杆、第十一杆和第十六杆相对第二可伸缩连杆转动，可以实 现此构态的机器人机构的两栖运动，如图6所示。

上述五个构态机器人机构均可以实现俯仰动作，同时第一可伸缩连杆、第二可伸缩连杆 和第三可伸缩连杆可收缩，从而又可以实现适应狭窄工作空间。

如图6所示，为此多构态仿生机器人机构的第六种构态，第一可伸缩连杆、第二可伸缩 连杆和第三可伸缩连杆收缩，第一杆和第十一杆贴合，此时第二杆与第三杆重合为同一杆， 第四杆和第五杆均与第一杆平行，第九杆与第十杆重合为同一杆，第七杆和第八杆均与第六 杆平行，第十二杆与第十三杆重合为同一杆，第十四杆和第式五杆均与第十一杆平行，第十 九杆与第二十杆重合为同一杆，第十七杆和第十八杆均与第十六杆平行，此时机器人为蛇形 构态，驱动第二杆、第五杆、第七杆、第十杆或者第十二杆、第十五杆、第十七杆和第二十 杆，便可驱动机器人运动，多个此构态机器人机构可以首尾连接，形成的蛇形机器人机构， 如图7、图8所示。

本发明的突出优点在于：

1、此仿生机器人机构，驱动简单，具备陆地和水下两种工作模式，在同一驱动作用下， 机器人机构各构态可以实现预期动作。

2、此仿生机器人机构，由于各闭链五杆机构及伸缩连杆的变形，具有多个构态，既可 以通过改变足部与地面接触面积，以适应不同路面要求；又可以改变机器人机构宽度，以 适应狭窄空间；又具有俯仰动作，以及机器人机构翻倒后仍能继续运动。

3、此仿生机构面对水底复杂的工作环境，可以仿生蛇构态，以适应各种环境，满足多 任务需求。

附图说明

图1为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的第一构态示意图。

图2为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的第二构态示意图。

图3为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的第三构态示意图

图4为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的第四构态示意图。

图5为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的第五构态示意图。

图6为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的第六构态示意图。

图7为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构的蛇形构态示意图。

图8为本发明所述的一种多构态仿生机器人机构多个结构单元组成的蛇形构态示意图。

附图中各标号所代表的的含义：

1：第一杆；2：第二杆；3：第三杆；4：第四杆；5：第五杆；6：第六杆；7：第七杆； 8：第八杆；9：第九杆；10：第十杆；11：第三可伸缩连杆；12：第十六杆；13：第二十杆； 14：第十九杆；15：第十八杆；16：第十七杆；17：第二可伸缩连杆；18：第十一杆；19： 第十五杆；20：第十四杆；21：第十三杆；22：第十二杆；23：第一可伸缩连杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，实施例仅仅 是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

一种多构态仿生机器人机构，包括三个可伸缩连杆和四个闭链五杆机构，其特征在于，所 述三个可伸缩连杆包括第一可伸缩连杆23、第二可伸缩连杆17和第三可伸缩连杆11，所述 闭链五杆机构包括第一闭链五杆机构、第二闭链五杆机构、第三闭链五杆机构及第四闭链五 杆机构，所述第一闭链五杆机构包括第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4和第五杆5， 第一杆1一端与第一可伸缩连杆23通过铰链连接，另一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连 接，第二杆2一端与第一可伸缩连杆23连接，且处于第一杆1外侧，另一端与第三杆3一端 通过铰链连接，第三杆3处于第二杆2外侧，第三杆3另一端与第四杆4一端通过铰链连接， 第四杆4处于第三杆3外侧，第四杆4另一端与第五杆5一端通过铰链连接，第五杆5处于第四杆4内侧，第五杆5另一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，且处于第一杆1外侧； 所述第二闭链五杆机构，包括第六杆6、第七杆7、第八杆8、第九杆9和第十杆10，第六杆 6一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，且处于第一杆1外侧与第五杆5内侧，第六杆6 另一端与第三可伸缩连杆11通过铰链连接，第七杆7一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连 接，且处于第五杆5外侧，另一端与第八杆8一端通过铰链连接，且第八杆8处于第七杆7 外侧，第八杆8另一端与第九杆9一端通过铰链连接，第九杆9处于第八杆8内侧，第九杆 9另一端与第十杆10一端通过铰链连接，第十杆10处于第九杆9内侧，第十杆10另一端 与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，第十杆10处于第六杆6外侧；所述第三闭链五杆机构， 包括第十一杆18、第十二杆22、第十三杆21、第十四杆20、第十五杆19，第十一杆18一 端与第一可伸缩连杆23通过铰链连接，另一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，第十二 杆22一端与第一可伸缩连杆23通过铰链连接，且处于第十一杆18的外侧，第十二杆22另 一端与第十三杆21一端通过铰链连接，且第十三杆21处于第十二杆22的外侧，第十三杆 21另一端与第十四杆20一端通过铰链连接，且第十四杆20处于第十三杆21的外侧，第十 四杆20另一端与第十五杆19一端通过铰链连接，且第十五杆19处于第十四杆20的内侧， 第十五杆19另一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，且第十五杆19处于第十一杆18的 外侧；所述第四闭链五杆机构，包括第十六杆12、第十七杆16、第十八杆15、第十九杆14 和第二十杆13，第十六杆12一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，且第十六杆12处于 第十一杆18的外侧和第十五杆19的内侧，第十六杆12另一端与第三可伸缩连杆11通过铰 链连接，第十七杆16一端与第二可伸缩连杆17通过铰链连接，且处于第十五杆19外侧，第 十七杆16另一端与第十八杆15一端通过铰链连接，且第十八杆15处于第十七杆16的外侧， 第十八杆15另一端与第十九杆14一端通过铰链连接，且第十九杆14处于第十八杆15的内 侧，第十九杆14一端与第二十杆13一端通过铰链连接，且第二十杆13处于第十九杆14的 内侧，第二十杆13另一端与第三可伸缩连杆11通过铰链连接，且第二十杆13处于第十六杆 12的外侧。

所述的一种多构态仿生机器人机构，第一杆1、第六杆6、第十一杆18和第十六杆12长 度相同；第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5、第七杆7、第八杆8、第九杆9、第十杆 10第十二杆22、第十三杆21、第十四杆20、第十五杆19、第十七杆16、第十八杆15第十 九杆14和第二十杆13长度相同，且长度均为第一杆1长度的一半。

如图1所示，为此多构态仿生机器人机构的第一构态，第二杆2、第五杆5、第七杆7、第十杆10、第十二杆22、第十五杆19、第十七16和第二十杆13为驱动构件，可以实现此 机器人机构灵活运动。

如图2所示，为此多构态仿生机器人机构的第二构态，第二杆2、第五杆5、第七杆7、第十杆10、第十二杆22、第十五杆19、第十七16和第二十杆13为驱动构件，机器人机构 发生翻转后，仍然可以保持原有运动，实现适应复杂环境的要求。

如图3所示，为此多构态仿生机器人机构的第三种构态，此时第五杆5与第一杆1始终 平行，第七杆7与第六杆6始终平行，第十五杆19始终与第十一杆18平行，第十七杆16始终与第十六杆12平行，四个闭链五杆机构机构均转换为四杆机构，驱动第二杆2、第十杆10、第十二杆22和第二十13杆，增加了与地面接触面积，可以实现此构态时机器人机构在松软地面上的步进运动。

如图4所示，为此多构态仿生机器人机构的第四种构态，此时第三杆3与第四杆4固连 为同一杆，第二杆2与第五杆5始终平行，第八杆8与第九杆9固连为同一杆，第七杆7与第十杆10始终平行，第十三杆21与第十四杆20固连为同一杆，第十二22杆与第十五19杆 始终平行，第十八杆15与第十九杆14固连为同一杆，第十七杆16与第二十杆13始终平行， 四个闭链五杆机构均转换为平行四杆机构，进一步增加了与地面接触面积，驱动第二杆2或者第五杆5，第七杆7或者第十杆10，第十二杆22或者第十五杆19，第十七杆16或者第二 十杆13，也可以实现此构态时机构在松软地面上的步进运动。

如图5所示，为此多构态仿生机器人机构的第五种构态，此时第二杆2与第三杆3重合 为同一杆，第四杆4和第五杆5均与第一杆1平行，第九杆9与第十杆10重合为同一杆，第七杆7和第八杆8均与第六杆6平行，第十二杆22与第十三杆21重合为同一杆，第十四杆 20和第十五杆19均与第十一杆18平行，第十九杆14与第二十杆13重合为同一杆，第十七 杆16和第十八杆15均与第十六杆12平行，此构态时机器人重心降低、结构紧凑，可以更加 稳定的完成工作要求，驱动第二杆2、第十杆10、第十二杆22、第二十杆13以及驱动第一 杆1、第六杆6、第十一杆18和第十六杆12相对第二可伸缩连杆17转动，可以实现此构态 的机器人机构的两栖运动，如图6所示。

上述五个构态机器人机构均可以实现俯仰动作，同时第一可伸缩连杆23、第二可伸缩连 杆17和第三可伸缩连杆11可收缩，从而又可以实现适应狭窄工作空间。

如图6所示，为此多构态仿生机器人机构的第六种构态，第一可伸缩连杆23、第二可伸 缩连杆17和第三可伸缩连杆11收缩，第一杆1和第十一杆18贴合，此时第二杆2与第三杆 3重合为同一杆，第四杆4和第五杆5均与第一杆1平行，第九杆9与第十杆10重合为同一杆，第七杆7和第八杆8均与第六杆6平行，第十二杆22与第十三杆21重合为同一杆，第 十四杆20和第十五杆19均与第十一杆18平行，第十九杆14与第二十杆13重合为同一杆， 第十七杆16和第十八杆15均与第十六杆12平行，此时机器人为蛇形构态，驱动第二杆2、 第五杆5、第七杆7、第十杆10或者第十二杆22、第十五杆19、第十七杆16和第二十杆13， 便可驱动机器人运动，多个此构态机器人机构可以首尾连接，形成的蛇形机器人机构，如图 7、图8所示。

Claims (2)

1.一种多构态仿生机器人机构，包括三个可伸缩连杆和四个闭链五杆机构，其特征在于，所述三个可伸缩连杆包括第一可伸缩连杆、第二可伸缩连杆和第三可伸缩连杆，所述闭链五杆机构包括第一闭链五杆机构、第二闭链五杆机构、第三闭链五杆机构及第四闭链五杆机构，所述第一闭链五杆机构包括第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆，第一杆一端与第一可伸缩连杆通过铰链连接，另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，第二杆一端与第一可伸缩连杆连接，且处于第一杆外侧，另一端与第三杆一端通过铰链连接，第三杆处于第二杆外侧，第三杆另一端与第四杆一端通过铰链连接，第四杆处于第三杆外侧，第四杆另一端与第五杆一端通过铰链连接，第五杆处于第四杆内侧，第五杆另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第一杆外侧；所述第二闭链五杆机构，包括第六杆、第七杆、第八杆、第九杆和第十杆，第六杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第一杆外侧与第五杆内侧，第六杆另一端与第三可伸缩连杆通过铰链连接，第七杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第五杆外侧，另一端与第八杆一端通过铰链连接，且第八杆处于第七杆外侧，第八杆另一端与第九杆一端通过铰链连接，第九杆处于第八杆内侧，第九杆另一端与第十杆一端通过铰链连接，第十杆处于第九杆内侧，第十杆另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，第十杆处于第六杆外侧；所述第三闭链五杆机构，包括第十一杆、第十二杆、第十三杆、第十四杆、第十五杆，第十一杆一端与第一可伸缩连杆通过铰链连接，另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，第十二杆一端与第一可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第十一杆的外侧，第十二杆另一端与第十三杆一端通过铰链连接，且第十三杆处于第十二杆的外侧，第十三杆另一端与第十四杆一端通过铰链连接，且第十四杆处于第十三杆的外侧，第十四杆另一端与第十五杆一端通过铰链连接，且第十五杆处于第十四杆的内侧，第十五杆另一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且第十五杆处于第十一杆的外侧；所述第四闭链五杆机构，包括第十六杆、第十七杆、第十八杆、第十九杆和第二十杆，第十六杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且第十六杆处于第十一杆的外侧和第十五杆的内侧，第十六杆另一端与第三可伸缩连杆通过铰链连接，第十七杆一端与第二可伸缩连杆通过铰链连接，且处于第十五杆外侧，第十七杆另一端与第十八杆一端通过铰链连接，且第十八杆处于第十七杆的外侧，第十八杆另一端与第十九杆一端通过铰链连接，且第十九杆处于第十八杆的内侧，第十九杆一端与第二十杆一端通过铰链连接，且第二十杆处于第十九杆的内侧，第二十杆另一端与第三可伸缩连杆通过铰链连接，且第二十杆处于第十六杆的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种多构态仿生机器人机构，第一杆、第六杆、第十一杆和第十六杆长度相同；第二杆、第三杆、第四杆、第五杆、第七杆、第八杆、第九杆、第十杆和第十二杆、第十三杆、第十四杆、第十五杆、第十七杆、第十八杆第十九杆和第二十杆长度相同，且长度均为第一杆长度的一半。