CN108216419B - 一种足式行走机器人腿部结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种足式行走机器人腿部结构，包括摆动驱动机构、前侧支杆、调距连杆、连杆机构、后侧弹性支杆机构、触地角自调节装置、弹性足掌机构。摆动驱动机构带动前侧支杆运动；前侧支杆通过调距连杆和连杆机构连接后侧弹性支杆机构；触地角自调节装置下端与后侧弹性支杆机构下铰接点连接，触地角自调节装置使得后侧弹性支杆机构初始下行速度大于前侧支杆，避免弧状弹性足掌前端由于优先与地面接触时触地角度过大所产生的反扣；后侧弹性支杆机构装有拉簧，在弧状弹性足掌前端受到冲击作用时，拉簧被动拉伸储存冲击能，同时，拉簧产生的拉力会增强弧状弹性足掌的扒地能力。本发明扩大了腿部的运动空间，能减小能量的消耗，有效降低冲击。

Description

一种足式行走机器人腿部结构
技术领域
本发明所涉及的是一种机器人的腿部结构，具体地说是一种能够降低振动冲击、提高运动效率的足式行走机器人腿部结构。
背景技术
人类在地震、事故救灾现场、爆炸物处理、瓦斯污染的矿井以及原子能辐射环境等为代表的极端环境中实施作业任务，会危及生命。借助机器人进入极端环境中进行作业，可以大大减少人的二次伤害，并且极大提高作业效率。当前，机器人的研究工作已经不再局限于传统的结构环境的定点作业，已经向各种多变环境方面的应用发展。这就要求机器人更多地去适应复杂环境和复杂条件，足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景，因此被广泛应用于抢险救灾、排雷排爆、地质勘探等领域。但足式机器人的运动稳定性和速度不高，因此设计既具有高动态性又具有较强地面适应性的足式机器人是机器人研究的一个热点。作为足式机器人重要运动支撑系统的机器人腿，其结构设计直接影响着足式机器人的性能。
仿生学研究表明，高奔跑的四足动物依靠腿部的弹性韧带可以在提高速度的过程中有效减少能量消耗；同时，一些猫科动物在快速奔跑运动时，由于锁骨不发达，肩关节和肩胛骨不再与胸骨相连。由于肩胛骨不再固定在中轴骨上，在动物运动时，肩关节会随之向前向上移动，这种腿部运动模式有利于提高足式机器人的运动速度。
发明内容
本发明主要是提供一种结构简单，功能实用，行走速度较高且具有抗冲击能力的足式行走机器人腿部结构。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案，结合附图：
一种足式行走机器人腿部结构，包括摆动驱动机构1、前侧支杆2、后侧弹性支杆机构5、触地角自调节装置6及弹性足掌机构7；所述摆动驱动机构1与前侧支杆2铰接，所述前侧支杆2与后侧弹性支杆机构5之间还设置有调距连杆3，前侧支杆2通过连杆机构4与所述后侧弹性支杆机构5铰接，后侧弹性支杆机构5底部与所述弹性足掌机构7通过滑动副连接，所述弹性足掌机构7通过转动副与前侧支杆2底部连接，所述触地角自调节装置6与后侧弹性支杆机构5铰接。
进一步地，所述摆动驱动机构1包括偏心轮1-Ⅰ和连杆1-Ⅱ，连杆1-Ⅱ一端铰接在偏心轮1-Ⅰ的偏心处，另一端铰接在所述前侧支杆2顶端，连杆1-Ⅱ上设有多个连接孔，用于调节与前侧支杆2的转矩。
进一步地，所述后侧弹性支杆机构5包括后侧支杆5-Ⅰ、滑竿5-Ⅱ、拉簧5-Ⅲ及滚珠滑块5-Ⅳ，后侧支杆5-Ⅰ下端为空心圆柱，滑竿5-Ⅱ上端装配于后侧支杆5-Ⅰ的空心圆柱中，下端固定在滚珠滑块5-Ⅳ上，拉簧5-Ⅲ套接在滑竿5-Ⅱ上，拉簧5-Ⅲ的两端分别固定在后侧支杆5-Ⅰ和滚珠滑块5-Ⅳ上，滚珠滑块5-Ⅳ滑动连接在弹性足掌机构7上。
进一步地，所述触地角自调节装置6包括连接杆6-Ⅰ、圆柱滑块6-Ⅱ、弹簧6-Ⅲ和圆弧滑槽6-Ⅳ，连接杆6-Ⅰ一端连接圆柱滑块6-Ⅱ，连接杆6-Ⅰ另一端与后侧弹性支杆机构5铰接，圆柱滑块6-Ⅱ滑动连接在圆弧滑槽6-Ⅳ内；弹簧6-Ⅲ安装在圆弧滑槽6-Ⅳ内，弹簧6-Ⅲ两端分别固定在圆弧滑槽6-Ⅳ顶端和圆柱滑块6-Ⅱ上。
进一步地，所述弹簧6-Ⅲ的自由长度约为圆弧滑槽6-Ⅳ的一半。
进一步地，所述弹性足掌机构7包括弧状弹性足掌7-Ⅰ，弧状弹性足掌7-Ⅰ上装有弧状导轨7-Ⅱ，弧状导轨7-Ⅱ与所述后侧弹性支杆机构5采用滚珠式接触方式滑动连接。
进一步地，所述弧状导轨7-Ⅱ的前后方各装有一个定位销7-Ⅲ，用于限定所述后侧弹性支杆机构5在弧状导轨7-Ⅱ上的滑动范围。
进一步地，所述弧状弹性足掌7-Ⅰ是锰钢材料。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明有别于传统的带膝关节的腿部结构，简化了控制。
2)本发明采用刚性结构和柔性结构相结合的方法，既避免了刚性结构自由度少，运动死点多的缺点，又避免了柔性关节控制过于复杂的问题。
3)本发明在传统的单腿结构基础上增加了新的触地角自调节装置，结构简单，能很好地改善机器人腿在快速运动中的失衡问题。
4)引入仿生弹性韧带，以后侧弹性支杆机构的形式，在角度调节装置和偏心轮的配合作用下，改善快速运动过程中的能耗问题。
附图说明
图1是本发明的机器人腿部结构示意图；
图2是后侧弹性支杆机构示意图；
图3是触地角自调节装置结构示意图；
图4是弹性足掌机构示意图；
图5是本发明的主视图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
参阅图1至图5，一种足式行走机器人腿部结构，由摆动驱动机构1、前侧支杆2、后侧弹性支杆机构5、触地角自调节装置6和弹性足掌机构7组成；摆动驱动机构1与前侧支杆2铰接，所述前侧支杆2通过调距连杆3与后侧弹性支杆机构5上铰接点连接，前侧支杆2同时通过连杆机构4与后侧弹性支杆机构5下铰接点连接，所述后侧弹性支杆机构5底端与弹性足掌机构7通过滑动副相连，所述弹性足掌机构7通过转动副连接在前侧支杆2底端，所述触地角自调节装置6上端与足式行走机器人连接，触地角自调节装置6下端与后侧弹性支杆机构5下铰接点连接。
所述摆动驱动机构1包括偏心轮1-Ⅰ和连杆1-Ⅱ，连杆1-Ⅱ一端铰接在偏心轮1-Ⅰ的偏心处，另一端铰接在前侧支杆2顶端，连杆1-Ⅱ上设有多个连接孔，用于调节与前侧支杆2的转矩。固定在机器人机体上的电动马达输出轴与偏心轮连接，驱动偏心轮1-Ⅰ进行动力输入，通过可调转矩的连杆1-Ⅱ带动前侧支杆2做行走运动。
调距连杆3铰接于前侧支杆2和后侧支杆5-Ⅰ之间，连杆机构4左端与前侧支杆2铰接，右端与后侧支杆5-Ⅰ铰接，前侧支杆2运动时会通过调距连杆3和连杆机构4带动后侧弹性支杆机构5运动。
所述后侧弹性支杆机构5包括后侧支杆5-Ⅰ、滑竿5-Ⅱ、拉簧5-Ⅲ和滚珠滑块5-Ⅳ，后侧支杆5-Ⅰ下端为空心圆柱，滑竿5-Ⅱ上端装配于后侧支杆5-Ⅰ的空心圆柱中，另一端固定在滚珠滑块5-Ⅳ上，拉簧5-Ⅲ套在滑竿5-Ⅱ上，拉簧5-Ⅲ的两端分别固定在后侧支杆5-Ⅰ和滚珠滑块5-Ⅳ上，滚珠滑块5-Ⅳ滑动连接在弹性足掌机构7上。拉簧5-Ⅲ在弧状弹性足掌7-Ⅰ受到冲击作用时，被动拉伸储存冲击能，降低冲击，同时，拉簧5-Ⅲ被动拉伸会对弹性足掌机构7产生向后上方的拉力，增强弹性足掌机构7的扒地能力。
所述触地角自调节装置6包括连接杆6-Ⅰ、圆柱滑块6-Ⅱ、弹簧6-Ⅲ和圆弧滑槽6-Ⅳ，圆弧滑槽6-Ⅳ与机器人机体连接，连接杆6-Ⅰ一端连接圆柱滑块6-Ⅱ，连接杆6-Ⅰ另一端与后侧弹性支杆机构5下铰接点连接，在后侧弹性支杆机构5运动的带动下，圆柱滑块6-Ⅱ滑动连接在圆弧滑槽6-Ⅳ内；弹簧6-Ⅲ安装在圆弧滑槽6-Ⅳ内，弹簧6-Ⅲ两端分别固定在圆弧滑槽6-Ⅳ顶端和圆柱滑块6-Ⅱ上，弹簧6-Ⅲ的自由长度约为圆弧滑槽6-Ⅳ的一半，在后侧弹性支杆机构5下行的同时，初始处于压缩状态的弹簧6-Ⅲ会通过连接杆6-Ⅰ对后侧支杆5-Ⅰ产生推力作用，增大后侧弹性支杆机构5的运动速度，在上行过程中，弹簧6-Ⅲ由于处于拉伸状态，会对后侧支杆5-Ⅰ产生拉力作用，使后侧弹性支杆机构5快速回收。
所述弹性足掌机构7的弧状弹性足掌7-Ⅰ是锰钢材料，弧状弹性足掌7-Ⅰ上装有弧状导轨7-Ⅱ，滚珠滑块5-Ⅳ与弧状导轨7-Ⅱ采用滚珠式接触方式接触，弧状导轨7-Ⅱ的前后方各装有一个定位销7-Ⅲ，限定滚珠滑块5-Ⅳ在弧状导轨7-Ⅱ上的运动范围。
本发明的工作过程如下：
电动马达驱动偏心轮1-Ⅰ进行动力输入，通过可调力矩的连杆1-Ⅱ带动前侧支杆2做下行运动，在调距连杆3和连杆机构4的作用下，后侧支杆5-Ⅰ会做相应的下行运动，在后侧支杆5-Ⅰ下行过程中，初始处于压缩状态的弹簧6-Ⅲ会推动圆柱滑块6-Ⅱ在圆弧滑槽6-Ⅳ内向下运动，圆柱滑块6-Ⅱ带动连接杆6-Ⅰ对后侧支杆5-Ⅰ产生推力作用，增加后侧支杆5-Ⅰ下行速度，由于后侧支杆5-Ⅰ比前侧支杆2下行快，使得弧状弹性足掌7-Ⅰ绕其与前侧支杆的铰接点沿顺时针转动一个角度，调整弹性足掌机构7的触地角度，使弹性足掌机构7正确触地，避免弧状弹性足掌7-Ⅰ前端由于优先与地面接触时触地角度过大所产生的反扣。在弹性足掌机构7正确触地后，弧状弹性足掌7-Ⅰ前端最先受到冲击作用，此时，拉簧5-Ⅲ被拉长储能，降低冲击，同时拉簧5-Ⅲ对弹性足掌机构7产生拉力，增强弹性足掌机构7的扒地能力。弧状弹性足掌7-Ⅰ顺时针转动时，滚珠滑块5-Ⅳ在随着后侧弹性支杆机构5运动的同时，会在弧状导轨7-Ⅱ上滑动，到弧状导轨7-Ⅱ前定位销位置时，会继续推动弧状弹性足掌7-Ⅰ向前偏移一定角度，从而增大机器人腿的步距。
当偏心轮带动前侧支杆2做上行运动时，所述触地角自调节装置6中的圆弧滑槽6-Ⅳ内的弹簧6-Ⅲ收缩，通过圆柱滑块6-Ⅱ带动连接杆6-Ⅰ对后侧支杆5-Ⅰ产生拉力作用，使后侧弹性支杆机构5快速回收，给弧状弹性足掌7-Ⅰ提供向后上方的拉力，这种运动模式有利于提高机器人腿的行走速度。

Claims (8)

1.一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，包括摆动驱动机构(1)、前侧支杆(2)、后侧弹性支杆机构(5)、触地角自调节装置(6)及弹性足掌机构(7)；所述摆动驱动机构(1)与前侧支杆(2)铰接，前侧支杆(2)通过连杆机构(4)与所述后侧弹性支杆机构(5)铰接，所述前侧支杆(2)与后侧弹性支杆机构(5)之间还设置有调距连杆(3)，后侧弹性支杆机构(5)底部与所述弹性足掌机构(7)通过滑动副连接，所述弹性足掌机构(7)通过转动副与前侧支杆(2)底部连接，所述触地角自调节装置(6)与后侧弹性支杆机构(5)铰接。
2.如权利要求1所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述摆动驱动机构(1)包括偏心轮(1-Ⅰ)和连杆(1-Ⅱ)，连杆(1-Ⅱ)一端铰接在偏心轮(1-Ⅰ)的偏心处，另一端铰接在所述前侧支杆(2)顶端，连杆(1-Ⅱ)上设有多个连接孔，用于调节与前侧支杆(2)的转矩。
3.如权利要求1所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述后侧弹性支杆机构(5)包括后侧支杆(5-Ⅰ)、滑竿(5-Ⅱ)、拉簧(5-Ⅲ)及滚珠滑块(5-Ⅳ)，后侧支杆(5-Ⅰ)下端为空心圆柱，滑竿(5-Ⅱ)上端装配于后侧支杆(5-Ⅰ)的空心圆柱中，下端固定在滚珠滑块(5-Ⅳ)上，拉簧(5-Ⅲ)套接在滑竿(5-Ⅱ)上，拉簧(5-Ⅲ)的两端分别固定在后侧支杆(5-Ⅰ)和滚珠滑块(5-Ⅳ)上，滚珠滑块(5-Ⅳ)滑动连接在弹性足掌机构(7)上。
4.如权利要求1所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述触地角自调节装置(6)包括连接杆(6-Ⅰ)、圆柱滑块(6-Ⅱ)、弹簧(6-Ⅲ)和圆弧滑槽(6-Ⅳ)，连接杆(6-Ⅰ)一端连接圆柱滑块(6-Ⅱ)，连接杆(6-Ⅰ)另一端与后侧弹性支杆机构(5)铰接，圆柱滑块(6-Ⅱ)滑动连接在圆弧滑槽(6-Ⅳ)内；弹簧(6-Ⅲ)安装在圆弧滑槽(6-Ⅳ)内，弹簧(6-Ⅲ)两端分别固定在圆弧滑槽(6-Ⅳ)顶端和圆柱滑块(6-Ⅱ)上。
5.如权利要求4所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述弹簧(6-Ⅲ)的自由长度约为圆弧滑槽(6-Ⅳ)的一半。
6.如权利要求1所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述弹性足掌机构(7)包括弧状弹性足掌(7-Ⅰ)，弧状弹性足掌(7-Ⅰ)上装有弧状导轨(7-Ⅱ)，弧状导轨(7-Ⅱ)与所述后侧弹性支杆机构(5)采用滚珠式接触方式滑动连接。
7.如权利要求6所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述弧状导轨(7-Ⅱ)的前后方各装有一个定位销(7-Ⅲ)，用于限定所述后侧弹性支杆机构(5)在弧状导轨(7-Ⅱ)上的滑动范围。
8.如权利要求6所述的一种足式行走机器人腿部结构，其特征在于，所述弧状弹性足掌(7-Ⅰ)是锰钢材料。
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