CN108657307A - 一种具有柔性腰的四足行走机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有柔性腰的四足行走机器人，本发明中位于前端的两条腿部结构通过一组左右腿连接控制机构连接，位于后端的两条腿部结构通过另一组左右腿连接控制机构连接，前后端两条腿部结构之间通过柔性腰部连接机构相连；左右腿连接控制机构中的伺服电机Ⅰ控制腿部机构中的髋关节机架拥有一个左右转弯自由度；腿部机构中的大腿杆和小腿杆在伺服电机Ⅱ的驱动下，具有两个自由度，实现足端杆抬脚及前行两个动作；柔性腰连接机构用于实现俯仰、偏移、伸缩。本发明与传统的轮式机器人相比，在足端行走以及柔性腰部的双重作用下，该机器人能在较小的空间内实现较大范围的转动，具有一定的减震能力，以及较高的稳定性，更能适应地形复杂的路面。
Description
技术领域
本发明一种具有柔性腰的四足行走机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
随着机器人技术的飞速发展，机器人应用的领域越来越广，而行走机器人又是机器人家族中一类特殊的机器人。在行走机器人这个领域里，美国波士顿动力公司拥有较为顶级的技术，因此生产出在机器人行业中具有代表性的BigDog机器人。该机器人能在多种复杂的地形中行走并具有较强的抗侧向扰动能力。与传统的轮式机器人相比，足式机器人具有无可比拟的优势。虽然基于仿生的足式机器人机构比较复杂，足部的自由度比较多，但其行走过程中足端支撑点是离散的，所以该种机器人能在极其不规则的路面上行走，具有极强的适应能力。目前为止，已经有很多足式四足机器人问市，但是很多机器人的腰部都是刚性的。即使采用柔性腰部，但大部分机构都是采用柔性材料代替原本的刚性材料，不能彻底的做到腰部的柔性。此外这类机器人在减震动和稳定性方面有虽有一定的提高，但在控制机器人运动方面仍然存在一定的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种具有柔性腰的四足行走机器人，以用于机器人能在较小的空间内实现较大范围的转动等。
本发明的技术方案是：一种具有柔性腰的四足行走机器人，包括两组结构相同的左右腿连接控制机构1、柔性腰连接机构2、四条结构相同的腿部机构3、电源箱Ⅰ30a、电源箱Ⅱ30b；其中，位于前端的两条腿部结构3通过一组左右腿连接控制机构1连接，位于后端的两条腿部结构3通过另一组左右腿连接控制机构1连接，前后端两条腿部结构3之间通过柔性腰部连接机构2相连；电源箱Ⅰ30a、电源箱Ⅱ30b用于供电；左右腿连接控制机构1中的伺服电机Ⅰ4控制腿部机构3中的髋关节机架12拥有一个左右转弯自由度；腿部机构3中的大腿杆16和小腿杆19在伺服电机Ⅱ26的驱动下，具有两个自由度，实现足端杆21抬脚及前行两个动作；柔性腰连接机构2用于实现俯仰、偏移、伸缩。
所述左右腿部连接控制机构1包括：对称布置的伺服电机Ⅰ4、伺服电机支撑架5、支架定位套筒6、高强度轴承7、轴承内圈上支架8a、轴承内圈下支架8b、轴承外圈上支撑架10a、轴承外圈下支架10b、联轴器Ⅰ11，及将对称布置的左右伺服电机支撑架5进行连接的左右腿部上连接钢板9a，将对称布置的左右轴承外圈下支撑架10b进行连接的左右腿部下连接钢板9b；其中，轴承内圈上支撑架8a和轴承内圈下支架8b通过螺丝连接并限制高强度轴承7内圈的前后左右移动，伺服电机支撑架5与轴承外圈上支架10a之间通过支架定位套筒6来定位尺寸间隙，伺服电机支撑架5、轴承外圈上支撑架10a以及轴承外圈下支撑架10b通过长螺丝进行连接并且通过长螺丝限制高强度轴承7外圈的左右移动，伺服电机Ⅰ4固定在伺服电机支撑架5上，伺服电机Ⅰ4转轴以键连接的方式与联轴器Ⅰ11一端相连，联轴器Ⅰ11另一端通过螺钉固定在轴承内圈上支撑架8a上，左右腿上连接钢板9a、左右腿下连接钢板9b之间通过螺丝来连接。
所述柔性腰部连接机构2包括：虎克铰Ⅰ27a、虎克铰Ⅱ27b、两个连接钢件28、液压缓冲器29；其中，虎克铰Ⅰ27a一端与一个连接钢件28一端、虎克铰Ⅱ27b一端与另一个连接钢件28一端通过焊接的方式进行连接，两个连接钢件28另一端通过液压缓冲器29连接，虎克铰Ⅰ27a另一端、虎克铰Ⅱ27b另一端分别与前后端腿部机构3中的髋关节机架12通过焊接的方式进行连接。
所述腿部机构3包括：由髋关节机架12、摇杆Ⅰ13、摇杆Ⅱ17、连杆Ⅰ18构成的平行四边行机构，凸台14，对称连接的两个联轴器Ⅱ15，大腿杆16，小腿杆19，轴承端盖20，足端杆21，伺服电机Ⅱ26，转轴31，由连杆Ⅱ22、连杆Ⅲ23、连杆Ⅳ24、连杆Ⅴ25构成的缩放机构；其中平行四边行机构各机构之间通过转轴、轴承以及轴承端盖进行连接，缩放机构各机构之间通过转轴、轴承以及轴承端盖进行连接；其中，左右腿部连接控制机构1中的轴承内圈下支架8b与髋关节机架12顶面的凸台14通过自攻螺钉相连，伺服电机Ⅱ26固定在髋关节机架12的一侧面上，伺服电机Ⅱ26的转轴通过键连接的方式与一个联轴器Ⅱ15的一端连接，对称连接的另一个联轴器Ⅱ15另一端以键连接的方式与转轴31相连，通过转轴31把伺服电机Ⅱ26的动力传输给大腿杆16，大腿杆16在平行四边形机构的控制下，把动力传输给小腿杆19，小腿杆19经过缩放机构把动力传输给足端杆21。
所述平行四边行机构及缩放机构的具体连接为：摇杆Ⅱ17的一端与大腿杆16的一端通过转轴31、轴承以及轴承端盖20安装在髋关节机架12的侧面一端，摇杆Ⅰ13的一端与髋关节机架12的侧面中部、大腿杆16的另一端与小腿杆19的一端、摇杆Ⅱ17的另一端与连杆Ⅰ18的一端、连杆Ⅰ18的另一端与摇杆Ⅰ13的另一端及小腿杆19的中部、小腿杆19的另一端与连杆Ⅲ23及连杆Ⅳ24的一端、连杆Ⅳ24的另一端与连杆Ⅴ25的中部、连杆Ⅴ25的一端与髋关节机架12的侧面的另一端、连杆Ⅴ25的另一端与连杆Ⅱ22的一端、连杆Ⅱ22的中部与连杆Ⅲ23的另一端、连杆Ⅱ22的另一端与足端杆21的一端通过转轴、轴承以及轴承端盖20进行连接。
本发明的有益效果是：
1、与传统的轮式机器人相比，在足端行走以及柔性腰部的双重作用下，该机器人能在较小的空间内实现较大范围的转动，具有一定的减震能力，以及较高的稳定性，更能适应地形复杂的路面。
2、具有柔性腰的四足行走机器人主要由前后两部分组成，前后两部分分开供电，一定程度上增强了机器人的续航能力。
3、与传统的12个电机控制的四足行走机器人相比，减少一定数量的电机，使该机器人的控制变得简单，一定程度上增强了控制效率。
附图说明
图1是本发明的等轴测视图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明左右腿连接控制机构等轴测视图；
图5是本发明左右腿连接控制机构仰视视角示意图；
图6是本发明腿部机构等轴测视图；
图7是本发明腿部机构仰视图；
图8是本发明柔性腰连接机构等轴测视图；
图9是本发明髋关节机架的局部图；
图10本发明电源箱的局部图；
图中各标号为：1-左右腿连接控制机构、2-柔性腰连接机构、3-腿部机构、4-伺服电机Ⅰ、5-伺服电机支撑架、6-支架定位套筒、7-高强度轴承、8a-轴承内圈上支架、8b-轴承内圈下支架、9a-左右腿部上连接钢板、9b-左右腿部下连接钢板、10a-左右轴承外圈上支撑架、10b-左右轴承外圈下支撑架、11-联轴器Ⅰ、12-髋关节机架、13-摇杆Ⅰ、14-凸台、15-联轴器Ⅱ、16-大腿杆、17-摇杆Ⅱ、18-连杆Ⅰ、19-小腿杆、20-轴承端盖、21-足端杆、22-连杆Ⅱ、23-连杆Ⅲ、24-连杆Ⅳ、25-连杆Ⅴ、26-伺服电机Ⅱ、27a-虎克铰Ⅰ、27b-虎克铰Ⅱ、28-连接钢件、29-液压缓冲器、30a-电源箱Ⅰ、30b-电源箱Ⅱ、31-转轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-10所示，一种具有柔性腰的四足行走机器人，包括两组结构相同的左右腿连接控制机构1、柔性腰连接机构2、四条结构相同的腿部机构3、电源箱Ⅰ30a、电源箱Ⅱ30b；其中，位于前端的两条腿部结构3通过一组左右腿连接控制机构1连接，位于后端的两条腿部结构3通过另一组左右腿连接控制机构1连接，前后端两条腿部结构3之间通过柔性腰部连接机构2相连；电源箱Ⅰ30a、电源箱Ⅱ30b用于供电（如电源箱Ⅰ30a给前端的4个电机供电，而电源箱Ⅱ30b给后端的4个电机供电）；左右腿连接控制机构1中的伺服电机Ⅰ4控制腿部机构3中的髋关节机架12拥有一个左右转弯自由度；腿部机构3中的大腿杆16和小腿杆19在伺服电机Ⅱ26的驱动下，具有两个自由度，实现足端杆21抬脚及前行两个动作；柔性腰连接机构2用于实现俯仰、偏移、伸缩。
进一步地，可以设置所述左右腿部连接控制机构1包括：对称布置的伺服电机Ⅰ4、伺服电机支撑架5、支架定位套筒6、高强度轴承7、轴承内圈上支架8a、轴承内圈下支架8b、轴承外圈上支撑架10a、轴承外圈下支架10b、联轴器Ⅰ11，及将对称布置的左右伺服电机支撑架5进行连接的左右腿部上连接钢板9a，将对称布置的左右轴承外圈下支撑架10b进行连接的左右腿部下连接钢板9b；其中，轴承内圈上支撑架8a和轴承内圈下支架8b通过4个螺丝连接并限制高强度轴承7内圈的前后左右移动，伺服电机支撑架5与轴承外圈上支架10a之间通过支架定位套筒6来定位尺寸间隙，伺服电机支撑架5、轴承外圈上支撑架10a以及轴承外圈下支撑架10b通过四个长螺丝进行连接并且通过四个长螺丝限制高强度轴承7外圈的左右移动，伺服电机Ⅰ4固定在伺服电机支撑架5上，伺服电机Ⅰ4转轴以键连接的方式与联轴器Ⅰ11一端相连，联轴器Ⅰ11另一端通过4个螺钉固定在轴承内圈上支撑架8a上，左右腿上连接钢板9a、左右腿下连接钢板9b之间各用两个螺丝来连接。
进一步地，可以设置所述柔性腰部连接机构2包括：虎克铰Ⅰ27a、虎克铰Ⅱ27b、两个连接钢件28、液压缓冲器29；其中，虎克铰Ⅰ27a一端与一个连接钢件28一端、虎克铰Ⅱ27b一端与另一个连接钢件28一端通过焊接的方式进行连接，两个连接钢件28另一端通过液压缓冲器29连接（液压缓冲器29细的一端设有凸台与连接钢件28上的凹台焊接，液压缓冲器29粗的一端采用过盈配合与连接钢件28连接且沿着圆形外轮廓焊一圈；液压缓冲器29结构类似气筒），虎克铰Ⅰ27a另一端、虎克铰Ⅱ27b另一端分别与前后端腿部机构3中的髋关节机架12通过焊接的方式进行连接。
进一步地，可以设置所述腿部机构3包括：由髋关节机架12、摇杆Ⅰ13、摇杆Ⅱ17、连杆Ⅰ18构成的平行四边行机构，凸台14，对称连接的两个联轴器Ⅱ15，大腿杆16，小腿杆19，轴承端盖20，足端杆21，伺服电机Ⅱ26，转轴31，由连杆Ⅱ22、连杆Ⅲ23、连杆Ⅳ24、连杆Ⅴ25构成的缩放机构；其中平行四边行机构各机构之间通过转轴、轴承以及轴承端盖进行连接，缩放机构各机构之间通过转轴、轴承以及轴承端盖进行连接；其中，左右腿部连接控制机构1中的轴承内圈下支架8b与髋关节机架12顶面的凸台14通过自攻螺钉相连，伺服电机Ⅱ26固定在髋关节机架12的一侧面上，伺服电机Ⅱ26的转轴通过键连接的方式与一个联轴器Ⅱ15的一端连接，对称连接的另一个联轴器Ⅱ15另一端以键连接的方式与转轴31相连，通过转轴31把伺服电机Ⅱ26的动力传输给大腿杆16，大腿杆16在平行四边形机构的控制下，把动力传输给小腿杆19，小腿杆19经过缩放机构把动力传输给足端杆21。
进一步地，可以设置所述平行四边行机构及缩放机构的具体连接为：摇杆Ⅱ17的一端与大腿杆16的一端通过转轴31、轴承以及轴承端盖20安装在髋关节机架12的侧面一端，摇杆Ⅰ13的一端与髋关节机架12的侧面中部、大腿杆16的另一端与小腿杆19的一端、摇杆Ⅱ17的另一端与连杆Ⅰ18的一端、连杆Ⅰ18的另一端与摇杆Ⅰ13的另一端及小腿杆19的中部、小腿杆19的另一端与连杆Ⅲ23及连杆Ⅳ24的一端、连杆Ⅳ24的另一端与连杆Ⅴ25的中部、连杆Ⅴ25的一端与髋关节机架12的侧面的另一端、连杆Ⅴ25的另一端与连杆Ⅱ22的一端、连杆Ⅱ22的中部与连杆Ⅲ23的另一端、连杆Ⅱ22的另一端与足端杆21的一端通过转轴、轴承以及轴承端盖20进行连接，轴承端盖20通过4个螺钉固定在各机构上。
本发明的工作原理是：
具有柔性腰的四足机器人行走时，大腿杆16和小腿杆19在伺服电机Ⅱ26的驱动下，具有两个自由度：单腿髋关节机架12上的伺服电机Ⅱ26，在大腿杆16、小腿杆19以及缩放机构的作用下，控制机器人足端杆21的抬脚与前行；髋关节机架12拥有一个自由度：左右腿连接控制机构1上单个伺服电机Ⅰ4通过转轴控制通过依次通过联轴器Ⅰ11、轴承内圈上支架8a、轴承内圈下支架8b连接的髋关节机架12的左右转弯。其余三条腿的工作原理相同。
当机器人转弯或前行时，在虎克铰Ⅰ27a、虎克铰Ⅱ27b和液压缓冲器29的作用下，使机器人在较小的空间内实现俯仰、偏移、伸缩（较小的空间是，此机器人转弯的时候不像以往的机器人需要转一个大弯。在柔性腰的带动下，理想状态下，当机器人转弯时可以保持后脚不动，前脚转弯就像人那样，基本实现原地转弯。俯仰、偏移通过虎克铰实现；伸缩通过液压缓冲器29实现）。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种具有柔性腰的四足行走机器人，其特征在于：包括两组结构相同的左右腿连接控制机构（1）、柔性腰连接机构（2）、四条结构相同的腿部机构（3）、电源箱Ⅰ（30a）、电源箱Ⅱ（30b）；其中，位于前端的两条腿部结构（3）通过一组左右腿连接控制机构（1）连接，位于后端的两条腿部结构（3）通过另一组左右腿连接控制机构（1）连接，前后端两条腿部结构（3）之间通过柔性腰部连接机构（2）相连；电源箱Ⅰ（30a）、电源箱Ⅱ（30b）用于供电；左右腿连接控制机构（1）中的伺服电机Ⅰ（4）控制腿部机构（3）中的髋关节机架（12）拥有一个左右转弯自由度；腿部机构（3）中的大腿杆（16）和小腿杆（19）在伺服电机Ⅱ（26）的驱动下，具有两个自由度，实现足端杆（21）抬脚及前行两个动作；柔性腰连接机构（2）用于实现俯仰、偏移、伸缩。
2.根据权利要求1所述的具有柔性腰的四足行走机器人，其特征在于：所述左右腿部连接控制机构（1）包括：对称布置的伺服电机Ⅰ（4）、伺服电机支撑架（5）、支架定位套筒（6）、高强度轴承（7）、轴承内圈上支架（8a）、轴承内圈下支架（8b）、轴承外圈上支撑架（10a）、轴承外圈下支架（10b）、联轴器Ⅰ（11），及将对称布置的左右伺服电机支撑架（5）进行连接的左右腿部上连接钢板（9a），将对称布置的左右轴承外圈下支撑架（10b）进行连接的左右腿部下连接钢板（9b）；其中，轴承内圈上支撑架（8a）和轴承内圈下支架（8b）通过螺丝连接并限制高强度轴承（7）内圈的前后左右移动，伺服电机支撑架（5）与轴承外圈上支架（10a）之间通过支架定位套筒（6）来定位尺寸间隙，伺服电机支撑架（5）、轴承外圈上支撑架（10a）以及轴承外圈下支撑架（10b）通过长螺丝进行连接并且通过长螺丝限制高强度轴承（7）外圈的左右移动，伺服电机Ⅰ（4）固定在伺服电机支撑架（5）上，伺服电机Ⅰ（4）转轴以键连接的方式与联轴器Ⅰ（11）一端相连，联轴器Ⅰ（11）另一端通过螺钉固定在轴承内圈上支撑架（8a）上，左右腿上连接钢板（9a）、左右腿下连接钢板（9b）之间通过螺丝来连接。
3.根据权利要求1所述的具有柔性腰的四足行走机器人，其特征在于：所述柔性腰部连接机构（2）包括：虎克铰Ⅰ（27a）、虎克铰Ⅱ（27b）、两个连接钢件（28）、液压缓冲器（29）；其中，虎克铰Ⅰ（27a）一端与一个连接钢件（28）一端、虎克铰Ⅱ（27b）一端与另一个连接钢件（28）一端通过焊接的方式进行连接，两个连接钢件（28）另一端通过液压缓冲器（29）连接，虎克铰Ⅰ（27a）另一端、虎克铰Ⅱ（27b）另一端分别与前后端腿部机构（3）中的髋关节机架（12）通过焊接的方式进行连接。
4.根据权利要求1所述的具有柔性腰的四足行走机器人，其特征在于：所述腿部机构（3）包括：由髋关节机架（12）、摇杆Ⅰ（13）、摇杆Ⅱ（17）、连杆Ⅰ（18）构成的平行四边行机构，凸台（14），对称连接的两个联轴器Ⅱ（15），大腿杆（16），小腿杆（19），轴承端盖（20），足端杆（21），伺服电机Ⅱ（26），转轴（31），由连杆Ⅱ（22）、连杆Ⅲ（23）、连杆Ⅳ（24）、连杆Ⅴ（25）构成的缩放机构；其中平行四边行机构各机构之间通过转轴、轴承以及轴承端盖进行连接，缩放机构各机构之间通过转轴、轴承以及轴承端盖进行连接；其中，左右腿部连接控制机构（1）中的轴承内圈下支架（8b）与髋关节机架（12）顶面的凸台（14）通过自攻螺钉相连，伺服电机Ⅱ（26）固定在髋关节机架（12）的一侧面上，伺服电机Ⅱ（26）的转轴通过键连接的方式与一个联轴器Ⅱ（15）的一端连接，对称连接的另一个联轴器Ⅱ（15）另一端以键连接的方式与转轴（31）相连，通过转轴（31）把伺服电机Ⅱ（26）的动力传输给大腿杆（16），大腿杆（16）在平行四边形机构的控制下，把动力传输给小腿杆（19），小腿杆（19）经过缩放机构把动力传输给足端杆（21）。
5.根据权利要求4所述的具有柔性腰的四足行走机器人，其特征在于：所述平行四边行机构及缩放机构的具体连接为：摇杆Ⅱ（17）的一端与大腿杆（16）的一端通过转轴（31）、轴承以及轴承端盖（20）安装在髋关节机架（12）的侧面一端，摇杆Ⅰ（13）的一端与髋关节机架（12）的侧面中部、大腿杆（16）的另一端与小腿杆（19）的一端、摇杆Ⅱ（17）的另一端与连杆Ⅰ（18）的一端、连杆Ⅰ（18）的另一端与摇杆Ⅰ（13）的另一端及小腿杆（19）的中部、小腿杆（19）的另一端与连杆Ⅲ（23）及连杆Ⅳ（24）的一端、连杆Ⅳ（24）的另一端与连杆Ⅴ（25）的中部、连杆Ⅴ（25）的一端与髋关节机架（12）的侧面的另一端、连杆Ⅴ（25）的另一端与连杆Ⅱ（22）的一端、连杆Ⅱ（22）的中部与连杆Ⅲ（23）的另一端、连杆Ⅱ（22）的另一端与足端杆（21）的一端通过转轴、轴承以及轴承端盖（20）进行连接。
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