CN108773426A - 单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，包括躯干传动系统和设置在躯干传动系统上的四条弹性腿，躯干传动系统包括躯干、设置在躯干上的电机、安装在电机输出端上的大齿轮、与大齿轮啮合的两个小齿轮、设置在躯干上的两个蜗杆和两个蜗轮轴、安装每个蜗轮轴上的两个蜗轮，蜗轮与蜗杆啮合，每个蜗轮轴的两端均穿出至躯干外且连接有输出轴，在每个输出轴旁的躯干上还设置有转动杆轴，四条弹性腿均包括与对应输出轴连接的曲柄、与曲柄固连的大腿、与大腿端部铰接的小腿、与小腿端部铰接的足部，曲柄的端部通过转动轴连接有转动杆，转动杆与对应的转动杆轴连接。本发明采用单一动力源，相对于传统机器人动力和控制系统更加简单。

Description

单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人

技术领域

本发明涉及一种单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，属于仿生机器人领域。

背景技术

机器人是集机械、电子、计算机、传感器、控制技术等多门学科为一体的综合技术，反 应了一个国家的智能化和自动化的研究水平，同时也是一个国家高科技技术的综合表现。足 式机器人有优于轮式、履带式和蠕动式机器人的出色表现，拥有多种步态，而且具有一定的 越障功能，这大大提高了机器人的应用范围，特别是在复杂地形条件下进行探险、勘察、军 事等领域都能得到广泛的应用。

目前关于绝大多数仿生多足机器人的研究，均采用多个动力源使足式机器人的控制较为 复杂，如果采用单个动力源控制足式机器人的运动，会使机器人的运动更加简单，协调。生 物学家对猫科动物进行了研究，发现其在运动过程中，弹性的腿部结构可以减少与地面的冲 击力，既能提高运动速度，又能提高能量利用率。

中国专利(CN2015104059.1)公开的一种四足机器人，其特征在于该机器人包括机架、防 尘罩和结构完全相同机械腿；机架内安装有十二个伺服电机，包括4个提升电机、4个推动 电机和4个摆动电机，用于驱动四条机械腿，每三个电机控制一条机械腿，实现机械腿的起 落、前进、后退以及侧摆运动。该专利的四足机器人采驱动较多，控制较为复杂；采用刚性 结构的机械腿，使机器人与地面的冲击力较大，不利于机器人的快速行走。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括躯干传动系统和设置在躯干传动系统上的四条弹性腿， 所述躯干传动系统包括躯干、设置在躯干上的电机、安装在电机输出端上的大齿轮、与大齿 轮啮合的两个小齿轮、设置在躯干上的两个蜗杆和两个蜗轮轴、安装每个蜗轮轴上的两个蜗 轮，两个小齿轮分别安装在两个蜗杆的端部，蜗轮与蜗杆啮合，蜗杆与蜗轮轴垂直设置，每 个蜗轮轴的两端均穿出至躯干外且连接有输出轴，在每个输出轴旁的躯干上还设置有转动杆 轴，四条弹性腿结构相同、均包括与对应输出轴连接的曲柄、与曲柄固连的大腿、与大腿端 部铰接的小腿、与小腿端部铰接的足部，大腿与小腿的铰接点构成膝关节，小腿端部与足部 的铰接点是在足部的三分之一处且铰接点构成踝关节，在足部的上端部与大腿的三分之一处 之间设置有连杆，曲柄的端部通过转动轴连接有转动杆，转动杆与对应的转动杆轴连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.每条弹性腿还包括缓冲装置，所述缓冲装置包括与大腿三分之一处铰接的直线轴承 座、安装在直线轴承座上的直线轴承、设置在线轴承内的导杆、套在导杆外的压簧，导杆的 端部与踝关节处铰接。

2.导杆的末端设置有限位销。

3.输出轴、曲柄、转动杆与躯干构成一曲柄摇杆机构，大腿、小腿、连杆和足部构成一 平行四边形机构，平行四边形机构通过大腿顶端固连在曲柄的三分之一处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明采用齿轮传动与涡轮蜗杆新型传动方 式，使机器人的两侧腿运动更加协调、稳定。2、本发明中的机器人采用单一动力源，相对于 传统机器人动力和控制系统更加简单。3、本发明在机器人弹性腿部加了一个缓冲装置，使机 器人在落地时具有一个缓冲过程，减小了落地时地面对机器人的冲击力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的躯干传动系统示意图；

图3为本发明的腿部部示意图；

图中标号：1.躯干传动系统，2.电机，3.弹性腿，4.躯干，5.大齿轮，6.小齿轮，，7.蜗 杆，8.蜗轮，9.输出轴，10.转动杆轴，11.曲柄，12.大腿，13.膝关节，14.导杆，15.压簧，16. 小腿，17.足部，18.限位销，19.踝关节，20.连杆，21.直线轴承，22.直线轴承座，23.转动轴， 24.转动杆。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，下面结合附图对本发明做 更详细的描述。

如图1所示，本发明有以下几部分组成：躯干传动系统1、电机2、弹性腿3，四条腿的结构和运动原理完全相同。电机2安装在躯干的顶端，为躯干传动系统1的动力源。

如图2所示，本发明躯干传动系统1主要由躯干4、大齿轮5、小齿轮6、蜗杆7、涡轮8、传动轴9、曲柄轴10组成。电机2带动大齿轮5转动，大齿轮5与两侧小齿轮6啮合， 两侧小齿轮6与两侧蜗杆7共轴转动，两侧蜗杆7同时与四个腿部输出轴9相连的涡轮8啮 合。另外，转动杆轴10分别固定在图示位置中输出轴9的一侧。

如图3所示：弹性腿3由曲柄11、大腿12、小腿16、足部17、导杆14、直线轴承21、 直线轴承座22、压簧15、连杆20、限位销18、转动轴23、转动杆24组成。曲柄11的一端 安装在输出轴9上，大腿12的一端与曲柄11固连，大腿12与小腿16连接形成膝关节13， 小腿16的一端与足部17的三分之一处连接形成踝关节19。直线轴承座22的一端与大腿12 的三分之一处通过转动副连接，直线轴承21通过过盈配合安装在直线轴承座22上，导杆14 的一端套在直线轴承21里，导杆14的另一端与足部17在踝关节19处连接，压簧15套在导 杆14上。连杆20的一端通过转动副连接在大腿12的三分之一处，另一端与足部17的一端 通过转动副连接。限位销18用来限制足部16的运动范围。转动杆24一端与曲柄11通过转 动轴23组成转动副，转动杆24的另一端与转动杆轴10组成转动副。

实施方式1：

通过电机2转动，带动大齿轮5、小齿轮6、蜗杆7、蜗杆8、输出轴9的转动，并且带 动曲柄11的转动，以及转动杆24绕转动杆轴10转动，从而带动四足机器人两侧处于不同转 动角度的弹性腿3的运动，最终实现机器人的行走。

实施方式2：

腿部机构主要实现行走。当四足机器人行走时，弹性腿3落地时足部17尾端与地面接触， 足部17带动压簧15作压缩运动，连杆20转动，能实现了膝关节13和踝关节19的运动。弹 性腿3抬起时，压簧15处于自然伸长状态，从而带动膝关节13和踝关节19的恢复自然状态。

本发明的目的在于提供一种单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人。目前四足机器人 大多采用多个动力源，同时腿部大多都是采用的刚性结构，这大大的影响了机器人的运动以 及灵活性。带弹性腿的仿生四足机器人能比较真实的反应动物的运动特征，这种结构使得机 器人的运动更加稳定，更加协调、更加灵活。对于仿生四足机器人采用单一的动力源能够使 腿部运动更加协调，控制较为容易。

单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，该机器人包括躯干传动系统、动力源电机以 及安装于躯干上的四条弹性腿。四条弹性腿安装在躯干前后两侧的下方，动力源电机只有一 个，安装在躯干顶端，躯干传动系统由一个与电机输出轴相连的大齿轮、两个小齿轮、两个 蜗杆、四个涡轮组成，两个小齿轮布置在大齿轮两侧并分别与大齿轮啮合，两个蜗杆分别与 两个小齿轮同轴固连，两侧小齿轮与躯干底部的蜗杆同步转动，四个涡轮对称布置于躯干两 侧并分别与两个蜗杆啮合，四个涡轮各自与躯干的四个输出轴相连；

四条弹性腿的结构均相同，由曲柄、大腿、转动杆、小腿、足部、缓冲装置、连杆组成。 其中曲柄的一端与躯干的输出轴通过转动副相连，曲柄的另一端与转动杆通过转动副连接。 大腿的一端与曲柄固连，大腿的另一端与小腿的一端通过转动副相连构成膝关节，小腿的另 一端与足部在足部一端的三分之一处通过转动副连接构成踝关节。

弹性腿的缓冲装置由直线轴承、直线轴承座、导杆、压簧组成，直线轴承座与大腿在大 腿一端的三分之一处通过转动副相连，导杆端部与足部通过转动副相连，转动副的转动轴线 与小腿和足部的转动副轴线共线，直线轴承安装到直线轴承座上，导杆套在直线轴承里，导 杆可以在直线轴承里自由滑动，压簧套在导杆上，连杆与大腿通过转动副相连，转动副与直 线轴承座和大腿的转动副共轴线，连杆的另一端与足部的一端通过转动副相连。

弹性腿缓冲装置直线轴承座内部留有空隙，导杆可在空隙内滑动。

在弹性腿缓冲装置导杆的末端设置有限位销。

躯干的输出轴轴端为一曲柄，且四个输出曲柄相对于水平面各自有一定的偏转角度。

在躯干输出轴的一侧设置有转动杆轴，转动杆轴固定在躯干上，弹性腿的转动杆一端与 转动杆轴以转动副连接，另一端与承载杆(曲柄)转动副连接。

躯干输出轴、弹性腿承载杆(曲柄)、弹性腿转动杆与躯干构成一曲柄摇杆机构，弹性腿 的大腿、小腿、连杆和足部构成一平行四边形机构，平行四边形机构通过大腿顶端固连在承 载杆三分之一处。

Claims (4)

1.单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，包括躯干传动系统和设置在躯干传动系统上的四条弹性腿，其特征在于：所述躯干传动系统包括躯干、设置在躯干上的电机、安装在电机输出端上的大齿轮、与大齿轮啮合的两个小齿轮、设置在躯干上的两个蜗杆和两个蜗轮轴、安装每个蜗轮轴上的两个蜗轮，两个小齿轮分别安装在两个蜗杆的端部，蜗轮与蜗杆啮合，蜗杆与蜗轮轴垂直设置，每个蜗轮轴的两端均穿出至躯干外且连接有输出轴，在每个输出轴旁的躯干上还设置有转动杆轴，四条弹性腿结构相同、均包括与对应输出轴连接的曲柄、与曲柄固连的大腿、与大腿端部铰接的小腿、与小腿端部铰接的足部，大腿与小腿的铰接点构成膝关节，小腿端部与足部的铰接点是在足部的三分之一处且铰接点构成踝关节，在足部的上端部与大腿的三分之一处之间设置有连杆，曲柄的端部通过转动轴连接有转动杆，转动杆与对应的转动杆轴连接。

2.根据权利要求1所述的单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，其特征在于：每条弹性腿还包括缓冲装置，所述缓冲装置包括与大腿三分之一处铰接的直线轴承座、安装在直线轴承座上的直线轴承、设置在线轴承内的导杆、套在导杆外的压簧，导杆的端部与踝关节处铰接。

3.根据权利要求2所述的单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，其特征在于：导杆的末端设置有限位销。

4.根据权利要求3所述的单一动力源带有弹性腿的仿生四足机器人，其特征在于：输出轴、曲柄、转动杆与躯干构成一曲柄摇杆机构，大腿、小腿、连杆和足部构成一平行四边形机构，平行四边形机构通过大腿顶端固连在曲柄的三分之一处。