CN108927796B - 一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干和四个下肢，四个下肢均匀对称地分布在躯干下方的四角，且四个下肢的结构完全相同；躯干包括四个驱动单元、用于支撑驱动单元的躯干底板、深度视觉器和激光雷达；下肢包括踝关节、脚掌和腿部；腿部的上端固定连接驱动单元，腿部下端可转动连接踝关节的上端；踝关节的下端可转动连接脚掌的上端。本发明能提高仿生型腿足式机器人对不同地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的稳定性和可靠性，融合机器人深度视觉技术对机器人行走轨迹做出合理的路径规划，融合激光雷达技术进一步增强机器人与环境的交互能力，并简化了躯干及下肢的机械复杂度，降低控制难度、提高控制精度。

Description

一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台。

背景技术

目前，机器人依据移动方式分为仿生型腿足式机器人、轮式机器人、履带式机器人，其研究的主要目的是增强机器人移动系统的运动性能和机器人平台的搭载能力。其中，履带式机器人与轮式机器人的能源利用效率较高，机械复杂度低，控制简便，但在面对复杂地形环境时，传统的轮式机器人的静态稳定性和触地性能大大降低，而履带式机器人虽然能适当降低对地形及环境的要求，但也存在运动精度低、灵活性差、稳定性弱等劣势。然而，仿生型腿足式机器人则能较好的克服上述难题并使机器人整体性能得到极大提高。腿足式机器人将机器人腿部与地面的接触由连续态转变为离散点式，使其受力分布在脚掌与地面接触的离散点上，且其每条腿可执行不同的动作，并能够借助各腿之间的协作配合维持机器人整体稳定性及相应的操作，因此，腿足式机器人能够适应更复杂的地形，拥有良好的机器与环境的交互能力和较强的抗干扰能力。因此，是否能设计出功能更加多元、机构更加灵活、控制更加精确的腿足式机器人成为推动其发展的关键因素。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，克服现有机器人对不同地形的适应能力差、与地面接触的稳定性与可靠性差的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干和四个下肢，四个下肢均匀对称地分布在躯干下方的四角，且四个下肢的结构完全相同；所述躯干包括用于分别驱动每个下肢运动的四个驱动单元、用于支撑驱动单元的躯干底板、用于采集环境数据的深度视觉器和用于感知外部障碍的激光雷达；

所述下肢包括踝关节、脚掌和腿部；腿部的上端固定连接驱动单元，腿部下端可转动连接所述踝关节的上端；踝关节的下端可转动连接所述脚掌的上端；

所述踝关节包括与脚掌连接的支撑板、与支撑板前后两端可转动连接的支撑框、与支撑框左右两端可转动连接的支撑架、丝杆传动单元和用于控制踝关节的踝关节控制单元；所述丝杆传动单元上端固定在支撑架上部，丝杆传动单元下端的两个连接端通过两个第一连杆铰接支撑板的左右两端、通过两个第二连杆铰接支撑架的左右两端，用以实现控制支撑板的俯仰运动和翻转运动；

所述脚掌包括与踝关节连接的脚跟、倾斜布设的足弓、设于足弓上表面的脚掌控制单元和位于足弓端部的脚趾；所述足弓的两端通过扭簧分别与脚跟的上部和脚趾连接，扭簧能实现足弓与脚跟、脚趾之间的相对转动，使脚跟底面和脚趾能作为承重点与地面接触。

本发明还具有如下技术特征：

可选地，所述踝关节控制单元包括控制盒和传感器；控制盒安装在支撑架上，控制盒用于接收、处理踝关节上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节执行相应操作；

所述丝杆传动单元包括从下至上依次连接的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机、与丝杆同轴的丝杆运动导轨和连接支座；

所述丝杆一端通过螺纹与连接端实现固定连接，丝杆另一端与配置在电机的输出轴上的自锁主轴螺母机构相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构转动，进而带动丝杆上下运动，并通过踝关节控制单元中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机转动角度、控制电机的正反转，实现踝关节的上下运动和翻转运动；

所述丝杆与自锁主轴螺母机构啮合后引导入丝杆运动导轨内，丝杆运动导轨上端与连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部；所述自锁主轴螺母机构连接所述电机，所述电机为带减速器的线性无刷直流电机，在电机上部设有用于连接配重减振棒的连接口，配重减振棒用于丝杆传动单元运动时为第一连杆和第二连杆提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。

可选地，所述丝杆传动单元的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机和丝杆运动导轨均为平行并列设置的两个，两个丝杆运动导轨上端均与同一个连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部。

可选地，所述支撑板前后两端设有可旋转的第一支撑轴，在支撑板的左右两端设有可旋转的第二支撑轴，在第二支撑轴上开设有贯通的限位孔，支撑板下端设有脚掌连接件；

所述支撑架为倒Y形结构，支撑架的上端为腿部连接环，支撑架的倒Y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件。

可选地，所述支撑框为方形结构，支撑板通过第一支撑轴安装在支撑框的前后两条边上，第一支撑轴通过过盈配合与支撑框的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架下方的两个端部通过支架连接件连接在支撑框的左右两条边上，支架连接件与支撑架采用螺栓固定连接，支撑框相对于支撑架和支架连接件能够转动。

可选地，所述第一连杆上下两端均设有安装孔，第一连杆的下端安装孔套在第二支撑轴外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔并通过过盈配合与第一连杆实现固定连接；

所述第二连杆为H形结构，第二连杆的上端通过连杆连接轴与支撑架的第二连杆铰接件铰接；

所述第一连杆的上端、第二连杆的下端与丝杆传动单元下端的连接端通过连杆连接轴铰接。

可选地，所述脚掌控制单元通过螺钉与足弓固定连接，脚掌控制单元与足弓的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元不受外界环境的干扰；

在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓与脚跟、脚趾的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元判断脚掌当前状态提供状态参数；

所述脚跟下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；

所述脚趾部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。

可选地，在脚跟与足弓的端部之间设有弹性缆绳，弹性缆绳能够保证脚掌部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。

可选地，在脚跟的上端设有能将脚掌与踝关节可旋转连接的踝关节连接件，使两者有一定角度的偏转自由度，以缓解机器人遇到碰撞或干扰时对机器人稳定性的影响。

可选地，所述踝关节连接件与脚掌连接件可转动连接。

可选地，所述第一连杆与支撑板的左右两端能够采用球铰机构连接用以实现第一连杆与支撑板绕第一支撑轴做翻转运动。

可选地，所述四个驱动单元均匀对称地分布在躯干底板的四角；所述驱动单元包括电机、与电机连接并用于驱动腿部运动的电机转换构件、为电机供电的电源和电池；

电机通过电机固定件安装在躯干底板上，电机连接所述电机转换构件，电机转换构件下端固定连接所述腿部的上端；所述电池通过电池固定件安装在躯干底板的下部；所述电源通过电源连接件安装在电机上端。

可选地，在电源上端安装有为激光雷达和深度视觉器提供支撑的躯干顶板；

深度视觉器通过深度视觉支撑件连接在躯干顶板的前端，深度视觉器能采集其前进方向环境的相关数据并识别环境特征，可为四足机器人行走提供精确的路径规划；

激光雷达通过雷达固定件安装在躯干顶板的上表面，雷达固定件在设置在激光雷达的前后两侧面，雷达固定件通过螺栓与躯干顶板连接，激光雷达可感知机器人所处位置的外部障碍物情况，为机器人避障提供一定的参考并能保持机器人动态与静态稳定性。

可选地，所述躯干底板为王字形结构且两端为横杆结构，中间为横板结构；四个电机安装在中间横板的四角，四个电机转换构件位于两个横杆和中间横板之间的四个空位；

电机转换构件的一端连接所述电机，电机转换构件的另一端连接有固定板，固定板垂直于躯干底板且与躯干底板的两端横杆结构固定连接。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

本发明提供的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，可有效提高仿生型腿足式机器人对不同地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的稳定性和可靠性，融合机器人深度视觉技术对机器人行走轨迹做出合理的路径规划，融合激光雷达技术进一步增强机器人与环境的交互能力，并尽可能的简化机器人躯干及下肢的机械复杂度，降低控制难度、提高控制精度。

本发明的躯干前端设置有深度视觉器，用于机器人行走过程中对其周围环境的感知并给出合理的行走路径；机器人躯干顶板设置有激光雷达，用于感知机器人四周障碍物情况，并配合深度视觉器为机器人行走提供安全可靠的行走路径，且能使机器人迅速避开障碍物；将电机、电机转换构件、电池和电源统一集成在躯干上，使其机构紧凑、控制灵活、反应迅速，大大提高了四足机器人控制精度，显著改善了其运动协调性和连贯性。

本发明的踝关节与脚掌，能够有效提高腿式机器人对复杂地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的可靠性，提高机器人在不规则地形环境下行走稳定性，扩充机器人脚掌与环境的交互能力，并相应降低了脚掌的机械复杂度，提高了踝关节与脚掌的控制精度。

本发明提供的踝关节与脚掌，踝关节部分，将支撑板与第一连杆通过连杆连接轴进行连接，且第一连杆能够带动内支撑体做旋转运动，大大降低了机构复杂度，提高了机器人运动平稳性，使机器人踝关节具有一定的柔性；采用左右对称的两个四连杆实现踝关节的俯仰运动和翻转运动，运动稳定性高且易于控制；采用自锁丝杆主轴螺母机构为两个四连杆机构提供动力，在踝关节处于稳定状态时，丝杆传动单元的自锁功能能够保证机器人的动作稳定性，并能够在机器人由稳定态转为运动态时提高系统的响应时间，并且丝杆传动单元与支撑架采用铰接方式连接，因此其能够相对于支撑架转动，大幅增加了机器人在遇到外界撞击或复杂地形时的系统柔性和运动稳定性。

脚掌部分的脚跟与足弓、足弓与左右脚趾之间采用扭簧连接，并在脚掌部分设置了大量的用于获取机器人与地形环境的传感器，不但能够降低脚掌部分机械机构的复杂度，提高机器人整体控制精度，还能减轻脚掌部分整体质量，降低控制系统难度；另外，在脚跟与足弓之间设置了弹性缆绳，弹性缆绳外部由弹塑性良好的材料包覆，而且脚跟部位设置了弹性良好的橡胶材料用于降低脚掌触地时的振动对机器人本体的影响，并且弹性缆绳还能保证脚掌在遇到凸起障碍物时仍然能与地面有良好的接触，以确保机器人整体的动态稳定性和静态稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的躯干和腿部的整体结构示意图。

图3为本发明的电机的结构示意图。

图4为本发明的躯干底板的结构示意图。

图5为本发明的深度视觉支撑件的结构示意图。

图6为本发明的踝关节和脚掌的整体结构示意图。

图7为本发明的踝关节和脚掌的整体结构的侧视图。

图8为本发明的踝关节的整体结构示意图。

图9为本发明的支撑板的结构示意图。

图10为本发明的支撑架的结构示意图。

图11为本发明的第一连杆的结构示意图。

图12为本发明的第二连杆的结构示意图。

图中各标号表示为：1-下肢，2-躯干；

10-踝关节，20-脚掌，30-腿部，40-驱动单元，50-躯干底板，60-深度视觉器，70-激光雷达，80-躯干顶板，90-固定板；

11-支撑板，12-支撑框，13-支撑架，14-丝杆传动单元，15-踝关节控制单元，16-第一连杆，17-第二连杆；

111-第一支撑轴，112-第二支撑轴，113-限位孔，114-脚掌连接件；

131-腿部连接环，132-第二连杆铰接件，133-支架连接件；

141-连接端，142-丝杆，143-自锁主轴螺母机构，144-电机，145-丝杆运动导轨，146-连接支座，147-配重减振棒；

151-控制盒；

161-安装孔；

21-脚跟，22-足弓，23-脚掌控制单元，24-脚趾，25-弹性缆绳；

211-踝关节连接件；

41-电机，42-电机转换构件，43-电源，44-电池；

61-深度视觉支撑件；

71-雷达固定件。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1至图12所示，一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干2和四个下肢1，四个下肢1均匀对称地分布在躯干2下方的四角，且四个下肢1的结构完全相同；躯干2包括用于分别驱动每个下肢1运动的四个驱动单元40、用于支撑驱动单元40的躯干底板50、用于采集环境数据的深度视觉器60和用于感知外部障碍的激光雷达70；下肢包括踝关节10、脚掌20和腿部30；腿部30的上端固定连接驱动单元40，腿部30下端可转动连接所述踝关节10的上端；踝关节10的下端可转动连接所述脚掌20的上端。

踝关节10包括与脚掌20连接的支撑板11、与支撑板11前后两端可转动连接的支撑框12、与支撑框12左右两端可转动连接的支撑架13、丝杆传动单元14和用于控制踝关节10的踝关节控制单元15；所述丝杆传动单元14上端固定在支撑架13上部，丝杆传动单元14下端的两个连接端141通过两个第一连杆16铰接支撑板11的左右两端、通过两个第二连杆17铰接支撑架13的左右两端，用以实现支撑板11的俯仰运动和翻转运动；踝关节部分，将支撑板与第一连杆通过连杆连接轴进行连接，且第一连杆能够带动内支撑体做旋转运动，大大降低了机构复杂度，提高了机器人运动平稳性，使机器人踝关节具有一定的柔性；采用左右对称的两个四连杆实现踝关节的俯仰运动和翻转运动，运动稳定性高且易于控制；采用自锁丝杆主轴螺母机构为两个四连杆机构提供动力，在踝关节处于稳定状态时，丝杆传动单元的自锁功能能够保证机器人的动作稳定性，并能够在机器人由稳定态转为运动态时提高系统的响应时间，并且丝杆传动单元与支撑架采用铰接方式连接，因此其能够相对于支撑架转动，大幅增加了机器人在遇到外界撞击或复杂地形时的系统柔性和运动稳定性。

脚掌20包括与踝关节10连接的脚跟21、倾斜布设的足弓22、设于足弓22上表面的脚掌控制单元23和位于足弓22端部的脚趾24；所述足弓22的两端通过扭簧分别与脚跟21的上部和脚趾24连接，扭簧能实现足弓22与脚跟21、脚趾24之间的相对转动，使脚跟21底面和脚趾24能作为承重点与地面接触。脚掌部分的脚跟与足弓、足弓与左右脚趾之间采用扭簧连接，并在脚掌部分设置了大量的用于获取机器人与地形环境的传感器，不但能够降低脚掌部分机械机构的复杂度，提高机器人整体控制精度，还能减轻脚掌部分整体质量，降低控制系统难度；另外，在脚跟与足弓之间设置了弹性缆绳，弹性缆绳外部由弹塑性良好的材料包覆，而且脚跟部位设置了弹性良好的橡胶材料用于降低脚掌触地时的振动对机器人本体的影响，并且弹性缆绳还能保证脚掌在遇到凸起障碍物时仍然能与地面有良好的接触，以确保机器人整体的动态稳定性和静态稳定性。

本发明提供的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，可有效提高仿生型腿足式机器人对不同地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的稳定性和可靠性，融合机器人深度视觉技术对机器人行走轨迹做出合理的路径规划，融合激光雷达技术进一步增强机器人与环境的交互能力，并最尽可能的简化机器人本体及脚部的机械复杂度，降低控制难度、提高控制精度。

本实施方式中，踝关节控制单元15包括控制盒151和传感器；控制盒151安装在支撑架13上，控制盒151用于接收、处理踝关节10上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节10执行相应操作。

丝杆传动单元14包括从下至上依次连接的连接端141、丝杆142、自锁主轴螺母机构143、电机144、与丝杆142同轴的丝杆运动导轨145和连接支座146；本实施方式中的连接端141为倒U形结构，丝杆142一端通过螺纹与连接端141顶部实现固定连接，丝杆142另一端与配置在电机144的输出轴上的自锁主轴螺母机构143相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构143转动，进而带动丝杆142上下运动，并通过踝关节控制单元15中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机144转动角度、控制电机144的正反转，实现踝关节10的上下运动和翻转运动；丝杆142与自锁主轴螺母机构143啮合后引导入丝杆运动导轨145内，丝杆运动导轨145上端与连接支座146铰接，连接支座146固定在支撑架13上部；所述自锁主轴螺母机构143连接所述电机144，所述电机144为带减速器的线性无刷直流电机，在电机144上部设有用于连接配重减振棒147的连接口，配重减振棒147用于丝杆传动单元14运动时为第一连杆16和第二连杆17提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。

在本实施方式中，丝杆传动单元14的连接端141、丝杆142、自锁主轴螺母机构143、电机144和丝杆运动导轨145均为平行并列设置的两个，两个丝杆运动导轨145上端均与同一个连接支座146铰接，连接支座146固定在支撑架13上部。当两电机144接收到踝关节控制单元15发出的同向旋转信号后，自锁主轴螺母机构143会推动丝杆142进而驱动第一连杆16、第二连杆17、支撑框12、支撑板11绕支撑架13做一定角度的俯仰运动；当两电机144接收到踝关节控制单元15发出的异向旋转信号后，自锁主轴螺母机构143会推动丝杆142进而驱动第一连杆16、第二连杆17、支撑框12、支撑板11绕第一支撑轴111做一定角度的翻转运动，进而保持机器人整体的运动稳定性。

本实施方式中，支撑板11前后两端设有可旋转的第一支撑轴111，在支撑板11的左右两端设有可旋转的第二支撑轴112，在第二支撑轴112上开设有贯通的限位孔113，支撑板11下端设有脚掌连接件114；优选的，在支撑板11上设有贯通孔，从而减轻踝关节的重量；支撑架13为倒Y形结构，支撑架13的上端为腿部连接环131，支撑架13的倒Y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件132。

具体的，支撑框12为方形结构，支撑板11通过第一支撑轴111安装在支撑框12的前后两条边上，第一支撑轴111通过过盈配合与支撑框12的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架13下方的两个端部通过支架连接件133连接在支撑框12的左右两条边上，支架连接件133与支撑架13采用螺栓固定连接，支撑框12相对于支撑架13和支架连接件133能够转动。

具体的，第一连杆16上下两端均设有安装孔161，第一连杆16的下端安装孔161套在第二支撑轴112外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔113并通过过盈配合与第一连杆16的下端安装孔161内壁实现固定连接；第二连杆17为H形结构，第二连杆17的上端铰接夹板通过连杆连接轴与支撑架13的第二连杆铰接件132铰接；第一连杆16的上端的安装孔161、第二连杆17的下端的交接夹板与丝杆传动单元14下端的连接端的U形的铰接夹板通过连杆连接轴铰接，其中，第一连杆16的上端的安装孔161位于丝杆传动单元14下端的连接端的U形的铰接夹板之间，丝杆传动单元14下端的连接端的U形的铰接夹板位于第二连杆17的下端的交接夹板之间，从而实现三个部件的铰接。

在本实施方式中，脚掌控制单元23通过螺钉与足弓22固定连接，脚掌控制单元23与足弓22的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元23不受外界环境的干扰；在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓22与脚跟21、脚趾24的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元23；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元23判断脚掌20当前状态提供状态参数；脚跟21下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟21与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；脚趾24部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。具体的，在本实施方式中，脚趾24设有两个，分别为左脚趾和右脚趾，提高脚掌20的稳定性和灵活性。

优选的，在脚跟21与足弓22的端部之间设有弹性缆绳25，弹性缆绳25能够保证脚掌20部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。

具体的，在脚跟21的上端设有能将脚掌20与踝关节10可旋转连接的踝关节连接件211，使两者有一定角度的偏转自由度，以缓解机器人遇到碰撞或干扰时对机器人稳定性的影响。

更具体的，踝关节连接件211与脚掌连接件114可转动连接。

在其他实施方式中，第一连杆16与支撑板11的左右两端能够采用球铰机构连接用以实现第一连杆16与支撑板11绕第一支撑轴111做翻转运动。

在本实施方式中，四个驱动单元40均匀对称地分布在躯干底板50的四角；所述驱动单元40包括电机41、与电机41连接并用于驱动腿部30运动的电机转换构件42、为电机41供电的电源43和电池44；电机41通过电机固定件安装在躯干底板50上，电机41连接所述电机转换构件42，电机41与电机转换构件42均为常规零部件，且两者之间的连接方式为常规连接方式；电机转换构件42下端固定连接所述腿部30的上端；所述电池44通过电池固定件安装在躯干底板50的下部；所述电源43通过电源连接件安装在电机41上端。电机41与电机转换构件42相连接，电机转换构件42纵向方向与腿部相连接，此种连接方式可实现电机41的动力通过电机转换构件42将动力传递到下肢1上，以实现腿部的左右摆动运动。

具体的，在电源43上端安装有为激光雷达70和深度视觉器60提供支撑的躯干顶板80；深度视觉器60通过深度视觉支撑件61连接在躯干顶板80的前端，深度视觉器60能采集其前进方向环境的相关数据并识别环境特征，可为四足机器人行走提供精确的路径规划；激光雷达70通过雷达固定件71安装在躯干顶板80的上表面，雷达固定件71在设置在激光雷达70的前后两侧面，雷达固定件71通过螺栓与躯干顶板80连接，激光雷达70可感知机器人所处位置的外部障碍物情况，为机器人避障提供一定的参考并能保持机器人动态与静态稳定性。

更具体的，躯干底板50为王字形结构且两端为横杆结构，中间为横板结构；四个电机41安装在中间横板的四角，四个电机转换构件42位于两个横杆和中间横板之间的四个空位；电机转换构件42的一端连接所述电机41，电机转换构件42的另一端连接有固定板90，固定板90垂直于躯干底板50且与躯干底板50的两端横杆结构固定连接。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种基于生物学特征的四足仿生机器人平台，包括躯干(2)和四个下肢(1)，四个下肢(1)均匀对称地分布在躯干(2)下方的四角，且四个下肢(1)的结构完全相同；其特征在于，所述躯干(2)包括用于分别驱动每个下肢(1)运动的四个驱动单元(40)、用于支撑驱动单元(40)的躯干底板(50)、用于采集环境数据的深度视觉器(60)和用于感知外部障碍的激光雷达(70)；

所述下肢(1)包括踝关节(10)、脚掌(20)和腿部(30)；腿部(30)的上端固定连接驱动单元(40)，腿部(30)下端可转动连接所述踝关节(10)的上端；踝关节(10)的下端可转动连接所述脚掌(20)的上端；

所述踝关节(10)包括与脚掌(20)连接的支撑板(11)、与支撑板(11)前后两端可转动连接的支撑框(12)、与支撑框(12)左右两端可转动连接的支撑架(13)、丝杆传动单元(14)和用于控制踝关节(10)的踝关节控制单元(15)；所述丝杆传动单元(14)上端固定在支撑架(13)上部，丝杆传动单元(14)下端的两个连接端(141)通过两个第一连杆(16)铰接支撑板(11)的左右两端、通过两个第二连杆(17)铰接支撑架(13)的左右两端，用以实现控制支撑板(11)的俯仰运动和翻转运动；

所述脚掌(20)包括与踝关节(10)连接的脚跟(21)、倾斜布设的足弓(22)、设于足弓(22)上表面的脚掌控制单元(23)和位于足弓(22)端部的脚趾(24)；所述足弓(22)的两端通过扭簧分别与脚跟(21)的上部和脚趾(24)连接，扭簧能实现足弓(22)与脚跟(21)、脚趾(24)之间的相对转动，使脚跟(21)底面和脚趾(24)能作为承重点与地面接触；

所述踝关节控制单元(15)包括控制盒(151)和传感器；控制盒(151)安装在支撑架(13)上，控制盒(151)用于接收、处理踝关节(10)上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节(10)执行相应操作；

所述丝杆传动单元(14)包括从下至上依次连接的连接端(141)、丝杆(142)、自锁主轴螺母机构(143)、电机(144)、与丝杆(142)同轴的丝杆运动导轨(145)和连接支座(146)；

所述丝杆(142)一端通过螺纹与连接端(141)实现固定连接，丝杆(142)另一端与配置在电机(144)的输出轴上的自锁主轴螺母机构(143)相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构(143)转动，进而带动丝杆(142)上下运动，并通过踝关节控制单元(15)中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机(144)转动角度、控制电机(144)的正反转，实现踝关节(10)的上下运动和翻转运动；

所述丝杆(142)与自锁主轴螺母机构(143)啮合后引导入丝杆运动导轨(145)内，丝杆运动导轨(145)上端与连接支座(146)铰接，连接支座(146)固定在支撑架(13)上部；所述自锁主轴螺母机构(143)连接所述电机(144)，所述电机(144)为带减速器的线性无刷直流电机，在电机(144)上部设有用于连接配重减振棒(147)的连接口，配重减振棒(147)用于丝杆传动单元(14)运动时为第一连杆(16)和第二连杆(17)提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响；

所述支撑板(11)前后两端设有可旋转的第一支撑轴(111)，在支撑板(11)的左右两端设有可旋转的第二支撑轴(112)，在第二支撑轴(112)上开设有贯通的限位孔(113)，支撑板(11)下端设有脚掌连接件(114)；

所述支撑架(13)为倒Y形结构，支撑架(13)的上端为腿部连接环(131)，支撑架(13)的倒Y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件(132)。

2.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述支撑框(12)为方形结构，支撑板(11)通过第一支撑轴(111)安装在支撑框(12)的前后两条边上，第一支撑轴(111)通过过盈配合与支撑框(12)的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架(13)下方的两个端部通过支架连接件(133)连接在支撑框(12)的左右两条边上，支架连接件(133)与支撑架(13)采用螺栓固定连接，支撑框(12)相对于支撑架(13)和支架连接件(133)能够转动。

3.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述第一连杆(16)上下两端均设有安装孔(161)，第一连杆(16)的下端安装孔(161)套在第二支撑轴(112)外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔(113)并通过过盈配合与第一连杆(16)实现固定连接；

所述第二连杆(17)为H形结构，第二连杆(17)的上端通过连杆连接轴与支撑架(13)的第二连杆铰接件(132)铰接；

所述第一连杆(16)的上端、第二连杆(17)的下端与丝杆传动单元(14)下端的连接端通过连杆连接轴铰接。

4.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述脚掌控制单元(23)通过螺钉与足弓(22)固定连接，脚掌控制单元(23)与足弓(22)的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元(23)不受外界环境的干扰；

在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓(22)与脚跟(21)、脚趾(24)的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元(23)；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元(23)判断脚掌(20)当前状态提供状态参数；

所述脚跟(21)下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟(21)与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；

所述脚趾(24)部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。

5.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，在脚跟(21)与足弓(22)的端部之间设有弹性缆绳(25)，弹性缆绳(25)能够保证脚掌(20)部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。

6.如权利要求1所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述四个驱动单元(40)均匀对称地分布在躯干底板(50)的四角；所述驱动单元(40)包括电机(41)、与电机(41)连接并用于驱动腿部(30)运动的电机转换构件(42)、为电机(41)供电的电源(43)和电池(44)；

电机(41)通过电机固定件安装在躯干底板(50)上，电机(41)连接所述电机转换构件(42)，电机转换构件(42)下端固定连接所述腿部(30)的上端；所述电池(44)通过电池固定件安装在躯干底板(50)的下部；所述电源(43)通过电源连接件安装在电机(41)上端。

7.如权利要求6所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，在电源(43)上端安装有为激光雷达(70)和深度视觉器(60)提供支撑的躯干顶板(80)；

深度视觉器(60)通过深度视觉支撑件(61)连接在躯干顶板(80)的前端，深度视觉器(60)能采集其前进方向环境的相关数据并识别环境特征，可为四足机器人行走提供精确的路径规划；

激光雷达(70)通过雷达固定件(71)安装在躯干顶板(80)的上表面，雷达固定件(71)在设置在激光雷达(70)的前后两侧面，雷达固定件(71)通过螺栓与躯干顶板(80)连接，激光雷达(70)可感知机器人所处位置的外部障碍物情况，为机器人避障提供一定的参考并能保持机器人动态与静态稳定性。

8.如权利要求7所述的基于生物学特征的四足仿生机器人平台，其特征在于，所述躯干底板(50)为王字形结构且两端为横杆结构，中间为横板结构；四个电机(41)安装在中间横板的四角，四个电机转换构件(42)位于两个横杆和中间横板之间的四个空位；

电机转换构件(42)的一端连接所述电机(41)，电机转换构件(42)的另一端连接有固定板(90)，固定板(90)垂直于躯干底板(50)且与躯干底板(50)的两端横杆结构固定连接。

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