CN109606501A - 基于四连杆机构的四足机器人 - Google Patents

基于四连杆机构的四足机器人 Download PDF

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Abstract

基于四连杆机构的四足机器人，包括底座和腿；四条腿两两对称安装在底座前端两侧和后端两侧；腿包括基座、四连杆机构、电机B、横杆、联接器、竖杆及剪叉式伸缩架；四连杆机构为平面铰链四连杆机构，其包括曲柄、摇杆和连杆；曲柄和摇杆的前端分别铰接在基座上，曲柄的后端与铰接连杆的前端铰接，摇杆的后端与连杆中部铰接；电机B驱动曲柄绕其前端铰接处转动；剪叉式伸缩架从上端至下端设有多个铰接点，剪叉式伸缩架在其最上端的铰接点处与联接器连接，并通过除最下端铰接点外的任一铰接点与竖杆下端端头连接。本发明的优点在于，四足机器人的腿采用了四连杆机构驱动，仅需一个电机驱动即可实现行走功能，其制造成本较低，电控设计难度较小。

Description

基于四连杆机构的四足机器人
技术领域
本发明涉及足式机器人技术领域，特别是一种基于四连杆机构的四足机器人。
背景技术
足式机器人是集机械、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、勘察等领域都能得到广泛的应用。
足式机器人中以四足机器人尤为常见，现有四足机器人多为仿生式(仿狗或仿马)，其腿部运动解耦复杂，而且一条腿需要至少三个电机(脚踝处1个、膝盖处1个、髋部至少1个)驱动，每个迈步动作都需要脚踝、膝盖、髋部的电机差速正反转来实现，并且这三处的电机要求耦合良好，对电控要求十分的高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种基于四连杆机构的四足机器人。它解决了现有的仿生式四足机器人单条腿需要至少三个电机驱动，其制造成本高及电控设计难度大的问题。
本发明的技术方案是：基于四连杆机构的四足机器人，包括底座和腿；四条腿两两对称安装在底座前端两侧和后端两侧；腿包括基座、四连杆机构、电机B、横杆、联接器、竖杆及剪叉式伸缩架；四连杆机构为平面铰链四连杆机构，其包括曲柄、摇杆和连杆；曲柄和摇杆的前端分别铰接在基座上，曲柄的后端与铰接连杆的前端铰接，摇杆的后端与连杆中部铰接；电机B固接在基座上，并与四连杆机构的曲柄关联，以驱动曲柄绕其前端铰接处转动；横杆呈水平布置，其两端分别连接在基座上；联接器活动套装在横杆上；竖杆呈竖直布置，其上端与四号杆的后端铰接，下端与联接器活动插装并从联接器内穿出；剪叉式伸缩架从上端至下端设有多个铰接点，剪叉式伸缩架在其最上端的铰接点处与联接器连接，并通过除最下端铰接点外的任一铰接点与竖杆下端端头连接。
本发明进一步的技术方案是：底座包括两个方形框架和设在两个方形框架之间的条形板，条形板的一端与一个方形框架的角点处铰接，条形板的另一端与另一个方形框架的角点处固接；四条腿中，其中两条安装在一个方形框架与条形板铰接处角点两侧相邻的两个角点处，另外两条安装在另一个方形框架与条形板固接处角点两侧相邻的两个角点处。
本发明再进一步的技术方案是：底座与腿之间设有转向驱动机构；转向驱动机构包括电机A、齿轮A、齿轮B、卧式轴座、平面推力球轴承及转轴；电机A固接在底座的方形框架上，其机轴竖直伸出；齿轮A固接在电机A的机轴上；齿轮B固接在转轴上并与齿轮A啮合；卧式轴座安装在转轴上并位于齿轮B与基座之间，其上端与基座固定连接，其下端与齿轮B固定连接；平面推力球轴承套装在转轴上并位于齿轮B与底座的方形框架之间；转轴通过平面推力球轴承竖直活动安装在底座的方形框架上。
本发明更进一步的技术方案是：四连杆机构的曲柄为可调节长度的伸缩杆，曲柄包括内芯杆、外套管及锁定销，内芯杆上设有多个沿其长度方向间隔布置的销孔A，外套管活动套装在内芯杆上，其上设有沿其长度方向间隔布置的销孔B，当外套管在内芯杆上移动时，其上的销孔B依次对应内芯杆上的每一个销孔A，锁定销穿过销孔B和销孔A而将外套管和内芯杆固连为一体。
本发明更进一步的技术方案是：四连杆机构中的曲柄的长度为a，摇杆的长度为b、连杆与曲柄的铰接点至连杆与摇杆的铰接点的距离为c，连杆与摇杆的铰接点至连杆与竖杆的铰接点的距离为d，曲柄与基座的铰接点至摇杆与基座的铰接点之间的距离为e；a：b：c：d：e＝1：2：2：2：
本发明更进一步的技术方案是：联接器内设有供横杆穿过的第一轴孔和供竖杆通过的第二轴孔，联接器通过设在第一轴孔内的直线轴承与横杆活动套接，联接器通过设在第二轴孔内的直线轴承与竖杆活动套接。
本发明更进一步的技术方案是：竖杆为弹性减震杆，所述弹性减震杆包括上段杆、下段杆、中套管及弹簧；上段杆固定安装在中套管的内孔中，下段杆活动安装在中套管的内孔中，上段杆和下段杆分别从中套管两端伸出，弹簧压缩设在中套管的内孔中，其一端与上段杆相抵，其另一端与下段杆相抵；下段杆与联接器活动插装。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、腿采用了四连杆机构，仅需一个电机驱动四连杆机构即可实现行走功能，其制造成本较低，电控设计难度较小。腿在竖杆处给了一个移动副滑块(即联接器)进行约束，从而将竖杆与横杆关联起来，使竖杆始终垂直于地面做往复直线运动，竖杆同时随着联接器沿横杆做往复直线运动，进而形成封闭的运动轨迹，从而仿生模拟出行走时候的步态。
2、腿在竖杆下端连接了剪叉式伸缩架，其用于放大运动行程，提高抬腿高度，以便于四足机器人在行走时能跨越一定高度的障碍物。
3、转向驱动机构与腿相对独立运作，腿用于行走，转向驱动机构用于实现腿的转向。这种结构的优势在于将四足机器人的腿必须具备的转向功能单独分离出来，腿无需自带转向功能，使得腿的制造成本和电控设计难度均大大下降。
4、底座的主要组成部件包含了两个方形框架、框架结构件的采用大大减轻了底座的重量。底座的两个方形框架通过条形板活动连接，两个方形框架可绕铰接点处相对旋转，形成了分体式的底座结构，这种结构的底座应用在四足机器人上可增大四足机器人的活动自由度，缩小四足机器人的转弯半径。
5、腿的四连杆机构中的曲柄为长度可调节的伸缩杆，使四足机器人的足端步态可调节，以适应不同场景的使用需要。
6、腿的竖杆为弹性减震杆，当竖杆的下端(即下段杆的下端)触地时，其与地面的冲击力可通过弹簧抵消一部分，进而减轻了底座受到的冲击。
7、每条腿分别由一个转向驱动机构单独控制，并且底座的两个方形框架可绕铰接点旋转，每个方形框架上连接有两条腿。基于这种较高自由度的结构，四足机器人可实现多样的转弯方式，可适应的使用场景更广泛，可实现原地转向、原地转弯和差速转弯。原地转向是以两条后腿(即任一方形框架上的两条腿)着地点的连线的中点为圆心转向。原地转弯是以任一条腿的着地点为圆心转向，其转弯所需空间非常小。差速转弯是移动过程中的转弯，位于弯道内侧的两条腿的速度慢于弯道外侧的两条腿的速度，其转向稳定性更好，不容易倾翻。
以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为一种视角下的底座与转向驱动机构位置关系示意图；
图3为另一视角下的底座与转向驱动机构位置关系示意图；
图4为腿的结构示意图；
图5为四连杆机构的运动轨迹示意图；
图6为曲柄优选方案的结构示意图；
图7为竖杆优选方案的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-7所示，基于四连杆机构的四足机器人，包括底座1、腿2及设在底座1与腿2之间的转向驱动机构。
底座1包括两个方形框架11和设在两个方形框架11之间的条形板12，条形板12的一端与一个方形框架11的角点处铰接，条形板12的另一端与另一个方形框架11的角点处固接。方形框架11分别可绕其与条形板12的铰接处转动。基于该设计的底座1可缩小四足机器人的最小转弯半径。
四条腿两两对称安装在底座1前端两侧和后端两侧。四条腿中，其中两条安装在一个方形框架11与条形板12铰接处角点两侧相邻的两个角点处，另外两条安装在另一个方形框架11与条形板12固接处角点两侧相邻的两个角点处。
腿2包括基座21、四连杆机构22、电机B23、横杆24、联接器25、竖杆26及剪叉式伸缩架27。四连杆机构22为平面铰链四连杆机构，其包括曲柄221、摇杆222和连杆223。曲柄221和摇杆222的前端分别铰接在基座21上，曲柄221的后端与铰接连杆223的前端铰接，摇杆222的后端与连杆223中部铰接。电机B23固接在基座21上，并(通过齿轮减速或减速箱减速后)与四连杆机构22的曲柄221关联，以驱动曲柄221绕其前端铰接处转动。横杆24呈水平布置，其两端分别连接在基座21上。联接器25活动套装在横杆24上。竖杆26呈竖直布置，其上端与四号杆224的后端铰接，下端与联接器25活动插装并从联接器25内穿出。剪叉式伸缩架27从上端至下端设有多个铰接点，剪叉式伸缩架27在其最上端的铰接点处与联接器25连接，并通过除最下端铰接点外的任一铰接点与竖杆26下端端头连接。
转向驱动机构包括电机A31、齿轮A32、齿轮B33、卧式轴座34、平面推力球轴承35及转轴36。电机A31固接在底座1的方形框架11上，其机轴竖直伸出。齿轮A32固接在电机A31的机轴上。齿轮B33固接在转轴36上并与齿轮A32啮合。卧式轴座34安装在转轴36上并位于齿轮B33与基座21之间，其上端与基座21固定连接，其下端与齿轮B33固定连接。平面推力球轴承35套装在转轴36上并位于齿轮B33与底座1之间。转轴36通过平面推力球轴承35竖直活动安装在底座1的方形框架11上。
优选，四连杆机构22的曲柄221为可调节长度的伸缩杆，曲柄221包括内芯杆2211、外套管2212及锁定销2213，内芯杆2211上设有多个沿其长度方向间隔布置的销孔A22111，外套管2212活动套装在内芯杆2211上，其上设有沿其长度方向间隔布置的销孔B22121，当外套管2212在内芯杆2211上移动时，其上的销孔B22121依次对应内芯杆2211上的每一个销孔A22111，锁定销穿过销孔B22121和销孔A22111而将外套管2212和内芯杆2211固连为一体。基于该设计使得足端(即竖杆26下端点)的运动轨迹可调节。例如，当需要四足机器人做原地踏步或缩小步间距或扩大步间距或临时越障时，通过适当调节曲柄221的长度即可实现。
优选，竖杆26为弹性减震杆，所述弹性减震杆包括上段杆261、下段杆262、中套管263及弹簧264。上段杆261固定安装在中套管263的内孔中，下段杆262活动安装在中套管263的内孔中，上段杆261和下段杆262分别从中套管263两端伸出，弹簧264压缩设在中套管263的内孔中，其一端与上段杆261相抵，其另一端与下段杆262相抵。下段杆262与联接器25活动插装。当下段杆262的下端触地时，其与地面的冲击力可通过弹簧264抵消一部分，进而减轻了底座1受到的冲击。
优选，四连杆机构22中的曲柄221的长度为a，摇杆222的长度为b、连杆223与曲柄221的铰接点至连杆223与摇杆222的铰接点的距离为c，连杆223与摇杆222的铰接点至连杆223与竖杆26的铰接点的距离为d，曲柄221与基座21的铰接点至摇杆222与基座21的铰接点之间的距离为e。 基于上述比例的平面铰链四连杆机构，足端(即竖杆26下端点)的运动轨迹呈一个左右对称且封闭的曲线图形4，该封闭的曲线图形4可分为上部分和下部分，上部分呈拱起且左右对称的弧形，下部分近似呈一条直线，所述直线连接在所述弧形的两端(连接处圆滑过渡)，从而形成封闭的曲线图形4。当足端(即竖杆26下端点)运动轨迹处在封闭的曲线图形4的上部分时，模拟的是抬腿向前迈的动作，此时，上部分弧形轨迹左右对称的特性使得抬腿动作更平稳协调。当足端(即竖杆26下端点)运动轨迹处在封闭的曲线图形4的下部分时，模拟的是腿落地后身体向前挪动的过程，此时，下部分近似直线轨迹的特性使得底座1向前挪动的过程平稳无颠簸。
优选，联接器25内设有供横杆24穿过的第一轴孔和供竖杆26通过的第二轴孔，联接器25通过设在第一轴孔内的直线轴承与横杆24活动套接，联接器25通过设在第二轴孔内的直线轴承与竖杆26活动套接。
优选，足端位置(即剪叉式伸缩架27的下端点)可根据需要额外连接脚掌部件，以实现腿的落地缓冲或抓地防滑的功能。
简述本发明中的腿的运行原理：腿2的电机B23驱动四连杆机构22运动，进而带动竖杆26和联接器25做水平方向(所述的水平方向为平行于横杆24的方向)的往复直线运动，同时带动竖杆做竖直方向(所述的竖直方向为垂直于横杆24的方向)的往复直线运动，竖杆26综合了水平方向的运动和竖直方向的运动，最终可形成一个左右对称且封闭的曲线图形4运动轨迹。
简述本发明中的转向驱动机构的运行原理：转向驱动机构的电机A31的动力通过齿轮A32传递到齿轮B33，齿轮B33转动带动卧式轴座34和基座21转动，实现腿2的转向。
简述本发明整体的运行特点：当四足机器人处在待机状态时，应确保四连杆机构不能处于死点位置，否则将无法正常启动。当四足机器人处在行走状态时(如图1所示)，其四条腿中处于对角布置的两条腿动作同步，当其中两条对角布置的腿处在运动轨迹的上部分时，另外两条腿必然处在运动轨迹的下部分。当四足机器人处在转弯状态时，同侧的两条腿的转动角度(或称转动方向)及运行速度(所述运行速度是指竖杆下端点的运行线速度)应保持一致，转弯方向内侧的两条腿的转动角度和运行速度应小于转弯方向外侧的两条腿的转动角度和运行速度。

Claims (7)

1.基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：包括底座(1)和腿(2)；四条腿(2)两两对称安装在底座(1)前端两侧和后端两侧；腿(2)包括基座(21)、四连杆机构(22)、电机B(23)、横杆(24)、联接器(25)、竖杆(26)及剪叉式伸缩架(27)；四连杆机构(22)为平面铰链四连杆机构，其包括曲柄(221)、摇杆(222)和连杆(223)；曲柄(221)和摇杆(222)的前端分别铰接在基座(21)上，曲柄(221)的后端与铰接连杆(223)的前端铰接，摇杆(222)的后端与连杆(223)中部铰接；电机B(23)固接在基座(21)上，并与四连杆机构(22)的曲柄(221)关联，以驱动曲柄(221)绕其前端铰接处转动；横杆(24)呈水平布置，其两端分别连接在基座(21)上；联接器(25)活动套装在横杆(24)上；竖杆(26)呈竖直布置，其上端与四号杆(224)的后端铰接，下端与联接器(25)活动插装并从联接器(25)内穿出；剪叉式伸缩架(27)从上端至下端设有多个铰接点，剪叉式伸缩架(27)在其最上端的铰接点处与联接器(25)连接，并通过除最下端铰接点外的任一铰接点与竖杆(26)下端端头连接。
2.如权利要求1所述的基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：底座(1)包括两个方形框架(11)和设在两个方形框架(11)之间的条形板(12)，条形板(12)的一端与一个方形框架(11)的角点处铰接，条形板(12)的另一端与另一个方形框架(11)的角点处固接；四条腿(2)中，其中两条安装在一个方形框架(11)与条形板(12)铰接处角点两侧相邻的两个角点处，另外两条安装在另一个方形框架(11)与条形板固接处角点两侧相邻的两个角点处。
3.如权利要求2所述的基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：底座(1)与腿(2)之间设有转向驱动机构；转向驱动机构包括电机A(31)、齿轮A(32)、齿轮B(33)、卧式轴座(34)、平面推力球轴承(35)及转轴(36)；电机A(31)固接在底座(1)的方形框架(11)上，其机轴竖直伸出；齿轮A(32)固接在电机A(31)的机轴上；齿轮B(33)固接在转轴(36)上并与齿轮A(32)啮合；卧式轴座(34)安装在转轴(36)上并位于齿轮B(33)与基座(21)之间，其上下端分别与齿轮B(33)和基座(21)固接；平面推力球轴承(35)套装在转轴(36)上并位于齿轮B(33)与底座(1)的方形框架(11)之间；转轴(36)通过平面推力球轴承(35)竖直活动安装在底座(1)的方形框架(11)上。
4.如权利要求1-3中任一项所述的基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：四连杆机构(22)的曲柄(221)为可调节长度的伸缩杆，曲柄(221)包括内芯杆(2211)、外套管(2212)及锁定销(2213)，内芯杆上设有多个沿其长度方向间隔布置的销孔A(22111)，外套管活动套装在内芯杆上，其上设有沿其长度方向间隔布置的销孔B(22121)，当外套管在内芯杆上移动时，其上的销孔B依次对应内芯杆上的每一个销孔A，锁定销穿过销孔B和销孔A而将外套管和内芯杆固连为一体。
5.如权利要求1-4中任一项所述的基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：：四连杆机构(22)中的曲柄(221)的长度为a，摇杆(222)的长度为b、连杆(223)与曲柄(221)的铰接点至连杆(223)与摇杆(222)的铰接点的距离为c，连杆(223)与摇杆(222)的铰接点至连杆(223)与竖杆(26)的铰接点的距离为d，曲柄(221)与基座(21)的铰接点至摇杆(222)与基座(21)的铰接点之间的距离为e；
6.如权利要求5所述的基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：联接器(25)内设有供横杆(24)穿过的第一轴孔和供竖杆(26)通过的第二轴孔，联接器(25)通过设在第一轴孔内的直线轴承与横杆(24)活动套接，联接器(25)通过设在第二轴孔内的直线轴承与竖杆(26)活动套接。
7.如权利要求6所述的基于四连杆机构的四足机器人，其特征是：竖杆(26)为弹性减震杆，所述弹性减震杆包括上段杆(261)、下段杆(262)、中套管(263)及弹簧(264)；上段杆固定安装在中套管的内孔中，下段杆活动安装在中套管的内孔中，上段杆(261)和下段杆(262)分别从中套管(263)两端伸出，弹簧(264)压缩设在中套管(263)的内孔中，其一端与上段杆(261)相抵，其另一端与下段杆(262)相抵；下段杆(262)与联接器(25)活动插装。
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