CN109927015A - 一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人 - Google Patents

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本发明涉及四足行走机器人领域，特别涉及一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人。它的总体结构可以由二自由度头部组件、躯干前部组件、二自由度脊柱组件、躯干后部组件、二自由度尾部组件和三自由度四肢组件构成，其结构简单，具有完善的类生物整体结构，通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部的平衡转向设计、二自由度脊柱的仿生设计以及四肢的三自由度设计，以实现仿豹机器人的高速跑跳运动。

Description

一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人
技术领域
本发明涉及四足行走机器人领域，特别涉及一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人。
背景技术
四足机器人具有运动速度快、灵活性高、环境适应性强、稳定性好等优点，在物资运输，工程勘探、抢险救援和军事察打等领域有很大的应用前景。因此，四足机器人的研究具有重要的理论意义和实用价值。目前四足机器人的机械设计研究大都局限于四条腿加单个躯干组成的简单机器人体，且步态速度研究大都局限于低速的静步态和对角步态。本发明设计的仿豹机器人具有明显的头尾和脊柱特征：头部布有视觉传感器和激光雷达为机器人的运动提供环境感知，与头部相连有二自由度颈部，可保持头部水平并跟踪目标；尾部采用二自由度机构和配重，可在其高速奔跑过程中调整机器人重心，维持步态稳定，控制机器人行进方向；同时二自由度柔性脊柱的设计，可更好的拟合生物运动特性，减少机体震动，提高高速跑跳速度和能源利用效率；四肢的三自由度设计，可提供宽范围的运动空间，满足基本的运动需求。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其结构简单，具有完善的类生物整体结构，通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部的平衡转向设计、二自由度脊柱的仿生设计以及四肢的三自由度设计，以实现仿豹机器人的高速跑跳运动。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，它的总体结构可以由二自由度头部组件、躯干前部组件、二自由度脊柱组件、躯干后部组件、二自由度尾部组件和三自由度四肢组件构成；其中，头部组件与躯干前部组件的第一支撑板通过螺栓螺母固定连接，脊柱组件与躯干前部组件中心通过长U型支架固定连接，周边采用均布的弹性绳与第二支撑板连接；脊柱组件与躯干后部组件中心通过U型舵机支架固定连接，周边同样通过弹性绳系在第三支撑板周边连接；尾部组件通过多功能舵机支架与第四支撑板固定连接。
它的头部组件由雷达、双目摄像头、长U型支架和第一类二自由度转动组件组成；雷达和双目摄像头通过螺栓固定在长U型支架上，长U型支架通过螺栓螺母与第一类二自由度转动组件的第二L型舵机支架连接。
它的躯干前部组件由第一腿部组件、第二腿部组件、第一和第二支撑板、第一、第二天线和控制箱组成；其中，第二腿部组件由矩形支架，第一、第二和第三舵机，第一、第二和第三法兰，第一、第二扭簧，第一、第二多功能舵机支架，第一L型舵机支架，斜U型舵机支架，传动杆，小腿杆，U型舵机支架、大腿杆组成；第一舵机的输出轴穿过矩形支架短侧的孔，并与之固定；第二舵机安装在第一多功能舵机支架上，输出轴与第二法兰相连，第一法兰穿过第一扭簧和第一多功能舵机支架的一侧通孔，形成转动连接；第一多功能舵机支架、大腿杆以及短U型支架通过螺栓固定连接；第三舵机固定在第二多功能支架上，它的输出轴穿过第二多功能支架一侧的通孔和短U型支架一侧的通孔，同时第三法兰依次穿过第二扭簧、短U型支架和第二多功能支架另一侧的通孔，使第二多功能支架与短U型支架形成转动连接；第一L型支架与斜U型支架通过螺栓固定，并整体与第二多功能支架固定连接；传动杆的一端与斜U型支架的通孔形成转动连接，另一端与U型舵机支架的通孔形成转动连接；U型舵机支架固定在小腿杆上，小腿杆与大腿杆通过销形成转动连接。
第一腿部组件与第二腿部组件的组成构件与装配形式完全一致，且关于仿豹机器人体态中心对称，它们固定在第一、第二支撑板之间；第一、第二天线布置在控制箱的顶侧平面上，同时控制箱的前后两端分别与第一、第二支撑板固定。
它的脊柱组件由第二类二自由度转动组件和均布在第二、第三支撑板之间的弹性绳构成。
其中，第二类二自由度转动组件的长U型支架短侧有孔端与躯干前部组件的第二支撑板的中部通孔通过螺栓螺母固定连接，U型舵机支架的中间通孔与躯干后部组件的第三支撑板的中部通孔通过螺栓螺母固定连接。
它的躯干后部组件由第三、第四腿部组件，第三、第四支撑板以及电池组件构成；其中第三、第四腿部组件的组成构件装配形式与第二腿部组件完全一致，且第三、第四腿部组件关于仿豹机器人体态中心对称，它们通过螺栓螺母固定在第三、第四支撑板之间；电池组件同样采用螺栓螺母固定在第三、第四支撑板之间。
它的尾部组件由第一类二自由度转动组件、尾部长杆以及配重组成；尾部长杆的一端与多功能舵机支架固定连接，另一端与配重固定连接。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部的平衡转向设计、二自由度脊柱的仿生设计以及四肢的三自由度设计，使该四足机器人具有强大的高速跑跳能力、环境友好接触能力、高速度高动态稳定运动能力、目标锁定跟踪能力和抵御外界干扰的能力，使该四足机器人具有广泛的社会运用前景。
附图说明
图1仿豹机器人结构示意图；
图2仿豹机器人侧视图；
图3头部组件示意图；
图4躯干前部组件结构示意图；
图5第二腿部组件示意图；
图6第二腿部组件爆炸示意图；
图7脊柱组件示意图；
图8躯干后部组件结构示意图；
图9尾部组件示意图；
图10第一类二自由度转动组件示意图；
图11第二类二自由度转动组件示意图；
图中：头部组件(1)，躯干前部组件(2)，脊柱组件(3)，躯干后部组件(4)，尾部组件(5)，雷达(6)，双目摄像头(7)，长U型支架(8-1、8-2)，第一类二自由度转动组件(9)，第一、第二、第三、第四腿部组件(10-1，10-2，10-3、10-4)，第一、第二、第三和第四支撑板(11-1、11-2，11-3，11-4)，第一、第二天线(12-1，12-2)，控制箱(13)，矩形支架(14)，第一、第二和第三舵机(15-1、15-2、15-3)，第一、第二和第三法兰(16-1、16-2、16-3)，第一、第二扭簧(17-1、17-2)，第一、第二多功能舵机支架(18-1、18-2)，第一、第二L型舵机支架(19-1、19-2)，斜U型舵机支架(20)，传动杆(21)，小腿杆(22)，U型舵机支架(23-1、23-2)、大腿杆(24)、第二类二自由度转动组件(25)、弹性绳(26)、电池组件(27)、尾部长杆(28)、配重(29)、短U型支架(30)。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
本发明要解决的问题是设计一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其结构简单，具有完善的类生物整体结构，通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部的平衡转向设计、二自由度脊柱的仿生设计以及四肢的三自由度设计，以实现仿豹机器人的高速跑跳运动。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，它的总体结构如图2所示，可以由头部组件(1)、躯干前部组件(2)、脊柱组件(3)、躯干后部组件(4)和尾部组件(5)构成；其中，头部组件与躯干前部组件(2)的第一支撑板(11-1)通过螺栓螺母固定连接，脊柱组件(3)与躯干前部组件(2)中心通过长U型支架(8-2)固定连接，周边采用均布的弹性绳(26)与第二支撑板(11-2)连接；脊柱组件(3)与躯干后部组件(4)中心通过U型舵机支架(23-2)固定连接，周边同样通过弹性绳(26)系在第三支撑板(11-3)周边连接；尾部组件(5)通过多功能舵机支架与第四支撑板(11-4)固定连接。
它的头部组件(1)如图3所示，由雷达(6)、双目摄像头(7)、长U型支架(8)和第一类二自由度转动组件(9)组成；雷达(6)和双目摄像头(7)通过螺栓固定在长U型支架(8)上，长U型支架(8)通过螺栓螺母与第一类二自由度转动组件(9)的第二L型舵机支架(19-2)连接。
它的躯干前部组件(2)如图4所示，由第一腿部组件(10-1)、第二腿部组件(10-2)、第一和第二支撑板(11-1、11-2)、第一、第二天线(12-1、12-2)和控制箱(13)组成；其中，第二腿部组件(10-2)的结构如图5所示，它由矩形支架(14)，第一、第二和第三舵机(15-1、15-2、15-3)，第一、第二和第三法兰(16-1、16-2、16-3)，第一、第二扭簧(17-1、17-2)，第一、第二多功能舵机支架(18-1、18-2)，第一L型舵机支架(19-1)，斜U型舵机支架(20)，传动杆(21)，小腿杆(22)，U型舵机支架(23-1、23-2)、大腿杆(24)组成；第一舵机(15-1)的输出轴穿过矩形支架(14)短侧的孔，并与之固定；第二舵机(15-2)安装在第一多功能舵机支架(18-1)上，输出轴与第二法兰(16-2)相连，第一法兰(16-1)穿过第一扭簧(17-1)和第一多功能舵机支架(18-1)的一侧通孔，形成转动连接；第一多功能舵机支架(18-1)、大腿杆(24)以及短U型支架(30)通过螺栓固定连接；第三舵机(15-3)固定在第二多功能支架(18-2)上，它的输出轴穿过第二多功能支架(18-2)一侧的通孔和短U型支架(30)一侧的通孔，同时第三法兰(16-3)依次穿过第二扭簧(17-2)、短U型支架(30)和第二多功能支架(18-2)另一侧的通孔，使第二多功能支架(18-2)与短U型支架(30)形成转动连接；第一L型支架(19-1)与斜U型支架(20)通过螺栓固定，并整体与第二多功能支架(18-2)固定连接；传动杆(21)的一端与斜U型支架(20)的通孔形成转动连接，另一端与U型舵机支架(23-1)的通孔形成转动连接；U型舵机支架(23-1)固定在小腿杆(22)上，小腿杆(22)与大腿杆(24)通过销形成转动连接；装配示意图如图6所示。
第一腿部组件(10-1)与第二腿部组件(10-2)的组成构件与装配形式完全一致，且关于仿豹机器人体态中心对称，它们固定在第一、第二支撑板(11-1、11-2)之间；第一、第二天线(12-1、12-2)布置在控制箱(13)的顶侧平面上，同时控制箱(13)的前后两端分别与第一、第二支撑板(11-1、11-2)固定。
它的脊柱组件(3)如图7所示，由第二类二自由度转动组件(25)和均布在第二、第三支撑板(11-2、11-3)之间的弹性绳(26)构成；其中，第二类二自由度转动组件(25)的长U型支架短侧有孔端与躯干前部组件(2)的第二支撑板(11-2)的中部通孔通过螺栓螺母固定连接，U型舵机支架(23-2)的中间通孔与躯干后部组件(4)的第三支撑板(11-3)的中部通孔通过螺栓螺母固定连接。
它的躯干后部组件(4)如图8所示，由第三、第四腿部组件(10-3、10-4)，第三、第四支撑板(11-3、11-4)以及电池组件(27)构成。
其中第三、第四腿部组件(10-3、10-4)的组成构件装配形式与第二腿部组件(10-2)完全一致，且第三、第四腿部组件(10-3、10-4)关于仿豹机器人体态中心对称，它们通过螺栓螺母固定在第三、第四支撑板(11-3、11-4)之间；电池组件同样采用螺栓螺母固定在第三、第四支撑板(11-3、11-4)之间。
它的尾部组件(5)如图9所示，由第一类二自由度转动组件(9)、尾部长杆(28)以及配重(29)组成；尾部长杆(28)的一端与多功能舵机支架固定连接，另一端与配重(29)固定连接。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：本发明通过二自由度头部的传感设计、二自由度尾部的平衡转向设计、二自由度脊柱的仿生设计以及四肢的三自由度设计，使该四足机器人具有强大的高速跑跳能力、环境友好接触能力、高速度高动态稳定运动能力、目标锁定跟踪能力和抵御外界干扰的能力，使该四足机器人具有广泛的社会运用前景。

Claims (10)

1.一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的总体结构可以由头部组件(1)、躯干前部组件(2)、脊柱组件(3)、躯干后部组件(4)和尾部组件(5)构成；
其中，头部组件与躯干前部组件(2)的第一支撑板(11-1)通过螺栓螺母固定连接，脊柱组件(3)与躯干前部组件(2)中心通过长U型支架(8-2)固定连接，周边采用均布的弹性绳(26)与第二支撑板(11-2)连接；脊柱组件(3)与躯干后部组件(4)中心通过U型舵机支架(23-2)固定连接，周边同样通过弹性绳(26)系在第三支撑板(11-3)周边连接；尾部组件(5)通过多功能舵机支架与第四支撑板(11-4)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的头部组件(1)由雷达(6)、双目摄像头(7)、长U型支架(8)和第一类两自由度转动组件(9)组成；雷达(6)和双目摄像头(7)通过螺栓固定在长U型支架(8)上，长U型支架(8)通过螺栓螺母与第一类两自由度转动组件(9)的第二L型舵机支架(19-2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的躯干前部组件(2)由第一腿部组件(10-1)、第二腿部组件(10-2)、第一和第二支撑板(11-1、11-2)、第一、第二天线(12-1、12-2)和控制箱(13)组成；
其中，第二腿部组件(10-2)由矩形支架(14)，第一、第二和第三舵机(15-1、15-2、15-3)，第一、第二和第三法兰(16-1、16-2、16-3)，第一、第二扭簧(17-1、17-2)，第一、第二多功能舵机支架(18-1、18-2)，第一L型舵机支架(19-1)，斜U型舵机支架(20)，传动杆(21)，小腿杆(22)，U型舵机支架(23-1、23-2)、大腿杆(24)组成；第一舵机(15-1)的输出轴穿过矩形支架(14)短侧的孔，并与之固定；第二舵机(15-2)安装在第一多功能舵机支架(18-1)上，输出轴与第二法兰(16-2)相连，第一法兰(16-1)穿过第一扭簧(17-1)和第一多功能舵机支架(18-1)的一侧通孔，形成转动连接；第一多功能舵机支架(18-1)、大腿杆(24)以及短U型支架(30)通过螺栓固定连接；第三舵机(15-3)固定在第二多功能支架(18-2)上，它的输出轴穿过第二多功能支架(18-2)一侧的通孔和短U型支架(30)一侧的通孔，同时第三法兰(16-3)依次穿过第二扭簧(17-2)、短U型支架(30)和第二多功能支架(18-2)另一侧的通孔，使第二多功能支架(18-2)与短U型支架(30)形成转动连接；第一L型支架(19-1)与斜U型支架(20)通过螺栓固定，并整体与第二多功能支架(18-2)固定连接；传动杆(21)的一端与斜U型支架(20)的通孔形成转动连接，另一端与U型舵机支架(23-1)的通孔形成转动连接；U型舵机支架(23-1)固定在小腿杆(22)上，小腿杆(22)与大腿杆(24)通过销形成转动连接；
第一腿部组件(10-1)与第二腿部组件(10-2)的组成构件与装配形式完全一致，且关于仿豹机器人体态中心对称，它们固定在第一、第二支撑板(11-1、11-2)之间；第一、第二天线(12-1、12-2)布置在控制箱(13)的顶侧平面上，同时控制箱(13)的前后两端分别与第一、第二支撑板(11-1、11-2)固定。
4.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的脊柱组件(3)由第二类两自由度转动组件(25)和均布在第二、第三支撑板(11-2、11-3)之间的弹性绳(26)构成；
其中，第二类两自由度转动组件(25)的长U型支架短侧有孔端与躯干前部组件(2)的第二支撑板(11-2)的中部通孔通过螺栓螺母固定连接，U型舵机支架(23-2)的中间通孔与躯干后部组件(4)的第三支撑板(11-3)的中部通孔通过螺栓螺母固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的躯干后部组件(4)由第三、第四腿部组件(10-3、10-4)，第三、第四支撑板(11-3、11-4)以及电池组件(27)构成；
其中第三、第四腿部组件(10-3、10-4)的组成构件装配形式与第二腿部组件(10-2)完全一致，且第三、第四腿部组件(10-3、10-4)关于仿豹机器人体态中心对称，它们通过螺栓螺母固定在第三、第四支撑板(11-3、11-4)之间；电池组件同样采用螺栓螺母固定在第三、第四支撑板(11-3、11-4)之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的尾部组件(5)由第一类两自由度转动组件(9)、尾部长杆(28)以及配重(29)组成；尾部长杆(28)的一端与多功能舵机支架固定连接，另一端与配重(29)固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它具有全形态式的仿生机械设计，各个组件的自由度数量可以根据需求重新设计。
8.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：它的驱动电机选型多样化，可以用舵机，步进电机，伺服电机；永磁无磁，交直流，同异步等，也可以用液压马达等旋转执行器，电机的选型应当考虑电机的额定输出扭矩，额定转速，位置控制精度，转角范围；弹性绳的选型应当考虑弹性绳的刚度，变形量，预拉力；电机和弹性绳的选型都以满足足式机器人运动性能为目的，确定最优方案，优化主被动驱动力，实现节能。
9.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：二自由度主被动驱动并联柔性脊柱机构的主动驱动舵机可以替换成被动驱动扭簧，而被动驱动弹性绳可以替换成主动驱动线驱动，仍可组成主被动驱动并联柔性脊柱机构组件。
10.根据权利要求1所述的一种具有脊柱和头尾的高速跑跳仿豹机器人，其特征在于：可以在电机的输出轴线或者脊柱关节的旋转轴上同时安装角度传感器和力矩传感器，实现力位闭环控制，利于高精度力位混合控制算法，阻抗控制算法和柔顺性控制算法的应用。
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