CN109986579A - 多模式运动仿灵长类机器人 - Google Patents

Abstract

一种多模式运动的仿灵长类机器人，包括胸部、胯部、后腿和前臂，其特征是：胸部和胯部铰接在一起成为躯干，胸部和胯部之间连接胸部俯仰液压缸，两条前臂连接在胸部上，两条后腿连接在胯部上；所述后腿包括髋部、大腿、小腿和足部；髋部与胯部铰接，大腿与髋部铰接，小腿与大腿铰接，足部与小腿铰接；所述前臂包括肩部、大臂、小臂和手部；肩部与胸部之间连接前臂胸部液压缸，大臂与肩部铰接，小臂与大臂铰接，手部与小臂铰接；该机器人可实现四足和双足模式的切换，四足模式时重心低稳定性高，双足模式时可以提高跳跃高度及增大跳跃距离，空闲的前臂可实现搬运等功能。

Description

多模式运动仿灵长类机器人

技术领域

本发明涉及一种液压驱动的可多模式运动仿灵长类机器人，属于足式移动机器人技术领域。

背景技术

与轮式和履带式运动相比，腿足式运动具有适应复杂地形、灵活运动和越障能力强等方面的显著优势，是野外非结构环境工作的理想移动方式。但现有腿足式机器人存在运动模式单一、爆发力不足等导致的机动性差问题，难以满足实际应用需求。灵长类动物可根据环境自主选择双足/四足走、跑、跳、攀爬等各种运动模式，具有极强的运动灵活性和环境适应性，为高机动步行机器人的研制提供了理想仿生蓝本。

中国专利文献CN108858147A公开的“一种气动肌肉驱动灵长类仿生机器人”只是公布了一种气压驱动的仿灵长类机器人手臂，并未给出详细的仿灵长类机器人方案。

电机驱动和气压驱动装置无法同时达到动物肌肉驱动的快速性和单位质量输出力，即具有较小的功率密度，而液压驱动装置具有较快的动态响应和较大的功率密度。

发明内容

为克服现有腿足机器人机动性不足的问题，本发明提出一种液压驱动的多模式运动的仿灵长类机器人，该机器人可根据环境和工作要求改变运动模式，具备双足或四足走、跑、跳、攀爬等多种运动模式。

为了实现上述目的，本发明的机器人采用以下技术方案：

该机器人，包括胸部、胯部、后腿和前臂，胸部和胯部铰接在一起成为躯干，胸部和胯部之间连接胸部俯仰液压缸，两条前臂连接在胸部上，两条后腿连接在胯部上；胸部和胯部之间具有一个俯仰自由度。

所述后腿，包括髋部、大腿、小腿和足部；髋部与胯部铰接，大腿与髋部铰接，小腿与大腿铰接，足部与小腿铰接；髋部与胯部之间连接后腿胯部液压缸，髋部与大腿之间连接髋部大腿液压缸，大腿与髋部之间连接大腿俯仰液压缸，大腿与膝关节之间连接小腿俯仰液压缸，小腿和足部之间连接小腿足部液压缸。后腿胯部液压缸的伸缩运动带动髋部及后腿相对于胯部转动，实现自由度的控制，该自由度在四足模式时为侧摆自由度，双足模式为旋转自由度。髋部大腿液压缸的伸缩运动带动大腿相对髋部转动，实现自由度的控制，该自由度在四足模式为转动自由度，双足模式下为侧摆自由度。大腿俯仰液压缸的伸缩运动带动大腿相对于髋部转动，实现对大腿俯仰自由度的控制。小腿俯仰液压缸的伸缩运动带动小腿相对于大腿转动，实现对小腿俯仰自由度的控制。小腿足部液压缸的伸缩运动带动足部相对小腿转动，实现对足部俯仰自由度控制。

所述髋部大腿液压缸设置在髋部内，大腿俯仰液压缸和小腿俯仰液压缸设置在大腿内，小腿足部液压缸设置在小腿内。

所述足部的底部设置有橡胶垫，足部的前段设置有锥指。足部带有橡胶垫适合四足和双足行走，前段锥指用于爬陡坡。

所述大腿与髋部之间的铰接通过连杆机构的髋关节实现，该连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，三个连杆和大腿构成连杆机构，第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆和第三连杆铰接，第一连杆和第三连杆均与大腿连接，大腿俯仰液压缸与第二连杆和第三连杆的铰轴连接，髋部大腿液压缸与第一连杆铰接，实现大腿的转动。通过连杆机构增大俯仰关节自由度的活动范围，髋关节可实现侧摆、俯仰和旋转三个自由度，侧摆关节和旋转关节的驱动油缸是后腿胯部液压缸和髋部大腿液压缸，俯仰关节驱动油缸是大腿俯仰液压缸。

所述小腿与大腿之间的铰接通过连杆机构的膝关节实现，该连杆机构包括第四连杆和第五连杆，第四连杆和第五连杆铰接，第四连杆与小腿铰接，第五连杆与大腿铰接，第四连杆、第五连杆、大腿和小腿形成连杆机构，小腿俯仰液压缸与第四连杆和第五连杆的铰接轴连接。

所述前臂，包括肩部、大臂、小臂和手部；肩部与胸部之间连接前臂胸部液压缸，大臂与肩部铰接，小臂与大臂铰接，手部与小臂铰接；肩部和大臂之间连接肩部大臂液压缸，大臂和小臂之间连接大臂小臂液压缸，手部通过闸线与肩部连接。所述肩部大臂液压缸和大臂小臂液压缸设置在大臂内。前臂胸部液压缸控制前臂的侧摆，肩部大臂液压缸控制大臂的俯仰，大臂小臂液压缸控制小臂的俯仰。肩部产生侧摆运动时，带动相连的闸线控制手部相对于小臂产生转动，实现对手部被动自由度的控制。手部提供抓地力(平地和陡坡)和上拉力(攀爬)，手部的前侧带有锥刺。

上述机器人主要面向野外丛林等复杂环境，满足自主移动需求。可根据不同实际要求，通过腰部关节的俯仰和后腿的俯仰关节的配合，可实现四足和双足模式之间切换。当行走在地形崎岖起伏的环境中或者攀爬陡坡时，机器人可变化为重心低稳定性高的四足模式，降低重心，使运动更加平稳，加快行进速度，提高能量的利用效率，能够较好的通过崎岖复杂的地形。当要实现跳跃障碍物的功能时，机器人可变化为双足模式，可以提高跳跃高度，增大跳跃距离，空闲的前臂可实现搬运等功能。

本发明可根据具体地形变换运动模式，具备双足直立行走、四足行走和攀爬能力，具有以下特点：

1.采用四足运动模式时，稳定性高，能够较好的通过崎岖复杂的地形；

2.采用双足运动模式时，灵活性更高，前臂可进行其他作业任务。

附图说明

图1是本发明多模式运动仿灵长类机器人的结构示意图。

图2是本发明机器人的双足模式示意图。

图3是本发明中躯干(胸部和胯部)结构示意图。

图4是本发明中后腿的外部结构示意图。

图5是本发明中后腿的内部结构剖视图。

图6是本发明中髋关节的结构示意图。

图7是本发明中后腿大腿俯仰自由度使用的连杆结构完整示意图。

图8是本发明中后腿小腿俯仰自由度使用的连杆结构示意图。

图9是本发明中后腿小腿俯仰自由度使用的连杆结构剖视图。

图10是本发明中前臂的外部结构示意图。

图11是本发明中前臂的内部结构剖视图。

图中：Ⅰ.胸部，Ⅱ.胯部，Ⅲ.后腿，Ⅳ.前臂；1.后腿胯部液压缸，2.髋部，3.大腿俯仰液压缸，4.大腿，5.小腿，6.小腿足部液压缸，7.足部橡胶垫，8.足部，9.髋部大腿液压缸，10.小腿俯仰液压缸，11.第一连杆，12.第二连杆，13.第三连杆，14.第四连杆，15.第五连杆，16.前臂胸部液压缸，17.大臂，18.大臂小臂液压缸，19.小臂，20.手部，21.肩部，22.肩部大臂液压缸，23.前臂胸部连接件，24.腰部俯仰液压缸。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多模式运动仿灵长类机器人主要由胸部Ⅰ、胯部Ⅱ、后腿Ⅲ和前臂Ⅳ构成，后腿Ⅲ和前臂Ⅳ均有两条。胸部Ⅰ和胯部Ⅱ通过转轴(腰部关节)铰接而成躯干，两者之间具有一个俯仰自由度。如图3所示，胸部Ⅰ和胯部Ⅱ之间铰接胸部俯仰液压缸24，由该直线液压缸控制胸部Ⅰ的俯仰。前臂Ⅳ连接在胸部Ⅰ两侧，后腿Ⅲ连接在胯部Ⅱ两侧。

机器人可根据不同实际要求，通过腰部关节的俯仰和后腿Ⅲ的俯仰关节的配合(详见下面叙述的后腿Ⅲ的工作过程)，可实现四足和双足模式之间切换，如图1和图2所示。当机器人为如图1所示的四足模式时，重心低稳定性高，能够较好的通过崎岖复杂的地形。当机器人为图2所示双足模式时，可以提高跳跃高度，增大跳跃距离，空闲的前臂可实现搬运等功能。

如图4和图5所示，后腿Ⅲ包括髋部2、大腿4、小腿5和足部8，髋部2通过髋部大腿连接件与胯部Ⅱ铰接(参见图3)，大腿4通过转轴(髋关节)与髋部2铰接，小腿5通过转轴(膝关节)与大腿4铰接，足部8通过转轴(踝关节)与小腿5铰接。髋部2与胯部Ⅱ之间设置有后腿胯部液压缸1，后腿胯部液压缸1设置于胯部Ⅱ内(参见图4)。髋部2内设置有髋部大腿液压缸9，髋部大腿液压缸9连接在髋部2与大腿4之间。大腿4内设置有大腿俯仰液压缸3和小腿俯仰液压缸10(参见图5)，大腿俯仰液压缸3连接在大腿4与髋部2之间，小腿俯仰液压缸10连接在大腿4与小腿5之间。小腿5内设置有小腿与足部液压缸6，小腿与足部液压缸6连接在小腿5和足部8之间，足部8的底部设置有足部橡胶垫7。足部8适合四足和双足行走，其前段有锥指，用于爬陡坡。

大腿4与髋部2之间的铰接通过连杆机构的髋关节实现，以控制大腿俯仰自由度，如图6和图7所示，该连杆机构包括第一连杆11、第二连杆12和第三连杆13，第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13和大腿4构成连杆机构，第一连杆11与第二连杆12铰接，第二连杆12和第三连杆13铰接，第一连杆11和第三连杆13均与大腿4连接。大腿俯仰液压缸3的活塞杆与第二连杆12和第三连杆13的铰轴连接。髋部大腿液压缸9的活塞杆与第一连杆11的铰接，实现大腿的转动。这种连杆机构能够增大俯仰关节自由度的活动范围，在实际应用中，连杆机构受到液压杆驱动，完成机器人在四足模式与双足模式之间的切换，是改变运动模式的重要机构。髋关节可实现侧摆、俯仰和旋转三个自由度，四足模式下侧摆关节的驱动油缸是后腿胯部液压缸1，旋转关节的驱动油缸是髋部大腿液压缸9，俯仰关节的驱动油缸是大腿俯仰液压缸3；双足模式下侧摆关节的驱动油缸是髋部大腿液压缸9，旋转关节的驱动油缸是后腿胯部液压缸1，俯仰关节的驱动油缸是大腿俯仰液压缸3。

小腿5与大腿4之间的铰接通过连杆机构的膝关节实现，以控制小腿俯仰自由度。如图8和图9所示，该连杆机构包括第四连杆14和第五连杆15，第四连杆14和第五连杆15铰接，第四连杆14与小腿5铰接，第五连杆15与大腿4铰接，第四连杆14、第五连杆15、大腿4和小腿5形成连杆机构，小腿俯仰液压缸10的活塞杆与第四连杆14和第五连杆15的铰接轴连接。连杆结构增大俯仰关节自由度的活动范围。

踝关节为单自由度俯仰关节，驱动油缸为布置在小腿5内的小腿足部液压缸6。

所述液压缸均为直线液压缸。

上述后腿Ⅲ的工作过程如下：

后腿胯部液压缸1收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动髋部2及其相连的后腿Ⅲ相对于胯部Ⅱ转动，实现自由度的控制；参见图1，该自由度在四足模式时为侧摆自由度，向躯干外侧水平摆动；参见图2，双足模式为旋转自由度转轴垂直于地面。髋部大腿液压缸9收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动第一连杆11及与其相连的大腿4相对髋部2转动，转轴为第一连杆11，实现自由度的控制；参见图1，该自由度在四足模式为转动自由度；参见图2，双足模式下为侧摆自由度。大腿俯仰液压缸3收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动第二连杆12和第三连杆13及与其连接的第一连杆11和大腿4，使得大腿4相对于第一连杆11及与其相连的髋部2转动，实现对大腿俯仰自由度的控制。

小腿俯仰液压缸10收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，直线油缸11的伸缩运动带动第四连杆14、第五连杆15及与其连接的小腿5，使得小腿5相对于大腿4转动，实现对小腿俯仰自由度的控制。

小腿足部液压缸6收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动足部8相对小腿5转动，实现对足部8俯仰自由度控制。

前臂Ⅳ的结构如图10和图11所示，主要包括肩部21、大臂17、小臂19和手部20。肩部21与通过转轴(肩关节)与大臂17铰接，大臂17通过转轴(肘关节)与小臂19铰接，小臂17通过转轴(腕关节)与手部20铰接(转轴轴线均已在图10表示出)。肩部21与前臂胸部连接件23之间设置前臂胸部液压缸16，前臂胸部连接件23固定在胸部Ⅰ内，肩部21与大臂17之间设置肩部大臂液压缸22，肩部大臂液压缸22连接在肩部21与大臂17之间(参见图11)，大臂和小臂之间设置大臂小臂液压缸18，大臂小臂液压缸18布置在大臂17内。肩关节为侧摆和俯仰的两自由度关节，肘关节为一个俯仰自由度，腕关节为被动旋转自由度，用闸线与肩关节连接，受肩关节侧摆控制。

大臂17内设置有肩部大臂液压缸22和大臂小臂液压缸18。前臂胸部液压缸16控制前臂的侧摆。肩部大臂液压缸22连接在肩部21和大臂17之间，控制大臂17的俯仰。大臂小臂液压缸18连接在大臂17和小臂19之间，控制小臂19的俯仰。

手部20与小臂19之间存在被动旋转自由度，手部22通过闸线与肩部21连接，受肩部21的侧摆控制。手部20提供抓地力(平地和陡坡)和上拉力(攀爬)，手部20的前侧带有锥刺。

上述各个关节的工作过程如下：

前臂胸部液压缸16收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动肩部21及其相连的前臂Ⅳ相对胸部Ⅰ转动，实现对前臂Ⅳ的侧摆自由度控制。肩部大臂液压缸22收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动大臂17相对肩部21转动，实现对大臂17的俯仰自由度控制。大臂小臂液压缸18收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动小臂19相对大臂17转动，实现对小臂19俯仰自由度控制。在肩部21产生侧摆运动时，带动相连的闸线，受闸线控制的手部20相对于小臂19产生转动，实现对手部20被动自由度的控制，此被动自由度的目的是使得机器人在四足模式正常行走或是爬行运动下手部前侧带有的锥刺均保持向下，提供足够的抓地力。

Claims (6)

1.一种多模式运动的仿灵长类机器人，包括胸部、胯部、后腿和前臂，其特征是：胸部和胯部铰接在一起成为躯干，胸部和胯部之间连接胸部俯仰液压缸，两条前臂连接在胸部上，两条后腿连接在胯部上；

所述后腿，包括髋部、大腿、小腿和足部；髋部与胯部铰接，大腿与髋部铰接，小腿与大腿铰接，足部与小腿铰接；髋部与胯部之间连接后腿胯部液压缸，髋部与大腿之间连接髋部大腿液压缸，大腿与髋部之间连接大腿俯仰液压缸，大腿与膝关节之间连接小腿俯仰液压缸，小腿和足部之间连接小腿足部液压缸；

所述前臂，包括肩部、大臂、小臂和手部；肩部与胸部之间连接前臂胸部液压缸，大臂与肩部铰接，小臂与大臂铰接，手部与小臂铰接；肩部和大臂之间连接肩部大臂液压缸，大臂和小臂之间连接大臂小臂液压缸，手部通过闸线与肩部连接。

2.根据权利要求1所述的多模式运动的仿灵长类机器人，其特征是：所述髋部大腿液压缸设置在髋部内，大腿俯仰液压缸和小腿俯仰液压缸设置在大腿内，小腿足部液压缸设置在小腿内。

3.根据权利要求1所述的多模式运动的仿灵长类机器人，其特征是：所述足部的底部设置有橡胶垫，足部的前段设置有锥指。

4.根据权利要求1所述的多模式运动的仿灵长类机器人，其特征是：所述大腿与髋部铰接是通过连杆机构的髋关节实现，该连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，三个连杆和大腿构成连杆机构，第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆和第三连杆铰接，第一连杆和第三连杆均与大腿连接，大腿俯仰液压缸与第二连杆和第三连杆的铰轴连接，髋部大腿液压缸与第一连杆铰接，实现大腿的转动。通过连杆机构增大俯仰关节自由度的活动范围，髋关节可实现侧摆、俯仰和旋转三个自由度，侧摆关节和旋转关节的驱动油缸是后腿胯部液压缸和髋部大腿液压缸，俯仰关节驱动油缸是大腿俯仰液压缸。

5.根据权利要求1所述的多模式运动的仿灵长类机器人，其特征是：所述小腿与大腿铰接是通过连杆机构的膝关节实现，该连杆机构包括第四连杆和第五连杆，第四连杆和第五连杆铰接，第四连杆与小腿铰接，第五连杆与大腿铰接，第四连杆、第五连杆、大腿和小腿形成连杆机构，小腿俯仰液压缸与第四连杆和第五连杆的铰接轴连接。

6.根据权利要求1所述的多模式运动的仿灵长类机器人，其特征是：所述肩部大臂液压缸和大臂小臂液压缸设置在大臂内。