CN110104089A - 一种柔性脊柱四足仿生机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性脊柱四足仿生机器人，包括前身、腰部机构、后身、腿部机构和侧摆组件。本发明采用了具有三自由度的并联机构连接前身和后身，使得整机具备柔性脊柱，能够在行走过程中起到储能、协调和减振的作用；整个仿生机器人的四条腿的配置采用了前肘后膝式关节配置，这种配置方式能够极大的减少能量消耗并且具备一定的地形适应能力，且机器人的每条腿具有三个自由度，分别是前进方向的两个转动自由度以及侧摆方向的一个转动自由度。该机器人能够实现复杂路面的运动，是一种新型的四足仿生机器人。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性脊柱四足仿生机器人，属于仿生机器人领域。
背景技术
随着美国波士顿动力公司推出的高性能大狗Big-Dog的出现，世界各国开始意识到腿类机器人的巨大优势和潜力。四足仿生机器人相比于轮式机器人来说，其能适应不同路况条件，在抢险救灾、排雷等领域有着不可替代的作用。相对于六足、甚至八足仿生机器人，四足机器人具有控制简单、易于实现等特点，因此四足仿生机器人具有广阔的应用前景。
就目前来看，国内外大多采用刚性躯体作为四足机器人的机身，这种配置方式控制简单，但是却失去了动物本身所具有的特性。例如在科研人员观察能高速运动的猎豹时发现，猎豹具备高速运动的真正原因是具有柔性脊柱。同样柔性脊柱的四足机器人具有储能、协调和减振的功能。因此研究具有柔性脊柱的四足机器人迫在眉睫，也是进军四足机器人领域的关键环节。
发明内容
本发明提供了一种柔性脊柱四足仿生机器人，以用于实现前身相对于后身能实现伸缩、俯仰和左右运动，同时实现大腿转动、小腿转动，实现大小腿侧摆动作。
本发明的技术方案是：一种柔性脊柱四足仿生机器人，包括前身、腰部机构、后身、腿部机构和侧摆组件；
所述前身通过腰部机构与后身连接，通过腰部机构实现前身相对于后身做前后伸缩、左右转动以及俯仰运动；
所述腿部机构为四组，采用前肘后膝式对称配置在前身、后身，每组腿部机构连接一组侧摆组件，两组侧摆组件安装在前身，两组侧摆组件安装在后身；通过腿部机构实现大腿转动、小腿转动，通过侧摆组件实现大小腿侧摆动作。
所述前身包括连接杆Ⅰ、前身前板、连接杆Ⅱ、连接杆Ⅲ和前身后板；其中，前身前板和前身后板通过呈平行布置的连接杆Ⅰ、连接杆Ⅱ、连接杆Ⅲ连接，前身后板与腰部机构连接。
还包括前身右板、前身顶板、前身左板、前身底板和电池安装架Ⅰ；其中，前身底板连接前身前板和前身后板，前身底板上方设置前身右板、前身左板连接前身前板和前身后板，前身顶板安装在前身前板和前身后板的上方，电池安装架Ⅰ固定安装在前身底板上。
所述腰部机构由伸缩支链Ⅰ、球副连接法兰板、伸缩支链Ⅱ、伸缩支链Ⅲ组成；其中，呈平行布置的伸缩支链Ⅰ、伸缩支链Ⅱ、伸缩支链Ⅲ的一端通过球副连接法兰板与前身连接，伸缩支链Ⅰ、伸缩支链Ⅱ、伸缩支链Ⅲ的另一端通过六角法兰面螺母与后身连接。
所述伸缩支链Ⅰ、伸缩支链Ⅱ采用SPU链，所述伸缩支链Ⅲ采用PU链，SPU链中S一端、PU链中P一端通过球副连接法兰板与前身连接，SPU链中U一端、PU链中U一端通过六角法兰面螺母与后身连接；其中S表示球副、P表示移动副，U表示虎克铰。
所述后身包括连接杆Ⅳ、后身前板、连接杆Ⅴ、连接杆Ⅵ和后身后板；其中后身前板和后身后板通过呈平行布置的连接杆Ⅳ、连接杆Ⅴ、连接杆Ⅵ连接，后身后板与腰部机构连接。
还包括后身右板、后身顶板、后身左板、后身底板和电池安装架Ⅱ；其中后身底板连接后身前板和后身后板，后身底板上方设置后身右板、后身左板连接后身前板和后身后板，后身顶板安装在后身前板和后身后板的上方，电池安装架Ⅱ固定安装在后身底板上。
所述腿部机构由腿固定法兰、固定法兰端盖、小腿电机连杆、销轴、小腿电机连动杆、大腿连杆、大腿左侧板、关节轴承Ⅰ、小腿连杆、小腿电机输入轴、大腿电机输入轴、关节轴承Ⅱ、大腿中间连杆、大腿右侧板、锁紧螺母、传感器固定套、压力传感器、足端、小腿杆、小腿输出轴、轴承Ⅰ、轴承Ⅱ、轴承端盖、轴承定位套筒、导向套组成；其中，两个固定法兰端盖分别通过螺钉安装在腿固定法兰上部和下部，小腿电机输入轴穿过腿固定法兰上部内的轴承，小腿电机输入轴一端连接小腿电机连杆一端，小腿电机输入轴另一端连接侧摆组件中小腿电机的输出轴，小腿电机连杆另一端通过销轴连接小腿电机连动杆一端，大腿连杆一端通过转动关节和小腿电机连动杆另一端连接，大腿连杆另一端通过关节轴承Ⅱ与大腿中间连杆一端连接；大腿连杆上装有大腿电机输入轴，大腿电机输入轴穿过腿固定法兰下部内的轴承，大腿电机输入轴一端上固定大腿左侧板、大腿右侧板一端，大腿电机输入轴另一端连接侧摆组件中大腿电机的输出轴；小腿输出轴从小腿连杆的一端上部沿径向穿出，小腿输出轴的一端用卡簧将轴承Ⅰ一个端面固定，轴承Ⅰ的另一个端面用大腿左侧板另一端和小腿输出轴轴肩一个端面固定，小腿输出轴轴肩的另一个端面顶住小腿连杆的一个端面，小腿连杆的另一个端面通过大腿右侧板另一端、轴承定位套筒与轴承Ⅱ轴向固定，轴承Ⅰ、轴承Ⅱ的外圈用轴承端盖顶住，小腿连杆的一端通过关节轴承Ⅰ连接大腿中间连杆另一端，小腿连杆的另一端通过锁紧螺母与小腿杆一端连接，小腿杆另一端内部带有螺纹固定压力传感器的一端，小腿杆另一端外侧开有两个平面与导向套上的两个洗平的面配合实现小腿杆能相对于导向套上下运动，导向套通过螺钉与传感器固定套连接，传感器固定套通过螺钉与足端连接，压力传感器的另一端与足端通过螺纹连接。
所述侧摆组件由电机外壳固定轴、圆形座球轴承、小腿电机、电机外壳主壳、减速机法兰板连接板、侧摆电机外壳、侧摆电机、零点开关Ⅰ、轴承固定套、零点开关Ⅱ、零点开关Ⅲ、大腿电机、电机固定销、电机外壳套筒、电机外壳法兰板组成；其中，两组侧摆组件的圆形座球轴承分别通过紧固螺钉固定在前身的前身前板上，另外两组侧摆组件的圆形座球轴承分别通过紧固螺钉固定在后身的后身前板上，电机外壳固定轴从一端往另一端依次安装圆形座球轴承、电机外壳主壳、电机外壳套筒、带轴承的轴承固定套，轴承固定套远离电机外壳主壳的一端、减速机法兰板连接板、侧摆电机外壳一端外端均开有相同的固定孔通过螺栓安装连接，两组侧摆组件的侧摆电机外壳另一端通过六角头螺栓连接到前身的前身后板上，另外两组侧摆组件的侧摆电机外壳另一端通过六角头螺栓连接到后身的后身后板上，减速机法兰板连接板上开有的电机固定孔和侧摆电机端面上开有电机安装孔将侧摆电机和减速机法兰板连接板固定，侧摆电机的输出轴通过梅花联轴器连接电机外壳固定轴另一端，电机外壳主壳和电机外壳法兰板将大腿电机和小腿电机固定安装，大腿电机和小腿电机一端通过电机固定销限位固定，大腿电机和小腿电机另一端通过螺钉与电机外壳法兰板安装固定，靠近大腿电机和小腿电机另一端的电机外壳主壳端面、电机外壳法兰板、腿部机构中腿固定法兰开有相同的固定孔通过螺栓安装连接，大腿电机另一端的输出轴与腿部机构中大腿电机输入轴一端通过联轴器连接，小腿电机另一端的输出端与小腿电机输入轴一端通过联轴器连接；在轴承固定套内部的侧摆电机输出轴上安装有零点开关Ⅰ用于检测侧摆电机的零位，在小腿电机输出轴上装有零点开关Ⅱ用于检测小腿电机的零位，在大腿电机输出轴上装有零点开关Ⅲ用于检测大腿电机的零位。
本发明的有益效果是：本发明采用了具有三自由度的并联机构连接前身和后身，使得整机具备柔性脊柱，能够在行走过程中起到储能、协调和减振的作用；整个仿生机器人的四条腿的配置采用了前肘后膝式关节配置，这种配置方式能够极大的减少能量消耗并且具备一定的地形适应能力，且机器人的每条腿具有三个自由度，分别是前进方向的两个转动自由度以及侧摆方向的一个转动自由度。该机器人能够实现复杂路面的运动，是一种新型的四足仿生机器人。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明前身立体图；
图3为本明前身部分立体图；
图4为本发明腰部机构立体图；
图5为本发明球副连接法兰板结构图
图6为本发明后身立体图；
图7为本发明腿部机构立体图；
图8为本发明大腿电机输入轴安装剖视图；
图9为本发明大腿电机输入轴主视图；
图10为本发明小腿输出轴安装剖视图；
图11为本发明足端装配图；
图12为本发明侧摆组件立体图；
图13为发明侧摆组件主视图；
图14为本发明侧摆组件剖视图；
图15为本发明侧电机外壳主壳结构图；
图16为本发明电机外壳法兰板结构图；
图中各标号：1-连接杆Ⅰ、2-前身前板、3-连接杆Ⅱ、4-前身右板、5-前身顶板、6-连接杆Ⅲ、7-前身左板、8-前身底板、9-前身后板、10-电池安装架Ⅰ、11-伸缩支链Ⅰ、12-球副连接法兰板、13-伸缩支链Ⅱ、14-伸缩支链Ⅲ、15-连接杆Ⅳ、16-后身前板、17-连接杆Ⅴ、18-后身右板、19-后身顶板、20-连接杆Ⅵ、21-后身左板、22-后身底板、23-后身后板、24-电池安装架Ⅱ、25-腿固定法兰、26-固定法兰端盖、27-小腿电机连杆、28-销轴、29-小腿电机连动杆、30-大腿连杆、31-大腿左侧板、32-关节轴承Ⅰ、33-小腿连杆、34-小腿电机输入轴、35-大腿电机输入轴、36-关节轴承Ⅱ、37-大腿中间连杆、38-大腿右侧板、39-锁紧螺母、40-传感器固定套、41-压力传感器、42-足端、43-小腿杆、44-电机外壳固定轴、45-圆形座球轴承、46-小腿电机、47-电机外壳主壳、48-减速机法兰板连接板、49-侧摆电机外壳、50-侧摆电机、51-零点开关Ⅰ、52-轴承固定套、53-零点开关Ⅱ、54-零点开关Ⅲ、55-大腿电机、56-电机固定销、57-电机外壳套筒，58-电机外壳法兰板、59-小腿输出轴、60-轴承Ⅰ、61-轴承Ⅱ、62-轴承端盖、63-轴承定位套筒、64-导向套、65-前身、66-腰部机构、67-后身、68-腿部机构、69-侧摆组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-16所示，一种柔性脊柱四足仿生机器人，包括前身65、腰部机构66、后身67、腿部机构68和侧摆组件69；所述前身65通过腰部机构66与后身67连接，通过腰部机构66实现前身65相对于后身67做前后伸缩、左右转动以及俯仰运动；所述腿部机构68为四组，采用前肘后膝式对称配置在前身65、后身67，每组腿部机构68连接一组侧摆组件69，两组侧摆组件69安装在前身65，两组侧摆组件69安装在后身67；通过腿部机构68实现大腿转动、小腿转动，通过侧摆组件69实现大小腿侧摆动作。
进一步地，可以设置所述前身65包括连接杆Ⅰ1、前身前板2、连接杆Ⅱ3、连接杆Ⅲ6和前身后板9；其中，前身前板2和前身后板9通过呈平行布置的连接杆Ⅰ1、连接杆Ⅱ3、连接杆Ⅲ6连接，前身后板9与腰部机构66连接。进一步地，可以设置所述连接杆Ⅰ1、连接杆Ⅱ3、连接杆Ⅲ6两端均具有螺纹，这两端均通过带垫片的螺母拧紧来固定前身前板2和前身后板9。
进一步地，可以设置所述前身65还包括前身右板4、前身顶板5、前身左板7、前身底板8和电池安装架Ⅰ10；其中，前身底板8连接前身前板2和前身后板9，前身底板8上方设置前身右板4、前身左板7连接前身前板2和前身后板9，前身顶板5安装在前身前板2和前身后板9的上方，电池安装架Ⅰ10固定安装在前身底板8上。进一步地，可以设置前身底板8通过螺栓连接前身前板2和前身后板9，其中前身前板2和前身后板9上分别打了与前身底板8安装的三个对应孔，便于螺栓穿过安装，前身底板8用于放置电机驱动器以及传感器变送器等部件；前身右板4和前身左板7通过螺钉与连接前身前板2和前身后板9，对前身65起到加强和紧固的作用，防止在内部的控制器和驱动器晃动，前身右板4和前身左板7两端的安装固定孔均采用可调的U型孔，这种安装是当电器元器件放置在前身右板4和前身左板7之间时留有一定可调节余量，预防电器元器件估算偏差而导致内部容积不够；前身顶板5通过六个小螺栓安装在前身前板2和前身后板9的上方，电池安装架Ⅰ10通过螺钉与前身底板8安装固定。
进一步地，可以设置所述腰部机构66由伸缩支链Ⅰ11、球副连接法兰板12、伸缩支链Ⅱ13、伸缩支链Ⅲ14组成；其中，呈平行布置的伸缩支链Ⅰ11、伸缩支链Ⅱ13、伸缩支链Ⅲ14的一端通过球副连接法兰板12与前身65连接，伸缩支链Ⅰ11、伸缩支链Ⅱ13、伸缩支链Ⅲ14的另一端通过六角法兰面螺母与后身67连接。
进一步地，可以设置所述伸缩支链Ⅰ11、伸缩支链Ⅱ13采用SPU链，所述伸缩支链Ⅲ14采用PU链，SPU链中S一端、PU链中P一端通过球副连接法兰板12与前身65连接，SPU链中U一端、PU链中U一端通过六角法兰面螺母与后身67连接；其中S表示球副、P表示移动副，U表示虎克铰。
进一步地，可以设置所述后身67包括连接杆Ⅳ15、后身前板16、连接杆Ⅴ17、连接杆Ⅵ20和后身后板23；其中后身前板16和后身后板23通过呈平行布置的连接杆Ⅳ15、连接杆Ⅴ17、连接杆Ⅵ20连接，后身后板23与腰部机构66连接。进一步地，可以设置所述连接杆Ⅳ15、连接杆Ⅴ17、连接杆Ⅵ20两端均具有螺纹，这两端均通过带垫片的螺母拧紧来固定后身前板16和后身后板23。
进一步地，可以设置所述后身67还包括后身右板18、后身顶板19、后身左板21、后身底板22和电池安装架Ⅱ24；其中后身底板22连接后身前板16和后身后板23，后身底板22上方设置后身右板18、后身左板21连接后身前板16和后身后板23，后身顶板19安装在后身前板16和后身后板23的上方，电池安装架Ⅱ24固定安装在后身底板22上。进一步地，可以设置所述后身底板22通过螺栓连接后身前板16和后身后板23，其中后身前板16和后身后板23上分别打了与后身底板22安装的三个对应孔，便于螺栓穿过安装，后身底板22用于放置电机驱动器以及传感器变送器等部件；后身右板18和后身左板21通过螺钉与连接后身前板16和后身后板23，对前身65起到加强和紧固的作用，防止在内部的控制器和驱动器晃动，后身右板18和后身左板21两端的安装固定孔均采用可调的U型孔，这种安装是当电器元器件放置在后身右板18和后身左板21之间时留有一定可调节余量，预防电器元器件估算偏差而导致内部容积不够；后身顶板19通过六个小螺栓安装在后身前板16和后身后板23的上方，电池安装架Ⅱ24通过螺钉与后身底板22安装固定，用于放置电池。
进一步地，可以设置所述腿部机构68由腿固定法兰25、固定法兰端盖26、小腿电机连杆27、销轴28、小腿电机连动杆29、大腿连杆30、大腿左侧板31、关节轴承Ⅰ32、小腿连杆33、小腿电机输入轴34、大腿电机输入轴35、关节轴承Ⅱ36、大腿中间连杆37、大腿右侧板38、锁紧螺母39、传感器固定套40、压力传感器41、足端42、小腿杆43、小腿输出轴59、轴承Ⅰ60、轴承Ⅱ61、轴承端盖62、轴承定位套筒63、导向套64组成；其中，两个固定法兰端盖26分别通过螺钉安装在腿固定法兰25上部和下部，小腿电机输入轴34穿过腿固定法兰25上部内的轴承，小腿电机输入轴34一端连接小腿电机连杆27一端，小腿电机输入轴34另一端连接侧摆组件69中小腿电机46的输出轴，小腿电机连杆27另一端通过销轴28连接小腿电机连动杆29一端，大腿连杆30一端通过转动关节和小腿电机连动杆29另一端连接，大腿连杆30另一端通过关节轴承Ⅱ36与大腿中间连杆37一端连接；大腿连杆30上装有大腿电机输入轴35，大腿电机输入轴35穿过腿固定法兰25下部内的轴承，大腿电机输入轴35一端上固定大腿左侧板31、大腿右侧板38一端，大腿电机输入轴35另一端连接侧摆组件69中大腿电机55的输出轴；以图10，从左往右看：小腿输出轴59从小腿连杆33的一端上部沿径向穿出，小腿输出轴59的一端用卡簧将轴承Ⅰ60一个端面固定，轴承Ⅰ60的另一个端面用大腿左侧板31另一端和小腿输出轴59轴肩一个端面固定，小腿输出轴59轴肩的另一个端面顶住小腿连杆33的一个端面，小腿连杆33的另一个端面通过大腿右侧板38另一端、轴承定位套筒63与轴承Ⅱ61轴向固定；轴承Ⅰ60、轴承Ⅱ61的外圈用轴承端盖62顶住，小腿连杆33的一端通过关节轴承Ⅰ32连接大腿中间连杆37另一端，小腿连杆33的另一端通过锁紧螺母39与小腿杆43一端连接，小腿杆43另一端内部带有螺纹固定压力传感器41的一端，小腿杆43另一端外侧开有两个平面与导向套64上的两个洗平的面配合实现小腿杆43能相对于导向套64上下运动，导向套64通过螺钉与传感器固定套40连接，传感器固定套40通过螺钉与足端42连接，压力传感器41的另一端与足端42通过螺纹连接。进一步地，可以设置所述固定法兰端盖26通过螺母安装在腿固定法兰25上，以此来固定腿固定法兰25内的轴承；小腿电机连杆27一端连接小腿电机输入轴34，具体为：小腿电机输入轴34的轴肩顶住小腿电机连杆27的一个端面，小腿电机连杆27另一个端面用卡簧卡住；大腿连杆30上装有大腿电机输入轴35，大腿电机输入轴35上固定大腿左侧板31、大腿右侧板38一端，具体为：大腿电机输入轴35的轴肩顶住大腿右侧板38一个端面，大腿右侧板38另外一个端面用大腿连杆30一个端面固定，大腿连杆30内部装有两个轴承，轴承之间均用套筒连接，大腿连杆30的另一个端面通过套筒与大腿左侧板31的一个端面顶住，大腿电机输入轴35用卡簧将大腿左侧板31轴向固定(以图8，从右往左侧看)。
进一步地，可以设置所述侧摆组件69由电机外壳固定轴44、圆形座球轴承45、小腿电机46、电机外壳主壳47、减速机法兰板连接板48、侧摆电机外壳49、侧摆电机50、零点开关Ⅰ51、轴承固定套52、零点开关Ⅱ53、零点开关Ⅲ54、大腿电机55、电机固定销56、电机外壳套筒57、电机外壳法兰板58组成；其中，两组侧摆组件69的圆形座球轴承45分别通过四个紧固螺钉固定在前身65的前身前板2上，另外两组侧摆组件69的圆形座球轴承45分别通过四个紧固螺钉固定在后身67的后身前板16上，电机外壳固定轴44从一端往另一端依次安装圆形座球轴承45、电机外壳主壳47、电机外壳套筒57、带轴承的轴承固定套52(其中，电机外壳主壳47靠近圆形座球轴承45一端顶住电机外壳固定轴44的轴肩，电机外壳主壳47另一端和轴承固定套52用电机外壳套筒57隔开)，轴承固定套52远离电机外壳主壳47的一端、减速机法兰板连接板48、侧摆电机外壳49一端外端均开有相同的固定孔通过螺栓安装连接，两组侧摆组件69的侧摆电机外壳49另一端通过六角头螺栓连接到前身65的前身后板9上，另外两组侧摆组件69的侧摆电机外壳49另一端通过六角头螺栓连接到后身67的后身后板23上，减速机法兰板连接板48上开有的电机固定孔和侧摆电机50端面上开有电机安装孔将侧摆电机50和减速机法兰板连接板48固定，侧摆电机50的输出轴通过梅花联轴器连接电机外壳固定轴44另一端，电机外壳主壳47和电机外壳法兰板58将大腿电机55和小腿电机46固定安装，大腿电机55和小腿电机46一端通过电机固定销56限位固定，大腿电机55和小腿电机46另一端通过螺钉与电机外壳法兰板58安装固定，靠近大腿电机55和小腿电机46另一端的电机外壳主壳47端面、电机外壳法兰板58、腿部机构68中腿固定法兰25开有相同的固定孔通过螺栓安装连接(具体的可以为：所述大腿电机55和小腿电机46从电机外壳主壳47的两个通孔中穿入，此时大腿电机55和小腿电机46的一端分别被电机固定销56限位固定，两个电机的另一端的端面开有四个安装孔，分别通过四个六角头螺钉与电机外壳法兰板58安装固定)，大腿电机55另一端的输出轴与腿部机构68中大腿电机输入轴35一端通过联轴器连接，小腿电机46另一端的输出端与小腿电机输入轴34一端通过联轴器连接；在轴承固定套52内部的侧摆电机50输出轴上安装有零点开关Ⅰ51用于检测侧摆电机50的零位，在小腿电机46输出轴上装有零点开关Ⅱ53用于检测小腿电机46的零位，在大腿电机55输出轴上装有零点开关Ⅲ54用于检测大腿电机55的零位。
本发明的工作原理是：
腰部机构66工作原理：所述腰部机构66可与前身65和后身67构成一个并联机构，该并联机构的三个分支分别为支链Ⅰ11、支链Ⅱ13和支链Ⅲ14。其中支链Ⅰ11为SPU链，支链Ⅱ13也为SPU链，支链Ⅲ14为PU链，支链Ⅰ11和支链Ⅱ13为无约束支链不对前身65和后身67产生约束。支链Ⅲ14能产生三个约束，该三个约束为同时垂直于三个支链的两个移动运动，以及绕着三个支链的转动运动，留下沿着杆件方向的运动和俯仰运动及左右转动，因此能够使得前身相对于后身具有伸缩运动，俯仰运动和左右转动。因为该腰部机构66上没有安装任何驱动部件，因此腰部机构的三个自由度均为被动自由度，可根据不同的地形而自动调整前身相对于后身的姿态，从而达到机器人具备柔性的目的。
腿部机构68和侧摆组件69原理：整机通过四个侧摆电机、四个大腿电机和四个小腿电机提供动力。当机器人在平面上运动时，一般由四个大腿电机55和四个小腿电机46驱动，八个电机的联动，使得机器人能实现静态步行和动态步行。其具体过程是：通过腿部机构68实现大腿转动、小腿转动，大腿电机55带动大腿电机输入轴35实现动力的输入，小腿电机46带动小腿电机输入轴34实现小腿动力的输入，大腿电机55和小腿电机46通过一系列的杆件协调传动实现联动运动(具体为：小腿电机46将动力输入给小腿电机输入轴34，使得小腿电机连杆27产生运动，小腿电机连杆27带动小腿电机连动杆29运动，小腿电机连动杆29带动大腿连杆30转动，大腿连杆30带动大腿中间连杆37运动，从而带动小腿连杆33运动，小腿连杆33通过锁紧螺母39与小腿杆43成为一体，小腿杆43和导向套64均铣出两个平面，用于安装和导向，这两个部件形成一个被动自由度，可产生沿着小腿杆43方向的被动运动，而不会使得小腿产生旋转运动而使得足端42失去稳定性。此时腿部机构可实现腿部运动的传递。一般情况下仅仅靠小腿电机46而实现小腿的传动运动的末端轨迹具有较小的摆动幅值，因此大腿电机55驱动大腿电机输入轴35同样可带动大腿连杆30转动，大腿连杆30带动大腿中间连杆37运动，从而带动小腿连杆33以及与其连接的小腿部件运动，此时腿部的输出运动可以具备更大范围的运动。因此大腿电机55和小腿电机46通过一系列的杆件协调传动实现联动运动)。
当机器人在不平路面行走或受到外界干扰时，四个侧摆电机50提供动力来调整机身，实现机器人行走稳定。其具体过程是：通过腿部机构68实现大腿转动、小腿转动，通过侧摆组件69实现大小腿侧摆动作，四个侧摆电机50、四个大腿电机55和四个小腿电机46同时对机器人进行控制，12个电机的协调运动实现整机的平衡稳定。有外力时在平坦路面行走的8个电机驱动的基础上，侧摆电机50产生动力带动电机外壳固定轴44沿着侧向方向转动，因为电机外壳主壳47安装在电机外壳固定轴44上，而电机外壳主壳47与腿部机构68是一体的，因此腿部机构68也随着电机外壳固定轴44转动，从而实现侧摆运动。
在机器人四条腿的足端42均安装有四个压力传感器41，压力传感器41通过线路连接到控制器上，实现控制器获取传感器的信息而实时调整机器的位姿。在每个电机上均安装有零点开关，其安装的目的是为了方便调整电机的零位，方便机器人初始位置的确定。在机器人前身的前身右板4和前身左板7之间以及后身上的后身右板18和后身左板21之间的空间内布置有传感器变送器、电机驱动器、控制器(传感器变送器、电机驱动器、控制器作为外购市售元件，图中未给出)。其中传感器变送器用来对传感器直接获取的电压信号进行幅值和电压上的处理，从而获得可处理的传感器信号。驱动器是用来控制电机转动的设备。当传感器获取到信号，经变送器获得可处理的电压信号后传入控制器，控制器根据获取的信息对驱动器发送控制脉冲，驱动器进而直接实现对电机控制。电机上装有编码器，编码器具有精确反馈电机脉冲数的能力，其将获取的信息给驱动器，驱动器根据控制器发出的脉冲与编码器反馈的脉冲进行比较，对误差进行调节，实现精确控制；从而形成闭环控制。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：包括前身(65)、腰部机构(66)、后身(67)、腿部机构(68)和侧摆组件(69)；
所述前身(65)通过腰部机构(66)与后身(67)连接，通过腰部机构(66)实现前身(65)相对于后身(67)做前后伸缩、左右转动以及俯仰运动；
所述腿部机构(68)为四组，采用前肘后膝式对称配置在前身(65)、后身(67)，每组腿部机构(68)连接一组侧摆组件(69)，两组侧摆组件(69)安装在前身(65)，两组侧摆组件(69)安装在后身(67)；通过腿部机构(68)实现大腿转动、小腿转动，通过侧摆组件(69)实现大小腿侧摆动作。
2.根据权利要求1所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：所述前身(65)包括连接杆Ⅰ(1)、前身前板(2)、连接杆Ⅱ(3)、连接杆Ⅲ(6)和前身后板(9)；其中，前身前板(2)和前身后板(9)通过呈平行布置的连接杆Ⅰ(1)、连接杆Ⅱ(3)、连接杆Ⅲ(6)连接，前身后板(9)与腰部机构(66)连接。
3.根据权利要求2所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：还包括前身右板(4)、前身顶板(5)、前身左板(7)、前身底板(8)和电池安装架Ⅰ(10)；其中，前身底板(8)连接前身前板(2)和前身后板(9)，前身底板(8)上方设置前身右板(4)、前身左板(7)连接前身前板(2)和前身后板(9)，前身顶板(5)安装在前身前板(2)和前身后板(9)的上方，电池安装架Ⅰ(10)固定安装在前身底板(8)上。
4.根据权利要求1所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：所述腰部机构(66)由伸缩支链Ⅰ(11)、球副连接法兰板(12)、伸缩支链Ⅱ(13)、伸缩支链Ⅲ(14)组成；其中，呈平行布置的伸缩支链Ⅰ(11)、伸缩支链Ⅱ(13)、伸缩支链Ⅲ(14)的一端通过球副连接法兰板(12)与前身(65)连接，伸缩支链Ⅰ(11)、伸缩支链Ⅱ(13)、伸缩支链Ⅲ(14)的另一端通过六角法兰面螺母与后身(67)连接。
5.根据权利要求4所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：所述伸缩支链Ⅰ(11)、伸缩支链Ⅱ(13)采用SPU链，所述伸缩支链Ⅲ(14)采用PU链，SPU链中S一端、PU链中P一端通过球副连接法兰板(12)与前身(65)连接，SPU链中U一端、PU链中U一端通过六角法兰面螺母与后身(67)连接；其中S表示球副、P表示移动副，U表示虎克铰。
6.根据权利要求1所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：所述后身(67)包括连接杆Ⅳ(15)、后身前板(16)、连接杆Ⅴ(17)、连接杆Ⅵ(20)和后身后板(23)；其中后身前板(16)和后身后板(23)通过呈平行布置的连接杆Ⅳ(15)、连接杆Ⅴ(17)、连接杆Ⅵ(20)连接，后身后板(23)与腰部机构(66)连接。
7.根据权利要求6所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：还包括后身右板(18)、后身顶板(19)、后身左板(21)、后身底板(22)和电池安装架Ⅱ(24)；其中后身底板(22)连接后身前板(16)和后身后板(23)，后身底板(22)上方设置后身右板(18)、后身左板(21)连接后身前板(16)和后身后板(23)，后身顶板(19)安装在后身前板(16)和后身后板(23)的上方，电池安装架Ⅱ(24)固定安装在后身底板(22)上。
8.根据权利要求1所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：所述腿部机构(68)由腿固定法兰(25)、固定法兰端盖(26)、小腿电机连杆(27)、销轴(28)、小腿电机连动杆(29)、大腿连杆(30)、大腿左侧板(31)、关节轴承Ⅰ(32)、小腿连杆(33)、小腿电机输入轴(34)、大腿电机输入轴(35)、关节轴承Ⅱ(36)、大腿中间连杆(37)、大腿右侧板(38)、锁紧螺母(39)、传感器固定套(40)、压力传感器(41)、足端(42)、小腿杆(43)、小腿输出轴(59)、轴承Ⅰ(60)、轴承Ⅱ(61)、轴承端盖(62)、轴承定位套筒(63)、导向套(64)组成；其中，两个固定法兰端盖(26)分别通过螺钉安装在腿固定法兰(25)上部和下部，小腿电机输入轴(34)穿过腿固定法兰(25)上部内的轴承，小腿电机输入轴(34)一端连接小腿电机连杆(27)一端，小腿电机输入轴(34)另一端连接侧摆组件(69)中小腿电机(46)的输出轴，小腿电机连杆(27)另一端通过销轴(28)连接小腿电机连动杆(29)一端，大腿连杆(30)一端通过转动关节和小腿电机连动杆(29)另一端连接，大腿连杆(30)另一端通过关节轴承Ⅱ(36)与大腿中间连杆(37)一端连接；大腿连杆(30)上装有大腿电机输入轴(35)，大腿电机输入轴(35)穿过腿固定法兰(25)下部内的轴承，大腿电机输入轴(35)一端上固定大腿左侧板(31)、大腿右侧板(38)一端，大腿电机输入轴(35)另一端连接侧摆组件(69)中大腿电机(55)的输出轴；小腿输出轴(59)从小腿连杆(33)的一端上部沿径向穿出，小腿输出轴(59)的一端用卡簧将轴承Ⅰ(60)一个端面固定，轴承Ⅰ(60)的另一个端面用大腿左侧板(31)另一端和小腿输出轴(59)轴肩一个端面固定，小腿输出轴(59)轴肩的另一个端面顶住小腿连杆(33)的一个端面，小腿连杆(33)的另一个端面通过大腿右侧板(38)另一端、轴承定位套筒(63)与轴承Ⅱ(61)轴向固定，轴承Ⅰ(60)、轴承Ⅱ(61)的外圈用轴承端盖(62)顶住，小腿连杆(33)的一端通过关节轴承Ⅰ(32)连接大腿中间连杆(37)另一端，小腿连杆(33)的另一端通过锁紧螺母(39)与小腿杆(43)一端连接，小腿杆(43)另一端内部带有螺纹固定压力传感器(41)的一端，小腿杆(43)另一端外侧开有两个平面与导向套(64)上的两个洗平的面配合实现小腿杆(43)能相对于导向套(64)上下运动，导向套(64)通过螺钉与传感器固定套(40)连接，传感器固定套(40)通过螺钉与足端(42)连接，压力传感器(41)的另一端与足端(42)通过螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的柔性脊柱四足仿生机器人，其特征在于：所述侧摆组件(69)由电机外壳固定轴(44)、圆形座球轴承(45)、小腿电机(46)、电机外壳主壳(47)、减速机法兰板连接板(48)、侧摆电机外壳(49)、侧摆电机(50)、零点开关Ⅰ(51)、轴承固定套(52)、零点开关Ⅱ(53)、零点开关Ⅲ(54)、大腿电机(55)、电机固定销(56)、电机外壳套筒(57)、电机外壳法兰板(58)组成；其中，两组侧摆组件(69)的圆形座球轴承(45)分别通过紧固螺钉固定在前身(65)的前身前板(2)上，另外两组侧摆组件(69)的圆形座球轴承(45)分别通过紧固螺钉固定在后身(67)的后身前板(16)上，电机外壳固定轴(44)从一端往另一端依次安装圆形座球轴承(45)、电机外壳主壳(47)、电机外壳套筒(57)、带轴承的轴承固定套(52)，轴承固定套(52)远离电机外壳主壳(47)的一端、减速机法兰板连接板(48)、侧摆电机外壳(49)一端外端均开有相同的固定孔通过螺栓安装连接，两组侧摆组件(69)的侧摆电机外壳(49)另一端通过六角头螺栓连接到前身(65)的前身后板(9)上，另外两组侧摆组件(69)的侧摆电机外壳(49)另一端通过六角头螺栓连接到后身(67)的后身后板(23)上，减速机法兰板连接板(48)上开有的电机固定孔和侧摆电机(50)端面上开有电机安装孔将侧摆电机(50)和减速机法兰板连接板(48)固定，侧摆电机(50)的输出轴通过梅花联轴器连接电机外壳固定轴(44)另一端，电机外壳主壳(47)和电机外壳法兰板(58)将大腿电机(55)和小腿电机(46)固定安装，大腿电机(55)和小腿电机(46)一端通过电机固定销(56)限位固定，大腿电机(55)和小腿电机(46)另一端通过螺钉与电机外壳法兰板(58)安装固定，靠近大腿电机(55)和小腿电机(46)另一端的电机外壳主壳(47)端面、电机外壳法兰板(58)、腿部机构(68)中腿固定法兰(25)开有相同的固定孔通过螺栓安装连接，大腿电机(55)另一端的输出轴与腿部机构(68)中大腿电机输入轴(35)一端通过联轴器连接，小腿电机(46)另一端的输出端与小腿电机输入轴(34)一端通过联轴器连接；在轴承固定套(52)内部的侧摆电机(50)输出轴上安装有零点开关Ⅰ(51)用于检测侧摆电机(50)的零位，在小腿电机(46)输出轴上装有零点开关Ⅱ(53)用于检测小腿电机(46)的零位，在大腿电机(55)输出轴上装有零点开关Ⅲ(54)用于检测大腿电机(55)的零位。
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