CN110116768B - 由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人 - Google Patents

Abstract

由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，属于机器人领域，包括主体框架、小腿支撑管、腿部支撑架、纵向驱动单元、纵向移动滑块、脚部结构、横向驱动单元和横向移动滑块；脚部结构与小腿支撑管的下端转轴连接；纵向移动滑块与腿部支撑架滑动连接，纵向移动滑块分别与小腿支撑管和纵向驱动单元固定连接，以使纵向驱动单元带动小腿支撑管沿着腿部支撑架上下移动；横向移动滑块的滑块端与主体框架的外侧横杆滑动连接，横向移动滑块分别与腿部支撑架和横向驱动单元固定连接，以使横向驱动单元带动腿部支撑架沿着主体框架的外侧横杆横向移动。本发明所述四足机器人步态简单、成本较低、结构简单，可行性和可推广性高。

Description

由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人。

背景技术

现如今，各个国家都在研制四足机器人，我国许多高校也有专业团队进行此项研究，四足机器人使用液压系统等机构实现四足功能。起初，此类机器人被用于军事方面，它具有较高的运动速度、较大的负载能力和超强的机动性能，即便在复杂的非结构化环境中,仍然能够保持自如的行进状态，预计将来可能会出现在实战中。随着科技发展，机器人已走入我们的生活。与民用需求相比，军事类四足仿生机器人成本较高，较难大批量生产并投放到日常生活中使用，而且操作要求专业，与民用需求差异大，此外步态控制与结构复杂，不适合做教学用具展示等。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，重量与体积更小、步态更简单、成本更低的新型四足机器人。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，包括电源、主体框架、小腿支撑管、腿部支撑架、纵向驱动单元、纵向移动滑块、脚部结构、横向驱动单元和横向移动滑块；所述主体框架为长方形结构，主体框架设有数个横杆，横杆的两端分别设有侧杆；所述电源用于为驱动四足机器人进行供电；所述腿部支撑架与小腿支撑管平行竖直设置；所述脚部结构与小腿支撑管的下端转轴连接；纵向移动滑块的滑块端与腿部支撑架滑动连接，纵向移动滑块的固定端分别与小腿支撑管和纵向驱动单元连接，以使纵向驱动单元带动小腿支撑管沿着腿部支撑架上下移动；横向移动滑块的滑块端与主体框架的外侧横杆滑动连接，横向移动滑块的一侧固定端与腿部支撑架固定连接，横向移动滑块的另一侧固定端与横向驱动单元固定连接，以使横向驱动单元带动腿部支撑架沿着主体框架的外侧横杆横向移动。

所述纵向驱动单元包括第一电机、齿轮和齿条，所述第一电机连接齿轮，齿轮与齿条啮合，齿条与纵向移动滑块的固定端连接，且齿条纵向贴合小腿支撑管。

本发明还包括固定座，所述固定座上设有用于固定腿部支撑架下端的卡槽，固定座的中间设有凹槽，凹槽内设有轴承，小腿支撑管的下部位于凹槽内并与轴承相切接触，固定座的内侧设有用于固定第一电机的支撑板，第一电机通过支撑板与齿轮连接。

所述腿部支撑架包括竖直并排设置的两个管架，所述小腿支撑管设于两个管架的中间。

所述横向驱动单元包括第一同步带、小同步带轮、大同步带轮和第二电机；所述小同步带轮设于主体框架的侧杆上，所述大同步带轮相对应小同步带轮设于主体框架的外侧横杆中央，所述第二电机连接大同步带轮，所述第一同步带缠绕在小同步带轮和大同步带轮上，所述横向移动滑块的另一侧固定端与第一同步带固定连接。

本发明还包括自平衡模块，所述自平衡模块包括第三电机、第二同步带、主动轴、从动轴、载物滑块和载物框；所述主动轴和从动轴分别设于主体框架两侧的侧杆上，所述第三电机连接主动轴，第二同步带缠绕在主动轴和从动轴上；所述载物框用于承重载物，载物框与载物滑块的一侧固定端固定连接，载物滑块的滑动端与主体框架的中间横杆滑动连接，载物滑块的的另一侧固定端与第二同步带固定连接。

所述脚部结构包括底板、弧板和铰接部；所述铰接部设于底板上，小腿支撑管的下端与铰接部通过转轴连接，所述底板为船型结构，所述弧板设于底板的前端且弧度向上。

本发明还包括角度限位板，所述角度限位板位于铰接部的上端，角度限位板与小腿支撑管的侧面固定连接。

本发明还包括激光雷达、设备支架和计算机，所述激光雷达、设备支架和计算机设于主体框架的前端，所述设备支架用于装接摄像机。

所述主体框架和腿部支撑架采用铝管材质。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明将转动运动转化为直线运动，减小动力机构所受力矩，步态更简便易操作、成本更低；

2、本发明四足机器人的机身部分可以升降，适应不同的场地环境；

3、本发明在机身上设计了平衡模块，可通过惯性传感器测量倾斜角度，由控制算法自动移动滑块实现自平衡；

4、本发明结构简单，成本低廉，重量与体积更小，可行性和可推广性更高，可用于家居或工业生产；

5、本发明结构简单清晰可见，可适应教学实验与机器人培训与竞赛等活动；

6、本发明可在主体框架的上层安装功能机构实现不同的功能，如夹取等；在机身降低的状态下也可以摆放物体；可通过采用视觉系统判断前方是否有障碍物。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为主体框架的结构示意图；

图3为小腿支撑管实现上下运动的结构示意图；

图4为固定座的结构示意图；

图5为腿部支撑架与固定座连接的结构示意图；

图6为横向驱动单元和小腿支撑管与固定座连接的结构示意图；

图7为腿部支撑架实现前后移动的结构示意图；

图8为自平衡模块实现自平衡的结构示意图；

图9为双电机的结构示意图；

图10为转向连接件的结构示意图；

图11为本发明四足机器人前端的结构示意图。

附图标记：腿部支撑架101，夹片102，固定座103，纵向移动滑块104，第一电机105，齿轮106，齿条107，小腿支撑管108，轴承109，脚部结构110，角度限位板111，脚部安装轴112，轴套113，外侧横杆114，第二横杆115，侧杆116，中间横杆133，横向移动滑块117，第一同步带118，第二电机119，大同步带轮120，小同步带轮121，转向连接件122，法兰轴承123，整体连接件124，设备支架125，电源盒126，计算机127，激光雷达128，双电机固定机构129，第三电机130，载物滑块131，载物框132，第二同步带134，载物135。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括电源、主体框架、小腿支撑管108、腿部支撑架101、纵向驱动单元、纵向移动滑块104、脚部结构110、横向驱动单元、横向移动滑块117和自平衡模块。

如图2所示，所述主体框架为长方形结构，采用铝管制作，主体框架设有五个横杆，包括对称设置的外侧横杆114、对称设置的第二横杆115及中间横杆133，主体框架的两端分别设有侧杆116，横杆与侧杆116垂直设置。

所述电源用于为驱动四足机器人进行供电；所述电源可放置于主体框架前端的电源盒126内，同时相当于配重。

如图3～6所示，小腿支撑管108实现上下运动的结构和原理如下：

所述腿部支撑架101包括竖直并排设置的两个管架，管架以铝管材质制作，管架的上端通过玻纤板制成的夹片102进行固定，管架的下端通过固定座103固定，这样使腿部结构更加稳定；所述小腿支撑管108设于两个管架的中间，以保证重心和步态的稳定；小腿支撑管108的下端铰接有脚部结构110；

所述纵向驱动单元包括第一电机105、齿轮106和齿条107，所述第一电机105连接齿轮106，齿轮106与齿条107啮合；齿条107与小腿支撑管108平行设置并纵向贴合小腿支撑管108，小腿支撑管108可采用铝管制成；

具体地，所述固定座103的两侧设有用于固定管架下端的卡槽；固定座103的中间设有凹槽，凹槽内设有轴承109，小腿支撑管108的下部位于凹槽内并与轴承109相切接触，一方面限制小腿支撑管108和齿条107的位置，使齿条107与齿轮106配合紧密不打滑，同时又保证小腿支撑管108的直线运动流畅持久；固定座103的内侧设有用于固定第一电机105的支撑板，第一电机105通过支撑板与齿轮106连接；

所述纵向移动滑块104的滑块端为框状结构，腿部支撑架101套接于滑块端内以实现滑动连接，纵向移动滑块104的固定端分别与小腿支撑管108和齿条107通过螺栓固定连接；

其中，纵向驱动单元为小腿支撑管108的驱动力，第一电机105转动带动齿轮106转动，齿轮106与齿条107配合将转动运动转化为直线运动，最终齿条107带动小腿支撑管108沿着腿部支撑架101上下移动，达到“抬腿”的效果，落地时脚部结构110的角度可进行轻微调整，使四足机器人能适应不同的地形，不会因地面不平而重心不稳摔倒；此外，本发明采用转动运动转化为直线运动，一方面，可减小第一电机105所受力矩，减小第一电机105的损坏概率，另一方面，配合结构更加稳定，效率更高；此外，齿条107选用铝制的齿条，使四足机器人重量更轻。

本发明中，所述固定座103具有不同功能：左右两侧可容纳腿部支撑架101的管架，固定腿部支撑架101；中间可固定小腿支撑管108与齿条107，使齿轮106齿条107配合紧密；内侧设计支撑板以安装第一电机105，使第一电机105可随腿部移动并与齿条107配合紧密；本发明在固定座103上实现不同功能可节省空间，减小四足机器人体积，使四足机器人结构简单，实用性高；对第一电机部分加固支撑，防止因第一电机晃动产生的误差。

如图7所示，腿部支撑架101实现前后移动的结构和原理如下：

所述横向驱动单元包括第一同步带118、小同步带轮121、大同步带轮120和第二电机119；小同步带轮121设于主体框架的侧杆116上，大同步带轮120相对应小同步带轮121设于主体框架的外侧横杆114中央，第二电机119连接大同步带轮120，第一同步带118缠绕在小同步带轮121和大同步带轮120上；

所述横向移动滑块117设有框状结构的滑动端，滑动端的两侧分别设有一侧固定端和另一侧固定端；主体框架的外侧横杆114套设在横向移动滑块117的滑块端内，以使得滑块端与外侧横杆114滑动连接，横向移动滑块117的一侧固定端与腿部支撑架101固定连接，横向移动滑块117的另一侧固定端与第一同步带118固定连接，以使横向驱动单元带动腿部支撑架101沿着主体框架的外侧横杆114横向移动；

其中，横向移动滑块117的一侧与腿部支撑架101连接起固定作用，一侧与第一同步带118固定连接，由第二电机119驱动大同步带轮120转动，继而带动第一同步带118转动，并使横向移动滑块117与腿部支撑架101随着第一同步带118一起做直线运动，从而将转动运动转化为前后的直线运动，实现步态——先抬起对角的两条腿，接着抬起的两条腿向前移动，落地后换另外两条，四条腿都向前移动后，将车身向前移动。此外也可以根据程序的不同更改不同的步态。

大同步带轮120与小同步带轮121选用不同齿数的同步带轮，既可以保证效率，又可以在一定程度上减轻重量，节约空间；采用第二电机119和第一同步带118的结构可以减轻四足机器人重量，加快运动速度。

如图8所示，自平衡模块实现自平衡的结构和原理如下：

所述自平衡模块包括第三电机130、第二同步带134、主动轴、从动轴、载物滑块131和载物框132；

所述主动轴和从动轴分别设于主体框架两侧的侧杆116上，第三电机130连接主动轴，第二同步带134缠绕在主动轴和从动轴上；所述载物框132用于承重载物135；所述载物滑块131设有框状结构的滑块端，滑块端的底部设有一侧固定端，滑块端相对主体框架中间横杆133的一面设有另一侧固定端，载物框132与载物滑块131的一侧固定端固定连接，载物滑块131的滑动端外套主体框架的中间横杆133以实现滑动连接，载物滑块131的的另一侧固定端与第二同步带134固定连接；具体地，载物滑块131与承载载物的载物框132使用螺栓连接，支撑载物滑块131的中间横杆133与主体框架使用夹片连接固定；

其中，所述自平衡模块由加速计传感器测量角度后，控制第三电机130带动第二同步带134轮转动，载物滑块131随第二同步带134前后移动调整四足机器人的重心，使四足机器人保持平衡。

脚部结构110的结构和原理如下：

如图3所示，所述脚部结构110包括底板、弧板、铰接部和角度限位板111；

所述铰接部设于底板上，小腿支撑管108的下端与铰接部通过脚部安装轴112连接；脚部安装轴112将脚部结构110与小腿支撑管108连接起来，并保证二者可以相对转动，脚部安装轴112上的轴套113可限制脚部结构110的位置，使其左右方向上不会发生相对滑动，保证结构精密准确；

所述底板为船型结构，所述弧板设于底板的前端且弧度向上；所述角度限位板111位于铰接部的上端，角度限位板111与小腿支撑管108的侧面固定连接；

其中，所述脚部结构110可调整脚部与腿部的角度，使四足机器人在上坡时不会后仰而摔倒；同时设计弧板，使四足机器人在跨过如绳子等软性材料时，绳子会沿弧形部分滑过，防止四足机器人被绊倒；所述角度限位板111可限制脚部结构的角度，使脚部结构110的角度不会过大导致落地时不稳。

如图1和图11所示，本发明还包括激光雷达128、设备支架125和计算机127，所述激光雷达128、设备支架125和计算机127设于主体框架的前端。

所述设备支架125用于装接摄像机，所述摄像机为四足机器人提供视觉，使四足机器人能判断前方有没有障碍物，从而及时改变步态跨越障碍物，同时摄像机的高度和角度可以调整，方便调试和不同情况下使用；所述计算机127用于处理视觉系统；所述激光雷达128可以测定障碍物的距离、高度等参数，采用测距的方式判断四足机器人行走路线上有没有障碍，使四足机器人能够判断何时改变步态并及时调整步态越过障碍。

如图9所示，本发明还包括双电机固定机构129，所述双电机固定机构129安装在主体框架的第二横杆115上，用于同时固定两个第二电机119，保证第一同步带118轮之间不会互相干涉，又保证第一同步带118行程最大化。

如图10所示，本发明还包括转向连接件122，所述转向连接件122固定于外侧横杆114、第二横杆115、侧杆116的连接处，保证外侧横杆114、第二横杆115、侧杆116的相对位置固定不变，保证横杆之间距离相等，使结构更精密，转向连接件122上凸出设有四根立柱，用于安装电路板，节约空间，防止干涉；小同步带轮121可安装在转向连接件122上，并通过法兰轴承123起到限制小同步带轮121的作用，以轴套固定，如此，转向连接件122在固定小同步带轮121的同时，最大限度保证行程最大，节约空间。

如图11所示，本发明还包括整体连接件124，所述整体连接件124位于四足机器人前端，用于连接横杆，保证横杆之间距离相等，使结构更精密，此外，可用于固定小同步带轮121、第三电机130和主动轴等，保证行程，节约空间。

四足机器人内部结构连接处多为限位机构，再用螺栓固定，保证结构精密准确。四足机器人长度范围在1000mm以内，宽度范围在600mm以内。

Claims (7)

1.由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：包括电源、主体框架、小腿支撑管、腿部支撑架、纵向驱动单元、纵向移动滑块、脚部结构、横向驱动单元和横向移动滑块；所述主体框架为长方形结构，主体框架设有数个横杆和两个侧杆；所述电源用于为驱动四足机器人进行供电；所述腿部支撑架与小腿支撑管平行竖直设置；所述脚部结构与小腿支撑管的下端转轴连接；纵向移动滑块的滑块端与腿部支撑架滑动连接，纵向移动滑块的固定端分别与小腿支撑管和纵向驱动单元连接，以使纵向驱动单元带动小腿支撑管沿着腿部支撑架上下移动；横向移动滑块的滑块端与主体框架的外侧横杆滑动连接，横向移动滑块的一侧固定端与腿部支撑架固定连接，横向移动滑块的另一侧固定端与横向驱动单元固定连接，以使横向驱动单元带动腿部支撑架沿着主体框架的外侧横杆横向移动；

所述纵向驱动单元包括第一电机、齿轮和齿条，所述第一电机连接齿轮，齿轮与齿条啮合，齿条与纵向移动滑块的固定端连接，且齿条纵向贴合小腿支撑管；

还包括固定座，所述固定座上设有用于固定腿部支撑架下端的卡槽，固定座的中间设有凹槽，凹槽内设有轴承，小腿支撑管的下部位于凹槽内并与轴承相切接触，固定座的内侧设有用于固定第一电机的支撑板，第一电机通过支撑板与齿轮连接。

2.如权利要求1所述的由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：所述横向驱动单元包括第一同步带、小同步带轮、大同步带轮和第二电机；所述小同步带轮设于主体框架的侧杆上，所述大同步带轮相对应小同步带轮设于主体框架的外侧横杆中央，所述第二电机连接大同步带轮，所述第一同步带缠绕在小同步带轮和大同步带轮上，所述横向移动滑块的另一侧固定端与第一同步带固定连接。

3.如权利要求1所述的由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：还包括自平衡模块，所述自平衡模块包括第三电机、第二同步带、主动轴、从动轴、载物滑块和载物框；所述主动轴和从动轴分别设于主体框架两侧的侧杆上，所述第三电机连接主动轴，第二同步带缠绕在主动轴和从动轴上；所述载物框用于承重载物，载物框与载物滑块的一侧固定端固定连接，载物滑块的滑动端与主体框架的中间横杆滑动连接，载物滑块的的另一侧固定端与第二同步带固定连接。

4.如权利要求1所述的由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：所述脚部结构包括底板、弧板和铰接部；所述铰接部设于底板上，小腿支撑管的下端与铰接部通过转轴连接，所述底板为船型结构，所述弧板设于底板的前端且弧度向上。

5.如权利要求4所述的由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：还包括角度限位板，所述角度限位板位于铰接部的上端，角度限位板与小腿支撑管的侧面固定连接。

6.如权利要求1所述的由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：还包括激光雷达、设备支架和计算机，所述激光雷达、设备支架和计算机设于主体框架的前端，所述设备支架用于装接摄像机。

7.如权利要求1所述的由前后牵引与上下滚动实现步态控制的四足机器人，其特征在于：所述主体框架和腿部支撑架采用铝管材质。

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