CN110480608A - 一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，包括躯干和连接在躯干上的双驱弹性缓冲单腿运动机构；躯干包括六自由度并联机构和连接在六自由度并联机构两端的躯干框架；双驱弹性缓冲单腿运动机构与躯干框架连接。本发明的方案与普通机器人相比，将两个驱动电机同轴安装在髋关节上，减少腿的转动惯量；两个驱动电机结构一样，满足互换性。两个驱动电机同时驱动腿部运动，可以获得比串联腿型更快的往复摆腿运动。采用双驱弹性缓冲单腿运动机构主要优势在于大腿是一种具有缓冲吸震弹性装置的支撑刚性体，其本身具有一定的刚性，且弹性模量小，对突然冲击和高频振动的吸收好，能承受多向载荷。

Description

一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人。

背景技术

足式机器人是通过地面接触点交替支撑的连续步进运动，可以自然地适应各种地形。为了使机器人能快速响应各种地形，要求支撑腿允许控制与地面的相互作用力及其作用方位，以调节躯体动作姿势到适应倾斜、转弯或者光滑的表面。

在腿足式机器人中，单足机器人结构简单，但行走能力有限且平稳性不够好；双足机器人有着较强的适应地形能力，应用较为广泛，但是其行进的速度有限，并且容易侧翻；相比而言，四足机器人不易侧翻较为稳定，机动性较好，适应地形能力更强。然而，让四足机器人能够快速地奔跑起来，一直是机器人领域的研究热点问题。

目前多数仿生奔跑机器人的研究发现猫科动物在运动中，其腿部、脚部和躯体之间的动作姿态相互协调配合，可以极大的减缓与地面的冲击和振动，不仅可提高运动速度，又可降低机体能耗。基于此，为了提高仿生机器人的奔跑速度，本发明从生物学和仿生学角度依据猎豹的腿、脚和躯体特征，对仿生四足奔跑机器人的腿结构、脚掌和柔性躯干进行机构设计，以改善运动机构的奔跑能力。

相关专利对奔跑机器人方面的研究报告仍存在不足，比如：为了降低奔跑时的能耗，采用单一动力源，虽然可以降低体重和简化控制，但是腿的运动规律单一难以适应不同地形。另有采用液压驱动，虽然能为机器人的高速运动提供足够的动力，但是机器人体形比较庞大，体重很重，还有令人头疼的液压系统泄露问题时有发生。还有一些采用电机驱动的机器人腿部机构，结构设计不符合机构学原理，因驱动端到足端的运动尺寸链较长使得腿部机构运动的能耗高、能源利用率低。此外，还有一些采用多个电机驱动的仿生机械腿，多数为刚性结构，零件多且安装复杂，控制逻辑复杂，机械腿与地面接触时产生较大冲击力和振动。以上这些都使得机器人在高速行走运动下增加了系统的不稳定性，使得机器人奔跑成为困难。

发明内容

针对上述现有技术不足与缺陷，本发明的目的在于，提供一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，解决现有技术中机器人在高速行走运动下系统不稳定、结构复杂和无法高速运行的技术问题。

为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，包括躯干和连接在躯干上的双驱弹性缓冲单腿运动机构；

所述的躯干包括六自由度并联机构和连接在六自由度并联机构两端的躯干框架；

所述的双驱弹性缓冲单腿运动机构与躯干框架连接。

本发明还具有如下技术特征：

所述的六自由度并联机构包括电机基座圆盘，所述的电机基座圆盘边缘连接有若干电机；

所述的电机上还连接有摇杆，所述的摇杆通过弹性缓冲支杆与安装圆盘铰接。

所述的弹性缓冲支杆包括同轴套接的的铝杆和支杆，所述的支杆一端还套接有固定座，所述的铝杆和支杆的一端均连接有球形铰支座；

支杆一端的球形铰支座与安装圆盘铰接，铝杆一端的球形铰支座与摇杆铰接；

所述的支杆为空心结构，内部包括依次连接的拉压传感器、橡胶弹簧和连接件，所述的拉压传感器与球形铰支座连接，所述的橡胶弹簧布置在拉压传感器与连接件之间。

所述的双驱弹性缓冲单腿运动机构包括双驱电机部件和与双驱电机部件连接的腿部部件，所述的腿部部件包括互相连接的大腿部件和小腿部件。

所述的双驱电机部件包括环形连接耳板和连接在环形连接耳板两侧的驱动电机外壳，所述的环形连接耳板为空心柱状结构，与躯干框架连接，所述的驱动电机外壳内布置有驱动电机，所述的驱动电机上还连接有行星减速器和行星架输出盘；

所述的驱动电机包括编码器、定子和转子，所述的定子和转子同轴布置，转子与转子安装架连接，转子安装架与行星减速器连接。

所述的大腿部件包括第一大腿部件和第二大腿部件；

所述的第一大腿部件包括同轴套接的大腿杆一和导杆一，导杆一的一端还连接有铰接关节头一，所述的导杆一通过铰接关节头一与小腿部件连接，导杆一上还套接有柱状橡胶弹簧；

所述的第二大腿部件包括平行腿杆，所述的平行腿杆一端铰接有大腿杆二，另一端与导杆二同轴套接，所述的导杆二通过铰接关节头二与小腿部件连接，导杆二上还套接有柱状橡胶弹簧；

所述的大腿杆一和大腿杆二分别与双驱电机部件中的行星架输出盘连接。

所述的小腿部件的顶端与第一大腿部件通过铰接关节头一铰接，所述的小腿部件的中部与第二大腿部件通过铰接关节头二铰接；

所述的小腿部件的底端通过脚掌连接头与弓形蓄能脚掌连接。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本发明的方案与普通机器人相比，没有采用驱动髋关节和驱动膝关节的串行连接，而是将两个驱动电机同轴安装在髋关节上，减少腿的转动惯量；两个驱动电机结构一样，满足互换性。两个驱动电机同时驱动腿部运动，可以获得比串联腿型更快的往复摆腿运动。此外，两个电机均为在一定角度范围内按一定频率摆动的摆转电机，满足了机器人腿部只做一定幅度摆动的要求。

(Ⅱ)本发明采用的双驱弹性缓冲单腿运动机构主要优势在于大腿是一种具有缓冲吸震弹性装置的支撑刚性体，其本身具有一定的刚性，且弹性模量小，有一定量弹性变形并且可迅速恢复原状，具有较高的内阻，对突然冲击和高频振动的吸收好，能承受多向载荷，安装和拆卸方便，利于维护和保养。

(Ⅲ)本发明采用的双驱弹性缓冲单腿运动机构基于仿生学长度比例以及一个平行运动机构，这样的机构允许集成并行弹性单元来存储和释放能量，以获得强大的跨越动作，腿部具有缓冲功能。

(Ⅳ)本发明的躯干采用了弹性缓冲支杆的并联形式，这使得四足机器人的综合性能、稳定性、刚度、承载能力有了提高，支杆可以分别动作，也可以在一定角度范围内拉伸、收缩和扭转，很好的避免了机械结构相互干扰对整机性能产生不好的影响。

(Ⅴ)本发明足部将传统的足式机器人脚掌与地面的单点接触转变为多点接触甚至面接触，不仅有效增大了机器人的稳定性，还提高了机器人适应复杂地形的能力，弧形足尖能与地面进行平滑的接触，产生主要的弹性变形部分的足跟切下一个开口增大弹性，脚掌刚度较大，可以更严格地保持脚的形状。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明双驱弹性缓冲单腿结构示意图；

图3是本发明双驱电机部件剖面结构示意图；

图4是大腿部件结构示意图；

图5是六自由度并联机构结构示意图；

图6是弹性缓冲支杆结构示意图；

图中各个标号的含义为：1-躯干，2-双驱弹性缓冲单腿运动机构，3-六自由度并联机构，4-躯干框架，5-电机基座圆盘，6-电机，7-摇杆，8-弹性缓冲支杆，9-安装圆盘，10-铝杆，11-支杆，12-固定座，13-球形铰支座，14-拉压传感器，15-橡胶弹簧，16-连接件，17-双驱电机部件，18-腿部部件，19-大腿部件，20-小腿部件，21-环形连接耳板，22-驱动电机外壳，23-驱动电机，24-行星减速器，25-行星架输出盘，26-编码器，27-定子，28-转子，29-转子安装架，30-第一大腿部件，31-第二大腿部件，32-大腿杆一，33-导杆一，34-铰接关节头一，35-平行腿杆，36-大腿杆二，37-导杆二，38-铰接关节头二，39-柱状橡胶弹簧，40-脚掌连接头，41-弓形蓄能脚掌。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图6所示，本实施例给出一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，包括躯干1和连接在躯干1上的双驱弹性缓冲单腿运动机构2；

躯干1包括六自由度并联机构3和连接在六自由度并联机构3两端的躯干框架4；

双驱弹性缓冲单腿运动机构2与躯干框架4连接。

六自由度并联机构3包括电机基座圆盘5，电机基座圆盘5边缘连接有六个电机6；

电机6上还连接有摇杆7，摇杆7通过弹性缓冲支杆8与安装圆盘9铰接。

弹性缓冲支杆8包括同轴套接的铝杆10和支杆11，支杆11一端还套接有固定座12，铝杆10和支杆11的一端均连接有球形铰支座13；

支杆11一端的球形铰支座13与与安装圆盘9铰接，铝杆10一端的球形铰支座13与摇杆7铰接；

支杆11为空心结构，内部包括依次连接的拉压传感器14、橡胶弹簧15和连接件16，拉压传感器14与球形铰支座13连接，橡胶弹簧15布置在拉压传感器14与连接件16之间。

六自由度并联机构3采用六杆并联形式，具有更好的刚度和稳定性，机器人的承载能力也有了很大的提升，六自由度并联机构3中电机6采用与水平面60°的夹角固定，可以增大六杆并联躯干运动空间。

弹性缓冲支杆8不仅能够伸缩，而且由于摇杆7的存在还能够相对于电机基座圆盘5和安装圆盘9绕电机6在一定角度范围内转动，使得六自由度并联机构3的运动空间大大增加,提高了整体的运动性能和灵活性,弹性缓冲支杆8在球形铰支座13和摇杆7的共同配合下,可以做空间运动。电机6固定在电机基座圆盘5上,在电机6旋转的作用下,驱动摇杆7的运动,摇杆7带动弹性缓冲支杆8的运动，弹性缓冲支杆8进而带动安装圆盘9的运动，安装圆盘9又同时带动与它固连的躯干框架4运动，躯干框架4继而带动双驱弹性缓冲单腿运动机构2运动。当机器人后腿将要落地时，弹性缓冲支杆8收缩，躯干向前弯曲，带动后双驱弹性缓冲单腿运动机构2靠近前双驱弹性缓冲单腿运动机构2。弹性缓冲支杆8可以分别动作,也可以在一定角度范围内同时动作，很好的避免了机械结构相互干扰对整机性能产生不好的影响。

双驱弹性缓冲单腿运动机构2包括双驱电机部件17和与双驱电机部件17连接的腿部部件18，腿部部件18包括互相连接的大腿部件19和小腿部件20。

双驱电机部件17包括环形连接耳板21和连接在环形连接耳板21两侧的两个驱动电机外壳22，环形连接耳板21为空心柱状结构，与躯干框架4连接，两个驱动电机外壳22内分别布置有驱动电机23，驱动电机23上还连接有行星减速器24和行星架输出盘25；

环形连接耳板21与躯干框架4相固接，与驱动电机外壳22相固接。所述固接为面接触，并且覆贴有橡胶垫，有助于缓解机器人在行走、奔跑等步态时的附加动压力，从而可提升承载能力。

驱动电机23包括编码器26、定子27和转子28，定子27和转子28同轴布置，转子28与转子安装架29连接，转子安装架29与行星减速器24连接。

大腿部件19包括第一大腿部件30和第二大腿部件31；

第一大腿部件31包括同轴套接的大腿杆一32和导杆一33，导杆一33的一端还连接有铰接关节头一34，导杆一33通过铰接关节头一34与小腿部件20连接，导杆一33上还套接有柱状橡胶弹簧34；

第二大腿部件31包括平行腿杆35，平行腿杆35一端铰接有大腿杆二36，另一端与导杆二37同轴套接，导杆二37通过铰接关节头二38与小腿部件20连接，导杆二37上还套接有柱状橡胶弹簧39；

大腿杆一32和大腿杆二33分别与双驱电机部件17中的行星架输出盘25连接。

大腿部件19形成平行四边形，属于闭式运动链，相比开链式腿型，它的运动可重复精度高且稳定性好。采用双电机驱动大腿和小腿摆动运动，可得到抬腿和落腿效率更高的步态动作，可实现低能耗的奔跑运动。大腿杆一和大腿杆二内嵌了特质橡胶弹簧用于缓冲吸振，形成了一个平行四边形双边缓冲机构，它允许集成双腿杆并行弹性单元来同时存储和释放能量，以快速减缓奔跑中剧增剧减的冲击和振动。

小腿部件20的顶端与第一大腿部件30通过铰接关节头一34铰接，小腿部件20的中部与第二大腿部件31通过铰接关节头二38铰接；

小腿部件20的底端通过脚掌连接头40与弓形蓄能脚掌41连接。

所述弓形蓄能脚掌41是一种弹性J型缓冲脚，用弹簧钢片弯制而成，在足尖和脚掌的表面粘贴防滑橡胶垫防止它在运动时滑动，对机器人的运动起到很好的缓冲作用，并且可获得强大的跳跃动作，可助力奔跑时腿部跃出的跨度。

大腿杆一32与驱动电机23相连，大腿杆二36与驱动电机23相连，两个电机23同轴安装形成髋关节，大腿部件19分别与小腿部件20的上端和中部，同时大腿杆二36与平行腿杆35也通过圆柱销铰接在一起，然后用卡簧固定，大腿部件19末端与小腿部件20上端和中部分别构成两个膝关节。腿部的髋关节和膝关节都具有主动的俯仰自由度,将驱动大腿部件19的驱动电机23同轴安装,并使其与髋轴同轴,驱动大腿部件19的驱动电机23直接带动大腿部件19运动，平行腿杆35再带动小腿部件20的运动，且大腿部件19与小腿部件20的上半部分始终保持平行四边形结构。当单腿落地时，大腿部件19在受到力进行缓冲时，套在导杆一33和导杆二37上的柱状橡胶弹簧受到压缩，同时导杆一33和导杆二37相对大腿杆一32或平行腿杆35中空部分向上运动，进而使小腿部件20向上方运动，减轻地面对腿的冲击作用。柱状橡胶弹簧39的收缩与拉伸都具有一定的限制，当超出某个限定范围后就可能对弹簧的性能产生影响，于是就需要限位销的存在，使柱状橡胶弹簧39收缩距离有限，不至因受力过大而超过其极限位置。当抬腿时，柱状橡胶弹簧因39压缩而储存的能量又转化为跳跃的动力，而采用平行四边形的机构允许集成并行弹性单元来存储和释放能量，以获得强大的跨越动作。当腿部所承受地面的相对作用力太大，柱状橡胶弹簧39收缩，致使弹性腿缓冲装置导杆运动到限位销处，此时柱状橡胶弹簧的位置为其收缩的极限位置。

考虑到机器人在奔跑过程中前腿首先着地,地面给予前脚很大的冲击力,因此需要将前双驱弹性缓冲单腿运动机构2的弓形蓄能脚掌41尺寸加长一些，同时双驱弹性缓冲单腿运动机构2收缩吸收能量，而后双驱弹性缓冲单腿运动机构2作为主要的发力腿,为机器人奔跑提供推力,需要将后弓形蓄能脚41掌尺寸进行缩短。在机器人奔跑时，当后双驱弹性缓冲单腿运动机构2将要落地时，其躯干1会像弹簧一样弯曲收缩，其后双驱弹性缓冲单腿运动机构2能够伸到前双驱弹性缓冲单腿运动机构2的前面，增大了腿部的活动范围；后双驱弹性缓冲单腿运动机构2落地后，机器人伸展其躯干1推动前双驱弹性缓冲单腿运动机构2奔向前方，从而产生巨大的速度推进力。当机器人伸展双腿时，小腿部件20在绕膝关节逆时针方向旋转，当输出转矩不变时,足端的输出力增大,着地阶段输出力增加。当机器人收缩双腿时,小腿部件20顺时针转动,在输出转速不变的情况下,足端迅速收回。机器人在四条双驱弹性缓冲单腿运动机构2和躯干1的协调作用下，平稳高效地向前奔跑。

Claims (7)

1.一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，包括躯干(1)和连接在躯干(1)上的双驱弹性缓冲单腿运动机构(2)；其特征在于，所述的躯干(1)包括六自由度并联机构(3)和连接在六自由度并联机构(3)两端的躯干框架(4)；所述的双驱弹性缓冲单腿运动机构(2)与躯干框架(4)连接。

2.如权利要求1所述的具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，其特征在于，所述的六自由度并联机构(3)包括电机基座圆盘(5)，所述的电机基座圆盘(5)边缘连接有若干电机(6)；

所述的电机(6)上还连接有摇杆(7)，所述的摇杆(7)通过弹性缓冲支杆(8)与安装圆盘(9)铰接。

3.如权利要求2所述的具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，其特征在于，所述的弹性缓冲支杆(8)包括同轴套接的铝杆(10)和支杆(11)，所述的支杆(11)一端还套接有固定座(12)，所述的铝杆(10)和支杆(11)的一端均连接有球形铰支座(13)；

支杆(11)一端的球形铰支座(13)与安装圆盘(9)铰接，铝杆(10)一端的球形铰支座(13)与摇杆(7)铰接；

所述的支杆(11)为空心结构，内部包括依次连接的拉压传感器(14)、橡胶弹簧(15)和连接件(16)，所述的拉压传感器(14)与球形铰支座(13)连接，所述的橡胶弹簧(15)布置在拉压传感器(14)与连接件(16)之间。

4.如权利要求1所述的具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，其特征在于，所述的双驱弹性缓冲单腿运动机构(2)包括双驱电机部件(17)和与双驱电机部件(17)连接的腿部部件(18)，所述的腿部部件(18)包括互相连接的大腿部件(19)和小腿部件(20)。

5.如权利要求4所述的具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，其特征在于，所述的双驱电机部件(17)包括环形连接耳板(21)和连接在环形连接耳板(21)两侧的驱动电机外壳(22)，所述的环形连接耳板(21)为空心柱状结构，与躯干框架(4)连接，所述的驱动电机外壳(22)内布置有驱动电机(23)，所述的驱动电机(23)上还连接有行星减速器(24)和行星架输出盘(25)；

所述的驱动电机(23)包括编码器(26)、定子(27)和转子(28)，所述的定子(27)和转子(28)同轴布置，转子(28)与转子安装架(29)连接，转子安装架(29)与行星减速器(24)连接。

6.如权利要求5所述的具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，其特征在于，所述的大腿部件(19)包括第一大腿部件(30)和第二大腿部件(31)；

所述的第一大腿部件(31)包括同轴套接的大腿杆一(32)和导杆一(33)，导杆一(33)的一端还连接有铰接关节头一(34)，所述的导杆一(33)通过铰接关节头一(34)与小腿部件(20)连接，导杆一(33)上还套接有柱状橡胶弹簧(34)；

所述的第二大腿部件(31)包括平行腿杆(35)，所述的平行腿杆(35)一端铰接有大腿杆二(36)，另一端与导杆二(37)同轴套接，所述的导杆二(37)通过铰接关节头二(38)与小腿部件(20)连接，导杆二(37)上还套接有柱状橡胶弹簧(39)；

所述的大腿杆一(32)和大腿杆二(33)分别与双驱电机部件(17)中的行星架输出盘(25)连接。

7.如权利要求6所述的具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人，其特征在于，所述的小腿部件(20)的顶端与第一大腿部件(30)通过铰接关节头一(34)铰接，所述的小腿部件(20)的中部与第二大腿部件(31)通过铰接关节头二(38)铰接；

所述的小腿部件(20)的底端通过脚掌连接头(40)与弓形蓄能脚掌(41)连接。