CN111496819B - 一种可缩放机器人躯干及仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可缩放机器人躯干及仿生四足机器人，包括：躯干连杆和环形变胞机构；所述躯干连杆连接两个结构对称的环形变胞机构；所述环形变胞机构由若干个第一连杆通过第一连接件首尾活动连接构成，在每两个第一连杆的连接处连接第二连杆，且每个第一连杆只有一端与第二连杆连接，所述第二连杆之间通过第二连接件活动连接；在环形变胞机构处于中心对称位置的两个第二连杆之间连接伸缩杆。本发明采用结构对称的可折展的变胞机构，两个变胞机构通过躯干连杆连接构成机器人躯干，且每个变胞机构通过伸缩杆调整机器人躯干径向尺寸；将腿部机构与躯干伸缩运动耦合，通过躯干缩放变形，实现调节机器人的腿部间距、躯干离地高度等。

Description

一种可缩放机器人躯干及仿生四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种可缩放机器人躯干及仿生四足机器人。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

四足机器人与轮式、履带式等移动机器人相比在粗糙地形中具有更好的适应能力，与双足、六足等腿足机器人相比兼顾了运动的稳定性和结构/控制的复杂性，适用于复杂环境中的移动平台。四足机器人通常以狗、猫、猎豹等典型的四足动物为仿生对象，然而，绝大多数四足机器人只模仿了四足动物的四肢关节特征，而将结构复杂、运动灵活的躯干简化为纯刚性构件。

对四足动物来说，躯干的功能不仅在于承重，在运动中也同样具有十分重要的作用，包括提高运动的灵活性与稳定性以及不同地形上的适应性，改善高速运动时的能量效率，实现水陆两栖等多种模式运动，并减少地面冲击对身体器官的损伤。以猫为例，猫的躯干具有非常高的柔顺性与灵活性，能够产生弯曲、收缩、伸展等多种运动，尤其是面对非常狭小的缝隙或孔洞时，其躯干会沿径向收缩以使其顺利通过。然而，发明人认为，现有的四足机器人大多采用刚性躯干，少数柔性躯干只能产生弯曲/伸展运动，不能产生缩放变形，无法通过宽度超过身体的缝隙或孔洞。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种可缩放机器人躯干及仿生四足机器人，本发明采用结构对称的可折展的变胞机构，两个变胞机构通过躯干连杆连接构成机器人躯干，且每个变胞机构通过伸缩杆调整机器人躯干径向尺寸；将腿部机构与躯干伸缩运动耦合，通过躯干缩放变形，实现调节机器人的腿部间距、躯干离地高度等功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种可缩放机器人躯干，包括：躯干连杆和环形变胞机构；所述躯干连杆连接两个结构对称的环形变胞机构；

所述环形变胞机构由若干个第一连杆通过第一连接件首尾活动连接构成，在每两个第一连杆的连接处连接第二连杆，且每个第一连杆只有一端与第二连杆连接，所述第二连杆之间通过第二连接件活动连接；在环形变胞机构处于中心对称位置的两个第二连杆之间连接伸缩杆。

第二方面，本发明提供一种仿生四足机器人，包括：第一方面所述的可缩放机器人躯干和腿部机构；所述腿部机构连接在第一连杆上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明基于空间四杆机构的可变形特点，设计结构对称的可折展的变胞机构，将两个变胞机构利用连杆连接分别作为机器人的前躯干与后躯干，每个变胞机构通过伸缩杆实现躯干的缩放变形。

本发明通过将腿部机构与躯干伸缩运动耦合，提出一种躯干可缩放变形的仿生四足机器人，通过躯干缩放变形，调整机器人躯干径向尺寸，调节四足机器人的左右腿间距、前后腿间距、躯干离地高度等，使其能够更好地应对缝隙、沟壑、台阶等障碍物，提高四足机器人的越障能力和运动能力。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的变胞机构结构示意图；

图2(a)-图2(f)为本发明实施例1提供的变胞机构变形示意图；

图3为本发明实施例1提供的仿生四足机器人结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的腿部结构示意图；

图5(a)-图5(b)为本发明实施例2提供的四足机器人躯干缩放变形示意图；

1、躯干连杆；2、前躯干；3、后躯干；4、左前腿；5、右前腿；6、左后腿；7、右后腿；8、腿部基座；9、髋关节基座；10、小腿；11、大腿；12、橡胶球。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供一种可缩放机器人躯干，包括：躯干连杆和环形变胞机构；所述躯干连杆连接两个结构对称的环形变胞机构；

如图1所示，所述环形变胞机构由若干个第一连杆通过第一连接件首尾活动连接构成，在每两个第一连杆的连接处连接第二连杆，且每个第一连杆只有一端与第二连杆连接，所述第二连杆之间通过第二连接件活动连接；在环形变胞机构处于中心对称位置的两个第二连杆之间连接伸缩杆。

具体的，变胞机构原理是采用特定方法，使机构的拓扑结构加以变化，以实现机构的自由度的变化。在本实施例中，环形变胞机构采用8个第一连杆，所述8个第一连杆通过铰链座依次首尾活动连接；

可以理解的，8个第一连杆连接后，通过铰链座连接的两个固体之间可以做相对转动，可以进行变形、伸缩等活动动作；

在本实施例中，在每两个第一连杆的铰链座连接处连接一个第二连杆，且每个第一连杆只有一端与第二连杆连接，即8个第一连杆对应连接4个第二连杆；且4个第二连杆的另一端通过一个铰链座连接到一起，4个第二连杆均连接到一点处，能够起到支撑以及稳定环形变胞机构的作用。

在本实施例中，每个环形变胞机构通过伸缩杆实现伸缩，伸缩杆安装在环形变胞机构处于中心对称位置的两个第二连杆之间，伸缩杆将环形变胞机构划分为结构对称的两部分；

可以理解的，伸缩杆可选择电动推杆；如图2(a)-图2(f)所示为变胞机构的变形图，电动推杆能够进行伸缩运动，当电动推杆伸长时，环形变胞机构沿径向展开，沿轴向收缩；当电动推杆缩短时，环形变胞机构沿径向收缩，沿轴向伸长。

结合图1，给出本实施例中环形变胞机构的具体连接关系：

连杆1两端与铰链座8与铰链座1活动连接，

连杆3两端与铰链座1与铰链座2活动连接，

连杆4两端与铰链座2与铰链座3活动连接，

连杆6两端与铰链座3与铰链座4活动连接，

连杆7两端与铰链座4与铰链座5活动连接，

连杆9两端与铰链座5与铰链座6活动连接，

连杆10两端与铰链座6与铰链座7活动连接，

连杆12两端与铰链座7与铰链座8活动连接；上述连接构成变胞机构的环形结构；

连杆2两端与铰链座1与铰链座9活动连接，

连杆5两端与铰链座3与铰链座9活动连接，

连杆8两端与铰链座5与铰链座9活动连接，

连杆11两端与铰链座7与铰链座9活动连接；上述连接为4个第二连杆均连接到一个铰链座9上；

电动推杆的一端与连杆5活动连接，另一端与连杆11活动连接；可以理解的，活动连接方式可采用铰接、螺纹连接、销连接等，可根据实际应用场景选择连接方式。

如图3所示，两个结构对称的环形变胞机构通过躯干连杆1连接，在本实施例中采用4个躯干连杆1连接在第一连杆上，两个环形变胞机构分别为前躯干2和后躯干3；针对现有四足机器人存在的问题，提出一种能够模仿猫类动物实现躯干缩放变形的可缩放机器人躯干，可以根据需要调整机器人躯干径向尺寸。

实施例2

本实施例提供一种仿生四足机器人，包括：实施例1所述的可缩放机器人躯干和腿部机构；所述腿部机构连接在第一连杆上。

本实施例提出一种四足机器人，腿部机构包括左前腿4、左后腿6、右前腿5和右后腿7，且其腿结构一致。

如图4所示，以一条腿为例，腿部机构包括腿部基座8、髋关节基座9、小腿10、大腿11与橡胶球12；其中，腿部基座8连接到环形变胞机构中，连接到第一连杆上，分别与铰链座3和铰链座7连接，两个腿部基座对称设置；髋关节基座9与腿部基座8活动连接，大腿11与髋关节基座9活动连接，小腿10与大腿11活动连接，小腿10下端连接有橡胶球12，用于缓冲足部触地时的冲击，增大足地接触的摩擦力；

可以理解的，本实施例不限定活动连接或固接方式，如铰接、螺纹连接、销连接等均可。

在本实施例中，每条腿有三个自由度，分别为髋关节滚转、髋关节俯仰、膝关节俯仰。如图5(a)-5(b)所示为四足机器人躯干缩放变形示意图，本实施例在前躯干与后躯干安装具有髋关节滚转、髋关节俯仰、膝关节俯仰三个自由度的腿部结构，得到一种躯干可缩放变形的仿生四足机器人，可以根据需要调整机器人躯干径向尺寸，提高四足机器人的运动能力，可以增大机器人的跳跃高度、奔跑步长，使其跳跃、奔跑等运动的性能得到提升；或调节四足机器人的左右腿间距、前后腿间距、躯干离地高度，使其能够更好地应对缝隙、沟壑、台阶等障碍物。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种可缩放机器人躯干，其特征在于，包括：躯干连杆和环形变胞机构；基于空间四杆机构的可变性特点，所述躯干连杆连接两个结构对称的可折展的环形变胞机构；

所述环形变胞机构由8个第一连杆通过第一连接件首尾活动连接构成，在每两个第一连杆的连接处连接第二连杆，且每个第一连杆只有一端与第二连杆连接，所述第二连杆之间通过第二连接件活动连接；在环形变胞机构处于中心对称位置的两个第二连杆之间连接伸缩杆，伸缩杆将环形变胞机构划分为结构对称的两部分，采用4个躯干连杆连接在第一连杆上，两个环形变胞机构分别为前躯干和后躯干，每个环形变胞机构通过伸缩杆实现缩放变形，从而实现躯干缩放变形。

2.如权利要求1所述的一种可缩放机器人躯干，其特征在于，所述第二连杆的第一端连接在第一连杆上，另一端均连接在一个第二连接件上。

3.如权利要求1所述的一种可缩放机器人躯干，其特征在于，所述伸缩杆伸长时，环形变胞机构沿径向展开，沿轴向收缩；所述伸缩杆缩短时，环形变胞机构沿径向收缩，沿轴向伸长。

4.一种仿生四足机器人，其特征在于，包括：如权利要求1-3任一项所述的可缩放机器人躯干和腿部机构；所述腿部机构为四条腿，包括左前腿、左后腿、右前腿和右后腿，且每条腿结构一致，所述每条腿连接在第一连杆上；所述每条腿包括腿部基座，所述腿部基座与环形变胞机构连接；每条腿包括三个自由度，分别为髋关节滚转、髋关节俯仰和膝关节俯仰；根据需要调整机器人躯干径向尺寸，并调节四足机器人的左右腿间距、前后腿间距、躯干离地高度。

5.如权利要求4所述的一种仿生四足机器人，其特征在于，每个环形变胞机构连接两个腿部基座，且两个腿部基座处于对称位置。

6.如权利要求5所述的一种仿生四足机器人，其特征在于，每条腿还包括髋关节基座、大腿与小腿，所述髋关节基座与腿部基座活动连接，大腿与髋关节基座活动连接，小腿与大腿活动连接。

7.如权利要求6所述的一种仿生四足机器人，其特征在于，在所述小腿接触地面的一端连接橡胶球。

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