CN111846010A - 一种基于中腰辅助运动的四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中腰辅助运动的四足机器人，包括左前腿、右前腿、前机身、中腰、后机身、左后腿以及右后腿；所述左前腿、右前腿与所述前机身连接，所述左后腿以及右后腿与所述后机身连接，所述前机身通过所述中腰与所述后机身连接；所述左前腿、右前腿、左后腿以及右后腿结构相同，对称布置；其中所述左前腿包括第一足端、第一小腿、第一小腿液压缸、第一大腿、第一髋部、第一髋部液压缸、第一大腿液压缸；本发明采用中腰结构辅助四足机器人运动，能够减少因控制复杂而引入的系统紊乱和低可靠性等问题，提高机器人的运动灵活性和越障能力。同时通过中腰更好地实现四足机器人转向等运动以及四足的步态协调运动。
Description
技术领域
本发明属于仿生四足机器人技术领域，具体涉及一种基于中腰辅助运动的四足机器人。
背景技术
四足机器人由于其负载大、运动灵活性高、越障能力强和环境适应能力强等特点近年来已成为机器人研究领域的热点和难点，其在运动过程中通过离散点与地面接触，各支撑腿可以实现非连续的地面支撑，灵活性较好，在军事活动、现场救援和探险排雷等领域具有广阔的应用前景。
目前针对四足机器人的运动研究如火如荼，但是多数是从机器人腿部动力系统控制策略入手，增加了机器人腿部控制系统复杂度，降低了机器人的实用性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于中腰辅助运动的四足机器人，采用中腰结构辅助四足机器人运动，以减少因控制复杂而引入的系统紊乱和低可靠性等问题，提高机器人的运动灵活性和越障能力。同时通过以空间四杆机构为核心的机械连接装置，更好地实现四足机器人转向等运动以及四足的步态协调运动。
本发明提供了一种基于中腰辅助运动的四足机器人，包括左前腿、右前腿、前机身、中腰、后机身、左后腿以及右后腿；所述左前腿、右前腿与所述前机身连接，所述左后腿以及右后腿与所述后机身连接，所述前机身通过所述中腰与所述后机身连接；
所述左前腿、右前腿、左后腿以及右后腿结构相同，对称布置；其中所述左前腿包括第一足端、第一小腿、第一小腿液压缸、第一大腿、第一髋部、第一髋部液压缸、第一大腿液压缸；
所述第一足端通过第一滑动轴承与所述第一小腿连接，所述第一小腿通过所述第一小腿液压缸与所述第一大腿连接，所述第一大腿通过所述第一大腿液压缸与所述第一髋部连接，所述第一髋部通过所述第一髋部液压缸与所述前机身连接；
所述第一髋部可在所述第一髋部液压缸的驱动下完成髋部的横摆运动，所述第一大腿可在所述第一大腿液压缸的驱动下完成大腿的俯仰运动，所述第一小腿可在所述第一小腿液压缸的驱动下完成小腿的俯仰运动；所述第一小腿还可通过所述第一滑动轴承完成小腿的柔性变形；
所述中腰为空间四杆机构，用于在不改变机器人原有步态的基础上，辅助调整前机身、后机身之间的相位关系，改变机器人的运动方向，调整腿部实际运动空间。
进一步地，所述中腰包括第一中腰连接底座、第二中腰连接底座、第三中腰连接底座、第四中腰连接底座、第一十字轴、第二十字轴、第三十字轴、第四十字轴、第一连接杆、第二连接杆；
所述第一中腰连接底座、第二中腰连接底座、第三中腰连接底座、第四中腰连接底座两两一组与所述前机身及后机身连接；所述第一中腰连接底座及第二中腰连接底座分别与所述第一十字轴及第二十字轴连接，所述第一十字轴与所述第二十字轴通过所述第一连接杆连接；所述第三中腰连接底座及第四中腰连接底座分别与所述第三十字轴及第四十字轴连接，所述第三十字轴与第四十字轴通过所述第二连接杆连接。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1)本发明通过四足机器人传动装置，可以将机器人每条腿三个液压缸的运动和动力传递到各关节，通过调整各个液压缸之间的协同作用关系，既可以保证每条腿的运动规律，又可以满足机器人四条腿之间的交替运动，从而保证四足机器人的步态运动。
2)本发明通过中腰结构，将前后机身连接起来，增大了机身的实际运动空间，并可以根据四足机器人的实际运动情况自适应地调整前后机身之间的相位关系，使机器人可以更好地完成转向等复杂运动步态。
3)本发明以简单的形式，合理的布局，有效地提高了四足机器人的机身灵活性，中腰结构的引入在辅助机器人完成转向等各种复杂运动步态的同时，还可以提高机器人的越障能力，提高了该装置的可靠性和适用范围。
附图说明
图1是本发明基于中腰辅助运动的四足机器人的结构示意图。
图2是本发明基于中腰辅助运动的四足机器人中腰连接装置的结构示意图。
图3是本发明基于中腰辅助运动的四足机器人左前腿结构示意图。
图4是本发明基于中腰辅助运动的四足机器人右前腿结构示意图。
图5是本发明基于中腰辅助运动的四足机器人左后腿结构示意图。
图6是本发明基于中腰辅助运动的四足机器人右后腿结构示意图。
图中标号：
1-左前腿；2-右前腿；3-前机身；4-中腰；5-后机身；6-左后腿；7-右后腿；
42-第一中腰连接底座；48-第二中腰连接底座；44-第三中腰连接底座；47-第四中腰连接底座；
41-第一十字轴；49-第二十字轴；43-第三十字轴；46-第四十字轴；
40-第一连接杆；45-第二连接杆；
11-第一足端；21-第二足端；61-第三足端；71-第四足端；
12-第一小腿；22-第二小腿；62-第三小腿；72-第四小腿；
13-第一小腿液压缸；23-第二小腿液压缸；63-第三小腿液压缸；73-第四小腿液压缸；
14-第一大腿；24-第二大腿；64-第三大腿；77-第四大腿；
15-第一髋部；25-第二髋部；66-第三髋部；76-第四髋部；
16-第一髋部液压缸；26-第二髋部液压缸；67-第三髋部液压缸；75-第四髋部液压缸；
17-第一大腿液压缸；27-第二大腿液压缸；65-第三大腿液压缸；74-第四大腿液压缸；
121-第一滑动轴承；221-第二滑动轴承；621-第三滑动轴承；721-第四滑动轴承。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
参图1、图3所示，本实施例提供了一种基于中腰辅助运动的四足机器人，包括左前腿1、右前腿2、前机身3、中腰4、后机身5、左后腿6以及右后腿7；左前腿1、右前腿2与前机身3连接，左后腿6以及右后腿7与后机身5连接，前机身3通过中腰4与后机身5连接；
左前腿1、右前腿2、左后腿6以及右后腿7结构相同，对称布置；其中左前腿1包括第一足端11、第一小腿12、第一小腿液压缸13、第一大腿14、第一髋部15、第一髋部液压缸16、第一大腿液压缸17；
第一足端11通过第一滑动轴承121与第一小腿12连接，第一小腿12通过第一小腿液压缸13与第一大腿14连接，第一大腿14通过第一大腿液压缸17与第一髋部15连接，第一髋部15通过第一髋部液压缸16与前机身3连接；
第一髋部15可在第一髋部液压缸16的驱动下完成髋部的横摆运动，第一大腿14可在第一大腿液压缸17的驱动下完成大腿的俯仰运动，第一小腿12可在第一小腿液压缸13的驱动下完成小腿的俯仰运动；第一小腿12还可通过第一滑动轴承121完成小腿的柔性变形；
中腰4为空间四杆机构，用于在不改变机器人原有步态的基础上，辅助调整前机身3、后机身5之间的相位关系，改变机器人的运动方向，调整腿部实际运动空间。
四足机器人的运动需要各个液压缸之间的协同配合，根据步态要求，四足机器人每条腿上的液压缸的运动需要保持一定的时序关系，以完成抬腿相与落地相依次交替的步态周期。
调整机器人四条腿动作的时序关系，可以分别使其实现行走和对角小跑等运动步态，即当左前腿1与右后腿7动作时序相同，且与另外对角线上的两条腿2、6保持半个步态周期的相位差时，四足机器人可以实现对角小跑步态；当机器人四条腿1、2、6、7依次动作，且至少保证三条腿着地时，四足机器人可以实现行走步态；在实现常见步态运动规律的前提下，调整各液压缸之间的动力关系，采用中腰4可以辅助机器人更好地完成转向等较复杂的步态运动。
根据四足机器人的步态要求，机器人的运动步态主要由四条腿之间的运动时序关系决定，四条腿协同配合，完成抬腿相与落地相依次交替的步态周期；中腰的引入可以辅助调整前后机身之间的相位关系，改变机器人的运动方向，调整腿部实际运动空间，但并不改变原有步，既可以辅助机器人更好地实现转向等运动步态，也可以提高机器人的越障能力和机身灵活性。
参图2所示，中腰4包括第一中腰连接底座42、第二中腰连接底座48、第三中腰连接底座44、第四中腰连接底座47、第一十字轴41、第二十字轴49、第三十字轴43、第四十字轴46、第一连接杆40、第二连接杆45；
第一中腰连接底座42、第二中腰连接底座48、第三中腰连接底座44、第四中腰连接底座47两两一组与前机身3及后机身5连接；第一中腰连接底座42及第二中腰连接底座48分别与第一十字轴41及第二十字轴49连接，第一十字轴41与第二十字轴49通过第一连接杆40连接；第三中腰连接底座44及第四中腰连接底座47分别与第三十字轴43及第四十字轴46连接，第三十字轴43与第四十字轴46通过第二连接杆45连接。运动过程中，第一连接杆40、第二连接杆45在空间上始终不发生干涉，在后机身5稳定运动的情况下，前机身3在空间上最大可以实现近似90°的偏转。
本实施例中引入的中腰可使机器人根据实际步态运动情况调整前后机身之间的相位关系，即调整连接杆之间的空间关系，辅助四足机器人更好地完成步态运动。
本实施例中，连接杆与底座采用空间转动副连接；液压缸与机身、髋部、大腿、小腿之间保持转动副连接；足端采用滑动轴承和压紧弹簧等与小腿保持平移副连接。通过引入十字轴可以构成空间转动副，在运动过程中，受机器人步态运动的影响，四足机器人前后机身之间会产生一定相位的偏转，中腰结构可以根据腿部动力控制策略的要求自适应地调整前后机身的相位关系，既保证了正常的运动规律，又提高了四足机器人的运动灵活性。
参图4至6所示，右前腿2、左后腿6、右后腿7与左前腿1的结构、运动特征和动力特征相同，此处不再赘述。
该基于中腰辅助运动的四足机器人，主要由四条腿、中腰结构以及前后机身组成，中腰结构将前后机身连接在一起，四条腿通过液压缸分别安装在前后机身上，在安装需要保持整机的对称性。液压系统通过液压缸将运动和动力传递到各关节。机器人每条腿分别安装三个液压缸，分别控制髋关节的横摆运动、大腿的俯仰运动以及小腿的俯仰运动。中腰结构安装在四足机器人机身的中部，当四足机器人运动时，中腰结构可以自适应地调整前后机身的相位关系，且并不会使前后机身发生干涉，有效地提高了四足机器人机身的实际运动空间。因此，中腰结构的引入可以辅助四足机器人更好地实现转向等复杂步态运动，同时提高了机身的运动灵活性，将其和机器人四条腿的运动协同配合，可以提高整机的越障能力。具体包括如下技术效果：
1)本发明通过四足机器人传动装置，可以将机器人每条腿三个液压缸的运动和动力传递到各关节，通过调整各个液压缸之间的协同作用关系，既可以保证每条腿的运动规律，又可以满足机器人四条腿之间的交替运动，从而保证四足机器人的步态运动。
2)本发明通过中腰结构，将前后机身连接起来，增大了机身的实际运动空间，并可以根据四足机器人的实际运动情况自适应地调整前后机身之间的相位关系，使机器人可以更好地完成转向等复杂运动步态。
3)本发明以简单的形式，合理的布局，有效地提高了四足机器人的机身灵活性，中腰结构的引入在辅助机器人完成转向等各种复杂运动步态的同时，还可以提高机器人的越障能力，提高了该装置的可靠性和适用范围。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (2)
1.一种基于中腰辅助运动的四足机器人，其特征在于，包括左前腿(1)、右前腿(2)、前机身(3)、中腰(4)、后机身(5)、左后腿(6)以及右后腿(7)；所述左前腿(1)、右前腿(2)与所述前机身(3)连接，所述左后腿(6)以及右后腿(7)与所述后机身(5)连接，所述前机身(3)通过所述中腰(4)与所述后机身(5)连接；
所述左前腿(1)、右前腿(2)、左后腿(6)以及右后腿(7)结构相同，对称布置；其中所述左前腿(1)包括第一足端(11)、第一小腿(12)、第一小腿液压缸(13)、第一大腿(14)、第一髋部(15)、第一髋部液压缸(16)、第一大腿液压缸(17)；
所述第一足端(11)通过第一滑动轴承(121)与所述第一小腿(12)连接，所述第一小腿(12)通过所述第一小腿液压缸(13)与所述第一大腿(14)连接，所述第一大腿(14)通过所述第一大腿液压缸(17)与所述第一髋部(15)连接，所述第一髋部(15)通过所述第一髋部液压缸(16)与所述前机身(3)连接；
所述第一髋部(15)可在所述第一髋部液压缸(16)的驱动下完成髋部的横摆运动，所述第一大腿(14)可在所述第一大腿液压缸(17)的驱动下完成大腿的俯仰运动，所述第一小腿(12)可在所述第一小腿液压缸(13)的驱动下完成小腿的俯仰运动；所述第一小腿(12)还可通过所述第一滑动轴承(121)完成小腿的柔性变形；
所述中腰(4)为空间四杆机构，用于在不改变机器人原有步态的基础上，辅助调整前机身(3)、后机身(5)之间的相位关系，改变机器人的运动方向，调整腿部实际运动空间。
2.根据权利要求1所述的中腰辅助运动的四足机器人，其特征在于，所述中腰(4)包括第一中腰连接底座(42)、第二中腰连接底座(48)、第三中腰连接底座(44)、第四中腰连接底座(47)、第一十字轴(41)、第二十字轴(49)、第三十字轴(43)、第四十字轴(46)、第一连接杆(40)、第二连接杆(45)；
所述第一中腰连接底座(42)、第二中腰连接底座(48)、第三中腰连接底座(44)、第四中腰连接底座(47)两两一组与所述前机身(3)及后机身(5)连接；所述第一中腰连接底座(42)及第二中腰连接底座(48)分别与所述第一十字轴(41)及第二十字轴(49)连接，所述第一十字轴(41)与所述第二十字轴(49)通过所述第一连接杆(40)连接；所述第三中腰连接底座(44)及第四中腰连接底座(47)分别与所述第三十字轴(43)及第四十字轴(46)连接，所述第三十字轴(43)与第四十字轴(46)通过所述第二连接杆(45)连接。
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