CN112606009B - 一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构，一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构，包括，轻量化板块，为液压四足机器人的连接部和第一支撑部的主体部分，所述轻量化板块上设置有蜂窝槽，所述蜂窝槽中设置有蜂窝芯子；包括左前腿，所述左前腿包括连接部、第一支撑部、第二支撑部和足端，所述第一支撑部和所述连接部连接，所述第二支撑部与第一支撑部连接，所述足端设置于所述第二支撑部端部；本发明可以使足式机器人结构件在强度允许范围内，实现结构的轻量化，可以充分提高机器人步态切换及高速运动的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及液压四足机器人技术领域，尤其是一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构。
背景技术
目前国内外在仿生四足机器人研究上已经取得了一定的进展，但现有的四足机器人在结构仿生轻量化方面有所欠缺，多数足式机器人腿部强度过于冗余，造成腿部质量过大，影响整体运动性能。在高速运动过程中尤为显著。因此，各国学者也在材料和结构方面寻求突破。近年来，轻量化高强度的材料及结构受到越来越多人的关注。
结构轻量化是仿生四足机器人研究的一个重要方向。结构轻量化尤其是腿部结构的轻量化可以显著减小腿部转动惯量，在机器人高速运动的情况下可以显著增加机器人动态稳定性。此外也降低了整机控制难度。
虽然目前已经出现较多的仿生四足机器人轻量化方法，但多数结构优化是基于传统机加工并且在仿生机理研究上上有所欠缺。导致整体结构出现外形仿生度较高，但在结构在微小处仿生不能达到期望的效果甚至忽略结构微小处的仿生。
研究表明动物骨骼不是完全的实心，而是一种类似夹心结构，最外层面是骨皮质，骨皮质的是骨骼的主要组成部分，骨质坚硬、致密，抗压及抗扭曲能力强。而内部主要是骨松质。骨松质主要集中在长管装骨的两端，由大量骨小梁相互交织构成，呈海绵状。骨小梁的排列方向与骨所承受的压力和张力的方向一致，因而能承受较大的重量。骨松质配布于长骨的两端，短骨、扁骨和不规则骨的内部。骨松质按力的一定方向排列，虽质地疏松但却体现出既轻便又坚固的性能，符合以最少的原料发挥最大功效的构筑原则。
另外自然界中较为突出的轻质坚固的结构有蜂窝结构体，研究表明正六角形的建筑结构，密合度最高、所需材料最简、可使空间最大。根据平面投影几何形状，蜂窝夹芯材料可分为六边形、菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形等。在这些蜂窝夹芯材料中，以加强带六边形强度最高，正方形蜂窝次之。由于正六边形蜂窝制造简单，用料省，强度也较高，故应用最广。因此要在不大幅度削弱结构强度的条件下实现轻量化，需要进一步提升结构的仿生契合度。四足机器人腿部参照动物骨骼的生物特性，采用夹层结构，才能进一步实现结构的轻量化和提升足式机器人的整体动态特性。
目前应用力学性能较好的轻量化结构为蜂窝夹层结构，夹层与表板一般用胶粘结在一起，也可以用熔焊、焊接连接，形成整体，在总体受力分析中，上下两表面板只承受表面内的拉、压和剪切力，不能承受弯矩和扭矩，而中间夹层只承受垂直于夹层中面的切力。夹层结构的两表板之间距离较大，所以夹层结构的弯曲刚度比一般板壳结构大得多，失稳临界应力显著提高。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的技术问题是现有的四足机器人在结构仿生轻量化方面有所欠缺，多数足式机器人腿部强度过于冗余，造成腿部质量过大，影响整体运动性能的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构，包括，
轻量化板块，为液压四足机器人的连接部和第一支撑部的主体部分，所述轻量化板块上设置有蜂窝槽，所述蜂窝槽中设置有蜂窝芯子。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：包括左前腿，所述左前腿包括连接部、第一支撑部、第二支撑部和足端，所述第一支撑部和所述连接部连接，所述第二支撑部与第一支撑部连接，所述足端设置于所述第二支撑部端部；所述连接部和第一支撑部的主体部分采用轻量化板块。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述蜂窝槽为垂直于轻量化板块所受横向剪切力方向设置的六边形的槽。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述蜂窝芯子为与所述蜂窝槽过盈配合的六棱柱。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述连接部的框架由多个轻量化板块构成，所述连接部上设置有凸耳，所述凸耳上设置有连接孔，第一轴设置于所述连接孔中。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述连接部上设置有第二轴和成对设置的第一端板，所述第二轴端部与所述第一端板通过第一轴承连接。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述第一支撑部上设置有第一套环，所述第一套环套设于所述第二轴上，所述第一套环内侧设置有第一嵌槽，所述第二轴上设置有第二嵌槽。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述第一套环中还设置有第一槽键，所述第一槽键一侧嵌入所述第一嵌槽中，一侧嵌入所述第二嵌槽中。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述第一支撑部端部设置有第三轴和成对设置的第二端板，所述第三轴端部与所述第二端板通过第二轴承连接。
作为本发明所述液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构的一种优选方案，其中：所述连接部上还设置有第一液压缸，所述第一液压缸一端与所述连接部连接，一端与所述第一支撑部轴连接；
所述第一支撑部上还设置有第二液压缸，所述第二液压缸一端与所述第一支撑部连接，一端与所述第二支撑部轴连接。
本发明的有益效果：本发明可以使足式机器人结构件在强度允许范围内，实现结构的轻量化；可以充分提高机器人步态切换及高速运动的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中左前腿的整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中左前腿的局部剖视图；
图3为本发明提供的图2中的剖视图；
图4为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中连接部的结构示意图；
图5为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中第一支撑部的结构示意图；
图6为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中第二支撑部的结构示意图；
图7为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中第二支撑部的结构示意图；
图8为本发明提供的一种实施例所述的液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构中第二支撑部的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～8，本实施例提供了一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构，包括轻量化板块200，为液压四足机器人的连接部101和第一支撑部102的主体部分，轻量化板块200上设置有蜂窝槽201，蜂窝槽201中设置有蜂窝芯子202。
一种液压四足机器人包括躯干、左前腿100、右前腿、左后腿、右后腿，左前腿100、右前腿、左后腿、右后腿安装在躯干左右两侧，四条腿结构对称，其中左前腿100包括连接部101、第一支撑部102、第二支撑部103和足端104，连接部101通过第一轴101a与躯干连接，第一支撑部102和连接部101连接，第二支撑部103与第一支撑部102连接，足端104设置于第二支撑部103端部；
连接部101和第一支撑部102主体部分采用轻量化板块200，轻量化板块200上设置有蜂窝槽201，蜂窝槽201中设置有蜂窝芯子202。
蜂窝槽201为垂直于轻量化板块200所受横向剪切力方向设置的六边形的槽。
蜂窝芯子202为与蜂窝槽201过盈配合的六棱柱。
连接部101的框架由多个轻量化板块200构成，连接部101上设置有凸耳101b，凸耳101b上设于有连接孔101c，第一轴101a设置于连接孔101c中与躯干连接。
应说明的是，躯干上和连接部101上均设置有用于放置第一轴101a的孔结构，用于第一轴101a将躯干和连接部101连接固定。
连接部101、第一支撑部102和第二支撑部103分别构成机器人腿部的髋部、大腿和小腿，足端104为脚。
躯干图中未示出。
连接部101上设置有第二轴101e和成对设置的第一端板101d，第二轴101e端部与第一端板101d通过第一轴承101f连接。
第一支撑部102上设置有第一套环102a，第一套环102a套设于第二轴101e上，第一套环102a内侧设置有第一嵌槽102b，第二轴101e上设置有第二嵌槽101g；
第一套环102a中还设置有第一槽键102c，第一槽键102c一侧嵌入第一嵌槽102b中，一侧嵌入第二嵌槽101g中。
第一支撑部102端部设置有第三轴102d和成对设置的第二端板102e，第三轴102d端部与第二端板102e通过第二轴承102f连接。
第二支撑部103上设置有第二套环103a，第二套环103a套设与第三轴102d上，第二套环103a内侧设置有第三嵌槽103b，第三轴102d上设置有第四嵌槽102g；
第二套环103a中还设置有第二槽键103c，第二槽键103c一侧嵌入第三嵌槽103b中，一侧嵌入第四嵌槽102g中。
第二支撑部103内设置有圆槽103d，圆槽103d通过通孔103e与外部连接；
足端104上设置有插接轴104a，插接轴104a设置于通孔103e中，插接轴104a端部设置有限位环104b，限位环104b设置于圆槽103d中；
插接轴104a外侧沿插接轴104a轴向设置有第五嵌槽104c，圆槽103d侧壁沿第二支撑部103轴向设置有导向槽103f，插接轴104a上设置有第三槽键104d，第三槽键104d一侧嵌于第五嵌槽104c中，一侧设置于导向槽103f中；
第二支撑部103外侧端部设置有凸环103g，插接轴104a外套设有弹簧104e，弹簧104e一端连接足端104与凸环103g。
第二支撑部103为管状结构，
连接部101上还设置有第一液压缸101h，第一液压缸101h一端与连接部101连接，一端与第一支撑部102轴连接；
第一支撑部102上还设置有第二液压缸102h，第二液压缸102h一端与第一支撑部102连接，一端与第二支撑部103轴连接。
该足式机器人结构件包括躯干、左前腿100、右前腿、左后腿、右后腿。所述所述左前腿、右前腿、左后腿、右后腿安装在躯干左右两侧，四条腿结构对称，所述单腿包括连接部101(即髋部)、第一支撑部102(即大腿)、第二支撑部103(小腿)和足端104。连接部101、第一支撑部102采用局部采用蜂窝夹层结构(轻量化板块200)，在不影响结构使用强度的前提下可以实现结构的轻量化。蜂窝结构和夹层面板都采用7075高强度铝合金。根据机器人各结构受力特点和夹层板力学分析基本理论设计机器人整体结构：弯矩主要由轻量化板块200承担，横向剪切主要由蜂窝芯子202承担。机器人结构主要受弯矩的地方轻量化板块200相对较厚，蜂窝结构朝向与横向剪切力垂直，也即蜂窝槽201的长度方向设置于横向剪切力垂直。
腿部蜂窝夹层结构组成及材料：
1)一对薄而强的面板，以承受轴向载荷、弯矩和面内剪力；
2)厚而轻的蜂窝芯子，将一个面板传递到另一个面板的载荷和横向剪力；面板的主要功能是提供要求的轴向弯曲和面内剪切刚度，以承受轴向弯曲和面内剪切载荷，机器人腿部结构轻量化采用7075铝合金面板。
蜂窝芯子202形状主要采用正六边形。本机器人腿部结构蜂窝芯子材料采用7075。面板材料和芯部材料采用一体化3D打印代替传统使用胶粘合面板和蜂窝芯子，可以避免使用胶粘合不牢固，以及在特定工作条件下胶水老化导致整体结构强度无法达到预期的结果。腿部结构经3D打印成型后，热处理成7075-T6。
根据对模型应力分析：
图7为对连接部101分析对比，有下表等效应力和等效应变的数据对比，可看出，采用蜂窝结构各数据的有益之处，即重量减小，等效应力和等效应变变高，连接部101质量在原有轻量化基础上减少6.5％。
图7中(1)三幅图展示的是髋部普通轻量化的模型分析图；
图7中(2)三幅图展示的是髋部蜂窝结构的模型分析图。
图8对第一支撑部102分析对比，有下表等效应力和等效应变的数据对比，可看出，采用蜂窝结构各数据的有益之处，即重量减小，等效应力和等效应变变高，大腿质量在原有轻量化基础上减少7.9％。
图8中(1)三幅图展示的是大腿普通轻量化的模型分析图；
图8中(2)三幅图展示的是大腿蜂窝结构的模型分析图。
本发明可以使足式机器人结构件在强度允许范围内，实现结构的轻量化。可以充分提高机器人步态切换及高速运动的稳定性。腿部结构设计引进轻量化设计理念，使大幅提高四足机器人执行器的效率及获得更优的控制参数成为可能；减轻机器人整机重量同样也有助于在步态切换及运行中提高机器人效率和续航能力。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种液压四足机器人蜂窝夹层轻量化结构，其特征在于：包括，
轻量化板块(200)，为液压四足机器人的连接部(101)和第一支撑部(102)的主体部分，所述轻量化板块(200)上设置有蜂窝槽(201)，所述蜂窝槽(201)中设置有蜂窝芯子(202)；
所述连接部(101)的框架由多个轻量化板块(200)构成，所述连接部(101)上设置有凸耳(101b)，所述凸耳(101b)上设置有连接孔(101c)，第一轴(101a)设置于所述连接孔(101c)中；
所述连接部(101)上设置有第二轴(101e)和成对设置的第一端板(101d)，所述第二轴(101e)端部与所述第一端板(101d)通过第一轴承(101f)连接；
所述第一支撑部(102)上设置有第一套环(102a)，所述第一套环(102a)套设于所述第二轴(101e)上，所述第一套环(102a)内侧设置有第一嵌槽(102b)，所述第二轴(101e)上设置有第二嵌槽(101g)；
机器人腿部结构轻量化采用7075铝合金面板；
包括左前腿(100)，所述左前腿(100)包括连接部(101)、第一支撑部(102)、第二支撑部(103)和足端(104)，所述第一支撑部(102)和所述连接部(101)连接，所述第二支撑部(103)与第一支撑部(102)连接，所述足端(104)设置于所述第二支撑部(103)端部；
所述连接部(101)和第一支撑部(102)的主体部分采用轻量化板块(200)；
所述蜂窝槽(201)为垂直于轻量化板块(200)所受横向剪切力方向设置的六边形的槽；
所述蜂窝芯子(202)为与所述蜂窝槽(201)过盈配合的六棱柱；
所述第一套环(102a)中还设置有第一槽键(102c)，所述第一槽键(102c)一侧嵌入所述第一嵌槽(102b)中，一侧嵌入所述第二嵌槽(101g)中；
所述第一支撑部(102)端部设置有第三轴(102d)和成对设置的第二端板(102e)，所述第三轴(102d)端部与所述第二端板(102e)通过第二轴承(102f)连接；
所述连接部(101)上还设置有第一液压缸(101h)，所述第一液压缸(101h)一端与所述连接部(101)连接，一端与所述第一支撑部(102)轴连接；
所述第一支撑部(102)上还设置有第二液压缸(102h)，所述第二液压缸(102h)一端与所述第一支撑部(102)连接，一端与所述第二支撑部(103)轴连接。
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2020
- 2020-12-09 CN CN202011426975.2A patent/CN112606009B/zh active Active
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