CN112918586A - 一种四足机器人及其柔性脊柱关节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种四足机器人及其柔性脊柱关节，该四足机器人包括：前躯干、后躯干，呈凸字型，底部边缘处具有两只用于移动的腿、两个舵机以及柔性脊柱关节，该柔性脊柱关节包括：关节前部，连接于前躯干上；关节后部，连接于后躯干上；关节中部，设置于关节前部与关节后部之间，并与关节前部之间以及与关节后部之间转动连接，形成前转动副与后转动副；前扭簧，设置于关节中部与关节前部的连接处；后扭簧，设置于关节中部与关节后部的连接处；两个陀螺仪，分别固定于前躯干的重心处以及后躯干的重心处，用于进行加速度检测；以及两个电机，分别通过联轴器与关节前部以及关节后部连接，用于接收反馈信号，从而自动调整四足机器人的落地朝向。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种四足机器人及其柔性脊柱关节。
背景技术
在复杂的地形中，传统刚性机体的四足机器人的灵活性较低，且在空中不能自动调整落地姿态，此外，行走时有一定的局限性，使得机器人在行走时机体较为局限，并且在跌落时不能及时调整姿态，从而在不慎跌落或从空中跳下时无法及时调整落地姿态，还使得机器人不便于在复杂地形中执行任务，且适应能力差。因此，需要设计能够解决上述问题的机器人。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种四足机器人及其柔性脊柱关节。
本发明提供了一种四足机器人的柔性脊柱关节，用于自动调节四足机器人的落地姿态，具有这样的特征，包括：关节前部，连接于四足机器人的前躯干上；关节后部，连接于四足机器人的后躯干上；关节中部，设置于关节前部与关节后部之间，并与关节前部之间以及与关节后部之间转动连接，形成两个转动副，分别为前转动副与后转动副；前扭簧，设置于关节中部与关节前部的连接处；后扭簧，设置于关节中部与关节后部的连接处；两个陀螺仪，分别固定前躯干的重心处以及所述后躯干的重心处，用于进行加速度检测，从而为所述四足机器人提供所述前躯干以及所述后躯干的空间位置反馈信号；以及两个电机，分别通过联轴器与关节前部以及关节后部连接，用于接收反馈信号，从而自动调整四足机器人的落地朝向，其中，前扭簧的轴线平行于水平面，后扭簧的轴线垂直于水平面，使得前扭簧与后扭簧之间相互配合旋转。
在本发明提供的四足机器人的柔性脊柱关节中，还可以具有这样的特征：其中，前转动副垂直于水平面，当四足机器人在空中时处于弓背状态，此时，前扭簧的扭转角为0°。
在本发明提供的四足机器人的柔性脊柱关节中，还可以具有这样的特征：其中，后转动副平行于水平面，当四足机器人静止时，前躯干与后躯干中心线共面并垂直于水平面，此时，后扭簧的扭转角为0°。
在本发明提供的四足机器人的柔性脊柱关节中，还可以具有这样的特征：其中，两个联轴器分别穿过前躯干以及后躯干后，均通过螺栓分别连接于关节前部以及关节后部，
当柔性脊柱关节扭转时，通过螺栓传递扭矩，进而使得柔性脊柱关节扭转，四足机器人的机身进行姿势调整。
在本发明提供的四足机器人的柔性脊柱关节中，还可以具有这样的特征：其中，电机采用微型直流电机或旋转电机。
本发明还提供了一种四足机器人，具有这样的特征，包括：前躯干，呈凸字型，两侧连接有两只用于移动的腿；后躯干，呈凸字型，两侧连接有两只用于移动的腿；两个舵机，分别设置于前躯干的内部以及后躯干的内部，用于控制腿的运动；以及柔性脊柱关节，用于自动调节四足机器人的落地姿态，其中，柔性脊柱关节为权利要求1～5中任一项的四足机器人的柔性脊柱关节。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的四足机器人及其柔性脊柱关节，将简单的扭簧和转动副结合组成避震机构，其结构简单，并且零件刚性强，结构可靠，简单易维护更换；采用微型直流电机或旋转电机作为旋转动力源，并通过陀螺仪与相关电子元器件实现空中姿态的自动调整，原理清晰，结构简单且可行性大；扭簧与电机内置于转动副或躯体内部，保证四足机器人在行进时，尘土等杂物较难进入内部空间，进一步提升耐用性和安全性。
因此，本发明的柔性脊柱关节通过简单的扭簧和转动副的结合实现避震功能提高了本机构在控制及工作过程中的稳定性和可靠性，从而能够用于机器人空中自动调整落地姿态并在行走时存储利用能量，便于四足机器人在复杂地形中执行任务时使机体拥有更强的适应能力。
附图说明
图1是本发明的实施例中四足机器人的结构示意图；
图2是本发明的实施例中四足机器人的立体结构示意图；
图3是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节的示意图；
图4是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节安装于四足机器人的示意图；
图5是本发明的图4的投影图；
图6是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节在空中时的姿势图；
图7是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节落地后的姿势图；
图8是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节的最终姿势图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图1是本发明的实施例中四足机器人的结构示意图，图2是本发明的实施例中四足机器人的立体结构示意图。
如图1和图2所示，本实施例的一种四足机器人100，包括：前躯干10、后躯干20、两个舵机30以及柔性脊柱关节40。
前躯干10呈凸字型，两侧连接有两只用于移动的腿。
后躯干20呈凸字型，两侧连接有两只用于移动的腿。
两个舵机30分别设置于前躯干10的内部以及后躯干20的内部，用于控制腿的运动。
图3是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节的示意图，图4是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节安装于四足机器人的示意图，图5是本发明的图4的投影图。
如图3-图5所示，柔性脊柱关节40呈链式布置，用于自动调节四足机器人100的落地姿态，包括：关节前部41、关节后部42、关节中部43、前扭簧44、后扭簧45、两个陀螺仪46、47以及两个电机48、49。
关节前部41呈圆盘状，通过第一电机48和第一联轴器410连接于前躯干10上。
关节后部42呈圆盘状，通过第二电机49和第二联轴器411连接于后躯干20上。
关节中部43设置于关节前部41与关节后部42之间，用于连接关节前部41与关节后部42，并与关节前部41之间以及与关节后部42之间转动连接，形成两个转动副，分别为前转动副与后转动副。
本实施例中，前转动副垂直于水平面，当四足机器人100在空中时处于弓背状态，此时，前扭簧44的扭转角为0°；后转动副平行于水平面，当四足机器人100静止时，前躯干10与后躯干20中心线共面并垂直于水平面，此时，后扭簧45的扭转角为0°。
前扭簧44设置于关节中部43与关节前部41的连接处。
后扭簧45设置于关节中部43与关节后部42的连接处。
本实施例中，前扭簧44的轴线平行于水平面，后扭簧45的轴线垂直于水平面，使得前扭簧44与后扭簧45之间相互配合旋转。
第一陀螺仪46和第二陀螺仪47分别固定于前躯干10的重心处以及后躯干20的重心处，用于进行加速度检测，从而为四足机器人100提供前躯干10以及后躯干20的空间位置反馈信号。
本实施例中，陀螺仪采用的是mpu6050陀螺仪，可以检测到以陀螺仪自身坐标系为基准的x、y、z三个方向加速度值，而后采用事先编好的程序，用条件算法，当检测到的加速度值不满足条件时，证明此时不是理想姿态，于是单片机给两个电机传输信号后两个电机开始旋转。
第一电机48和第二电机49分别通过第一联轴器410、第二联轴器411与关节前部41以及关节后部42连接，用于接收反馈信号，从而自动调整四足机器人100的落地朝向。
本实施例中，第一电机48和第二电机49采用微型直流电机或旋转电机，通过简单的扭簧和转动副的结合实现避震功能提高了本机构在控制及工作过程中的稳定性和可靠性。
本实施例中，第一联轴器410和第二联轴器411分别穿过前躯干10以及后躯干20后，均通过螺栓分别连接于关节前部41以及关节后部42，当柔性脊柱关节40扭转时，通过螺栓传递扭矩，进而使得柔性脊柱关节40扭转，四足机器人100的机身进行姿势调整。
图6是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节在空中时的姿势图，图7是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节落地后的姿势图，图8是本发明的实施例中四足机器人的柔性脊柱关节的最终姿势图。
进一步地，如图6所示，当四足机器人100从高处跌落而姿势并非为四肢朝向正下方，此时，第一陀螺仪46和第二陀螺仪47检测到加速度信号，并自动分析信号，控制第一电机48和第二电机49进行下一步的扭转动作，通过不断地扭转和反馈，最终将机体调整为合适的如图7所示的落地姿势，并且在空中时，为实现“弓背”的预备缓冲动作，此时，轴线垂直于水平面的后扭簧45扭转角为0°；在平时行走时，机体通过关节中部与关节后部之间的后转动副和后扭簧45，使得机器人机体在行走时可以有效存储能量和释放能量，提高了机器人的能量利用效率。
此外，当四足机器人100侧身跌落时，首先通过前扭簧44实现弓背动作，之后第一陀螺仪46和第二陀螺仪47检测到加速度信号，自动分析出此时四足机器人100的姿态非理想落地姿态，于是自动控制前躯干10的第一电机48和后躯干20的第二电机49进行扭转，扭转过程中加速度值变化，不断反馈和自动控制，最终当加速度值处于一定范围内时，停止扭转，四足机器人100落地，关节前部41的前扭簧44压缩储能缓冲，之后该前扭簧44不断压缩、反弹，最终恢复行走姿态，如图8所示。
在四足机器人100正常行走时，参考脊椎动物爬行姿态，前躯干10和后躯干20之间存在周期性相对扭转。当四足机器人100迈出右前爪与左后腿时，前躯干10相对于后躯干20逆时针扭转一定角度，此时，关节后部42的后扭簧45扭转，压缩储能；当四足机器人100再次迈出左前腿和右后腿时，前躯干10相对于后躯干20顺时针扭转一定角度，后扭簧45的扭转角先恢复0°释放能量后扭转储能。通过后扭簧45的周期性扭转，四足机器人100实现了行走过程中能量消耗的减少。由于脊柱关节的存在，四足机器人100的转弯动作只需改变步态，选择合适弹性系数和阻尼系数的扭簧，可以改变最小转弯半径和改变能量利用效率。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的四足机器人及其柔性脊柱关节，将简单的扭簧和转动副结合组成避震机构，其结构简单，并且零件刚性强，结构可靠，简单易维护更换；采用微型直流电机或旋转电机作为旋转动力源，并通过陀螺仪与相关电子元器件实现空中姿态的自动调整，原理清晰，结构简单且可行性大；扭簧与电机内置于转动副或躯体内部，保证四足机器人在行进时，尘土等杂物较难进入内部空间，进一步提升耐用性和安全性。
因此，本实施例的柔性脊柱关节通过简单的扭簧和转动副的结合实现避震功能提高了本机构在控制及工作过程中的稳定性和可靠性，从而能够用于机器人空中自动调整落地姿态并在行走时存储利用能量，便于四足机器人在复杂地形中执行任务时使机体拥有更强的适应能力。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种四足机器人的柔性脊柱关节，用于自动调节四足机器人的落地姿态，其特征在于，包括：
关节前部，连接于所述四足机器人的前躯干上；
关节后部，连接于所述四足机器人的后躯干上；
关节中部，设置于所述关节前部与所述关节后部之间，并与所述关节前部之间以及与所述关节后部之间转动连接，形成两个转动副，分别为前转动副与后转动副；
前扭簧，设置于所述关节中部与所述关节前部的连接处；
后扭簧，设置于所述关节中部与所述关节后部的连接处；
两个陀螺仪，分别固定前躯干的重心处以及所述后躯干的重心处，用于进行加速度检测，从而为所述四足机器人提供所述前躯干以及所述后躯干的空间位置反馈信号；以及
两个电机，分别通过联轴器与所述关节前部以及所述关节后部连接，用于接收所述反馈信号，从而自动调整所述四足机器人的落地朝向，
其中，所述前扭簧的轴线平行于水平面，所述后扭簧的轴线垂直于水平面，使得所述前扭簧与所述后扭簧之间相互配合旋转。
2.根据权利要求1所述的四足机器人的柔性脊柱关节，其特征在于：
其中，所述前转动副垂直于水平面，当所述四足机器人在空中时处于弓背状态，此时，所述前扭簧的扭转角为0°。
3.根据权利要求1所述的四足机器人的柔性脊柱关节，其特征在于：
其中，所述后转动副平行于水平面，当所述四足机器人静止时，所述前躯干与所述后躯干中心线共面并垂直于水平面，此时，所述后扭簧的扭转角为0°。
4.根据权利要求1所述的四足机器人的柔性脊柱关节，其特征在于：
其中，两个所述联轴器分别穿过所述前躯干以及所述后躯干后，均通过螺栓分别连接于所述关节前部以及所述关节后部，
当所述柔性脊柱关节扭转时，通过所述螺栓传递扭矩，进而使得所述柔性脊柱关节扭转，所述四足机器人的机身进行姿势调整。
5.根据权利要求1所述的四足机器人的柔性脊柱关节，其特征在于：
其中，所述电机采用微型直流电机或旋转电机。
6.一种四足机器人，其特征在于，包括：
前躯干，呈凸字型，两侧连接有两只用于移动的腿；
后躯干，呈凸字型，两侧连接有两只用于移动的腿；
两个舵机，分别设置于所述前躯干的内部以及所述后躯干的内部，用于控制所述腿的运动；以及
柔性脊柱关节，用于自动调节所述四足机器人的落地姿态，
其中，所述柔性脊柱关节为权利要求1～5中任一项所述的四足机器人的柔性脊柱关节。
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| CN202110281233.3A CN112918586A (zh) | 2021-03-16 | 2021-03-16 | 一种四足机器人及其柔性脊柱关节 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115284314A (zh) * | 2022-08-20 | 2022-11-04 | 西南交通大学 | 一种应用于废墟搜救的多功能柔性机器人 |
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2021
- 2021-03-16 CN CN202110281233.3A patent/CN112918586A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115284314A (zh) * | 2022-08-20 | 2022-11-04 | 西南交通大学 | 一种应用于废墟搜救的多功能柔性机器人 |
| CN115284314B (zh) * | 2022-08-20 | 2024-06-07 | 西南交通大学 | 一种应用于废墟搜救的多功能柔性机器人 |
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