CN114506400B - 基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人。由一个或者多个行走机构固定于机体之下。行走机构包括髋关节机构、大腿机构、膝关节机构、小腿及足端机构；其大腿机构的驱动电机与小腿及足端机构的运动电机均安装于髋关节机构，小腿及足端机构的驱动电机通过平行四连杆机构将动力转递至小腿及足端机构的小腿，大腿机构拥有一个方向的自由度，小腿拥有两个方向的自由度，机器人运动过程中电机不随动，同时机器人受到横向冲击时利用小腿横向移动进行机器人整体姿态恢复，有效降低了机器人腿运动过程中的转动惯量，降低了机器人运动控制难度。

Description

基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人

技术领域

本发明涉及腿足式机器人技术领域，具体涉及一种基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人。

背景技术

腿足式机器人具有高度的适应性与灵活性，既可以在平地行走，也能以静态步行方式实现复杂的非结构化环境中自如行走，如在凹凸不平的地面行走、上下台阶和斜坡、跨过溪流、跋涉沼泽等，又能以动态步行方式实现高速行走，使得腿足式机器人可以适应各种恶劣环境条件，在灾难救援、军事运输、战场侦查等任务中具有重要意义，因而受到各国研究人员的重视，是当前仿生机器人领域研究的热点。

腿足式机器人至今已有很多种构型，按腿部构型主要分为串联式、并联式、串并混联式三种。

优劣势明显。

中国专利CN202657138U，小型仿生四足机器人为代表的串联式腿部机器人，是现有应用范围最广的串联式腿足机器人，此类型腿部机构方案具有三个自由度，大腿小腿相互铰接，大腿具有两个自由度，一个为机器人前进移动、另一个为机器人横向移动；小腿驱动位于髋部，通过连杆与小腿连接，从而驱动小腿转动。此结构方案基于仿生学原理，模拟哺乳动物的步态和腿部结构，设计简洁，腿部工作空间大。但当机器人在前进过程中受到横向冲击，需要恢复姿态时，是由大腿髋关节控制机器人横向运动的电机运动来调整，故恢复过程需要移动整腿来进行，此时转动惯量大，姿态恢复不易。

中国专利CN108238126A公开了一种轮足全向运动机器人，其为轮足分离式，腿部着地进行足式运动；腿通过旋转移动使机身降低使机身下方麦克纳姆轮触地进行机器人轮式运动。此专利为代表的足式移动机器人，在自由度较多的情况下，驱动关节的电机位于关节处，整腿移动过程中，电机会随动，导致转动惯量过大，机器人控制较难。

中国专利CN111591365A公开了一种四自由度轮足一体化机器人腿及机器人，包括上平台、驱动支链、转向驱动机构、移动下平台和轮驱动机构构成，其为并联机构，使用直线电机驱动。此专利所述机器人腿部机构为并联机构，以此为代表的并联腿部机构机器人，其承载强，运动精度高；但移动速度慢，工作空间较小，对于机器人运动有较大的限制，越障能力较弱。类似的还有以倒置Steward平台为腿部机构的足式移动机器人，其相对具有更强的承载能力，但缺点与之相同。

可以看出，现有串联式机器人在遭受横向冲击姿态恢复时需全腿运动进行姿态恢复、驱动位于关节处导致的转动惯量过大，控制难度大的问题。现有并联式机器人，具备一定负载情况下，工作空间小，运动速度慢的问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人。

所述基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人由一个或者多个行走机构固定于机体之下。

行走机构包括髋关节机构、大腿机构、膝关节机构、小腿及足端机构；

髋关节机构由第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一支架、第二支架、2个第一万向节、4个第一转动副、1个第五转动副构成；

大腿机构由2个第一大腿杆、4个第二大腿杆、2个第三大腿杆(S型)组成；

膝关节机构由中空板、4个第二转动副、2个第三转动副、2个第四转动副、2个第二万向节组成；

小腿及足端机构由足端、小腿杆组成。

第一电机的转子与第一支架固定；第四电机的定子与第一支架固定在一起，第四电机的转子与第二支架固定；第二电机的定子与第二支架固定在一起，第二电机的转子与第三电机固定；第一大腿杆与第二支架固定，第二大腿杆通过第一转动副与第二电机的转子连接，第三大腿杆通过第一万向节与第三电机的转子连接，第一支架通过第五转动副在另一侧与第二支架连接，第五转动副与第二、第四电机同轴。

第一大腿杆与第四电机的转子固定，第一大腿杆通过第三转动副与中空板连接；第二大腿杆通过第一转动副与第二电机的转子连接，第二大腿杆通过第二转动副与中空板连接在一起；第三大腿杆通过第一万向节与第三电机的转子连接，第三大腿杆通过第二万向节与中空板连接在一起；中空板通过第四转动副与小腿杆连接。

小腿杆的垂直中心线与中空板的两根互相垂直的转动轴轴线、转动轴线所相交的中心点重合，小腿杆与足端固定在一起。

本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的优点如下：

1、小腿杆具备两个方向转动的自由度。在机器人前进的过程中，小腿杆一个自由度用来作为前进方向的小腿运动，另一个自由度作为机器人受横向冲击的姿态恢复自由度，机器人姿态恢复主要依靠小腿杆运动来进行，转动惯量低，较大程度上降低了姿态恢复的控制难度。大腿机构所具备的两个自由度，一个自由度方向与地面方向垂直，用来改变整腿方向，使机器人具备全向性运动，另一个是机器人前进过程中，用来作为前进方向的大腿运动。

2、机器人膝关节为中空板，横向自由度传动由S型连杆传递，使小腿杆在拥有两个自由度、且驱动均集中在髋关节的前提下，拥有较大的工作空间。同时，两个方向自由度转动中心原点重合，不存在连杆偏置的问题，运动学、动力学计算简单，有效缩短机器人在运行过程中主板计算的时间，使机器人控制难度降低，效率提高。

3、所提出的行走机构，可应用与双足、四足、多足(四足以上)、轮足式机器人。

附图说明

图1是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的单个行走机构示意图。

图2(a)是本发明具有双足的基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人示意图；(b)是本发明具有四足的基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人示意图； (c)是本发明具有六足的基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人示意图。

图3是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的髋关节机构示意图

图4是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的大腿机构示意图。

图5是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的膝关节机构示意图。

图6是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的膝关节机构的中空板示意图。

图7是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的小腿及足端机构示意图。

图8是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的第四电机转动示意图。

图9是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的第二电机转动示意图。

图10是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的第三电机转动示意图。

图11是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的第一电机转动示意图。

图12是本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的受到横向冲击时的示意图。

附图标记如下：髋关节机构：1，大腿机构：2，膝关节机构：3，小腿及足端机构：4，机体：5，第一电机：111，第二电机：112，第三电机：113，第四电机：114，第一支架： 121，第二支架：122，第一转动副：141，第二转动副：342，第三转动副：343，第四转动副：344，第五转动副：145，第一大腿杆：231，第二大腿杆：232，第三大腿杆： 233，第一万向节：151，第二万向节：352，中空板：36，小腿杆：47，足端：48。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚地理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人由一个或者多个行走机构固定于机体之下。如图2所示，两个行走机构固定于机体5之下。

如图1所示为本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的单个行走机构示意图。所述行走机构包括髋关节机构1、大腿机构2、膝关节机构3、小腿及足端机构4。髋关节机构1，为电机集中部分，作为驱动部分来驱动行走机构运动。大腿机构2由2 个第一大腿杆231、4个第二大腿杆232、2个第三大腿杆233(S型)组成。主要功能有两个：1、行使大腿功能；2、作为小腿运动的传动杆。膝关节机构3，作为膝关节通过各种转动副连接大腿机构2与小腿及足端机构4。小腿及足端机构4行使小腿及足的功能。

如图3所示为本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的髋关节机构 1示意图，由第一电机111、第二电机112、第三电机113、第四电机114、第一支架121、第二支架122、2个第一万向节151、4个第一转动副141、1个第五转动副145构成。

第一电机111的转子与第一支架121固定。第四电机114的定子与第一支架121固定在一起，第四电机114的转子与第二支架122固定。第二电机112的定子与第二支架122 固定在一起，第二电机112的转子与第三电机113固定。第一大腿杆231与第二支架122 固定。第二大腿杆232通过第一转动副141与第二电机112的转子连接。第三大腿杆233，通过第一万向节151与第三电机113的转子连接，第一支架121通过第五转动副145与第二支架122在另一侧连接，第五转动副145与第二、第四电机112、114同轴。

如图4所示为本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的大腿机构2 示意图，由2个第一大腿杆231、4个第二大腿杆232、2个第三大腿杆233，组成。第一大腿杆231与第四电机114的转子固定，第一大腿杆231通过第三转动副343与中空板连接在一起。第二大腿杆232通过第一转动副141与第二电机112的转子连接，第二大腿杆 232通过第二转动副342与中空板36连接在一起。第三大腿杆233通过第一万向节151与第三电机113的转子连接，第三大腿杆233通过第二万向节352与中空板36连接。

如图5所示为本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的膝关节机构 3示意图，由中空板36、4个第二转动副342、2个第三转动副343、2个第四转动副344、 2个第二万向节352组成。

中空板36通过第二转动副342、第三转动副343分别与第一大腿杆231、第二大腿杆232连接。中空板36通过第二万向节352与第三大腿杆233连接。中空板36通过第四转动副344与小腿杆47连接。

如图6所示，小腿杆47的垂直中心线与中空板36的两根互相垂直的转动轴轴线391、转动轴线392所相交的中心点310重合。

如图7所示为本发明基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的小腿及足端机构4示意图，由足端48、小腿杆47组成。

足端48与小腿杆47固定在一起，小腿杆47通过第四转动副344与中空板36连接在一起。

本发明的工作原理如下：

如图8所示，第四电机114的定子与第一支架121固定在一起，第四电机114的转子与第二支架122固定，第四电机114的转子转动带动第一支架121转动，从而大腿机构2 及小腿及足端机构4沿第四电机114的转动轴线方向转动。

如图9所示，第二电机112的定子与第二支架122固定在一起，第二电机112的转子通过第一转动副141与第三电机113连接，第二电机112的转子转动带动第二大腿杆232 运动，通过第二大腿杆232将动力传动至膝关节，带动小腿杆47沿中空板36所在轴线391 方向转动。

如图10所示，当第三电机113转动时，带动第三大腿杆233运动，将动力传动至膝关节机构3，进而带动小腿及足端机构4沿轴线392方向转动。

如图11所示，第一电机111的转子与第一支架121固定，第一电机111的转子转动带动第一支架121转动，进而带动大腿机构2沿第一电机111轴线方向转动。

综合以上，当第四电机14、第二电机12转动时，使机器人大腿机构2、小腿及足端机构4沿机器人前进方向运动，当机器人受到横向冲击使，第三电机13转动，带动小腿及足端机构4运动，使机器人恢复姿态，第一电机11转动，用以调整大腿机构2、机器人前进方向。

小腿杆7的垂直中心线与中空板36的两根互相垂直的转动轴轴线391、转动轴线392 所相交的中心点310重合。在运动学、动力学计算过程中，不需要考虑连杆偏置的情况，使计算复杂度降低，机器人移动过程中响应速度快。

如图12所示为双足机器人受到横向冲击时示意图。当机器人受到横向冲击，机器人机体111、髋关节机构1及大腿机构2通过膝关节机构3相对足端及小腿机构4转动，机器人通过髋关节机构1的第三电机113转动带动小腿及足端机构4转动来移动腿部，进而平衡机器人。机器人在恢复姿态的过程中，仅小腿及足端机构4转动，故恢复姿态时转动惯量小，降低了机器人姿态恢复的控制难度。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本使用新型的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (2)

1.一种基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人的行走机构，其特征在于包括：包括髋关节机构(1)、大腿机构(2)、膝关节机构(3)、小腿及足端机构(4)；

髋关节机构(1)由第一电机(111)、第二电机(112)、第三电机(113)、第四电机(114)、第一支架(121)、第二支架(122)、2个第一万向节(151)、4个第一转动副(141)构成；

大腿机构(2)由2个第一大腿杆(231)、4个第二大腿杆(232)、2个第三大腿杆(233)组成；

膝关节机构(3)由中空板(36)、4个第二转动副(342)、2个第三转动副(343)、2个第四转动副(344)、2个第二万向节(352)组成；

小腿及足端机构(4)由足端(48)、小腿杆(47)组成；

第一电机(111)的转子与第一支架(121)固定，第四电机(114)的定子与第一支架(121)固定在一起，第四电机(114)的转子与第二支架(122)固定，第二电机(112)的定子与第二支架(122)固定在一起，第二电机(112)的转子与第三电机(113) 固定，第一大腿杆(231)与第二支架(122)固定，第二大腿杆(232)通过第一转动副(141)与第二电机(112)的转子连接，第三大腿杆(233)通过第一万向节(151)与第三电机(113)的转子连接；

第一大腿杆(231)与第四电机(114)的转子固定，第一大腿杆(231)通过第三转动副(243)与中空板(36)连接；第二大腿杆(232)通过第一转动副(141)与第二电机(112)的转子连接、第二大腿杆(232)通过第二转动副(342)与中空板(36)连接；

第三大腿杆(233)通过第一万向节(151)与第三电机(113)的转子连接，第三大腿杆(233)通过第二万向节(252)与中空板(36)连接；

第一支架(121)通过第五转动副(145)在另一侧与第二支架(122)连接；第五转动副(145)与第二电机(112)及第四电机(114)同轴；

中空板(36)通过第四转动副(344)与小腿杆(47)连接；

小腿杆(47)的垂直中心线与中空板(36)的两根互相垂直的转动轴轴线(391)、转动轴线(392)所相交的中心点(310)重合；小腿杆(47)与足端(48)固定在一起。

2.一种基于集中驱动四自由度腿部结构的仿生足式机器人，其特征在于，由多个如权利要求1所述的行走机构固定于机体(5)之下。

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