CN114954729A - 一种十二自由度四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十二自由度四足机器人，其主要包括机身、四个髋关节和四个并联腿部。其中，机身为机器人的主体结构，其为板件连接空腔结构，四个髋关节分别设置于所述机身内侧与设置于所述机身外侧的四个并联腿部配合运动，其中，髋关节为腿部的摆动自由度结构，为曲柄摇杆结构，髋关节的驱动元件位于机身内部，动力元件带动并联腿部摆动，实现髋关节运动；所述并联腿部为延伸并联五杆结构。本发明以较低的成本实现了并联腿部结构四足机器人的髋关节自由度。

Description

一种十二自由度四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体来讲是一种十二自由度四足机器人。

背景技术

四足机器人是一种类犬科动物的仿生机器人。其具有较高的环境适应能力，在替代人工完成恶劣工况下危险作业等方面有很好的应用前情。现阶段关于足式机器人的研究已经有所进展，常见的四足式机器人有八自由度和十二自由度，八自由度的四足式机器人不包括髋关节自由度，运动灵活性相对较低，而十二自由度的四足式机器人具备所有方向的运动能力。足式机器人的常见腿部结构形式主要有串联式和并联式两种，串联式更加符合仿生结构，足端的工作空间相对较大，但是关节的工作力矩大，不利于传动设计，难以达到较高的动力性能。并联式相对简单，关节力矩合理，容易实现较高的性能，但是足端工作空间容易受限，并且难以实现髋关节自由度。

目前，以公布号为CN112874651A名为《四足机器人》的发明专利为代表的串联式腿部结构四足机器人多采用带传动的运行方式。髋关节、膝关节、踝关节为级联结构，其优点在于灵活性好，但串联关节会带来较大的误差，同时踝关节会承受较大的扭矩，不利于充分发挥驱动电机的性能。

现有技术的四足机器人大都采用的串联式腿部结构，因而现有技术的四足机器人所能实现的负载能力都较低。现有技术中采用并联结构的基本都为八自由度，运动方式单一，且还没有得到较好的应用。

发明内容

本发明提出一种十二自由度四足机器人，旨在克服现有技术中四足机器人串联结构和并联结构各自的缺点，在负载能力和灵活性上取得平衡，提高足式机器人的性能、降低成本。

本发明的技术方案是：

一种十二自由度四足机器人，其特征在于：包括机身、四个髋关节和四个并联腿部；其中，机身为机器人的主体结构，其为板件连接空腔结构，四个髋关节分别设置于所述机身内侧与设置于所述机身外侧的四个并联腿部配合运动，其中，髋关节为腿部的摆动自由度结构，为曲柄摇杆结构，髋关节的驱动元件位于机身内部，动力元件带动并联腿部摆动，实现髋关节运动；所述并联腿部为延伸并联五杆结构。

进一步地，所述机身包括上甲板、下甲板、前肋板，侧肋板，舵机固定板、电池固定板；其中上甲板、下甲板、前肋板，侧肋板过板接的方式相互连接形成空腔结构，舵机固定板位于所述上甲板和下甲板之间，电池固定板位于机身中部且位于前后两舵机固定板之间。

进一步地，所述电池固定板上方设有控制器，其下方设有电池。

进一步地，所述的髋关节包括舵机、舵机臂、连杆、连杆固定座、电机安装板、阻尼铰链、第一深沟球法兰轴承；所述电机安装板和所述机身底部通过阻尼铰链连接，所述连杆固定座固定在电机安装板上，连杆的两端分别与所述舵机臂相对于所述舵机的另一端和连杆固定座铰接；机身、舵机臂、连杆、电机安装板构成曲柄摇杆结构。

进一步地，所述并联腿部应包括对角安装的两个驱动电机、前侧一级连杆、后侧一级连杆、前侧二级连杆、后侧二级连杆、足底；所述电机安装板、前侧一级连杆、后侧一级连杆、前侧二级连杆、后侧二级连杆后成五杆结构；其中前侧一级连杆和后侧一级连杆分别与两个驱动电机连接，其中所述后侧一级连杆的另一端与所述后侧二级连杆的一端铰接，前侧一级连杆通过前侧二级连杆铰接在所述后侧二级连杆的中部，后侧二级连杆在五杆结构的基础上从铰链处向外侧延伸，足底位于该后侧二级连杆的延伸末端。

进一步地，所述驱动电机固定在电机安装板上，驱动电机输出轴从所述电机安装板上的孔位伸出，并由第二深沟球法兰轴承力，前侧一级连杆、后侧一级连杆分别通过轴向固定环与电机输出轴固定连接，所述前侧一级连杆和后侧一级连杆末端设置有螺钉孔，分别通过第三深沟球法兰轴承和推力滚针轴承与前侧二级连杆和后侧二级连杆铰接。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)机器人结构简单、高效、低成本低方案。本四足机器人多采用板件固定连接，多采用连杆的传动方案方式，连杆效率高，制作成本底低，具备较高的机械强度，易于维护。在样机中，保证结构刚性的条件下做到了千元以内的结构成本。

(2)实现合理有效的并联腿部结构的髋关节自由度。并联式四足机器人领域由于并联腿部结构驱动元件原件往往需要占用对髋关节的空间的占用，使得实现并联式12自由度结构四足机器人较为困难，本发明提供了一种有效的解决方案，通过连杆结构转移驱动原件位置，实现了较好的髋关节驱动效果，使四足机器人结构更紧凑、更合理，外观更协调。

(3)本发明的并联式四足机器人并联腿足端工作空间大。传统并联式四足机器人并联腿部结构存在工作空间较小的问题，本发明通过延伸一条二级连杆的设计方式，拓宽了机器人足底端的工作空间，增强了机器人过障能力，在同等条件下提升了机器人的运动速度。

(4)并联腿部两个驱动电机负载均衡。上述连杆延伸会导致并联腿部一侧电机受力过大，本发明采取了倾斜基座的方式平衡了两个驱动电机的受力，使两个驱动电机处于较为近似的相同工作状态，达到负载均衡的效果，降低了控制系统的难度。

附图说明

附图1为本发明的轴测图。

附图2为本发明的机身爆炸视图。

附图3为本发明的髋关节轴测图。

附图4为本发明的髋关节结构示意图。

附图5为本发明的并联腿部爆炸视图。

附图6为本发明的并联腿部结构示意图。

附图中：

1－机身，2－髋关节，3－并联腿部；

4－控制器，5－上甲板，6－舵机固定板，7－前肋板，8－下甲板，9－电池，10－电池固定板，11－侧肋板，12－轴套；13－舵机，14－舵机臂，15－第一深沟球法兰轴承，16－连杆，17－连杆固定座，18－电机安装板，19－阻尼铰链；20－驱动电机，21－第一调整片，22－第二深沟球法兰轴承，23－轴向固定环，24－第三深沟球法兰轴承，25－第二调整片，26－后侧一级连杆，27－前侧二级连杆，28－垫片，29－推力滚针轴承，30－前侧一级连杆，31－后侧二级连杆，32－足底。

具体实施方式

下面通过实例，并配合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。本发明中机器人可实现的动作和功能：

如图1所示，本发明的一种十二自由度四足机器人，包括机身1、髋关节2和并联腿部3三个部分。髋关节2布置在机身1的上甲板5和下甲板8之间，髋关节2的驱动部分位于机身1的内部，并联腿部3安装于下甲板8的两侧。

机身1，结构爆炸视图如图2所示，其主要包括上甲板5、下甲板8、前肋板7，侧肋板11，舵机固定板6、电池固定板10、轴套12、控制器4、电池9。

上甲板5和下甲板8上有多组相互对应的板接孔，与前肋板7、侧肋板11和舵机固定板6上的凸起相互对应，构成固定连接。电池固定板10以同样的方式安装在侧肋板11之间，控制器4布置于电池固定板10上侧，电池9布置于电池固定板10下侧，后侧采用轴套12通过螺钉紧定加强。机身1为空间网格结构，具备较高的机械强度，同时板件易加工，成本低。

髋关节2，结构轴测图如图3所示、结构示意图如图4所示，其主要包括舵机13、舵机臂14、连杆16、连杆固定座17、电机安装板18、阻尼铰链19、第一深沟球法兰轴承15。舵机13安装在舵机固定板6上，每个舵机固定板6左右各安装一个舵机13，舵机13的输出轴上设置舵机臂14，连杆16两端均有第一深沟球法兰轴承15承受连杆力。连杆16连接舵机臂和连杆固定座17，连杆固定座17固定在电机安装板18上，电机安装板18底部两侧设置有阻尼铰链19、阻尼铰链19的另一端安装在下甲板8的底部，两铰链同轴构成旋转髋关节。舵机臂14、连杆16、电机安装板18构成曲柄摇杆结构。连杆16在空间中不与驱动电机发生干涉，将驱动原件向机身内侧转移，均布了机身质量。三关节中，髋关节所需的动力最低，采用舵机有利于节约成本。

并联腿部3，结构爆炸图如图5所示、结构示意图如图6所示，其主要包括驱动电机20、轴向固定环23、前侧一级连杆30、后侧一级连杆26、前侧二级连杆27、后侧二级连杆31、足底32、推力滚针轴承29、第二深沟球法兰轴承22、第三深沟球法兰轴承24、第一调整片21、第二调整片25、垫片28。驱动电机20安装在电机安装板18上，第一调整片21用于调整电机的安装高度和限制第二深沟球法兰轴承22的轴向运动，电机的输出轴穿过第二深沟球法兰轴承22从电机安装板18的另外一侧伸出，轴向固定环23内孔与电机输出轴固定连接，两轴向固定环23侧面分别与前侧一级连杆30和后侧一级连杆26固定连接，第二调整片25用于调整后侧一级连杆26的安装高度。两一级连杆末端设置有螺钉孔，分别通过第三深沟球法兰轴承24和推力滚针轴承29与前侧二级连杆27和后侧二级连杆31铰接，推力滚针轴承29两侧适当设置垫片28调整厚度。前侧二级连杆27末端同样设置有螺钉孔，以同样的方式与后侧二级连杆31的中部铰接，各铰接通过螺钉螺母紧定。后侧二级连杆31的末端设置有足底32，足底32为橡胶材质。如图6所示，电机安装板18、前侧一级连杆30、后侧一级连杆26、前侧二级连杆27、后侧二级连杆31构成五杆结构，其中两一级连杆为动力杆、足底32和后侧二级连杆31上的两铰接点构成刚体三角形。延伸后侧二级连杆31拓宽了足底的工作空间，两电机的旋转中心连接为基座杆，其相对于地面倾斜，从而减小前侧电机的受力，优化电机工作状态。

本发明工作流程如下：

五杆机构中一级连杆的绝对角度和足底的绝对坐标存在函数关系，通过适当控制一级连杆的旋转轨迹即可让足底呈现特定的平面轨迹即单腿步态，四条腿相互配合，可以形成使四足机器人向前行走的四足步态。同时，髋关节可以提供腿部的横向摆动产生横向分速度，五杆腿部的前向速度与髋关节横向速度合成，可以使足底具备任何一个方向上的速度矢量，各个腿部的配合使得机器人可以沿平面任何一个方向运动。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种十二自由度四足机器人，其特征在于：包括机身、四个髋关节和四个并联腿部；其中，机身为机器人的主体结构，其为板件连接空腔结构，四个髋关节分别设置于所述机身内侧与设置于所述机身外侧的四个并联腿部配合运动，其中，髋关节为腿部的摆动自由度结构，为曲柄摇杆结构，髋关节的驱动元件位于机身内部，动力元件带动并联腿部摆动，实现髋关节运动；所述并联腿部为延伸并联五杆结构。

2.根据权利要求1所述的一种十二自由度四足机器人，其特征在于，所述机身包括上甲板、下甲板、前肋板，侧肋板，舵机固定板、电池固定板；其中上甲板、下甲板、前肋板，侧肋板过板接的方式相互连接形成空腔结构，舵机固定板位于所述上甲板和下甲板之间，电池固定板位于机身中部且位于前后两舵机固定板之间。

3.根据权利要求2所述的一种十二自由度四足机器人，其特征在于，所述电池固定板上方设有控制器，其下方设有电池。

4.根据权利要求2所述的一种十二自由度四足机器人，其特征在于，所述的髋关节包括舵机、舵机臂、连杆、连杆固定座、电机安装板、阻尼铰链、第一深沟球法兰轴承；所述电机安装板和所述机身底部通过阻尼铰链连接，所述连杆固定座固定在电机安装板上，连杆的两端分别与所述舵机臂相对于所述舵机的另一端和连杆固定座铰接；机身、舵机臂、连杆、电机安装板构成曲柄摇杆结构。

5.根据权利要求1所述的一种十二自由度四足机器人，其特征在于，所述并联腿部应包括对角安装的两个驱动电机、前侧一级连杆、后侧一级连杆、前侧二级连杆、后侧二级连杆、足底；所述电机安装板、前侧一级连杆、后侧一级连杆、前侧二级连杆、后侧二级连杆形成五杆结构；其中前侧一级连杆和后侧一级连杆分别与两个驱动电机连接，其中所述后侧一级连杆的另一端与所述后侧二级连杆的一端铰接，前侧一级连杆通过前侧二级连杆铰接在所述后侧二级连杆的中部，后侧二级连杆在五杆结构的基础上从铰链处向外侧延伸，足底位于该后侧二级连杆的延伸末端。

6.根据权利要求1所述的一种十二自由度四足机器人，其特征在于，所述

驱动电机固定在电机安装板上，驱动电机输出轴从所述电机安装板上的孔位伸出，并由第二深沟球法兰轴承力，前侧一级连杆、后侧一级连杆分别通过轴向固定环与电机输出轴固定连接，所述前侧一级连杆和后侧一级连杆末端设置有螺钉孔，分别通过第三深沟球法兰轴承和推力滚针轴承与前侧二级连杆和后侧二级连杆铰接。

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