CN1483554A - 一种可调整的四足仿生机器人运动结构 - Google Patents

Abstract

一种可调整的四足仿生机器人运动结构，主要包括顶部基准平板，四条腿，四只足，驱动装置与传感装置；其特征是在顶部基准平板上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽，四条腿与顶部基准平板之间采用吊装式结构；大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动其沿各自关节轴摆动。本发明结构简单，并具有很强的可调整性；通过调整多项结构参数与运动参数，使机器人呈现多种仿生形体结构。该机器人可用来实现以多种典型步态如自由行走、对角行走、侧步、奔跑等进行平地行走；能够转弯从而具有全方位运动能力，且具有爬坡、越障等环境适应性功能；能够适用于模仿较广泛的动物节律运动控制，可用来进行野外勘探、探险等一些恶劣条件下的作业。

Description

一种可调整的四足仿生机器人运动结构

技术领域

本发明涉及一种可调整的四足仿生机器人运动结构，属机器人技术领域。

背景技术

动物的身体是一种非常精巧的、具有异常复杂的物理、化学结构的机械，它常见的运动形式为具有时空对称性的节律运动(如走、跑、跳、泳、飞等)，这种节律运动依赖于其特定的体形、肌肉、骨骼、关节的基本结构，并在体内节律运动控制区的调控下灵活调整这些结构。这种结构和控制功能上的统一性使不同的动物可实现不同的运动形式，包括走路、跑步、跳跃或跳舞等，并在运动性能方面各有侧重。由于动物的节律运动具有高度稳定性和适应性，是目前任何一种移动机器人所无法比拟的，将动物节律运动应用于机器人技术，可促进生物技术与机器人智能移动技术的交叉发展。

机器人要进行仿动物的节律运动，首先需要具有一定仿生功能的运动结构。目前，国内外用来实现动物节律运动的足式机器人机构有日本的四足机器人帕蜍蜥(Patrush)和铁犬(Tekken)，二者均可实现在平地行走、越障等多项运动功能，但帕蜍蜥的腿部仅为全膝式配置，铁犬的腿部仅为全肘式配置；英国的六足机器人马科斯(MAX)腿结构为斜置形式；德国的四足机器人卑斯麦(BISAM)不能调节前后腿间距从而改变机器人运动结构比例等等。总体来讲，在关节数目一定的情况下，这些机器人运动结构和可实现的仿生运动种类较为单一，缺乏对多种结构参数和运动参数的调整功能；特别是受结构限制，仿生机器人在运动时不能很好地与控制系统匹配。

在同等控制条件下，机器人运动结构的可调整功能可有效提高机器人对多种地形环境下的适应性，改善运动性能，如对腿部关节配置方式、前后腿间距、腿关节摆动幅值的调整等等。同时，可调整的仿生机器人运动结构也是为实现对机器人广泛的节律运动控制所必须的。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调整的四足仿生机器人运动结构，通过对机器人结构进行调整，可使其实现灵活多变的仿生运动。

本发明的技术方案如下：一种可调整的四足仿生机器人运动结构，主要包括顶部基准平板，对称的四条腿，四只足，驱动装置与传感装置，所述的每条腿包括大腿、小腿以及髋关节、膝关节和踝关节3个转动关节；其特征在于：所述的顶部基准平板上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽，四条腿与顶部基准平板之间采用吊装式结构；所述的大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动其沿各自关节轴摆动；在所述的顶部基准平板上装有四个转弯机构，所述的转弯机构包括转弯关节、驱动装置和编码器，并垂直置于腿结构正上方，该转弯机构通过转弯关节分别与所述的四条腿相连，每个驱动装置均包括伺服电机和齿轮减速器。

本发明所述的大、小腿驱动装置中的齿轮减速器的轴均通过压板分别与大、小腿相连。

本发明的技术特征还在于：在所述的顶部基准平板下方垂直安装有两个可分别测俯仰姿态和横滚姿态的倾角传感器，两倾角传感器相互正交。

本发明中的每个伺服电机上同轴安装有编码器，在每个髋关节轴和膝关节轴上装有电位计，所述电位计通过凸台与关节轴连接。

本发明的技术特征在于：所述的大、小腿沿各自的关节轴相对于顶部基准平板的垂直方向摆动正负90度；大小腿的相对方位配置采用全膝式、全肘式、内膝肘式、外膝肘式四种方式。

本发明所述的四腿结构相同，左右腿可直接调换，髋、膝关节上的驱动装置采用同轴内置或同轴外置两种放置方式，用来调整机器人运动结构的质量分布并改变运动结构的宽度；大、小腿均由两部分组成，通过调整两部分重叠处的长度来调节机器人腿长。

所述小腿与足之间采用铰链连接，并采用前后两组弹簧交替伸缩限定足的转动角；并在足前部安装接触开关。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明实现了一种可调整的四足仿生机器人运动结构，其结构简单，并具有很强的可调整性；通过调整多项结构参数与运动参数，使机器人呈现多种仿生形体结构。这种可调整的仿生机器人运动结构可用来实现以多种典型步态(自由行走、对角行走、侧步、奔跑等)进行平地行走；能够转弯从而具有全方位运动能力，且具有爬坡、越障等环境适应性功能；能够适用于模仿较广泛的动物节律运动的控制，可用来进行野外勘探、探险等一些恶劣条件下的作业。

附图说明

图1为本发明实现的仿生机器人运动结构框图。

图2为本发明实现的仿生机器人运动结构整体示意图。

图3为本发明实现的仿生机器人运动结构进行左右腿整体调换后示意图。

图4a为本发明实现的仿生机器人运动结构中髋关节结构示意图。

图4b为本发明实现的仿生机器人运动结构中转弯机构示意图。

图5为本发明实现的仿生机器人运动结构膝关节结构示意图。

图6为本发明实现的仿生机器人运动结构中足结构示意图。

图7为本发明实现的仿生机器人运动结构大、小腿关节相对方位配置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明实现的可调整四足仿生机器人运动结构框图。整个运动结构主要包括顶部基准平板，对称的四条腿、四只足、四个转弯机构，驱动装置与传感装置。所述的每条腿包括大腿、小腿以及髋关节、膝关节和踝关节3个转动关节；在顶部基准平板与大腿之间有一个转弯关节；其中每个驱动装置包括伺服电机和齿轮减速器；传感装置包括：12个编码器、2个倾角传感器、8个电位计、8个限位开关、4个接触开关。

图2为本发明实现的可调整四足仿生机器人运动结构示意图，主要包括顶部基准平板1，调整槽6，髋关节7，机器人大腿9，膝关节11，机器人小腿12，踝关节13，转弯关节16，机器人足14以及驱动装置和传感装置，其中驱动装置包括伺服电机4和齿轮减速器5；传感装置包括编码器3、倾角传感器2、电位计8、限位开关10和接触开关15。

整个运动结构为四足对称形式，四条腿与机器人前进方向平行布置，在顶部基准平板1上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽6，四条腿与顶部基准平板1之间采用吊装式结构，腿结构可整体在调整槽6内前后移动，并可整体拆卸。整个运动结构一共含有16个转动关节，其中12个主动关节(4个转弯关节、4个髋关节、4个膝关节)由各自伺服电机驱动。4个被动踝关节用来适应地形，由弹簧机构实现。采用开链关节式腿结构，每条腿依次包括大腿9、小腿12、髋关节7、膝关节11和踝关节13，大腿9绕髋关节7摆动，小腿12绕膝关节11摆动，大、小腿沿各自的关节轴相对于顶部基准平板1的垂直方向摆动正负90度。4个转弯机构包括驱动装置(伺服电机4，齿轮减速器5)、转弯关节16和编码器3，并垂直置于腿结构正上方，该转弯机构通过转弯关节16分别与所述的四条腿相连，带动整个腿结构偏转。所有关节的驱动电机均为伺服电机，并同轴连接编码器3和齿轮减速器5，经过齿轮减速器5直接减速，并将运动传递到腿及转弯机构，带动大腿9、小腿12及转弯机构转动。大、小腿均由两部分连接，通过调整两部分重叠处的长度来调节机器人腿长。

本发明通过安装传感器来检测环境信息，其中在顶部基准平板1下方垂直安装有一个可测俯仰姿态的倾角传感器和一个可测横滚姿态的倾角传感器2，两倾角传感器相互正交；伺服电机4同轴连接编码器3检测伺服电机转角与角速度；每条大、小腿摆动轨迹上均安装限位开关10用于确定各腿摆动绝对位置并限制其摆动幅度；足14前部安装接触开关15用于确定足是否碰到障碍。

图2中转弯机构中驱动装置垂直放置，其克服重力做功可忽略，是一种节能机构。机器人腿部关节相对方位配置方式为内膝肘式，即前后两条大小腿均朝机器人身体内侧弯曲。

图3为本发明实现的仿生机器人运动结构将左右腿整体互换后示意图。将左右腿互换后，使驱动装置(伺服电机4、齿轮减速器5)及编码器3由同轴内置转变为同轴外置方式，从而调整机器人运动结构的质量分布并使机器人身体宽度增加。由于机器人四腿结构相同，使机器人在行走时，可得到较好的受力状态及稳定性。

图4a、4b为运动结构中髋关节与转弯机构示意图，其中图4a为髋关节结构示意图，图4b为转弯机构剖面图。主要包括转弯关节16，髋关节左侧板18，电位计固定架19，凸台20，压板21，髋关节右侧板22，髋关节驱动装置(齿轮减速器23，伺服电机)和髋关节限位开关24，转弯关节驱动装置及其固定块25。

在图4a中，髋关节齿轮减速器23被固定在右侧板22上，为使齿轮减速器23的输出轴作为髋关节轴直接带动大腿9摆动，利用齿轮减速器23轴端部具有的小平台，将压板21压在小平台上，再与大腿9通过螺钉连接，从而带动大腿9。电位计8的轴与凸台20同轴连接，通过顶丝固定，并被电位计支架19固定于髋关节左侧板18上。凸台20与大腿9通过螺钉固定，并穿过左侧板18之中的孔与之形成间隙配合，使凸台能自由转动，最终使电位计轴与大腿9能同轴转动。髋关节限位开关24置于大腿9摆动轨迹上，限制大腿9的摆动幅度，沿髋关节轴相对于顶部基准平板的垂直方向摆动正负90度。

在图4b中，转弯机构包括转弯关节16、驱动装置和编码器，其中转弯关节包括转弯关节轴(齿轮减速器5输出轴)与转向头17，驱动装置包括伺服电机4和齿轮减速器5，齿轮减速器5与转弯驱动装置固定块25相连，转弯电机固定块25被固定于顶部基准平板1上，转向头17与转弯关节轴采用过盈配合方式连接，同时转向头17与左右侧板18、22通过螺柱固定，使齿轮减速器5输出轴可带动转弯机构下方的整个腿结构偏摆。

图5为所述的运动结构中膝关节示意图，膝关节与髋关节传动方式相同，膝关节齿轮减速器27固定在大腿9上，其输出轴作为膝关节轴与小腿12通过压板21固定，并依次通过凸台20带动电位计8同速转动。膝关节右侧板26起支撑作用，凸台20穿过右侧板26并与之形成间隙配合。

图6为所述的机器人足示意图，28为踝关节转轴；29为固定弹簧用的短柱，一共有4个相同的短柱对称分布在足平面；30为弹簧；15为接触开关；14为足。足14与小腿12采用铰链连接方式，绕踝关节转轴28转动，4根弹簧分为前后两组，每根弹簧两端分别固定在柱29与小腿12方孔中，前后两组弹簧交替拉伸与收缩，维持足平面被动适应地形，弹簧参数根据实际受力选配。

图7为本发明实现的运动结构中腿关节相对方位配置方式示意图，在图7a中1相当于机器人顶部基准平板；7相当于机器人髋关节；9相当于机器人大腿；11相当于机器人膝关节；12相当于机器人小腿。从侧面往机器人前进方向看，机器人腿关节相对方位配置方式可分为膝式与肘式两种：膝式指大腿与小腿的连接关节配置如人类的膝关节一样，大腿朝前小腿朝后弯曲；肘式指大腿与小腿的连接关节配置如人类的肘关节一样，大腿朝后而小腿朝前弯曲。可组合成4种形式：①前后均为肘式配置，为全肘式，如图7a；②前后均为膝式配置，为全膝式，如图7b；③前腿为膝式，后腿为肘式，均朝机器人身体外侧弯曲，故为外膝肘式配置，如图7c；④前腿为肘式，后腿为膝式，均朝机器人身体内侧弯曲，故为内膝肘式配置，如图7d。四种形式分别对应不同种类动物的腿部结构。对每一种配置方式还可通过控制调整腿与竖直方向的夹角，从而调整机器人身体重心位置。

Claims (9)

1.一种可调整的四足仿生机器人运动结构，主要包括顶部基准平板(1)，对称的四条腿，四只足，驱动装置与传感装置，所述的每条腿包括大腿(9)、小腿(12)以及髋关节(7)、膝关节(11)和踝关节(13)三个转动关节；其特征在于：所述的顶部基准平板上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽(6)，四条腿与顶部基准平板之间采用吊装式结构；所述的大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动其沿各自关节轴摆动；在所述的顶部基准平板上装有四个转弯机构，所述的转弯机构包括转弯关节(16)、驱动装置和编码器(3)，并垂直置于腿结构正上方，该转弯机构通过转弯关节分别与所述的四条腿相连；上述每个驱动装置均包括伺服电机(4)和齿轮减速器(5)。

2.按照权利要求1所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：所述大、小腿驱动装置中的齿轮减速器轴均通过压板(21)分别与大、小腿相连。

3.按照权利要求1所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：在所述的顶部基准平板下方垂直安装有两个可分别测俯仰姿态和横滚姿态的倾角传感器(2)，两倾角传感器相互正交。

4.按照权利要求1所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：所述的大、小腿沿各自的关节轴相对于顶部基准平板(1)的垂直方向摆动正负90度。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：在每个伺服电机上同轴安装有编码器(3)，在每个髋关节轴和膝关节轴上装有电位计(8)，所述电位计通过凸台(20)与关节轴连接。

6.按照权利要求5所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：大小腿的相对方位配置采用全膝式、全肘式、内膝肘式、外膝肘式四种方式。

7.按照权利要求1或6所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：四腿结构均相同，左右腿可直接调换，髋、膝关节上的驱动装置为同轴内置或同轴外置两种放置方式。

8.按照权利要求1所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：大、小腿均由两部分组成。

9.按照权利要求1所述的仿生机器人运动结构，其特征在于：所述小腿与足之间采用铰链连接，采用前后两组弹簧交替伸缩限定足的转动角，并在足(14)前部安装接触开关(15)。

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