CN207345974U - 一种四足机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种四足机器人，涉及四足机器人技术领域。所述四足机器人包括机身和机械腿，机身的两端均设置有镂空式结构的端板，机械腿包括侧摆连接板、大腿连接板、小腿连接板和小腿，侧摆连接板一端通过侧摆关节与端板枢接，大腿连接板一端通过髋关节与侧摆连接板另一端枢接，小腿连接板一端通过膝关节与大腿连接板另一端枢接，小腿连接板另一端与小腿固定连接，侧摆关节、髋关节与膝关节均为摆动液压缸。本实用新型通过提供一种四足机器人，采用摆动液压缸作为执行元件，解决了直线型液压缸的安装空间大、对应关节运动角度小以及非对称直线型液压缸的伺服控制复杂的问题。

Description

一种四足机器人

技术领域

本实用新型涉及四足机器人技术领域，尤其涉及一种四足机器人。

背景技术

在地球的陆地表面，有超过50％以上的面积为崎岖不平的山丘或低洼潮湿的沼泽，不适合轮式或履带式机动平台行走，而足式机器人在这种地形下具有卓越的运动性能。

足式机器人行走仅需离散型地面支撑点，地面适应性强，可适应任何路面的行走，且具有良好的机动性；此外机身和足端的分离结构具有良好的缓冲作用，可更好地适应不规则地形，具有较好的抗扰动能力、良好的机动性和优异的地形适应能力。这些特点使得足式机器人在非结构化、存在不确定因素的环境中具有绝对的优势。因此足式机器人近年来日益成为国内外机器人领域的研究热点和难点。

足式机器人国内外目前常用的驱动形式主要有电动和液压。由于液压驱动具有负载能力强、功率密度高、无极变速、能承受较大冲击、系统的刚度高和响应快等优点，成为高性能户外重载四足机器人的首要选择。

美国波士顿动力公司研制的“BigDog”四足机器人，意大利技术研究院研制的“HyQ”四足机器人，国内山东大学研制的“SCalf”四足机器人等，都采用的是液压驱动方式，各关节处采用液压缸直线驱动实现足式机器人关节转动。

然而，直线液压缸驱动关节转动，其安装与运动空间需求大，对应关节转动角度小，不能满足足式机器人关节大运动转角的特殊场合运动性能要求。其次，关节运动转速与直线液压缸移动速度的速比随运动位置不同而不同，同理直线液压缸输出力随运动位置不同也不同。这种速度与力不均衡的缺点，使得关节运动的力与速度控制难度增加，不利于足式机器人运动实现，也阻碍了液压驱动足式机器人关节设计思路。此外，传统的非对称直线型液压缸，液压伺服控制模型相对复杂，给控制算法增加了难度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种四足机器人，以解决直线型液压缸的安装空间大、对应关节运动角度小以及非对称直线型液压缸的伺服控制复杂的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种四足机器人，包括：

机身，其两端均设置有镂空式结构的端板；

机械腿，其包括侧摆连接板、大腿连接板、小腿连接板和小腿，侧摆连接板一端通过侧摆关节与端板枢接，大腿连接板一端通过髋关节与侧摆连接板另一端枢接，小腿连接板一端通过膝关节与大腿连接板另一端枢接，小腿连接板另一端与小腿固定连接，侧摆关节、髋关节与膝关节均为摆动液压缸。

作为优选，机身上还设置有动力源、液压系统、散热系统、电控系统、视觉传感系统和导航系统。

作为优选，机身还设置有机身连接杆、侧端第一连接杆和侧端第二连接杆，端板包括前端板和后端板，机身连接杆连接两块后端板，侧端第一连接杆和侧端第二连接杆分别连接位于同一侧的前端板和后端板。

作为优选，前端板和后端板均设置有通孔，侧摆关节枢接于通孔内。

作为优选，侧摆关节设置有安装板，安装板通过侧摆关节枢接于前端板和后端板之间，且与侧摆连接板嵌式连接。

作为优选，髋关节通过第二挡板固定于侧摆连接板和大腿连接板上；膝关节通过第三挡板固定于大腿连接板和小腿连接板上；小腿与小腿连接板螺栓连接。

作为优选，小腿包括固定腿和活动腿，固定腿内设有腔室，活动腿通过端盖滑动设于腔室内部。

作为优选，固定腿内设有螺纹，且与端盖螺纹连接，活动腿的顶部设置有轴肩，轴肩抵接于端盖上。

作为优选，腔室设置有弹簧，弹簧的一端抵接于活动腿的顶部，另一端抵接于腔室的顶部。

作为优选，小腿还包括压力传感器和足底，压力传感器固定于活动腿的底部，足底固定于压力传感器的底部，且足底为柔性材料制成。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过提供一种四足机器人，利用摆动液压缸作为四足机器人的侧摆关节、髋关节和膝关节，解决了直线型液压缸的安装空间大、对应关节运动角度小以及非对称直线型液压缸的伺服控制复杂的问题；采用的机身端板镂空式结构及机身整体梯形桁架式结构，在保证结构受力的情况下极大地减轻了机身重量，增加了机器人的负载能力，同时也增强了机身的结构稳定性，另外也增加了机身上各元器件的安装空间及安装自由度；采用机身连接杆和后端板及侧端第一连接杆的铰制螺纹连接的结构，改善了结构受力的同时也保证了位置度的要求；采用安装板与侧摆连接板嵌式连接，使得受力更好，定位更可靠；采用弹簧，可以保证小腿具有缓冲减震及蓄能的作用；采用端盖与固定腿螺纹连接，可以通过调节端盖的拧入深度对弹簧的缓冲行程进行有效微调；采用足底为柔性材料，可以保证足底具有较大的阻尼及摩擦系数，能为足式机器人提供更好的摩擦力和缓冲效果。

附图说明

现将仅通过示例的方式，参考所附附图对本实用新型的实施方式进行描述，其中

图1是本实用新型具体实施方式提供的四足机器人的结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式提供的四足机器人的原理图；

图3是图1中机身部分的结构示意图；

图4是图1中小腿部分的结构示意图；

图5是图4中的局部剖视图。

图中：

1、机身；11、前端板；12、后端板；13、机身连接杆；14、侧端第一连接杆；15、通孔；151、第一挡板；152、第二挡板；153、第三挡板；16、侧端第二连接杆；

2、机械腿；21、侧摆关节；211、侧摆连接板；212、安装板；22、髋关节；221、大腿连接板；23、膝关节；231、小腿连接板；24、小腿；241、固定腿；242、活动腿；243、压力传感器；244、足底；245、端盖；246、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，本实施方式提供了一种四足机器人，包括机身1和机械腿2，机身1的两端均设置有端板，端板为镂空式结构；机械腿2包括侧摆连接板211、大腿连接板221、小腿连接板231和小腿24，侧摆连接板211一端通过侧摆关节21与端板枢接，大腿连接板221一端通过髋关节22与侧摆连接板211另一端枢接，小腿连接板231一端通过膝关节23与大腿连接板221另一端枢接，小腿连接板231另一端与小腿24固定连接，侧摆关节21、髋关节22与膝关节23均为摆动液压缸。本实用新型通过利用摆动液压缸作为四足机器人的侧摆关节21、髋关节22和膝关节23，解决了直线型液压缸的安装空间大、对应关节运动角度小以及非对称直线型液压缸的伺服控制复杂的问题。

具体地，如图2所示，本实施方式提供的四足机器人具有16个自由度，分别为12个主动自由度和4个被动自由度，即单个腿具有4个自由度。单腿分别为3个主动自由度：侧摆关节21的旋转运动副、髋关节22的旋转运动副、膝关节23的旋转运动副以及1个被动自由度：小腿24的直线运动副。侧摆关节21、髋关节22和膝关节23均采用旋转副进行连接，采用轴及轴承起到定位和支撑作用，以使整个四足机器人机构的前、后、左、右完全对称，有利于其运行的稳定性。此外，在侧摆关节21旋转运动副、髋关节22旋转运动副和膝关节23旋转运动副处，都安装有旋转编码器，旋转编码器码盘均固定于各摆动液压缸的缸体上，编码器读头均安装于各摆动液压缸输出轴的安装板上。侧摆关节21的编码器码盘固定安装于该关节摆动缸的缸体上，编码器读头固定安装于前端板11或后端板12上；髋关节22的编码器码盘固定安装于该关节摆动缸的缸体上，编码器读头固定安装于侧摆连接板211上；膝关节23的编码器码盘固定安装于该关节摆动缸的缸体上，编码器读头固定安装于大腿连接板221上。通过旋转编码器测量各摆动液压缸的转速，并配合PWM等技术实现快速调速。

具体地，如图3所示，机身1还设置有机身连接杆13、侧端第一连接杆14和侧端第二连接杆16，端板包括前端板11和后端板12。其中，机身连接杆13为杆件或管件结构，两端设计为内螺纹，优选设置为4根；侧端第一连接杆14为杆件结构，一端设计为类铰制孔螺栓螺纹一端设计为内螺纹；侧端第二连接杆16为杆件或管件结构，两端设计为内螺纹。机身连接杆13连接于两块后端板12之间，作为机身的连接与支撑作用；侧端第一连接杆14一端的类铰制孔螺栓螺纹通过后端板12的铰孔与机身连接杆13的内螺纹连接，将机身连接杆13、后端板12和侧端第一连接杆14连接为一体；侧端第一连接杆14另一端与前端板11通过螺钉连接为一体；侧端第二连接杆16通过螺钉将前端板11、后端板12连接为一体。这样可以保证机身连接杆13、后端板12、侧端第一连接杆14、侧端第二连接杆16和前端板11连接为一体，有利于机身1的拆装。铰接孔螺纹连接保证了前端板11、后端板12、连接杆13的位置要求，同时也改善了结构受力情况；端板镂空式结构及整体梯形桁架式结构，替代了传统的板式连接方式，极大地减轻了机身重量，增加了机器人负载能力，同时也增强了机身的结构稳定性，另也增加了机身上各元器件的安装空间及安装自由度，元器件的安装可采用悬挂式或搭积木式等多种灵活安装方式。

进一步地，前端板11和后端板12均设置有通孔15，侧摆关节21插接于通孔15内，并利用第一挡板151将侧摆关节21固定于前端板11和后端板12上，从而使得机身1与四条机械腿2连接成一体。

进一步地，机身1上还设置有动力源、液压系统、散热系统、电控系统、视觉传感系统及导航系统等。动力源为发动机或电机，为液压系统提供动力输入；液压系统包括液压泵、相关控制阀、过滤器、蓄能器、液压油箱、流量压力相关传感器等，为机器人提供直接的动力驱动与控制，是机器人的核心部分；散热系统包括液压散热系统和电气散热系统，为液压系统及电控系统正常工作提供温度环境保障；电控系统包括相关电气硬件及软件，是控制液压系统的控制系统；视觉传感系统及导航系统等为机器人提供环境感知和目标导向。

具体地，如图4和图5所示，侧摆关节21的摆动缸输出轴通过第一挡板151、摆缸平键分别与前端板11和后端板12连接。安装板212与摆动缸缸体连接，同时安装板212与侧摆连接板211嵌式连接，嵌式连接方式可以保证侧摆关节21的受力更好，安装定位更可靠，上述结构共同组成侧摆关节21旋转运动副。

具体地，侧摆连接板211通过第二挡板152、摆缸平键与髋关节22摆动液压缸的输出轴连接。侧摆连接板211采用两侧对称凹陷式或镂空式结构，在保证结构受力的情况下可以有效地降低结构件重量；髋关节22摆动液压缸的缸体与两块大腿连接板221连接，两块大腿连接板221通过三根连接杆进行固定连接，上述结构共同组成髋关节22旋转运动副。

具体地，大腿连接板221通过第三挡板153、摆缸平键与膝关节23摆动液压缸的输出轴连接。大腿连接板221采用两侧对称凹陷式或镂空式结构，在保证结构受力的情况下可以有效地降低结构件重量；膝关节23摆动液压缸的缸体与两块小腿连接板231连接，两块小腿连接板231同时与小腿24通过螺栓固定连接，上述结构共同组成膝关节23旋转运动副。

具体地，小腿24包括固定腿241和活动腿242，固定腿241内设有腔室，活动腿242通过端盖245滑动于腔室内部；固定腿241内设有螺纹，且与端盖245螺纹连接，活动腿242的顶部设置有轴肩，轴肩抵接于端盖245上；腔室设置有弹簧246，弹簧246的一端抵接于活动腿242的顶部，另一端抵接于腔室的顶部。其中，弹簧246可以为缓冲压缩弹簧，优选为两端并紧磨平弹簧，具有缓冲减震及蓄能作用；端盖245与固定腿241螺纹连接，可以通过调节端盖245的拧入深度对弹簧246的缓冲行程进行有效微调。

具体地，小腿24还包括压力传感器243和足底244，压力传感器243固定于活动腿242的底部，足底244固定于压力传感器243的底部，且足底244为柔性材料。活动腿242的底部为法兰端，其与压力传感器243相连接。足底244与压力传感器243连接，足底244连接螺钉安装通孔处，螺钉安装后填充硅胶。足底244为柔性材料，可以保证其具有较大的阻尼及摩擦系数，能为足式机器人提供更好的摩擦力和缓冲效果。

从而，本实施方式通过利用摆动液压缸作为四足机器人腿部各关节的执行元件，保证了四足机器人的安装空间小，运动角度大，且适合足式机器人关节大运动转角的特殊场合运动性能要求；另一方面摆动液压缸在较小的体积下能提供更大的驱动力矩，力矩传动链短且为对称式液压驱动结构，伺服控制简单；另一方面关节转速及力矩与摆动液压缸输出转速及力矩一致，降低了关节力与速度控制的算法难度。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种四足机器人，其特征在于，包括：

机身(1)，其两端均设置有镂空式结构的端板；

机械腿(2)，其包括侧摆连接板(211)、大腿连接板(221)、小腿连接板(231)和小腿(24)，所述侧摆连接板(211)一端通过侧摆关节(21)与所述端板枢接，所述大腿连接板(221)一端通过髋关节(22)与所述侧摆连接板(211)另一端枢接，所述小腿连接板(231)一端通过膝关节(23)与所述大腿连接板(221)另一端枢接，所述小腿连接板(231)另一端与所述小腿(24)固定连接，所述侧摆关节(21)、所述髋关节(22)与所述膝关节(23)均为摆动液压缸。

2.根据权利要求1所述的四足机器人，其特征在于，所述机身(1)上还设置有动力源、液压系统、散热系统、电控系统、视觉传感系统和导航系统。

3.根据权利要求2所述的四足机器人，其特征在于，所述机身(1)还设置有机身连接杆(13)、侧端第一连接杆(14)和侧端第二连接杆(16)，所述端板包括前端板(11)和后端板(12)，所述机身连接杆(13)连接两块所述后端板(12)，所述侧端第一连接杆(14)和侧端第二连接杆(16)分别连接位于同一侧的所述前端板(11)和所述后端板(12)。

4.根据权利要求3所述的四足机器人，其特征在于，所述前端板(11)和所述后端板(12)均设置有通孔(15)，所述侧摆关节(21)枢接于所述通孔(15)内。

5.根据权利要求3所述的四足机器人，其特征在于，所述侧摆关节(21)设置有安装板(212)，所述安装板(212)通过所述侧摆关节(21)枢接于所述前端板(11)和所述后端板(12)之间，且与所述侧摆连接板(211)嵌式连接。

6.根据权利要求5所述的四足机器人，其特征在于，所述髋关节(22)通过第二挡板(152)固定于所述侧摆连接板(211)和所述大腿连接板(221)上；所述膝关节(23)通过第三挡板(153)固定于所述大腿连接板(221)和所述小腿连接板(231)上，所述小腿(24)与所述小腿连接板(231)螺栓连接。

7.根据权利要求2所述的四足机器人，其特征在于，所述小腿(24)包括固定腿(241)和活动腿(242)，所述固定腿(241)内设有腔室，所述活动腿(242)通过端盖(245)滑动设于所述腔室内部。

8.根据权利要求7所述的四足机器人，其特征在于，所述固定腿(241)内设有螺纹，且与所述端盖(245)螺纹连接，所述活动腿(242)的顶部设置有轴肩，所述轴肩抵接于所述端盖(245)上。

9.根据权利要求8所述的四足机器人，其特征在于，所述腔室设置有弹簧(246)，所述弹簧(246)的一端抵接于所述活动腿(242)的顶部，另一端抵接于所述腔室的顶部。

10.根据权利要求7～9中任一项所述的四足机器人，其特征在于，所述小腿(24)还包括压力传感器(243)和足底(244)，所述压力传感器(243)固定于所述活动腿(242)的底部，所述足底(244)固定于所述压力传感器(243)的底部，且所述足底(244)为柔性材料制成。