CN208181238U - 一种四足机器人 - Google Patents

Abstract

一种四足机器人，包括四条机械腿、机架、设置于机架上的重心偏移调节机构以及控制系统，所述四条机械腿设置于机架的底部，所述的重心偏移调节机构包括横截面为方形的机构框架。本实用新型有益效果：本实用新型机器人的机械腿灵活度较高，能够自主检测并调节重心偏移等问题，同时能够自主检测避障行走。

Description

一种四足机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体地说是一种四足机器人。

背景技术

机器人是近年来最活跃的研究领域之一，按照运动方式不同，机器人可以分为轮式、履带式和足式机器人等。相对于轮式和履带式机器人，足式机器人具有很好的环境适应性，能在坑洼、烁石、草地、崎岖山地等复杂环境下的运动，可以帮助人们在危险环境下完成救援和探险任务。军事上，足式机器人既可以完成战场物质搬运，也可以携带军用侦查、作战装备协助士兵作战。因此，足式机器人的设计与开发具有广阔的应用前景。但现有的机器人的机械腿灵活程度往往不够，同时自主调节重心偏移的能力较差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种四足机器人，解决机器人不够灵活且不能实现自主调节重心偏移等问题。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种四足机器人，包括四条机械腿、机架、设置于机架上的重心偏移调节机构以及控制系统，所述四条机械腿设置于机架的底部，所述的重心偏移调节机构包括横截面为方形的机构框架，设机构框架任一相对的两条边长度所在方向为X方向，另外相对的两条边长度所在方向为Y方向，垂直于X和Y所在平面的为Z方向，沿机构框架X方向的两条边分别设有X方向丝杆Ⅰ和X方向丝杆Ⅱ，沿机构框架Y方向的两条边分别设有Y方向光轴Ⅰ和Y方向丝杆，X方向丝杆Ⅰ、X方向丝杆Ⅱ、Y方向光轴Ⅰ以及Y方向丝杆的两端均通过设置于机构框架四角处的联轴器固定，每个联轴器可沿其所在机构框架Z方向的边上下滑动，X方向丝杆Ⅰ、X方向丝杆Ⅱ、Y方向光轴Ⅰ以及Y方向丝杆上均设有可沿机构框架上设置的轨道槽滑动的滑块，在X方向丝杆Ⅰ和X方向丝杆Ⅱ之间设有平行于Y方向光轴Ⅰ和Y方向丝杆的Y方向光轴Ⅱ，Y方向光轴Ⅱ的两端分别固定于X方向丝杆Ⅰ和X方向丝杆Ⅱ上设置的滑块内，在Y方向光轴Ⅰ和Y方向丝杆之间设有平行于X方向丝杆Ⅰ和X方向丝杆Ⅱ的X方向光轴，X方向光轴的两端分别固定于Y方向光轴Ⅰ和Y方向丝杆上设置的滑块内，X方向光轴和Y方向光轴Ⅱ的相交处设置联轴器固定，在该联轴器的底面上设置有配重器，X方向丝杆Ⅰ与Y方向光轴Ⅰ的相交处设有垂直于X方向丝杆Ⅰ和Y方向光轴Ⅰ所在平面的Z方向丝杆。

本实用新型所述控制系统包括设置于机架上的加速度传感器、6个超声波传感器、分别设置于X方向丝杆Ⅰ端部、Y方向丝杆端部和Z方向丝杆端部的X方向电机、Y方向电机和Z方向电机以及控制器，其中3个超声波传感器设置于四足机器人的前方，另外3个超声波传感器设置于四足机器人的后方，所述加速度传感器和6个超声波传感器分别与控制器连接，控制器分别与X方向电机、Y方向电机和Z方向电机连接。

本实用新型所述的机械腿包括由上至下依次连接的固定顶板、髋关节、大腿、膝盖关节、小腿以及足，所述髋关节包括3组球铰组件，所述球铰组件由依次连接的球铰座、球铰和球铰连接件构成，球铰座设置于固定顶板的底部；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架和2个电动缸，大腿支撑架与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸的下端通过电动缸固定架与大腿支撑架连接，电动缸的伸缩变化带动大腿支撑架动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动；所述膝盖关节上端与大腿支撑架的底端铰接，下端与小腿固定连接，膝盖关节上设有用于驱动膝盖关节运动的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机、同步轮、同步带、减速轮和行星减速器，所述伺服电机与设置于大腿支撑架上的同步轮连接以驱动同步轮的转动，减速轮设置于膝盖关节与大腿支撑架的铰接轴的轴端，且减速轮与行星减速器连接，同步带套设于同步轮和减速轮上，伺服电机通过同步轮、同步带、减速轮和行星减速器驱动膝盖关节运动，从而带动机械腿的小腿抬起和放下；所述小腿为串联结构，小腿连接于膝盖关节的下端部且小腿与膝盖关节之间设有缓冲弹簧和三维力传感器；足固定设置于小腿的下端部。

本实用新型所述膝盖关节与小腿之间通过直线轴承和内螺纹光轴连接，直线轴承固定于膝盖关节上，内螺纹光轴一端设置于直线轴承内，另一端穿过小腿上开设的通孔，随着缓冲弹簧的压缩变形和复原，内螺纹光轴在直线轴承内上下运动以配合缓冲弹簧的伸缩。

本实用新型所述机构框架为长方体，由型材制成。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种四足机器人，该机器人的机械腿灵活度较高，大腿采用并联结构，通过电动缸的伸缩变化带动大腿支撑架动作实现大腿的俯仰运动和横滚运动；小腿采用串联结构，伺服电机通过同步轮、同步带、减速轮和行星减速器驱动膝盖关节运动，从而带动机械腿的小腿抬起和放下，实现机械腿的移动；能够自主检测并调节重心偏移等问题，同时能够自主检测避障行走。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型重心偏移调节机构的结构示意图；

图3为本实用新型单个机械腿的结构示意图；

图4为本实用新型机械腿膝盖关节与小腿连接结构示意图；

图5为本实用新型机器人重心调节控制方法的流程示意图；

图6为本实用新型机器人避障行走控制方法流程示意图。

图中标记：1、机械腿，2、机架，3、重心偏移调节机构，4、机构框架，5、X方向丝杆Ⅰ，6、X方向丝杆Ⅱ，7、Y方向光轴Ⅰ，8、Y方向丝杆，9、联轴器，10、滑块，11、Y方向光轴Ⅱ，12、X方向光轴，13、Z方向丝杆，14、Z方向电机，15、Y方向电机，16、X方向电机，17、配重器，1-1、固定顶板，1-2、球铰座，1-3、球铰，1-4、球铰连接件，1-5、电动缸，1-6、大腿支撑架，1-7、电动缸固定架，1-8、铰接轴，1-9、缓冲弹簧，1-10、三维力传感器，1-11、小腿，1-12、足，1-13、伺服电机、1-14、同步轮、1-15、同步带、1-16、减速轮、1-17、行星减速器，1-18、膝盖关节，1-19、直线轴承，1-20、内螺纹光轴。

具体实施方式

如图所示，一种四足机器人，包括四条机械腿1、机架2、设置于机架2上的重心偏移调节机构3以及控制系统，所述四条机械腿1设置于机架2的底部，所述的重心偏移调节机构3包括横截面为方形的机构框架4，设机构框架任一相对的两条边长度所在方向为X方向，另外相对的两条边长度所在方向为Y方向，垂直于X和Y所在平面的为Z方向，X方向为机器人重心前后调节的方向，Y方向为机器人重心左右调节的方向，Z方向为机器人重心上下调节方向；沿机构框架4X方向的两条边分别设有X方向丝杆Ⅰ5和X方向丝杆Ⅱ6，沿机构框架Y方向的两条边分别设有Y方向光轴Ⅰ7和Y方向丝杆8，X方向丝杆Ⅰ5、X方向丝杆Ⅱ6、Y方向光轴Ⅰ7以及Y方向丝杆8的两端均通过设置于机构框架4四角处的联轴器9固定，每个联轴器9可沿其所在机构框架4Z方向的边上下滑动，X方向丝杆Ⅰ5、X方向丝杆Ⅱ6、Y方向光轴Ⅰ7以及Y方向丝杆8上均设有可沿机构框架4上设置的轨道槽滑动的滑块10，在X方向丝杆Ⅰ5和X方向丝杆Ⅱ6之间设有平行于Y方向光轴Ⅰ7和Y方向丝杆8的Y方向光轴Ⅱ11，Y方向光轴Ⅱ11的两端分别固定于X方向丝杆Ⅰ5和X方向丝杆Ⅱ6上设置的滑块10内，在Y方向光轴Ⅰ7和Y方向丝杆8之间设有平行于X方向丝杆Ⅰ5和X方向丝杆Ⅱ6的X方向光轴12，X方向光轴12的两端分别固定于Y方向光轴Ⅰ7和Y方向丝杆8上设置的滑块10内，X方向光轴12和Y方向光轴Ⅱ11的相交处设置联轴器固定，在该联轴器的底面上设置有配重器17，X方向丝杆Ⅰ5与Y方向光轴Ⅰ7的相交处设有垂直于X方向丝杆Ⅰ5和Y方向光轴Ⅰ7所在平面的Z方向丝杆13；

进一步，所述控制系统包括设置于机架2上的加速度传感器、6个超声波传感器、分别设置于X方向丝杆Ⅰ5端部、Y方向丝杆8端部和Z方向丝杆13端部的X方向电机16、Y方向电机15和Z方向电机14以及控制器，其中3个超声波传感器设置于四足机器人的前方，另外3个超声波传感器设置于四足机器人的后方，所述加速度传感器和6个超声波传感器分别与控制器连接，控制器分别与X方向电机16、Y方向电机15和Z方向电机14连接。所述超声波传感器用于检测机器人正前方、前方偏左45度方向以及前方偏右45度方向的障碍物。

进一步，所述的机械腿包括由上至下依次连接的固定顶板1-1、髋关节、大腿、膝盖关节1-18、小腿1-11以及球形的足1-12，所述髋关节包括3组球铰组件，所述球铰组件由依次连接的球铰座1-2、球铰1-3和球铰连接件1-4构成，球铰座1-2设置于固定顶板1-1的底部；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架1-6和2个电动缸1-5，大腿支撑架1-6与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸1-5分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸1-5的下端通过电动缸固定架1-7与大腿支撑架1-6连接，电动缸1-5的伸缩变化带动大腿支撑架1-6动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动；所述膝盖关节1-18上端与大腿支撑架1-6的底端铰接，下端与小腿1-11固定连接，膝盖关节1-18上设有用于驱动膝盖关节1-18运动的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机1-13、同步轮1-14、同步带1-15、减速轮1-16和行星减速器1-17，所述伺服电机1-13与设置于大腿支撑架1-6上的同步轮1-14连接以驱动同步轮1-14的转动，减速轮1-16设置于膝盖关节1-18与大腿支撑架1-6的铰接轴1-8的轴端，且减速轮1-16与行星减速器1-17连接，同步带1-15套设于同步轮1-14和减速轮1-16上，伺服电机1-13通过同步轮1-14、同步带1-15、减速轮1-16和行星减速器1-17驱动膝盖关节1-18运动，从而带动机械腿的小腿1-11抬起和放下；所述小腿1-11为串联结构，小腿1-11连接于膝盖关节1-18的下端部且小腿1-11与膝盖关节1-18之间设有缓冲弹簧1-9和三维力传感器1-10；足1-12固定设置于小腿1-11的下端部。

进一步，所述膝盖关节1-18与小腿1-11之间通过直线轴承1-19和内螺纹光轴1-20连接，直线轴承1-19固定于膝盖关节1-18上，内螺纹光轴1-20一端设置于直线轴承1-19内，另一端穿过小腿1-11上开设的通孔，随着缓冲弹簧1-9的压缩变形和复原，内螺纹光轴1-20在直线轴承1-19内上下运动以配合缓冲弹簧1-9的伸缩。

进一步，所述机构框架4为长方体，由型材制成。

进一步，所述大腿支撑架1-6为倒“U”型，膝盖关节1-18为“U”型。

本实用新型工作原理及方法：

重心偏移调节方法：通过加速度传感器测得机器人重力加速度，并将加速度信息传递给控制器，控制器将该加速度与机器人稳定态的加速度值进行对比计算得出机器人的偏移量，根据偏移量控制器通过调节X、Y和Z方向电机实现重心向原来方向的作用力，使腿部的作用力抵消外力的干扰，从而实现自动调整。

避障行走控制方法：通过超声波传感器检测机器人前方、左前和右前方向屋物体距离机器人的距离，控制器确定该距离是否在设定范围内，如果在设定范围内，控制器则控制机器人向相应方向行走。

机械腿的运动原理：通过电动缸1-5的伸缩变化带动大腿支撑架1-6动作实现大腿的俯仰运动和横滚运动；小腿1-11采用串联结构，伺服电机1-13通过同步轮1-14、同步带1-15、减速轮1-16和行星减速器1-17驱动膝盖关节1-18运动，从而带动机械腿的小腿1-11抬起和放下，实现机械腿的移动。

Claims (4)

1.一种四足机器人，其特征在于：包括四条机械腿（1）、机架（2）、设置于机架（2）上的重心偏移调节机构（3）以及控制系统，所述四条机械腿（1）设置于机架（2）的底部，所述的重心偏移调节机构（3）包括横截面为方形的机构框架（4），设机构框架任一相对的两条边长度所在方向为X方向，另外相对的两条边长度所在方向为Y方向，垂直于X和Y所在平面的为Z方向，沿机构框架（4）X方向的两条边分别设有X方向丝杆Ⅰ（5）和X方向丝杆Ⅱ（6），沿机构框架Y方向的两条边分别设有Y方向光轴Ⅰ（7）和Y方向丝杆（8），X方向丝杆Ⅰ（5）、X方向丝杆Ⅱ（6）、Y方向光轴Ⅰ（7）以及Y方向丝杆（8）的两端均通过设置于机构框架（4）四角处的联轴器（9）固定，每个联轴器（9）可沿其所在机构框架（4）Z方向的边上下滑动，X方向丝杆Ⅰ（5）、X方向丝杆Ⅱ（6）、Y方向光轴Ⅰ（7）以及Y方向丝杆（8）上均设有可沿机构框架（4）上设置的轨道槽滑动的滑块（10），在X方向丝杆Ⅰ（5）和X方向丝杆Ⅱ（6）之间设有平行于Y方向光轴Ⅰ（7）和Y方向丝杆（8）的Y方向光轴Ⅱ（11），Y方向光轴Ⅱ（11）的两端分别固定于X方向丝杆Ⅰ（5）和X方向丝杆Ⅱ（6）上设置的滑块（10）内，在Y方向光轴Ⅰ（7）和Y方向丝杆（8）之间设有平行于X方向丝杆Ⅰ（5）和X方向丝杆Ⅱ（6）的X方向光轴（12），X方向光轴（12）的两端分别固定于Y方向光轴Ⅰ（7）和Y方向丝杆（8）上设置的滑块（10）内，X方向光轴（12）和Y方向光轴Ⅱ（11）的相交处设置联轴器固定，在该联轴器的底面上设置有配重器（17），X方向丝杆Ⅰ（5）与Y方向光轴Ⅰ（7）的相交处设有垂直于X方向丝杆Ⅰ（5）和Y方向光轴Ⅰ（7）所在平面的Z方向丝杆（13）；

所述控制系统包括设置于机架（2）上的加速度传感器、6个超声波传感器、分别设置于X方向丝杆Ⅰ（5）端部、Y方向丝杆（8）端部和Z方向丝杆（13）端部的X方向电机（16）、Y方向电机（15）和Z方向电机（14）以及控制器，其中3个超声波传感器设置于四足机器人的前方，另外3个超声波传感器设置于四足机器人的后方，所述加速度传感器和6个超声波传感器分别与控制器连接，控制器分别与X方向电机（16）、Y方向电机（15）和Z方向电机（14）连接。

2.根据权利要求1所述的一种四足机器人，其特征在于：所述的机械腿包括由上至下依次连接的固定顶板（1-1）、髋关节、大腿、膝盖关节（1-18）、小腿（1-11）以及足（1-12），所述髋关节包括3组球铰组件，所述球铰组件由依次连接的球铰座（1-2）、球铰（1-3）和球铰连接件（1-4）构成，球铰座（1-2）设置于固定顶板（1-1）的底部；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架（1-6）和2个电动缸（1-5），大腿支撑架（1-6）与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸（1-5）分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸（1-5）的下端通过电动缸固定架（1-7）与大腿支撑架（1-6）连接，电动缸（1-5）的伸缩变化带动大腿支撑架（1-6）动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动；所述膝盖关节（1-18）上端与大腿支撑架（1-6）的底端铰接，下端与小腿（1-11）固定连接，膝盖关节（1-18）上设有用于驱动膝盖关节（1-18）运动的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机（1-13）、同步轮（1-14）、同步带（1-15）、减速轮（1-16）和行星减速器（1-17），所述伺服电机（1-13）与设置于大腿支撑架（1-6）上的同步轮（1-14）连接以驱动同步轮（1-14）的转动，减速轮（1-16）设置于膝盖关节（1-18）与大腿支撑架（1-6）的铰接轴（1-8）的轴端，且减速轮（1-16）与行星减速器（1-17）连接，同步带（1-15）套设于同步轮（1-14）和减速轮（1-16）上，伺服电机（1-13）通过同步轮（1-14）、同步带（1-15）、减速轮（1-16）和行星减速器（1-17）驱动膝盖关节（1-18）运动，从而带动机械腿的小腿（1-11）抬起和放下；所述小腿（1-11）为串联结构，小腿（1-11）连接于膝盖关节（1-18）的下端部且小腿（1-11）与膝盖关节（1-18）之间设有缓冲弹簧（1-9）和三维力传感器（1-10）；足（1-12）固定设置于小腿（1-11）的下端部。

3.根据权利要求2所述的一种四足机器人，其特征在于：所述膝盖关节（1-18）与小腿（1-11）之间通过直线轴承（1-19）和内螺纹光轴（1-20）连接，直线轴承（1-19）固定于膝盖关节（1-18）上，内螺纹光轴（1-20）一端设置于直线轴承（1-19）内，另一端穿过小腿（1-11）上开设的通孔，随着缓冲弹簧（1-9）的压缩变形和复原，内螺纹光轴（1-20）在直线轴承（1-19）内上下运动以配合缓冲弹簧（1-9）的伸缩。

4.根据权利要求1所述的一种四足机器人，其特征在于：所述机构框架（4）为长方体，由型材制成。