CN210912664U - 一种仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿生四足机器人，目的在于解决轮式、履带式机器人越障能力较低，难以实现对楼梯、凸台等跨越的问题。其包括第一回转支承、转向电机、法兰盘、支架组件、运动组件、控制系统；所述支架组件包括第一支撑梁、第二支撑梁，所述第一支撑梁与第二支撑梁交叉布置；所述第一回转支承包括第一回转外圈、与第一外圈相配合的第一回转内圈，所述转向电机的壳体与第二支撑梁固定连接，所述第二支撑梁与第一回转内圈相连。本申请的仿生四足机器人通过模仿动物腿部的关节运动，能实现前进和跨障碍物的目的，并提高腿部运动速度。本申请基于简化的机构以实现步行运动及转向功能，其具有结构简单、成本低的优点。

Description

一种仿生四足机器人

技术领域

本实用新型涉及机械领域，尤其是仿生机械领域，具体为一种发生四足机器人。更具体地，本申请的仿生四足机器人为同步轮式四足机器人，其具有越障能力强、步进速度快的优点，且结构简单、成本低，能够为其他仿生四足机器人提供有益的参考。

背景技术

目前，对于地面移动机器人的研究主要集中在轮式、履带式、腿式机器人，及一些具有特定功能的作业机器人领域。其中，轮式行进适用于路况较好的情况，具有结构简单、速度快的优点，但其越障能力较低；而履带机器人也同样具有运动速度快的优点。然而，轮式、履带式机器人通常难以实现对楼梯或凸台的跨越，这就限定了其应用范围。与轮式和履带机器人相比，足式机器人越障能力强，适于不平整路面的行走，能够满足复杂地形、地势的行进需求，且步进更加平稳。

中国专利CN108790591A公开了一种可变形轮式机器人，其包括可变径轮、驱动电机和连接两个可变径轮的平面单闭链多连杆结构，其中，可变径轮包括具有相同构造的左轮和右轮，并且左轮或右轮包括：第一车轮连接件，其设有多个第一车轮连接孔，且多个所述第一车轮连接孔以所述可变径轮的圆心为中心均匀分布。该机器人可根据操作空间调节高度，并且通过平面单闭链多连杆结构，越过障碍物。

中国专利CN106737578B公开了一种四足机器人，其包括：柱形机体；对称连接于柱形机体侧面的两个扭动机体，扭动机体接合面与柱形机体侧面的形状相匹配；连接于每个扭动机体背向柱形机体一面两端的伸缩臂，伸缩臂与扭动机体的第一驱动电机相连；连接于伸缩背向扭动机体一端的腿部基座，腿部基座固设有第二驱动电机；连接于腿部基座背向柱形机体一面两端的腿部运动机构，腿部运动机构包括腿部驱动齿轮和腿部运动主体，腿部驱动齿轮与第二驱动电机电连接且其转动轴与伸缩臂长度方向相同，腿部驱动齿轮的驱动轴与腿部运动主体垂直相连。

中国专利CN104309716B公开了一种仿生四足机器人，其包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎组成脊椎，腿部包括前后两对腿，两对腿分别通过具有俯仰和侧摆两个自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与后脊椎活动联接，后脊椎固定于后肩梁上；每一条腿都是大腿和小腿一体化结构，大腿是刚性板，膝部和小腿是由有弹性的钢板构成；前脊椎的后端呈稍宽的长方形，该长方形中心处设有一通孔，通孔中设置有橡胶圈，前脊椎的后端通过一穿过橡胶圈的长销轴及螺母与后脊椎相连，且长销轴与橡胶圈之间有间隙；前脊椎后端分别固定有上、下、左、右四个向外自由穿出后脊椎框架的销，每个销上均套有弹簧。

与轮式、履带式机器人相比，足式机器人适用范围更广，更加适于复杂的地形。为此，本申请的发明人也对足式机器人的结构进行了进一步的研究，提供一种新的仿生四足机器人。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对轮式、履带式机器人越障能力较低，难以实现对楼梯、凸台等跨越的问题，提供一种仿生四足机器人。本申请的仿生四足机器人通过模仿动物腿部的关节运动，能实现前进和跨障碍物的目的，并提高腿部运动速度。本申请基于简化的机构以实现步行运动及转向功能，其具有结构简单、成本低的优点，对于降低足式机器人的生产成本具有重要的作用。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种仿生四足机器人，包括第一回转支承、转向电机、法兰盘、支架组件、运动组件、控制系统；

所述支架组件包括第一支撑梁、第二支撑梁，所述第一支撑梁与第二支撑梁交叉布置；

所述第一回转支承包括第一回转外圈、与第一外圈相配合的第一回转内圈，所述转向电机的壳体与第二支撑梁固定连接，所述第二支撑梁与第一回转内圈相连且第二支撑梁能为第一回转内圈提供支撑，所述转向电机的转轴通过法兰盘与第一支撑梁固定连接，所述第一支撑梁与第一回转外圈固定连接且转向电机的转轴能带动第一回转外圈相对第一回转内圈转动；

所述运动组件为四个，两个运动组件分别设置在第一支撑梁的两端，其余两个运动组件分别设置在第二支撑梁的两端；

所述运动组件包括与支架组件相连的固定连接件、第一运动电机、第一主动轮、第一连接轴、第一从动轮、第一同步带、第一运动臂、第二运动电机、第二主动轮、第二连接轴、第二从动轮、第二同步带、第二运动臂、末端支撑件，所述第一运动电机、第一运动电机分别与固定连接件相连且固定连接件能分别为第一运动电机、第二运动电机提供支撑；

所述第一主动轮设置在第一运动电机的转轴上且第一运动电机能带动第一主动轮转动，所述第一连接轴与固定连接件相连且固定连接件能为第一连接轴提供支撑，所述第一从动轮设置在第一连接轴上且第一从动轮能相对第一连接轴转动，所述第一同步带设置在第一主动轮和第一从动轮上，所述第一从动轮与第一运动臂固定连接且第一运动电机依次通过第一主动轮、第一同步带、第一从动轮能带动第一运动臂相对固定连接件转动；

所述第二主动轮设置在第二运动电机的转轴上且第二运动电机能带动第二主动轮转动，所述第二连接轴与第一运动臂相连且第一运动臂能为第二连接轴提供支撑，所述第二从动轮设置在第二连接轴上且第二从动轮能相对第二连接轴转动，所述第二同步带设置在第二主动轮和第二从动轮上，所述第二从动轮与第二运动臂固定连接且第二运动电机依次通过第二主动轮、第二同步带、第二从动轮能带动第二运动臂相对固定连接件转动，所述末端支撑件设置在第二运动臂的下端；

所述转向电机、第一运动电机、第二运动电机分别与控制系统相连。

所述第一连接轴与第二运动电机的转轴采用同一根轴；

或所述第一连接轴与第二运动电机的转轴分别为独立的轴。

所述第一运动电机设置在固定连接件上远离第一运动臂的一端，所述第二运动电机设置在固定连接件上靠近第一运动臂的一端。

所述第一支撑梁与第二支撑梁构成的支架组件呈X型。

还包括第一加强筋，所述第一加强筋分别与支架组件、固定连接件相连。

还包括第二回转支承，所述第二回转支承包括第二回转外圈、与第二外圈相配合的第一回转内圈；

所述第一支撑梁与第二回转外圈相连，所述第二支撑梁与第二回转内圈相连。

所述第一同步带上设置有第一限位件。

所述第一同步带通过第一限位件连接成环状。

所述第二同步带上设置有第二限位件。

所述第二同步带通过第二限位件连接成环状。

所述末端支撑件与地面的接触面呈弧形。

还包括第二加强筋，所述第二加强筋分别与末端支撑件、第二运动臂相连。

针对前述问题，本申请提供一种仿生四足机器人。该机器人包括第一回转支承、转向电机、法兰盘、支架组件、运动组件、控制系统。其中，支架组件包括第一支撑梁、第二支撑梁，第一支撑梁与第二支撑梁交叉布置。同时，第一回转支承包括第一回转外圈、与第一外圈相配合的第一回转内圈，转向电机的壳体与第二支撑梁固定连接，第二支撑梁与第一回转内圈相连，转向电机的转轴通过法兰盘与第一支撑梁固定连接，第一支撑梁与第一回转外圈固定连接。该结构中，第二支撑梁分别为第一回转内圈、转向电机提供支撑，并通过转向电机的转轴带动第一回转外圈相对第一回转内圈转动；反之亦然。

本申请中，运动组件为四个，两个运动组件分别设置在第一支撑梁的两端，其余两个运动组件分别设置在第二支撑梁的两端。在此，以一个运动组件设置在第一支撑梁的一端为例，进行说明。

运动组件包括与第一支撑梁相连的固定连接件、第一运动电机、第一主动轮、第一连接轴、第一从动轮、第一同步带、第一运动臂、第二运动电机、第二主动轮、第二连接轴、第二从动轮、第二同步带、第二运动臂、末端支撑件，第一运动电机、第一运动电机分别与固定连接件相连。同时，第一主动轮设置在第一运动电机的转轴上，第一连接轴与固定连接件相连，第一从动轮设置在第一连接轴上，第一同步带设置在第一主动轮和第一从动轮上，第一从动轮与第一运动臂固定连接。该结构中，第一支撑梁能为固定连接件提供支撑，固定连接件能为第一运动电机、第二运动电机、第一连接轴提供支撑，第一从动轮能相对第一连接轴转动。第一运动电机依次通过第一主动轮、第一同步带带动第一从动轮转动，进而带动第一运动臂相对固定连接件转动。

同时， 第二主动轮设置在第二运动电机的转轴上，第二连接轴与第一运动臂相连，第二从动轮设置在第二连接轴上，第二同步带设置在第二主动轮和第二从动轮上，第二从动轮与第二运动臂固定连接，末端支撑件设置在第二运动臂的下端。本申请中，转向电机、第一运动电机、第二运动电机分别与控制系统相连。该结构中，第一运动臂能为第二连接轴提供支撑，第二运动电机用于带动第二主动轮转动，第二从动轮能相对第二连接轴转动；通过第二同步带的带动作用，第二运动电机能依次通过第二主动轮、第二同步带、第二从动轮能带动第二运动臂相对固定连接件转动。本申请中，末端支撑件设置在第二运动臂的下端，其能为第二运动臂提供相应的支撑。进一步，第一运动电机设置在固定连接件上远离第一运动臂的一端，第二运动电机设置在固定连接件上靠近第一运动臂的一端。

基于前述结构的采用，第一支撑梁与第二支撑梁交叉呈X型布置，通过第一支撑梁、第二支撑梁、第一回转支承与转向电机之间的相互配合，能够实现第一支撑梁、第二支撑梁之间的相对转动，配合后续的运动组件，进而实现机器人的转向运动；而运动组件的结构设计，则使得运动组件中的第一运动电机、第二运动电机能够保持相对固定，有利于整体重心的控制。

进一步，还包括第一加强筋，第一加强筋分别与支架组件、固定连接件相连。以一个运动组件设置在第一支撑梁的一端为例，第一加强筋的两端分别与第一支撑梁、固定连接件相连，采用第一加强筋有利于增大两者的连接强度，保证机器人整体结构的稳定性。

进一步，第一连接轴与第二运动电机的转轴采用同一根轴；采用该结构，第二运动电机的转轴在为第二主动轮提供旋转动力时，能为第一从动轮提供支撑，即在第二运动电机的转轴上设置相应的轴承，第二从动轮通过轴承与第二电机的转轴相连即可。采用该方式，有利于减少部件。作为一种替代方式，第一连接轴与第二运动电机的转轴分别为独立的轴。

进一步，本申请还包括第二回转支承，第二回转支承包括第二回转外圈、与第二外圈相配合的第一回转内圈；第一支撑梁与第二回转外圈相连，第二支撑梁与第二回转内圈相连。采用该结构，能够使得仿生机器人整体的重心更加平衡，起到调节应力的作用，有利于保证仿生机器人的稳定运行。

进一步，第一同步带、第二同步带上分别对应设置有第一限位件、第二限位件。采用第一限位件、第二限位件的目的在于，控制第一运动臂、第二运动臂的转动范围，保证机器人的有效运行。优选地，第一同步带通过第一限位件连接成环状，第二同步带通过第二限位件连接成环状。采用结构，第一限位件、第二限位件起到限位、连接双重作用，有利于降低第一同步带、第二同步带的使用成本。

进一步，末端支撑件与地面的接触面呈弧形；还包括第二加强筋，第二加强筋分别与末端支撑件、第二运动臂相连。该结构中，采用弧形能够增大与地面的接触面积，保障机器人与地面接触时的稳定性；而第二加强筋则能增加末端支撑件的强度，增加仿生机器人末端的承重能力，即第二加强筋能增大末端支撑件与第二运动臂的连接力，保证结构的稳定性。在一个具体结构中，末端连接件采用塑料管（如PP管、PE管），其质量轻、与地面的接触面积大，采用三角板作为加强筋，有利于提升末端支撑件与第二运动臂的连接强度。

综上，通过对仿生机器人步态的控制，本申请的仿生四足机器人能够实现快速行进、越障、转向等操作，且结构简单、操作方便、易于控制，能有效降低控制难度。同时，基于运动组件的结构设计和布局，及第一同步带、第二同步带与其他组件的相互配合，能使得仿生机器人的腿部部分重量更轻，整体结构更加稳定，且具有较好的瞬时传动比，更易于控制。本申请的四足机器人机械结构简单，四足步进速度快，且能实现跨障与转向的功能；而第一回转支承、第二回转支承、运动组件的配合结构设计，有利于减少转向的摩擦力，使四足机器人的转向更为稳定，设计思路新颖，可行性高。本申请设计合理，制作简单，有效降低了四足机器人的成本，能为仿生四足机器人的机械制作提供参考，具有较高的应用价值和应用前景。

附图说明

图1为实施例1中四足机器人的结构示意图。

图2为实施例1中第一回转支承的局部结构示意图。

图中标记：1、第一支撑梁，2、第二支撑梁，3、第二回转支撑外圈，4、第一回转支撑内圈，5、法兰盘，6、第一电机，7、第一主动轮，8、第一从动轮，9、第二电机，10、第二主动轮，11、第二从动轮，12、末端支撑件，13、第一运动臂，14、第二运动臂，15、转向电机。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图所示，本实施例的仿生四足机器人包括第一回转支承、转向电机、法兰盘、支架组件、运动组件、控制系统。其中，支架组件包括第一支撑梁、第二支撑梁，第一支撑梁与第二支撑梁交叉布置呈X型。第一回转支承包括第一回转外圈、与第一外圈相配合的第一回转内圈。转向电机的壳体通过螺钉与第二支撑梁固定连接，第二支撑梁与第一回转内圈通过螺钉相连，转向电机的转轴通过法兰盘与第一支撑梁固定连接，第一支撑梁与第一回转外圈固定连接。

本实施例中，运动组件为四个，四个运动组件分别设置在第一支撑梁、第二支撑梁的两端。为了便于理解，在此以设置在第一支撑梁一端的运动组件为例，进行说明。运动组件包括与第一支撑梁相连的固定连接件、第一运动电机、第一主动轮、第一连接轴、第一从动轮、第一同步带、第一运动臂、第二运动电机、第二主动轮、第二连接轴、第二从动轮、第二同步带、第二运动臂、末端支撑件，第一运动电机、第一运动电机分别与固定连接件相连。第一主动轮设置在第一运动电机的转轴上，第一连接轴与固定连接件相连，第一从动轮设置在第一连接轴上，第一同步带设置在第一主动轮和第一从动轮上，第一从动轮与第一运动臂固定连接。

第二主动轮设置在第二运动电机的转轴上，第二连接轴与第一运动臂相连，第二从动轮设置在第二连接轴上，第二同步带设置在第二主动轮和第二从动轮上，第二从动轮与第二运动臂固定连接，末端支撑件设置在第二运动臂的下端。同时，转向电机、第一运动电机、第二运动电机分别与控制系统相连。

进一步，本实施例还包括第二回转支承，第二回转支承包括第二回转外圈、与第二外圈相配合的第一回转内圈，第一支撑梁与第二回转外圈相连，第二支撑梁与第二回转内圈相连；还包括第一加强筋，第一加强筋分别与支架组件、固定连接件相连。本实施例中，第一连接轴与第二运动电机的转轴采用同一根轴。

前述结构中，第二支撑梁能分别为转向电机、第一回转内圈提供支撑，第二支撑梁能为第一回转外圈提供支撑，转向电机的转轴能带动第一回转外圈相对第一回转内圈转动；基于第一回转支承与运动组件的配合，能够实现仿生机器人的有效转向运动；而第二回转支承的结构设计，则有利于保证装置整体的稳定性。同时，第一加强筋能增加与固定连接件和第一支撑梁之间的结合强度；固定连接件则能分别为第一运动电机、第二运动电机提供支撑，即第一运动电机、第二运动电机分别设置在固定连接件上；进一步，第一运动电机设置在固定连接件上远离第一运动臂的一端，第二运动电机设置在固定连接件上靠近第一运动臂的一端；第一运动电机用于带动第一主动轮转动，第一从动轮则能相对第一连接轴转动，第一运动电机依次通过第一主动轮、第一同步带、第一从动轮能带动第一运动臂相对固定连接件转动；第一运动臂能为第二连接轴提供支撑，第二运动电机用于带动第二主动轮转动，第二从动轮能相对第二连接轴转动，第二运动电机依次通过第二主动轮、第二同步带、第二从动轮能带动第二运动臂相对固定连接件转动，第二运动臂则通过末端支撑件与地面接触。

作为优选，第一同步带上设置有第一限位件，第二同步带上设置有第二限位件；第一同步带通过第一限位件连接成环状，第二同步带通过第二限位件连接成环状。基于前述结构，第一同步带通过第一限位件连接成环，第一限位件起到连接、限位双重作用，既简化第一同步带的结构，又能起到限定第一运动臂转动角度范围的作用；类似的，第二同步带与第二限位件之间也存在类似的情况。

作为优选，末端支撑件与地面的接触面呈弧形；还包括第二加强筋，第二加强筋分别与末端支撑件、第二运动臂相连。在一个具体结构中，末端连接件采用塑料管（如PP管、PE管），其质量轻、与地面的接触面积大，采用三角板作为加强筋，有利于提升末端支撑件与第二运动臂的连接强度。

为了更好地说明本申请的结构，发明人将本申请中的相应部件进行了类比。将第二运动臂记为小腿机构，第一运动臂记为大腿机构，固定连接件记为髋骨机构，末端支撑件记为足部。

小腿机构和大腿机构之间采用第二从动轮与第二同步带相配合，通过第二同步轮的转动，实现四足机器人小腿机构的抬腿动作和放腿动作。机器人足部设计为竖直蹼型，模仿鸭脚，增大与地面的接触面积，从而增大摩擦力，使四足机器人快速步行时不易打滑。在大腿机构和髋骨机构间的连接为第一从动轮和第一同步带，通过第一同步带带动第一从动轮转动，从而使连接在第一从动轮上的大腿机构。转向机构由第一回转支承、第二回转支承构成的双层回转支承机构，与支架组件连接构成。通过小腿机构的抬腿动作，配合转向机构，实现仿生机器人的转向操作。

本实施例的双层回转支承机构分为上下两层，包括第一回转支承、第二回转支承。其中，第一支撑梁与第二回转外圈相连，所述第二支撑梁与第二回转内圈相连；第一回转支承对应设计即可。该结构中，第一支撑梁两端的运动组件同步抬起，转向电机带动第一回转支承转动，即可实现四足机器人的转向；反之亦然。而第二回转支承减少摩擦，并使得仿生机器人整体的重心更加平衡，起到调节应力的作用，使转向运动更流畅。

经实际测定，本申请的仿生机器人能实现快速行进、转向运动，具有极强的越障能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，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的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生四足机器人，其特征在于，包括第一回转支承、转向电机、法兰盘、支架组件、运动组件、控制系统；

所述支架组件包括第一支撑梁、第二支撑梁，所述第一支撑梁与第二支撑梁交叉布置；

所述第一回转支承包括第一回转外圈、与第一外圈相配合的第一回转内圈，所述转向电机的壳体与第二支撑梁固定连接，所述第二支撑梁与第一回转内圈相连且第二支撑梁能为第一回转内圈提供支撑，所述转向电机的转轴通过法兰盘与第一支撑梁固定连接，所述第一支撑梁与第一回转外圈固定连接且转向电机的转轴能带动第一回转外圈相对第一回转内圈转动；

所述运动组件为四个，两个运动组件分别设置在第一支撑梁的两端，其余两个运动组件分别设置在第二支撑梁的两端；

所述运动组件包括与支架组件相连的固定连接件、第一运动电机、第一主动轮、第一连接轴、第一从动轮、第一同步带、第一运动臂、第二运动电机、第二主动轮、第二连接轴、第二从动轮、第二同步带、第二运动臂、末端支撑件，所述第一运动电机、第一运动电机分别与固定连接件相连且固定连接件能分别为第一运动电机、第二运动电机提供支撑；

所述第一主动轮设置在第一运动电机的转轴上且第一运动电机能带动第一主动轮转动，所述第一连接轴与固定连接件相连且固定连接件能为第一连接轴提供支撑，所述第一从动轮设置在第一连接轴上且第一从动轮能相对第一连接轴转动，所述第一同步带设置在第一主动轮和第一从动轮上，所述第一从动轮与第一运动臂固定连接且第一运动电机依次通过第一主动轮、第一同步带、第一从动轮能带动第一运动臂相对固定连接件转动；

所述第二主动轮设置在第二运动电机的转轴上且第二运动电机能带动第二主动轮转动，所述第二连接轴与第一运动臂相连且第一运动臂能为第二连接轴提供支撑，所述第二从动轮设置在第二连接轴上且第二从动轮能相对第二连接轴转动，所述第二同步带设置在第二主动轮和第二从动轮上，所述第二从动轮与第二运动臂固定连接且第二运动电机依次通过第二主动轮、第二同步带、第二从动轮能带动第二运动臂相对固定连接件转动，所述末端支撑件设置在第二运动臂的下端；

所述转向电机、第一运动电机、第二运动电机分别与控制系统相连。

2.根据权利要求1所述仿生四足机器人，其特征在于，所述第一连接轴与第二运动电机的转轴采用同一根轴；

或所述第一连接轴与第二运动电机的转轴分别为独立的轴。

3.根据权利要求1所述仿生四足机器人，其特征在于，还包括第一加强筋，所述第一加强筋分别与支架组件、固定连接件相连。

4.根据权利要求1~3任一项所述仿生四足机器人，其特征在于，还包括第二回转支承，所述第二回转支承包括第二回转外圈、与第二外圈相配合的第一回转内圈；

所述第一支撑梁与第二回转外圈相连，所述第二支撑梁与第二回转内圈相连。

5.根据权利要求1所述仿生四足机器人，其特征在于，所述第一同步带上设置有第一限位件。

6.根据权利要求5所述仿生四足机器人，其特征在于，所述第一同步带通过第一限位件连接成环状。

7.根据权利要求1所述仿生四足机器人，其特征在于，所述第二同步带上设置有第二限位件。

8.根据权利要求7所述仿生四足机器人，其特征在于，所述第二同步带通过第二限位件连接成环状。

9.根据权利要求1所述仿生四足机器人，其特征在于，所述末端支撑件与地面的接触面呈弧形。

10.根据权利要求9所述仿生四足机器人，其特征在于，还包括第二加强筋，所述第二加强筋分别与末端支撑件、第二运动臂相连。

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