CN212290080U

CN212290080U - 一种四足行走式仿生设计装置

Info

Publication number: CN212290080U
Application number: CN201922489698.9U
Authority: CN
Inventors: 朱方圆; 胡喆; 孙伟
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2029-12-31

Abstract

本实用新型公开了一种四足行走式仿生设计装置，设计了精致紧凑的仿生机体结构，以减轻质量，关节部位兼顾强度和灵活性，提高传动效率；通过驱动电机给传动轴施加驱动，使之旋转，带动四足机械传动装置运转，提高传动效率；通过腿部减震机构提高机构运动稳定性，减小机械装置行走时的震荡，能够较好的满足机械装置的行走灵活要求。本实用新型解决了四足机器人的腿部传动装置合理性，造成机器人行走速度较慢、机动性能差，无法达到理想运动状态和步态轨迹的技术问题，在现有四足仿生机器人的基础上，通过研究其动力传动，实现了机械装置的平稳转向以及仿生机械按照步态曲线的稳定行走。

Description

一种四足行走式仿生设计装置

技术领域

本实用新型属于仿生技术领域，涉及一种四足行走式仿生设计装置。

背景技术

向大自然和大自然中的生物体学习，借用仿生学的原理，设计、发明，制造新型的机械、设备和材料，是这些年来促使人类社会快速发展重要途径。一般的移动机器人可分为三类：空中机器人，地面机器人和水下机器人。地面机器人主要以轮式、履带式和轨道式为主，它们都需要在平整路面或轨道上才能实现行走，而足式机器人适应着更为广泛的地形，具有着极强的运动能力。足式机器人又可分为步行机器人和爬行机器人，相比于步行机器人，爬行机器人的躯干更不适应载重，而足式机器人不但可承受更大的载重，也有着更快的行走速度，更良好的运输能力。在足式机器人中，偶数腿有着更高效率和更稳定的步态，如两足和四足。典型的两足机器人，缺乏着运动的平稳性，所以如今研究和应用最为广泛的为四足机器人。它比六足机器人结构简单，更易于设计和维护，又比两足机器人有着更好的运动稳定性。

仿生腿的机构设计与优化是仿生机器人研究的核心内容之一。在一般情况下，为了提高运动稳定性，增加步行速度和运输能力，需要具有大带宽和高输出功率的液压执行机构。建立仿生机器人模型，揭示其运动机理，探索其运动规律，并在此基础上分析该机构的不足之处，对其进行优化设计，使其具有更好的行走能力、更加多样适用的足端运动轨迹、更好的关节运动协调性。

四足机器人的腿部传动装置合理性，造成机器人行走速度较慢、机动性能差。无法达到理想运动状态和步态轨迹，只有从根本的腿部机械结构改进上着手，足类机器人的运动能力才能得到大幅度的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中四足仿生机器人机动性能差和难以精确控制的缺陷，提供一种四足行走式仿生设计装置，该装置传动灵活，具有更好的关节运动协调性。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种四足行走式仿生设计装置，包括：

底板，底板上表面设置有驱动装置；

驱动装置，驱动装置包括若干个驱动电机，位于底板前侧和后侧的驱动电机上分别横向穿过有传动轴，传动轴两侧分别连接有轮盘，轮盘上连接有四足机械传动装置；

四足机械传动装置，四足机械传动装置包括结构相同的第一前部腿机构、第二前部腿机构、第一后部腿机构和第二后部腿机构，第一前部腿机构包括直角三脚板和钝角三脚板，轮盘连接在直角三脚板的直角上，直角三脚板的斜边位于前侧，直角三脚板下方的直角边的两角上分别转动连接第一连杆和第二连杆的一端，第一连杆和第二连杆的另一端转动连接在钝角三脚板构成钝角的一边的两角上，钝角三脚板钝角相对的边位于前侧，直角三脚板斜边上方一角转动连接第三连杆的一端，钝角三脚板钝角转动连接第四连杆的一端，第三连杆和第四连杆的另一端相互转动连接；钝角三脚板下侧的角上连接有足部圆盘；第一前部腿机构与第一后部腿机构之间镜像对称，第二前部腿机构和第二后部腿机构之间镜像对称。

本实用新型的进一步改进在于：

钝角三脚板下侧的角上通过腿部减震机构连接有足部圆盘，腿部减震机构包括弹簧轴，弹簧轴上套有弹簧，弹簧下方设置有弹簧座，弹簧座下方通过球形铰链连接在足部圆盘上。

弹簧和弹簧座表面包裹有外壳。

钝角三脚板钝角的角度范围为110°～120°。

直角三脚板、钝角三脚板、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆之间均通过销轴和螺丝配合连接。

底板前侧设置有前横板，前横板上设置有曲形板。

底板上设置有前平衡框架和后平衡框架。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种四足行走式仿生机械装置，包括驱动装置、四足机械传动装置和腿部减震装置，通过驱动电机给传动轴施加驱动，使之旋转，带动四足机械传动装置运转，提高传动效率；四足机械传动装置由两片经过结构设计的三角结构板以及四根连杆组成，各组成构件之间转动连接，解决了机器人行走速度较慢、无法达到理想运动状态和步态轨迹的问题；通过腿部减震机构提高机构运动稳定性，减小机械装置行走时的震荡，能够较好的满足机械装置的行走灵活要求。

进一步的，本实用新型通过位于对角线位置腿部的同时抬起和下落运动，使四足机器人可实现平稳向前行走，在四足整机仿真时，处在对角线上的腿机构，前腿会比后腿滞后一小段时间，即在行走时总是后腿比前腿先着地，有利于机构行走的平稳性，运动过程无干涉。

进一步的，本实用新型中腿部机构底端在接地时，由于底端是由两连杆组成，因此底端实体结构在接地时容易发生角度转动，具有不规则性，这会使在后续工作中设置接触力时更加困难，在腿部底端添加球形铰链和足部圆盘可以提高机构运动稳定性和行走时重心稳定性，提高仿真结果的正确率。

进一步的，本实用新型中腿部减震机构与地面之间垂直约束，以此来保证足部底面始终与地面平行。

进一步的，本实用新型中的腿部减震机构内部的弹簧可以拆卸更换，以防止长期使用后弹簧塑性变形失去作用。

附图说明

图1为本实用新型的四足行走式仿生机械装置的立体图；

图2为本实用新型的四足行走式仿生机械装置的正视图；

图3为本实用新型的四足行走式仿生机械装置的左视图；

图4为本实用新型的第一后部腿机构的结构示意图；

图5为本实用新型的钝角三脚板与足部圆盘连接关系示意图；

图6为本实用新型的驱动装置与第二前部腿机构的结构示意图。

其中：1-曲形板；2-前平衡框架；3-驱动电机；4-后平衡框架；5-第三连杆；6-球形铰链；7-钝角三脚板；8-底板；9-前横板；11-弹簧；12-弹簧座；13-外壳；14-弹簧轴；15-传动轴；16-轮盘；19-足部圆盘；20-第二连杆；21-销轴；22-直角三脚板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1-3，一种四足行走式仿生设计装置包括位于底板8上表面的驱动装置，驱动装置包括若干个驱动电机3，位于底板8前侧和后侧的驱动电机3上分别横向穿过有传动轴15，传动轴15两侧分别连接有轮盘16，轮盘16上连接有四足机械传动装置。

四足机械传动装置包括结构相同的第一前部腿机构、第二前部腿机构、第一后部腿机构和第二后部腿机构，第一前部腿机构包括直角三脚板22和钝角三脚板7，轮盘16连接在直角三脚板22的直角上，直角三脚板22的斜边位于前侧，直角三脚板22下方的直角边的两角上分别转动连接第一连杆18和第二连杆20的一端，第一连杆18和第二连杆20的另一端转动连接在钝角三脚板7构成钝角的一边的两角上，钝角三脚板7钝角相对的边位于前侧，钝角的角度范围为110°～120°。直角三脚板22斜边上方一角转动连接第三连杆5的一端，钝角三脚板7钝角转动连接第四连杆17的一端，第三连杆5和第四连杆17的另一端相互转动连接，钝角三脚板7下侧的角上通过腿部减震机构连接有足部圆盘19。本实施例的第一前部腿机构与第一后部腿机构之间镜像对称，第二前部腿机构和第二后部腿机构之间镜像对称。底板8前侧设置有前横板9，前横板9上设置有曲形板1，底板8上设置有前平衡框架2和后平衡框架4。

参见图4-5，本实施例中的腿部减震机构包括弹簧轴14，弹簧轴14上套有弹簧11，弹簧11下方设置有弹簧座12，弹簧座12下方通过球形铰链6连接在足部圆盘19上。弹簧11和弹簧座12表面包裹有外壳13。通过腿部减震机构可以提高机构运动稳定性，减小机械装置行走时的震荡，能够较好的满足机械装置的行走灵活要求。

参见图6，直角三脚板22、钝角三脚板7、第一连杆18、第二连杆20、第三连杆5和第四连杆17之间均通过销轴21和螺丝配合连接。

本实用新型工作原理：

四足行走式仿生设计装置使用时先启动驱动电机3，动力通过传动轴15传动到轮盘16，联动直角三脚板22进行顺时针（或逆时针）定轴转动，此时，由于连杆第一连杆18、第二连杆20、第三连杆5、第四连杆17尺寸不同，致使与其相连接的钝角三脚板7在竖直方向升降，实现了行走时腿部的抬起与下落。同时，钝角三脚板7能够较好的与内部弹簧11结合进行力的传递，以此设计来减小机械装置行走时的震荡。球形铰链6连接足部19，实现了相对灵活转动的足部19，能够较好的满足机械装置的行走灵活要求。通过前平衡框架2和后平衡框架4可实现较为平稳地行走，提升装置实用性，曲形板1的设计使装置更为美观。

其次，给传动轴15施加驱动，使之逆时针旋转，带动整个机构运转。位于对角线位置的第一前部腿机构和第二后部腿机构同时抬起下落，另一对角线上的第一前部腿机构和第一后部腿机构在其下落时抬起，抬起时下落。发现运动过程无干涉，四足仿生腿机构能实现正常行走，步态正常，重心稳定。由于四腿机构是基于两腿产生的，所以该四腿机构运动时前部两腿和后部两腿都分别满足联合运动规律，前部两腿和后部两腿随时间的位移变化完全一致，步态也因此一致。满足设计设想，机构能实现正常运转。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，包括：

底板（8），底板（8）上表面设置有驱动装置；

驱动装置，驱动装置包括若干个驱动电机（3），位于底板（8）前侧和后侧的驱动电机（3）上分别横向穿过有传动轴（15），传动轴（15）两侧分别连接有轮盘（16），轮盘（16）上连接有四足机械传动装置；

四足机械传动装置，四足机械传动装置包括结构相同的第一前部腿机构、第二前部腿机构、第一后部腿机构和第二后部腿机构，第一前部腿机构包括直角三脚板（22）和钝角三脚板（7），轮盘（16）连接在直角三脚板（22）的直角上，直角三脚板（22）的斜边位于前侧，直角三脚板（22）下方的直角边的两角上分别转动连接第一连杆（18）和第二连杆（20）的一端，第一连杆（18）和第二连杆（20）的另一端转动连接在钝角三脚板（7）构成钝角的一边的两角上，钝角三脚板（7）钝角相对的边位于前侧，直角三脚板（22）斜边上方一角转动连接第三连杆（5）的一端，钝角三脚板（7）钝角转动连接第四连杆（17）的一端，第三连杆（5）和第四连杆（17）的另一端相互转动连接；钝角三脚板（7）下侧的角上连接有足部圆盘（19）；第一前部腿机构与第一后部腿机构之间镜像对称，第二前部腿机构和第二后部腿机构之间镜像对称。

2.如权利要求1所述的一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，钝角三脚板（7）下侧的角上通过腿部减震机构连接有足部圆盘（19），腿部减震机构包括弹簧轴（14），弹簧轴（14）上套有弹簧（11），弹簧（11）下方设置有弹簧座（12），弹簧座（12）下方通过球形铰链（6）连接在足部圆盘（19）上。

3.如权利要求2所述的一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，弹簧（11）和弹簧座（12）表面包裹有外壳（13）。

4.如权利要求1所述的一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，钝角三脚板（7）钝角的角度范围为110°～120°。

5.如权利要求1所述的一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，直角三脚板（22）、钝角三脚板（7）、第一连杆（18）、第二连杆（20）、第三连杆（5）和第四连杆（17）之间均通过销轴（21）和螺丝配合连接。

6.如权利要求1所述的一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，底板（8）前侧设置有前横板（9），前横板（9）上设置有曲形板（1）。

7.如权利要求1所述的一种四足行走式仿生设计装置，其特征在于，底板（8）上设置有前平衡框架（2）和后平衡框架（4）。