CN216098968U - 一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，包含前机体、后机体和柔性脊椎，前机体和后机体通过柔性脊椎连接，还包含两条多自由度前腿和两条多自由度后腿；两条多自由度前腿安装在前机体上，两条多自由度后腿安装在后机体上，所述柔性脊椎包含电机、锥齿轮副、脊椎轴、发条组件和连杆弹簧片组件；电机安装在后机体上，电机的输出轴上安装有主动锥齿轮，脊椎轴的一端与后机体固接，被动锥齿轮固定在脊椎轴的另一端，主动锥齿轮和被动锥齿轮啮合，发条盒套在脊椎轴上并与前机体固连，前机体和后机体通过连杆弹簧片组件支撑并能相对转动。本实用新型结构紧凑简便，能适应复杂地形的运动能力，稳定性好。

Description

一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体涉及一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人。

背景技术

近年来,仿生机器人技术得到了迅速的发展,国内外学者通过模拟自然界生物的生理及其运动机理,已经研制出一批令人振奋的仿生机器人。从美国波士顿动力公司研制的可快速奔跑的“BigDog”和“Cheetah”四足机器人，验证了仿生柔性脊椎在机器人上的可实现性。

最近，在哺乳类动物运动特性的启发下，四足机器人“Cheetah-cub-S”希望利用主动柔顺脊柱提高机器人的转向能力，从而使其更接近于未来的野外应用。与刚性脊柱机器人相比，并且在运动过程中可以实现多种转弯半径的转弯运动。国内马宗利等设计了一款仿猎豹四足机器人。但是大都是通过液压控制脊椎，通过柴油发动机带动的大型机器人，不利于机体的小型化。

CN108749951A一种四足机器人，是通过对驱动气缸充气和放气实现前机体和后机体之间的相对转动，实现机体的伸直或者弯曲。CN111469945A公开一种四足机器人及坡面运动姿势调整方法，在柔性脊椎的下方设有液压缸；液压缸的两端分别铰接在前机体、后机体内侧下方，适应复杂地形运动能力较差。

实用新型内容

本实用新型为克服现有技术不足，提供一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人。该机器人结构紧凑简便，能适应复杂地形的运动能力，稳定性好。

本实用新型的技术方案为：

一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人包含前机体、后机体和柔性脊椎，前机体和后机体通过柔性脊椎连接，还包含两条多自由度前腿和两条多自由度后腿；两条多自由度前腿安装在前机体上，两条多自由度后腿安装在后机体上，所述柔性脊椎包含电机、锥齿轮副、脊椎轴、发条组件和连杆弹簧片组件；

所述发条组件包含发条和发条盒；锥齿轮副包含主动锥齿轮和被动锥齿轮；电机安装在后机体上，电机的输出轴上安装有主动锥齿轮，脊椎轴的一端与后机体固接，被动锥齿轮固定在脊椎轴的另一端，主动锥齿轮和被动锥齿轮啮合，发条盒套在脊椎轴上并与前机体固连，发条设置在发条盒内，发条的一端插在脊椎轴上，发条的另一端卡在发条盒上，脊椎轴由前机体支撑且二者可相对转动，前机体和后机体通过连杆弹簧片组件支撑并能相对转动。

本实用新型相比现有技术的有益效果是：

本实用新型采用模拟动物脊柱弯曲的方式,具有结构简单、传动性能好、整体可靠性高等特点,能够提高机器人移动的速度和稳定性，克服了机器人在复杂地形运动时运动性差、不稳定的缺陷。承载能力强、稳定性好和结构简单；本实用新型多自由度前腿或多自由度后腿保证了一定的承重和灵活性。本实用新型的具有柔性脊椎的机器人更满足速度要求，且有利于轨迹的优化，且能够增加调整体重心可调范围，提高机器人在极端环境下的移动能力。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进一步说明：

附图说明

图1为从前腿看的本实用新型具有柔性脊椎的四足仿生机器人的立体结构图；

图2为从后腿看的本实用新型具有柔性脊椎的四足仿生机器人的立体结构图；

图3为连杆弹簧片组件的结构示意图；

图4为前腿和后腿的结构示意图；

图5为多自由度驱动组件的结构示意图；

图6为前机体和后机体的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实施方式的一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，包含前机体A、后机体B和柔性脊椎，前机体A和后机体B通过柔性脊椎连接，还包含两条多自由度前腿C和两条多自由度后腿D；两条多自由度前腿C安装在前机体A上，两条多自由度后腿D安装在后机体B上，所述柔性脊椎包含电机12、锥齿轮副、脊椎轴9、发条组件和连杆弹簧片组件6；

所述发条组件包含发条81和发条盒82；锥齿轮副包含主动锥齿轮71和被动锥齿轮72；

电机12安装在后机体B上，电机12的输出轴上安装有主动锥齿轮71，脊椎轴9的一端与后机体B固接，被动锥齿轮72固定在脊椎轴9的另一端，主动锥齿轮71和被动锥齿轮72啮合，发条盒82套在脊椎轴9上并与前机体A固连，发条81设置在发条盒82内，发条81的一端插在脊椎轴9上，发条81的另一端卡在发条盒82上，脊椎轴9由前机体A支撑且二者可相对转动，前机体A和后机体B通过连杆弹簧片组件6支撑并能相对转动。

本实施方式采用模拟动物脊柱弯曲的方式，具有结构简单、传动性能好、整体可靠性高等特点，能够提高机器人移动的速度和稳定性，克服了机器人在复杂地形运动时运动性差、不稳定的缺陷。具有发条及弹簧片组件的柔性脊椎设置，使得机器人满足速度要求，通过仿生学概念，柔性脊椎可作储能装置。

如图2和图3所示，所述连杆弹簧片组件6包含前脊椎杆二61、后脊椎杆二62、连接轴63、固定件64和弹簧片65；后脊椎杆二62的一端与后机体B固接，前脊椎杆二61的一端与前机体A固接，后脊椎杆二62的另一端与连接轴63固接，前脊椎杆二61的另一端可转动地插在连接轴63上，弹簧片65通过固定件64固定在前脊椎杆二61和后脊椎杆二62上。弹簧片65和发条81的设置，能够提高机器人移动的速度和稳定性，克服了机器人在复杂地形运动时运动性差的缺陷，比如能很好地适应弹跳或奔跑。固定件64一侧为带孔的夹持部，另一侧为杆状部，杆状部安装在脊椎杆上。

为了实现后机体B的腾空或旋转，以及发条盒82的固定安装，如图2和图3所示，所述脊椎轴9的一端与后脊椎杆一52的一端固接，后脊椎杆一52的另一端与后机体B固接，前脊椎杆一51布置在后脊椎杆一52与发条盒82之间，前脊椎杆一51的一端可转动地插在脊椎轴9上，前脊椎杆一51的另一端与前机体A固接，发条盒82与前脊椎杆一51固接。如此设置，通过前脊椎杆、后脊椎杆、连接轴的设计形成的柔性脊椎，确保了前机体A和后机体B可靠的连接在一起，也使得机器人适应了复杂地形的运动性。通常，前脊椎杆二61、后脊椎杆二62、前脊椎杆一51和后脊椎杆一52分别为截面为矩形的条状杆。

进一步地，如图4所示，每条所述多自由度前腿C和多自由度后腿D的结构相同，均包含一个大腿板20、一个小腿板21和一套多自由度驱动组件F；小腿板21与大腿板20转动连接，所述多自由度驱动组件F驱动大腿板20内外偏摆、大腿板20的前后偏摆和小腿板21的上下偏摆。多自由度驱动组件F的驱动方式保证了一定的承重和灵活性。有利于轨迹的优化,且能够增加调整体重心可调范围,提高机器人在极端环境下的移动能力。

更进一步地，如图5所示，每套所述多自由度驱动组件F包含第一舵机15、第二舵机16、曲柄17、摇杆18和第三舵机19；前机体A和后机体B上分别固定有第三舵机19；

第三舵机19的输出轴上固定有安装座22，以控制安装座22内外偏摆，安装座22上安装有第一舵机15，大腿板21与安装座22转动连接，第一舵机15的输出轴上固装有大腿板21，以控制大腿板20前后偏摆，大腿板21上安装有第二舵机16，第二舵机16的输出轴上安装有曲柄17，曲柄17与摇杆18转动连接，摇杆18与小腿板21转动连接，以控制小腿板21上下偏摆，其中，第三舵机19的轴向与第一舵机15的轴向垂直，第一舵机15的轴向与第二舵机16的轴向垂直。如此设置，第二舵机16的输出轴通过摇杆18和曲柄17传动配合,驱动小腿板21上下偏摆，第一舵机15转动，使得大腿板20转动，从而实现大腿绕髋关节的端部绕转，第三舵机19驱动第一舵机15和安装座22旋转，使得小腿板21和大腿板20同时绕第三舵机19的输出轴内外旋转，第三舵机19实现髋关节的功能，通过电机关节形驱动方式保证了一定的承重和灵活性。

如图6所示，为了便于设计和安装，前机体A和后机体B结构相同，均包含平板1和髋关节固定架14；平板1分别与髋关节固定架14与柔性脊椎固接，第三舵机19固定在髋关节固定架14上。具体来说，平板1与柔性脊椎的前脊椎杆一51和前脊椎杆二61固连，髋关节固定架14为上下板相连而成的框架。

本实用新型已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本实用新型技术方案范围。

Claims (6)

1.一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，包含前机体(A)、后机体(B)和柔性脊椎，前机体(A)和后机体(B)通过柔性脊椎连接，其特征在于：还包含两条多自由度前腿(C)和两条多自由度后腿(D)；两条多自由度前腿(C)安装在前机体(A)上，两条多自由度后腿(D)安装在后机体(B)上，所述柔性脊椎包含电机(12)、锥齿轮副、脊椎轴(9)、发条组件和连杆弹簧片组件(6)；

所述发条组件包含发条(81)和发条盒(82)；锥齿轮副包含主动锥齿轮(71)和被动锥齿轮(72)；电机(12)安装在后机体(B)上，电机(12)的输出轴上安装有主动锥齿轮(71)，脊椎轴(9)的一端与后机体(B)固接，被动锥齿轮(72)固定在脊椎轴(9)的另一端，主动锥齿轮(71)和被动锥齿轮(72)啮合，发条盒(82)套在脊椎轴(9)上并与前机体(A)固连，发条(81)设置在发条盒(82)内，发条(81)的一端插在脊椎轴(9)上，发条(81)的另一端卡在发条盒(82)上，脊椎轴(9)由前机体(A)支撑且二者可相对转动，前机体(A)和后机体(B)通过连杆弹簧片组件(6)支撑并能相对转动。

2.根据权利要求1所述一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，其特征在于：所述连杆弹簧片组件(6)包含前脊椎杆二(61)、后脊椎杆二(62)、连接轴(63)、固定件(64)和弹簧片(65)；后脊椎杆二(62)的一端与后机体(B)固接，前脊椎杆二(61)的一端与前机体(A)固接，后脊椎杆二(62)的另一端与连接轴(63)固接，前脊椎杆二(61)的另一端可转动地插在连接轴(63)上，弹簧片(65)通过固定件(64)固定在前脊椎杆二(61)和后脊椎杆二(62)上。

3.根据权利要求1所述一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，其特征在于：所述脊椎轴(9)的一端与后脊椎杆一(52)的一端固接，后脊椎杆一(52)的另一端与后机体(B)固接，前脊椎杆一(51)布置在后脊椎杆一(52)与发条盒(82)之间，前脊椎杆一(51)的一端可转动地插在脊椎轴(9)上，前脊椎杆一(51)的另一端与前机体(A)固接，发条盒(82)与前脊椎杆一(51)固接。

4.根据权利要求1所述一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，其特征在于：每条所述多自由度前腿(C)和多自由度后腿(D)的结构相同，均包含一个大腿板(20)、一个小腿板(21)和一套多自由度驱动组件(F)；

小腿板(21)与大腿板(20)转动连接，所述多自由度驱动组件(F)驱动大腿板(20)内外偏摆、大腿板(20)的前后偏摆和小腿板(21)的上下偏摆。

5.根据权利要求4所述一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，其特征在于：每套所述多自由度驱动组件(F)包含第一舵机(15)、第二舵机(16)、曲柄(17)、摇杆(18)和第三舵机(19)；前机体(A)和后机体(B)上分别固定有第三舵机(19)；

第三舵机(19)的输出轴上固定有安装座(22)，以控制安装座(22)内外偏摆，安装座(22)上安装有第一舵机(15)，大腿板(20)与安装座(22)转动连接，第一舵机(15)的输出轴上固装有大腿板(20)，以控制大腿板(20)前后偏摆，大腿板(20)上安装有第二舵机(16)，第二舵机(16)的输出轴上安装有曲柄(17)，曲柄(17)与摇杆(18)转动连接，摇杆(18)与小腿板(21)转动连接，以控制小腿板(21)上下偏摆，其中，第三舵机(19)的轴向与第一舵机(15)的轴向垂直，第一舵机(15)的轴向与第二舵机(16)的轴向垂直。

6.根据权利要求5所述一种具有柔性脊椎的四足仿生机器人，其特征在于：所述前机体(A)和后机体(B)结构相同，均包含平板(1)和髋关节固定架(14)；平板(1)分别与髋关节固定架(14)与柔性脊椎固接，第三舵机(19)固定在髋关节固定架(14)上。

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