CN106741281A - 一种含有直线关节的四足机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有直线关节的四足机器人行走机构，包括机器人躯干部分，所述机器人躯干部分两侧设置两对腿部机构，每一对腿部机构沿机器人躯干部分对称设置，腿部机构通过髋关节与机器人躯干部分连接，腿部机构底部与足部机构连接；所述腿部机构包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动，每一对腿部机构的横向旋转动力装置交替运转且同侧的两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转带动腿部本体实现四足步态行走。

Description

一种含有直线关节的四足机器人行走机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种含有直线关节的四足机器人行走机构。

背景技术

自然界中的很多动物，尤其是四足哺乳动物，不仅可以在这些复杂地形环境下快速行走，而且具有较大的负重能力。因此，人类一直在努力研制各式各样的四足仿生机器人。

目前比较出名的四足机器人有美国波士顿动力公司的“BigDog”、“LS3”、“WildCat”等，意大利利技术研究院的“HyQ”，美国麻省理工学院的“Cheetah”等。中国专利文献CN 103465991A公开了一种简易型四足机器人，其特点在于机器人的每条腿上设置一个驱动电机，通过结构的简化来降低制造成本。中国专利文献CN103407514A公布了一种四足仿生机器人腿，该腿含有两个旋转关节。中国专利文献CN103448828A公布了一种四足仿生机器人腿机构，该机构包含有肩关节、膝关节等旋转关节。

上述产品与发明所设计的四足机器人基本都模拟了四足哺乳的腿部结构，现今四足机器人的腿部往往采用“肘”、“膝”式结构，该种方式在结构上具有一定的仿生性，该种结构方式导致的结果为四足机器人在行走时支撑腿都有一定的屈膝动作，仿佛四足动物以匍匐前进的方式行走，这种行走方式会导致机器人在行走或站立式时关节作动器都需要持续输出较大扭力来维持机体姿态，因而较动物行走时支撑腿主要靠腿部骨骼提供支撑力的直腿行走方式要耗费更大的能量。现有的四足机器人的腿部均会进行屈膝动作，在行走时不仅需要控制四条腿的交替迈腿动作，还需要配合控制每条腿的膝关节处屈膝动作，单条腿的屈膝动作时间与迈腿需要很好的配合，四条腿之间的屈膝动作时间也要满足一定的配合关系，才能实现四足机器人的正常行走，因而这样的四足机器人在行走时对控制的精度要求以及各部件的配合要求更高。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种含有直线关节的四足机器人行走机构，将行走机构的腿部设置直线关节，直接控制直线关节运转即可实现迈步行走，腿部之间无需控制屈膝，只需对迈腿动作配合控制即可实现四足步态行走。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种含有直线关节的四足机器人行走机构，包括机器人躯干部分，所述机器人躯干部分两侧设置两对腿部机构，每一对腿部机构沿机器人躯干部分对称设置，腿部机构通过髋关节与机器人躯干部分连接，腿部机构底部与足部机构连接；所述腿部机构包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动，每一对腿部机构的横向旋转动力装置交替运转且同侧的两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转带动腿部本体实现四足步态行走。

所述主动部为丝杠，所述从动部为带丝孔的滑块。

优选的，所述滑块还通过直线轴承与直线导轨相配合，直线导轨与丝杠相互平行。

所述丝杠和直线导轨均固定于支撑架上，所述支撑架与腿部本体的外壳固定连接。

优选的，所述直线导轨设置两条，两条直线导轨与丝杠相互配合呈等腰三角形。

或者，所述主动部为齿轮，所述从动部为齿条。

或者，所述主动部为液压元件，所述从动部为滑座。

所述髋关节包括与机器人躯干部分固定连接的纵向旋转动力装置，所述纵向旋转动力装置通过连杆与横向旋转动力装置连接，纵向旋转动力装置运转带动腿部本体侧向摆动。

所述机器人躯干部分包括通过第一连接杆连接的第一连接块和第二连接块，所述第一连接块两侧与第一对腿部机构的髋关节相固定，所述第二连接块两侧与第二对腿部机构的髋关节相固定。

所述第一连接块上部设置第一连接板，所述第二连接块上部设置第二连接板，所述第一连接板和第二连接板之间通过第二连接杆相连接。

所述第一连接杆和第二连接杆中部连接有加强板。

所述足部机构固定于腿部本体底部，所述足部机构底部包覆耐磨材料件。

本发明的有益效果为：

本发明的四足机器人行走机构，在机器人躯干部分两侧分别设置一对腿部机构，每一腿部机构内设置直线关节，直线关节运作带动腿部机构上下移动实现抬腿，通过控制每一对腿部机构的横向旋转动力装置交替运转且同侧的两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转，与直线关节运转配合，实现四足步态行走。行走过程只有抬腿迈腿动作，无需屈膝，消耗能量更少，故障率降低，同时对于行走过程的控制和配合要求降低，提升了行走速度。

本发明中在机器人躯干部分上连接纵向旋转动力装置，纵向旋转动力装置带动腿部本体侧向摆动，进而实现左右移动。

本发明的机器人躯干部分设置各连接杆和连接块，使整个机构的稳固性和整体性增强，可以更可靠的实现机器人行走，同时在机器人躯干部分上部可以负重，实现运输功能。

本发明的足部机构设置包覆耐磨材料件，可提升足部机构的耐磨性，延长足部机构的使用时间。

附图说明

图1为本发明的四足机器人行走机构整体示意图；

图2为本发明提供的四足机器人腿部机构拆分示意图；

图中，1机器人躯干部分，2腿部机构，3足部机构，4侧向旋转电机，5连杆，6前后向旋转电机，7连接件，8滑块，9直线轴承，10减速电机，11外壳，12支撑架，13直线导轨，14丝杠，15第一连接杆，16第一连接块，17第二连接块，18第一连接板，19第二连接板，20第二连接杆，21加强板，22髋关节。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图2所示，一种四足步行机器人行走机构，包括机器人躯干部分1、腿部机构2和足部机构3。

机器人躯干部分1用于连接机器人的四条腿部机构2，同时还安装有机器人的控制***及动力***。在需要负重时也可将重物置于机器人躯干部分1得平台上，实现四足机器人的运输功能。

机器人躯干部分1包括通过第一连接杆15连接的第一连接块16和第二连接块17，第一连接块16两侧与第一对腿部机构2的髋关节22相固定，第二连接块17两侧与第二对腿部机构2的髋关节22相固定。第一连接块16上部设置第一连接板18，第二连接块16上部设置第二连接板19，第一连接板18和第二连接板19之间通过第二连接杆20相连接。第一连接杆15和第二连接杆20中部连接有加强板21。机器人躯干部分设置各连接杆和连接块，使整个机构的稳固性和整体性增强，可以更可靠的实现机器人行走。

机器人躯干部分1左右两侧设置两对腿部机构2(即机器人躯干部分1两侧均设置前腿机构和后腿机构，两个前腿机构为一对腿部机构，两个后腿机构为一对腿部机构)，每一对腿部机构2沿机器人躯干部分1左右对称设置，腿部机构2通过髋关节22与机器人躯干部分1连接，腿部机构2底部与足部机构3连接，髋关节22通过两套减速电机带动腿部2做相对于身体前后方向及侧方向的摆动运动。髋关节22包括与机器人躯干部分1固定连接的纵向旋转动力装置(即侧向旋转电机4)，前后向旋转电机6与通过连杆5与侧向旋转电机4连接，侧向旋转电机4运转带动腿部本体侧向摆动。其中侧向旋转电机4机体与机器人躯干部分1固连，其旋转轴通过连杆5与前后向旋转电机6机体相连。前后向旋转电机6的输出轴则通过连接件7与腿部直线关节滑块8相连。

腿部机构2包括腿部本体，腿部本体内配合设置直线关节，直线关节包括主动部和从动部，从动部通过连接件7与横向旋转动力装置(即前后向旋转电机6)连接，主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，前后向旋转电机6运转带动腿部本体前后向摆动，每一对腿部机构的前后向旋转电机6交替运转且同侧(即同左侧或同右侧)的两个腿部机构的前后向旋转电机6交替运转带动腿部本体实现四足步态行走。

主动部可以为丝杠，从动部为带丝孔的滑块。

或者，主动部可以为齿轮，从动部为齿条。

或者，主动部可以为液压元件，从动部为滑座。

本实施例中以丝杠和滑块为例进行描述，如图2所示，腿部机构2由调节机器人腿运动的直线关节组成。

直线关节包含减速电机10、两根直线导轨13、直线轴承9、丝杠14、滑块8、支撑架12与外壳11，其中减速电机10、直线导轨13与丝杠14固定在支撑架12上。滑块8与直线轴承9固连，直线轴承9穿过直线导轨13，滑块8丝孔则与丝杠14配合。直线关节减速电机10输出轴与丝杠14相连，带动丝杠14做旋转运动。两根直线导轨13与丝杠14平行安装，其安装端面呈等腰三角形。支撑架12通过螺丝与外壳11相连。在减速电机10运转时，丝杠14带动滑块8上下移动，由滑块8通过前后向旋转电机6、连杆5、侧向旋转电机4与机器人躯干部分1固定，由于机器人腿部重量更轻，该机器人腿与机器人躯干部分连接后，机器人躯干部分重量更大，机器人躯干部分不动，从而使得腿部本体上下移动实现抬腿动作。

足部机构3安装在腿部本体底部外壳11上，足部机构3底部包覆耐磨材料件，可以通过在足部机构外表面注塑一层耐磨的聚氨酯材料来达到耐磨效果。

本发明机器人腿的运作过程为：

每一腿部机构的侧向旋转电机4运转，通过连杆5、前后向旋转电机6、连接件7传递到腿部机构2，带动腿部机构2相对于身体侧向摆动，完成左右移动；每一腿部机构的前后向旋转电机6运转，通过连接件7传递到腿部机构2，带动腿部机构2相对于身体前后向摆动，完成迈腿动作；每一腿部机构的减速电机10运转，通过丝杠14传递给腿部直线关节滑块8，带动腿部直线关节滑块8上下运动，由机器人躯干部分不动，从而使得腿部本体实现上下移动完成抬腿动作。控制***控制前后向旋转电机6、减速电机10运转，使机器人完成单腿迈腿行走，每一对腿部机构2的前后向旋转电机6交替运转且同侧的两个腿部机构2的前后向旋转电机6交替运转带动腿部本体实现四足步态行走。

本发明的行走机构行走时，控制***控制位于机器人躯干部分同一侧(同左侧或同右侧)的腿部机构的前后向旋转电机6、减速电机10交替运转，每一对腿部机构的前后向旋转电机6、减速电机10交替运转，即实现左侧前腿机构与右侧后腿机构同时迈腿，左侧后腿机构和右侧前腿机构同时迈腿，且这两组迈腿交替进行，实现了整个机器人向前行走。控制***控制位于机器人躯干部分两侧的腿部机构的侧向旋转电机4交替运转(同侧的侧向旋转电机4同时运转)，即先控制位于一侧的侧向旋转电机4运转，再控制另一侧的侧向旋转电机4运转，实现机器人左右移动行走。

本发明具有机构简单，易于维护，能量消耗低及负重能力强的特点.

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种含有直线关节的四足机器人行走机构，其特征是，包括机器人躯干部分，所述机器人躯干部分两侧设置两对腿部机构，每一对腿部机构沿机器人躯干部分对称设置，腿部机构通过髋关节与机器人躯干部分连接，腿部机构底部与足部机构连接；所述腿部机构包括腿部本体，所述腿部本体内配合设置直线关节，所述直线关节包括主动部和从动部，所述从动部通过连接件与横向旋转动力装置连接，所述主动部运作带动从动部上下直线运动进而使腿部本体上下移动抬腿，横向旋转动力装置运转带动腿部本体前后向摆动，每一对腿部机构的横向旋转动力装置交替运转且同侧的两个腿部机构的横向旋转动力装置交替运转带动腿部本体实现四足步态行走。

2.如权利要求1所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述主动部为丝杠，所述从动部为带丝孔的滑块。

3.如权利要求2所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述滑块还通过直线轴承与直线导轨相配合，直线导轨与丝杠相互平行。

4.如权利要求3所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述丝杠和直线导轨均固定于支撑架上，所述支撑架与腿部本体的外壳固定连接。

5.如权利要求1所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述主动部为齿轮，所述从动部为齿条；或者，所述主动部为液压元件，所述从动部为滑座。

6.如权利要求1所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述髋关节包括与机器人躯干部分固定连接的纵向旋转动力装置，所述纵向旋转动力装置通过连杆与横向旋转动力装置连接，纵向旋转动力装置运转带动腿部本体侧向摆动。

7.如权利要求1所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述机器人躯干部分包括通过第一连接杆连接的第一连接块和第二连接块，所述第一连接块两侧与第一对腿部机构的髋关节相固定，所述第二连接块两侧与第二对腿部机构的髋关节相固定。

8.如权利要求7所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述第一连接块上部设置第一连接板，所述第二连接块上部设置第二连接板，所述第一连接板和第二连接板之间通过第二连接杆相连接。

9.如权利要求8所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述第一连接杆和第二连接杆中部连接有加强板。

10.如权利要求1所述的四足机器人行走机构，其特征是，所述足部机构固定于腿部本体底部，所述足部机构底部包覆耐磨材料件。