CN108622228B - 一种具有柔性腰的四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有柔性腰的四足机器人，包括机架、柔性腰、四条相同的三自由度腿；所述机架分为前机架和后机架，前机架与柔性腰的动平台相连，后机架与柔性腰的定平台相连；所述柔性腰采用的是并联机构来充当，且具有三个自由度；所述四条相同的三自由度腿是由髋关节、膝关节、大腿、小腿板和脚掌板组成，髋关节具有两个自由度分别为侧摆自由度和转动自由度，膝关节具有一个转动自由度。本发明结构加入具有三自由度的柔性腰，不仅可以提高四足机器人的运动速度、稳定性，而且更大程度上模仿犬的生物结构。
Description
技术领域
本发明一种具有柔性腰的四足机器人，属于仿生机器人领域。
背景技术
在地球整个陆地表面中有超过50%以上的面积都是凹凸不平的山丘和坑坑洼洼的沼泽。足式机器人相对轮式机器人有很好的优点，既能更好适应非结构化的环境，而且腿部灵活度很高。足式机器人在军事运输、抢险救灾、星球侦探、科研教育、家庭服务和陪伴等领域有着极其广泛的应用前景。四足机器人比两足机器人在静态稳定中更具优势、在地面上的自适应能力更强、负载极限能力更大，比六足机器人的结构设计和控制简单、腿部工作运动空间更大。
目前大多数的四足机器人还是以刚性腰为模型。
发明内容
本发明提供了一种具有柔性腰的四足机器人，通过在结构中加入三自由度的柔性腰，以提高四足机器人的的运动速度、稳定性。
本发明的技术方案是：一种具有柔性腰的四足机器人，包括机架、柔性腰、四条相同的三自由度腿；所述机架分为前机架2和后机架4，前机架2与柔性腰的动平台13相连，后机架4与柔性腰的定平台18相连；所述柔性腰采用的是并联机构来充当，且具有三个自由度；所述四条相同的三自由度腿是由髋关节、膝关节、大腿、小腿板和脚掌板组成，髋关节具有两个自由度分别为侧摆自由度和转动自由度，膝关节具有一个转动自由度。
所述柔性腰结构是由动平台13、定平台18、从动支链和三条相同的主动支链组成；其中三条呈正三角形对称布置的主动支链一端及位于三条主动支链所围成的空间内的从动支链的一端分别与动平台13连接，另一端分别与定平台18连接。
所述从动支链由万向铰链19、约束套筒20、约束杆21、电主轴22组成；其中焊接在约束套筒20一端的万向铰链19通过螺栓与定平台18连接，约束套筒20另一端依次与约束杆21、固定焊接在动平台13上的电主轴22同轴连接。
所述三条主动支链由球铰14、伸缩杆15、电缸16、电机17、万向铰链19组成；其中通过焊接/螺栓连接在电机17上的万向铰链19通过螺栓与定平台18连接，电缸16一端固定在电机17的输出轴上，电缸16另一端依次与伸缩杆15、固定焊接在动平台13上球铰14同轴连接。
所述四条相同的三自由度腿包括万向节5、实心带轮6、同步带7、孔板带轮8、小腿板9和脚掌板10；三自由度腿具有三个自由度分别为髋关节侧摆、髋关节转动、膝关节转动；
所述髋关节的侧摆通过控制髋关节侧摆电机11输出轴的转动驱动万向节5，经过万向节5的轴向变化实现髋关节侧摆；其中髋关节侧摆电机11通过法兰固定在万向节5轴上；
所述髋关节的转动通过控制髋关节旋转电机12输出轴驱动万向节5的转动，经过万向节5的轴向变化实现髋关节转动；其中髋关节旋转电机12固定在机架上；
所述膝关节转动通过控制髋关节旋转电机12输出轴驱动万向节5的转动，万向节5的转动带动与其通过键连接的实心带轮6的转动，实心带轮6通过与同步带7的啮合运动将动力传给孔板带轮8，孔板带轮8的转动带动孔板带轮8的轴的转动，并通过轴承将动力传给小腿板9，小腿板9和脚掌板10焊接相连。
本发明的有益效果是：
(1) 一种新型具有柔性腰的四足机器人相较于传统具有刚性腰的四足机器人来讲，结构加入具有三自由度的柔性腰，不仅可以提高四足机器人的运动速度、稳定性，而且更大程度上模仿犬的生物结构。
(2)电机置于机架上，减小腿板部转动惯量。
(3)新型具有柔性腰的四足机器人体积小、重量轻并且结构简单，易于维护。
附图说明
图1是本发明的等轴测视图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的左视图；
图5是本发明的右视图；
图6是本发明的腿部总装图；
图7是本发明的腰部总装图；
图中各标号为：1-腿部总装，2-前支架，3-腰部总装，4-后支架，5-万向节，6-实心带轮，7-同步带，8-孔板带轮，9-小腿板，10-脚掌板，11-髋关节侧摆电机，12-髋关节旋转电机，13-动平台，14-球铰，15-伸缩杆，16-电缸，17-电机，18-定平台，19-万向铰链，20-约束套筒，21-约束杆，22-电主轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-7所示，一种具有柔性腰的四足机器人，包括机架、柔性腰、四条相同的三自由度腿；所述机架分为前机架2和后机架4，前机架2与柔性腰的动平台13相连，后机架4与柔性腰的定平台18相连；所述柔性腰采用的是并联机构来充当，且具有三个自由度；所述四条相同的三自由度腿是由髋关节、膝关节、大腿、小腿板和脚掌板组成，髋关节具有两个自由度分别为侧摆自由度和转动自由度，膝关节具有一个转动自由度。
进一步地，可以设置所述柔性腰结构是由动平台13、定平台18、从动支链和三条相同的主动支链组成；其中三条呈正三角形对称布置的主动支链一端及位于三条主动支链所围成的空间内的从动支链的一端分别与动平台13连接，另一端分别与定平台18连接。
进一步地，可以设置所述从动支链由万向铰链19、约束套筒20、约束杆21、电主轴22组成；其中焊接在约束套筒20一端的万向铰链19通过螺栓与定平台18连接，约束套筒20另一端依次与约束杆21、固定焊接在动平台13上的电主轴22同轴连接。
进一步地，可以设置所述三条主动支链由球铰14、伸缩杆15、电缸16、电机17、万向铰链19组成；其中通过焊接/螺栓连接在电机17上的万向铰链19通过螺栓与定平台18连接，电缸16一端固定在电机17的输出轴上，电缸16另一端依次与伸缩杆15、固定焊接在动平台13上球铰14同轴连接。
进一步地，可以设置所述四条相同的三自由度腿包括万向节5、实心带轮6、同步带7、孔板带轮8、小腿板9和脚掌板10；三自由度腿具有三个自由度分别为髋关节侧摆、髋关节转动、膝关节转动；所述髋关节的侧摆通过控制髋关节侧摆电机11输出轴的转动驱动万向节5，经过万向节5的轴向变化实现髋关节侧摆；其中髋关节侧摆电机11通过法兰固定在万向节5轴上；所述髋关节的转动通过控制髋关节旋转电机12输出轴驱动万向节5的转动，经过万向节5的轴向变化实现髋关节转动；其中髋关节旋转电机12固定在机架上；所述膝关节转动通过控制髋关节旋转电机12输出轴驱动万向节5的转动，万向节5的转动带动与其通过键连接的实心带轮6的转动，实心带轮6通过与同步带7的啮合运动将动力传给孔板带轮8，孔板带轮8的转动带动孔板带轮8的轴的转动，并通过轴承将动力传给小腿板9，小腿板9和脚掌板10焊接相连。
本发明的工作原理是：
当四足机器人前进或后退时，控制四台髋关节侧摆电机11输出轴驱动万向节5，并经过万向节5的轴线变化从而带动实心带轮6和万向节5的转动，实心带轮6通过和同步带7的啮合把动力传给孔板带轮8从而带动膝关节的转动。孔板带轮8的转动带动孔板带轮8轴的转动，并通过轴承将动力传给小腿板9。小腿板9和脚掌板10焊接相连。
当四足机器人受到侧向冲击时，控制四台髋关节旋转电机12输出轴驱动万向节5，万向节经过轴线变化从而使得髋关节侧摆并转动合适角度，使得四足机器人恢复平衡状态。
当四足机器人跳跃时，通过对四台髋关节侧摆电机11和四台髋关节旋转电机12的控制使得四足机器人保持稳定的运动；同时通过对腰部总装3中的主动支链中的三台电机17会控制三条伸缩杆15伸出电缸16的长度，进而通过球铰14带动动平台13，与此同时，从动支链中约束杆21会在约束套筒20中伸缩，从而实现动平台绕与定平台相连的万向铰链旋转（两个自由度），动平台相对定平台沿着主动支链和从动支链前后移动（一个自由度），进而使得四足机器人进行前支架2相对后支架4抬起或者落下的俯仰运动和前支架2相对后支架4的转弯运动。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种具有柔性腰的四足机器人，其特征在于：包括机架、柔性腰、四条相同的三自由度腿；所述机架分为前机架(2)和后机架(4)，前机架(2)与柔性腰的动平台(13)相连，后机架(4)与柔性腰的定平台(18)相连；所述柔性腰采用的是并联机构来充当，且具有三个自由度；所述四条相同的三自由度腿是由髋关节、膝关节、大腿、小腿板和脚掌板组成，髋关节具有两个自由度分别为侧摆自由度和转动自由度，膝关节具有一个转动自由度；
所述柔性腰结构是由动平台(13)、定平台(18)、从动支链和三条相同的主动支链组成；其中三条呈正三角形对称布置的主动支链一端及位于三条主动支链所围成的空间内的从动支链的一端分别与动平台(13)连接，另一端分别与定平台(18)连接；
所述从动支链由万向铰链(19)、约束套筒(20)、约束杆(21)、电主轴(22)组成；其中焊接在约束套筒(20)一端的万向铰链(19)通过螺栓与定平台(18)连接，约束套筒(20)另一端依次与约束杆(21)、固定焊接在动平台(13)上的电主轴(22)同轴连接；
所述三条主动支链由球铰(14)、伸缩杆(15)、电缸(16)、电机(17)、万向铰链(19)组成；其中通过焊接/螺栓连接在电机(17)上的万向铰链(19)通过螺栓与定平台(18)连接，电缸(16)一端固定在电机(17)的输出轴上，电缸(16)另一端依次与伸缩杆(15)、固定焊接在动平台(13)上球铰(14)同轴连接；
所述四条相同的三自由度腿包括万向节(5)、实心带轮(6)、同步带(7)、孔板带轮(8)、小腿板(9)和脚掌板(10)；三自由度腿具有三个自由度分别为髋关节侧摆、髋关节转动、膝关节转动；
所述髋关节的侧摆通过控制髋关节侧摆电机(11)输出轴的转动驱动万向节(5)，经过万向节(5)的轴向变化实现髋关节侧摆；其中髋关节侧摆电机(11)通过法兰固定在万向节(5)轴上；
所述髋关节的转动通过控制髋关节旋转电机(12)输出轴驱动万向节(5)的转动，经过万向节(5)的轴向变化实现髋关节转动；其中髋关节旋转电机(12)固定在机架上；
所述膝关节转动通过控制髋关节旋转电机(12)输出轴驱动万向节(5)的转动，万向节(5)的转动带动与其通过键连接的实心带轮(6)的转动，实心带轮(6)通过与同步带(7)的啮合运动将动力传给孔板带轮(8)，孔板带轮(8)的转动带动孔板带轮(8)的轴的转动，并通过轴承将动力传给小腿板(9)，小腿板(9)和脚掌板(10)焊接相连。
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