CN109178138B - 一种四足机器人及腿部关节结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四足机器人及腿部关节结构,四足机器人包括机器人平台和设于机器人平台下方的四个足,每个足均包括依次相连的侧摆、大腿和小腿,侧摆固定安装在机器人平台,大腿和小腿之间通过大连杆、小连杆和液压缸相连,大连杆分别通过第一铰链和第二铰链与大腿和小腿相连,小连杆分别通过第四铰链和第五铰链与大腿和小腿相连,大连杆和小连杆交叉设置,大连杆还设有第三铰链,第三铰链位于大腿和小腿弯曲的内侧,所述液压缸一端与第三铰链相连,另一端通过第六铰链安装在大腿中部。通过本发明腿部关节结构,使其具有较小的转弯半径,使得采用较小的液压缸行程即可完成关节的完整行走弯曲动作。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域,涉及一种多足机器人,具体涉及一种四足机器人及腿部关节结构。
背景技术
在四足机器人领域中,由于对其工作任务的需求不同,从而使得四足机器人的结构设计驱动设计也相应不同。对于负载相应较小的四足机器人,要求其运动性能高的四足机器人通常采用电机驱动其关节转动,优点是关节活动范围相对较大,通过性能更强,能适应更多复杂的环境。而对于高负载的四足机器人,通常采用液压缸驱动,但由于液压缸行程有限,其关节灵活度远不及电机驱动的关节。对于一些需要关节大幅收缩或大幅扩展的环境,液压缸驱动的高负载四足机器人很难完成对其的通过任务。
发明内容
考虑到高负载的四足机器人采用液压缸驱动,其关节活动范围相对较小,难以通过一些十分恶劣的运动环境,本发明的目的是设计了一套连杆机构,使得液压缸能在较短的行程内推动关节,关节能够获得较大的活动范围,从而能实现高负载的四足机器人拥有较高的运动性能,并在足末端安装了液压减震器,实现被动柔顺效果,从而适应更多的环境。
为实现上述目的,本发明所采用的的技术方案是:
一种腿部关节结构,包括大腿和小腿,其特征在于:所述大腿和小腿之间通过大连杆、小连杆和液压缸相连,所述大连杆一端与大腿端部铰接形成第一铰链,另一端与小腿端部铰接相连形成第二铰链,所述小连杆一端与大腿端部铰接形成第四铰链,另一端与小腿端部铰接相连形成第五铰链,所述大连杆和小连杆在大腿和小腿之间交叉分布,所述大连杆还设有与第一铰链和第二铰链呈三角形分布的第三铰链,第三铰链位于大腿和小腿弯曲的内侧,所述液压缸一端与第三铰链相连,另一端通过第六铰链安装在大腿中部。
作为改进,所述大连杆为三角形板,第一铰链、第二铰链和第三铰链分别位于三角形板的三个顶点处。
作为改进,所述三角形板为锐角三角形。
作为改进,所述大连杆有两个,两个三角形板位于大腿和小腿端部的两侧,小连杆位于两个三角形板中间,以获得大腿和小腿稳定结构。
一种利用上述腿部关节结构的四足机器人,其特征在于:包括机器人平台和设于机器人平台下方的四个足,每个足均包括大腿、小腿和侧摆,所述侧摆固定安装在机器人平台四角底部,大腿通过弯曲关节安装在侧摆上,小腿顶部通过腿部关节结构安装在大腿底部,所述小腿底部着地行走。
作为改进,所述大腿和侧摆之间也通过腿部关节结构相连,此时将腿部关节结构中的大腿替换为侧摆,小腿替换为大腿。
作为改进,所述小腿底部设有液压减震器,通过液压减震器减少小腿与行走地面硬接触。
作为改进,所述机器人平台上还设有液压油***和控制器,通过液压油***控制所有腿部关节结构的液压缸动作,通过控制器控制四个足按照行走方式弯曲伸缩,完成行走功能。
本发明有益效果是:
本发明提出一种基于交叉四杆机构的回转模型,它具有一个瞬时性的旋转中心,就像人类的膝关节。该机构可将液压缸的直线运动转化为关节的旋转运动,并在液压缸的行程内完成关节的大幅度旋转。该模型主要由四个部分构成,分别是四足机器人的两个足部关节和两个形状不同的连杆。两个连杆分为一组小连杆和连接液压缸活塞的一组大连杆。两个连杆交叉分别连接着两个足部关节处,大连杆在关节最外侧,小连杆则被大连杆所覆盖,由其组成的机构旋转半径较小的原理,可使液压缸推进关节旋转更加高效。
本发明还在小腿末端加装了一套液压减震器,利用液压阻尼器结构紧凑,优秀的寿命,安装空间小且受力合理等优点,使得整个四足机器人的运动更加流畅,减少能量的损失,动态响应时间大幅缩短,相较于弹簧减震器更为优秀,为主动柔顺控制奠定基础。
附图说明
图1为本发明四足机器人整体结构图;
图2为本发明的腿部关节结构示意图;
图3为本发明腿部关节结构伸展时示意图;
图4为本发明腿部关节结构收缩时示意图;
图5为本发明的小腿和液压减震器结构示意图;
图6为本发明的腿部关节结构三维示意图。
附图标记:1-小腿,2-大腿,3-侧摆,4-机器人平台,5-大连杆,6-小连杆,7-活塞杆,8-液压缸,9-第五铰链,10-第二铰链,11-第四铰链,12-第三铰链,13-第一铰链,14-减震活塞杆,15-伸张阀,16-流通阀,17-储油缸体,18-压力筒,19-补偿阀,20-压缩阀,21-第六铰链,22-导向筒,23-脚掌。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。
整个四足机器人是由小腿1、大腿2、侧摆3和机器人平台4构成,所述侧摆3固定安装在机器人平台4四角底部,大腿2通过弯曲关节安装在侧摆3上,小腿1顶部通过腿部关节结构安装在大腿2底部,所述小腿1底部着地行走。可完成缓行(walk)、对角小跑(trot)、溜蹄(pace)、跳跃(bound)和转轮疾驰(rotary gallop)这些步态,并且能够跨越或迈过一定高度或一定宽度的障碍。
所述腿部关节结构包括大腿2和小腿1,所述大腿2和小腿1之间通过大连杆5、小连杆6和液压缸8相连,所述大连杆5一端与大腿2端部铰接形成第一铰链13,另一端与小腿1端部铰接相连形成第二铰链10,所述小连杆6一端与大腿2端部铰接形成第四铰链11,另一端与小腿1端部铰接相连形成第五铰链9,所述大连杆5和小连杆6在大腿2和小腿1之间交叉分布,所述大连杆5还设有与第一铰链13和第二铰链10呈三角形分布的第三铰链12,第三铰链12位于大腿2和小腿1弯曲的内侧,所述液压缸8本体通过第六铰链21铰接安装在大腿2中部,液压缸8的活塞杆7与第三铰链12相连。
具体本发明实施例中,所述大连杆5为三角形板,第一铰链13、第二铰链10和第三铰链12分别位于三角形板的三个顶点处,如图6所示,所述大连杆5有两个,两个三角形板位于大腿2和小腿1端部的两侧,小连杆6位于两个三角形板中间,以获得大腿2和小腿1稳定结构。
大腿2和侧摆3之间的腿部关节结构相连,将上述腿部关节结构中的大腿2替换为侧摆3,小腿1替换为大腿2即可,其他结构完全一样。
本实施例中,第一铰链13、第二铰链10、第三铰链12、第四铰链11、第五铰链9和第六铰链21均位于同一个平面内,使得小腿1和大腿2在一个平面内做伸缩运动。
更优的,所述小腿1底部设有液压减震器,通过液压减震器减少小腿1与行走地面硬接触,本实施例中液压减震器采用现有技术中常规的液压减震器,其主要包括减震活塞杆14、伸张阀15、流通阀16、储油缸体17、压力筒18、补偿阀19和压缩阀20,具体储油缸体17底部为着地行走接触端,储油缸体17内内设有压力筒18,压力筒18内设有活塞,压力筒18端部通过补偿阀19和压缩阀20与储油缸体17内液压油连通,供压力筒18与储油缸体17内液压油交换,补偿阀19和压缩阀20为安装方向相反的单向阀,所述减震活塞杆14一端与小腿1固定相连,另一端与活塞固定相连,活塞上设有连通压力筒18内活塞两侧液压油的伸张阀15和流通阀16,伸张阀15和流通阀16也为安装方向相反的单向阀,当然为了增加减震稳定性,小腿1底部设有供活塞伸缩运动的导向筒22,储油缸体17顶部***导向筒22内,当活塞在压力筒18内滑动时,通过导向筒22的导向作用,使得储油缸体17相对于小腿1具有线性的收缩减震功能,当然更优的还可以在储油缸体17底部设置与地面接触的脚掌23。
以trot步态为例,四足机器人处于对角线上的两个足动作一致,均处于摆动相或支撑相。当处于摆动相时,足末端离开地面,小腿1和大腿2之间的液压缸8以及大腿2和侧摆3之间的液压缸8处于推程状态,如图3所示;而处于支撑相时,足末端接触地面,小腿1和大腿2之间的液压缸8以及大腿2和侧摆3之间的液压缸8处于回程状态,如图4所示。本发明原理在于缩小连杆6之间的旋转半径,使得液压缸8可在较短的推程回程中完成连杆的大范围旋转,在大腿2和小腿1之间加装了大连杆5和小连杆6,以此形成一种新的连杆装置,转动半径不再是液压缸8的长度,而是连杆之间铰链与铰链之间的距离。在液压缸8的推程也就是如图3所示的运动过程中,液压缸8活塞作用在第三铰链12处,推动大连杆5绕着第一铰链13做顺时针的旋转运动,大连杆5上的第二铰链10和小连杆6上的第五铰链9均连接在小腿1上,并使小腿1旋转时形成了一个极小的旋转半径,旋转中心是第二铰链10,长度是第五铰链9到第二铰链10之间的距离,远小于原来以液压缸8推程为长度的旋转半径。故液压缸8活塞只需移动较小的距离便可使小腿1做出较大范围的顺时针旋转。而在液压缸8的回程也就是如图4所示的运动过程中,液压缸8活塞作用在第三铰链12处,拉动大连杆5绕着第一铰链13做逆时针的旋转运动,大连杆5上的第二铰链10和小连杆6上的第五铰链9均链接在小腿1上,并使小腿1旋转时形成了一个极小的旋转半径,旋转中心是第二铰链10,长度是第五铰链9到第二铰链10之间的距离,远小于原来以液压缸8回程为长度的旋转半径。故液压缸8活塞回程时只需移动较小的距离便可使小腿1做出较大范围的逆时针旋转,大腿2同理。
为了使四足机器人运动时更平稳,本发明提出在小腿1末端安装一个液压减震器。压缩时,活塞向下运行,流通阀16开启,油缸下部的油液受到压力通过流通阀16向油缸上部流动,压力筒18下部压力高到一定程度时,压缩阀20开启,压力筒18内下部的油液通过压缩阀20流向压力筒18外部储存空间;伸张时,活塞向上运行,伸张阀15开启,压力筒18上部的油液受到压力通过伸张阀15向压力筒18下部流动,压力筒18下部压力低到一定程度时,补偿阀19开启,压力筒18外部储存空间的油液流回到压力筒18下部。
Claims (6)
1.一种腿部关节结构,包括大腿和小腿,其特征在于:所述大腿和小腿之间通过大连杆、小连杆和液压缸相连,所述大连杆一端与大腿端部铰接形成第一铰链,另一端与小腿端部铰接相连形成第二铰链,所述小连杆一端与大腿端部铰接形成第四铰链,另一端与小腿端部铰接相连形成第五铰链,所述大连杆和小连杆在大腿和小腿之间交叉分布,所述大连杆还设有与第一铰链和第二铰链呈三角形分布的第三铰链,第三铰链位于大腿和小腿弯曲的内侧,所述液压缸一端与第三铰链相连,另一端通过第六铰链安装在大腿中部;
所述大连杆为三角形板,第一铰链、第二铰链和第三铰链分别位于三角形板的三个顶点处;所述大连杆有两个,两个三角形板位于大腿和小腿端部的两侧,小连杆位于两个三角形板中间,以获得大腿和小腿稳定结构。
2.如权利要求1所述的 腿部关节结构,其特征在于:所述三角形板为锐角三角形。
3.一种利用权利 要求1所述的 腿部关节结构的四足机器人,其特征在于:包括机器人平台和设于机器人平台下方的四个足,每个足均包括大腿、小腿和侧摆,所述侧摆固定安装在机器人平台四角底部,大腿通过弯曲关节安装在侧摆上,小腿顶部通过腿部关节结构安装在大腿底部,所述小腿底部着地行走。
4.如权利要求3所述的四足机器人,其特征在于:所述大腿和侧摆之间也通过腿部关节结构相连,此时将腿部关节结构中的大腿替换为侧摆,小腿替换为大腿。
5.如权利要求4所述的四足机器人,其特征在于:所述小腿底部设有液压减震器,通过液压减震器减少小腿与行走地面硬接触。
6.如权利要求4或5任意一项所述的四足机器人,其特征在于:所述机器人平台上还设有液压油***和控制器,通过液压油***控制所有腿部关节结构的液压缸动作,通过控制器控制四个足按照行走方式弯曲伸缩,完成行走功能。
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