CN110329389B - 一种基于连杆机构的双足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连杆机构的双足仿生机器人，属于仿生机器人领域，它包括机器人躯体，两个行走机构，机器人躯体上分别装设有两个大腿滑轮、小腿滑轮、大腿驱动滑块和小腿驱动滑块；机器人躯体上还装设有两个双杆气缸，分别独立控制两个行走机构运动；双杆气缸的前端活塞杆与大腿牵引绳的一端相连，其后端活塞杆与小腿牵引绳的一端相连；大腿牵引绳的另一端绕过大腿滑轮并与大腿驱动滑块的前端相连；小腿牵引绳的另一端绕过小腿滑轮并与小腿驱动滑块的后端相连；大腿驱动滑块的后端采用大腿复位弹簧与机器人躯体相连；本发明是一种腿部结构负载小更加轻型化、运动耗能低、采用连杆机构驱动前进的双足仿生机器人。

Description

一种基于连杆机构的双足仿生机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于连杆机构的双足仿生机器人。

背景技术

具有抬腿和漫步动作的足式机器人能够在崎岖到或无路的情况下前进，具有广泛适应复杂路面的地形环境的特点，相比滚轮使前进的机器人具有更加重要的应用价值。现有的足式机器人腿部结构通常包括关节动力装置和关节驱动装置，从而使得其腿部关节运动转动惯量大、腿部载荷重，耗能大等缺点。现有技术中文献1(CN109720434A)公开了一种机器人，通过在承载机构和行走机构之间设置髋关节，使得行走结构相对于承载机构旋转，带动机器人在多个方向上行走，增大了机器人的服务区域、行走能力和搬运能力。现有技术虽然也采用了连杆设计行走机构，但仍然具有其关节结构复杂，行走机构在整个运动过程中耗能大的缺点，因此难以满足在复杂路面轻型化、高稳定性行走的要求。因此，亟需设计一种腿部结构更加轻型化、无动力和驱动装置、行走更加稳定的双足仿生机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于连杆机构的双足仿生机器人，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于连杆机构的双足仿生机器人，包括机器人躯体和固定在所述机器人躯体上的两个行走机构；所述行走机构包括和所述机器人躯体相连接的大腿连杆机构、双杆气缸、大腿滑轮和小腿滑轮以及滑动连接在所述机器人躯体上的大腿驱动滑块和小腿驱动滑块，所述大腿连杆机构的一端和所述机器人躯体相连接，另一端连接有小腿连杆机构，所述双杆气缸的一输出端与大腿牵引绳的一端相连，所述大腿牵引绳的另一端绕过所述大腿滑轮和所述大腿驱动滑块相连接，所述大腿驱动滑块和所述大腿连杆机构之间通过大腿驱动杆相连接；所述双杆气缸的另一输出端与小腿牵引绳的一端相连接，所述小腿牵引绳的另一端绕过所述小腿滑轮和所述小腿驱动滑块相连接，所述小腿驱动滑块通过传动机构和所述小腿连杆机构相连接；所述大腿驱动滑块运动带动所述大腿连杆机构运动，所述小腿驱动滑块运动，通过与其相连接的传动机构带动所述小腿连杆机构运动。

进一步的，还包括大腿复位弹簧，所述大腿复位弹簧的一端和所述机器人躯体相连接，另一端和所述大腿驱动滑块相连接；所述大腿复位弹簧和所述大腿牵引绳分别位于所述大腿驱动滑块的两端。

进一步的，位于所述双杆气缸与所述大腿滑轮之间的一段所述大腿牵引绳平行于位于所述大腿滑轮与大腿驱动滑块之间的一段所述大腿牵引绳，且两段所述大腿牵引绳均平行于所述大腿驱动滑块的运动方向。

进一步的，所述大腿连杆机构包括互相平行的大腿连杆A和大腿连杆B，所述大腿连杆A的顶端和大腿连杆B的顶端均铰接在所述机器人躯体上，所述大腿连杆A的底端和大腿连杆B的底端之间铰接有大腿连杆C；所述大腿驱动杆和大腿连杆A相铰接，另一端和所述大腿驱动滑块相铰接。

进一步的，所述大腿连杆C平行于所述大腿驱动滑块的运动方向，且其长度小于所述大腿连杆A的长度。

进一步的，所述小腿连杆机构包括小腿连杆A和小腿连杆B，所述小腿连杆A的顶端铰接装设于所述大腿连杆A与所述大腿连杆C的交点处，小腿连杆B的顶端铰接装设于所述大腿连杆B与所述大腿连杆C的交点处，所述小腿连杆A的底端和小腿连杆B的底端之间铰接有脚底板。

进一步的，所述传动机构包括牵引滑块、小腿复位弹簧、小腿牵引杆和小腿驱动杆，所述牵引滑块滑动连接在大腿连杆B上，所述小腿复位弹簧的底端连接在所述大腿连杆B和大腿连杆C的铰接点处，顶端连接在所述牵引滑块的底端，所述牵引滑块的顶端通过钢丝绳和所述小腿驱动滑块相连接；所述小腿驱动杆的一端连接在所述小腿连杆B上，另一端和所述小腿牵引杆的底端相铰接，所述小腿牵引杆的顶端和所述牵引滑块相铰接。

进一步的，所述大腿连杆B上固定有钢丝环B，所述钢丝绳穿过钢丝环B和所述牵引滑块相连接。

进一步的，所述小腿驱动杆垂直固定在所述小腿连杆B上，其长度不大于所述大腿连杆C的长度。

本发明的优点在于：

1、本发明的行走机构包括大腿连杆机构和小腿连杆机构，其动力装置均不设置于腿部，从而降低了腿部结构的自重，使其更加轻型化；而且，本发明采用一个双杆气缸实现了抬腿和漫步两个自由度的运动，节约了能耗；

2、大腿复位弹簧和小腿复位弹簧能够储存一定的势能，使得行走机构直立运动时与重力工作组成了驱动力，降低了机器人行走时的落地能耗，由此可知，本发明是一种腿部结构负载小更加轻型化、运动耗能低、采用连杆机构驱动前进的双足仿生机器人。

附图说明

图1为本发明具体实施方式双足仿生机器人的结构原理示意图；

图2为本发明具体实施方式行走机构处于抬腿和直立状态时的结构示意图。

其中：1—机器人躯体；10—钢丝环A；11—大腿滑轮；12—小腿滑轮；2—大腿连杆机构；21—大腿连杆A；22—大腿连杆B；221—牵引滑块；222—钢丝环B；23—大腿连杆C；24—大腿驱动杆；25—大腿驱动滑块；26—大腿牵引绳；3—小腿连杆机构；30—脚底板；31—小腿连杆A；32—小腿连杆B；33—小腿驱动杆；34—小腿牵引杆；35—小腿驱动滑块；36—小腿牵引绳；4—双杆气缸；5—大腿复位弹簧；6—小腿复位弹簧。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参见图1和图2所示所示，本发明的一种基于连杆机构的双足仿生机器人，它包括机器人躯体1，两个装设于机器人躯体1上的结构完全相同的行走机构。

机器人躯体1上分别装设有两个结构相同的大腿滑轮11和两个结构相同的小腿滑轮12，沿前进方向自由滑动的两个结构相同的大腿驱动滑块25和两个结构相同的小腿驱动滑块35；机器人躯体1上还装设有两个双杆气缸4，分别独立控制两个连杆结构腿运动，实现抬腿和漫步动作。

双杆气缸4的前端活塞杆与大腿牵引绳26的一端相连，其后端活塞杆与小腿牵引绳36的一端相连；大腿牵引绳26的另一端绕过大腿滑轮11并与大腿驱动滑块25的前端相连；小腿牵引绳36的另一端绕过小腿滑轮12并与小腿驱动滑块35的后端相连；大腿驱动滑块25的后端采用大腿复位弹簧5与机器人躯体1相连。双杆气缸4的前端活塞杆缩短时，大腿牵引绳26带动大腿驱动滑块25向前运动，进而带动大腿驱动杆24向前拉动大腿连杆A21，从而带动大腿连杆机构2相对于机器人躯体1的转动，完成抬腿动作；此过程中，大腿复位弹簧5受到拉伸而边长，并储存弹性势能；当双杆气缸4的前端活塞杆伸长时，大腿牵引绳26处于松弛状态，此时大腿复位弹簧5在弹簧恢复力的作用下拉动大腿驱动滑块25向后运动，向后推动大腿驱动杆24，并借助连杆结构腿自身重力，使得大腿连杆机构2相对于机器人躯体1的反向转动，完成大腿连杆机构2的直立过程。

连杆结构腿包括转动装设于机器人躯体1上的大腿连杆机构2和转动装设于大腿连杆机构2上的小腿连杆机构3。大腿连杆机构2和小腿连杆机构3均处于直立状态时，为连杆结构腿的直立状态。

大腿连杆机构2包括相互平行装设的大腿连杆A21和大腿连杆B22，大腿连杆C23和大腿驱动杆24；大腿连杆A21的一端铰接于机器人躯体1上，其另一端与大腿连杆C23的一端铰接；大腿连杆B22的一端铰接于机器人躯体1上，其另一端与大腿连杆C23的另一端相铰接；大腿驱动杆24的一端铰接于大腿连杆A21的中上部，其另一端铰接于大腿驱动滑块25上。大腿连杆A21、大腿连杆B22，大腿连杆C23和机器人躯体1组成了具有平行四边形连杆结构的大腿，从而增加了运动稳定性，将大腿的动力装置借助大腿驱动杆24引出到机器人主体1上，降低了机器人腿部载荷，实现了腿部更轻型化，运动耗能低。

小腿连杆机构3包括相互平行的小腿连杆A31和小腿连杆B32，固定装设于小腿连杆B32上的小腿牵引杆33，铰接于小腿牵引杆33自由端的小腿牵引杆34，以及平行于大腿连杆23、与小腿连杆A31和小腿连杆B32均铰接的脚底板30；小腿连杆A31的上端铰接装设于大腿连杆A21与大腿连杆C23的交点处；小腿连杆B32的上端铰接装设于大腿连杆B22与大腿连杆C23的交点处；大腿驱动杆24的上端铰接装设于可沿大腿连杆B22自由滑动的牵引滑块221上。小腿牵引杆33改变了小腿连杆B32的受力方向，从而有效避免了小腿直立后再漫步时的运动“卡死”现象。

大腿连杆B22上装设有小腿复位弹簧6，小腿复位弹簧6的一端与牵引滑块221的下端相连，其另一端与大腿连杆B22和大腿连杆C23的铰接点相连。小腿复位弹簧6的弹簧力与小腿连杆机构3的重力共同组成了小腿连杆机构3直立时的驱动力。因此，双杆气缸4驱动小腿连杆机构3直立耗能更低。

牵引滑块221的上端采用一根钢丝绳与小腿驱动滑块35相连，钢丝绳穿过装设于机器人躯体1上的钢丝环A10和装设于大腿连杆B22上的钢丝环B222。钢丝环B222有效保证了钢丝绳对小腿驱动滑块35的牵引力方向。

作为优选地，位于双杆气缸4与大腿滑轮11之间的一段大腿牵引绳26与位于大腿滑轮11与大腿驱动滑块25之间的一段大腿牵引绳26，且平行于大腿驱动滑块25的运动方向。此时，双杆气缸4的活塞杆运动最省力。

作为优选地，大腿复位弹簧5为具有较大抗拉刚度的金属螺旋弹簧，其零受力状态对应于大腿连杆机构2的铅垂状态。大腿复位弹簧5储存的弹性势能与连杆结构腿的重力组成了大腿连杆机构2的直立运动驱动力，从而为双杆气缸4的活塞杆伸出运动节约了能耗。

作为优选地，小腿复位弹簧6为具有较大抗拉刚度的金属螺旋弹簧，其零受力状态对应于小腿连杆机构3的铅垂状态。

作为优选地，大腿连杆C23平行于大腿驱动滑块25的运动方向，且其长度小于大腿连杆A21的长度。

作为优选地，牵引滑块221与钢丝环B222之间的钢丝绳平行于大腿连杆B22。

作为优选地，小腿牵引杆33垂直于小腿连杆B32装设，其长度不大于大腿连杆C23的长度。

本发明的工作过程如下：

首先，假设两个连杆结构腿均处于直立状态，即两个大腿连杆机构2和两个小腿连杆机构3均处于直立状态。为了区别两个行走机构，不妨命名为左连杆结构腿和右连杆结构腿。

右连杆结构腿中的双杆气缸4的前端活塞杆缩短，大腿牵引绳26向后运动，进而带动大腿驱动滑块25向前滑动，并通过大腿驱动杆24拉动大腿连杆A21绕相应的铰接点转动，由于大腿连杆机构2为平行四边形连杆机构，因此大腿连杆机构2相对于机器人躯体1向前转动，从而实现了右腿抬腿动作。此过程中，大腿复位弹簧5发生拉伸变形，储存弹性势能。

右连杆结构腿中的双杆气缸4的后端活塞杆缩短，小腿牵引绳36向前运动，进而带动小腿驱动滑块35向后运动，并借助钢丝绳牵引滑块221相对于大腿连杆B22向上滑动，小腿牵引杆34向上拉动小腿驱动杆33，进而拉动小腿连杆B32相对于大腿连杆B22向后转动，从而实现了右腿小腿漫步动作。此过程中，小腿复位弹簧6储存了弹性势能。

右连杆结构腿中的双杆气缸4的前端活塞杆伸长，大腿牵引绳26松弛，大腿复位弹簧5的弹簧力驱动大腿驱动滑块25向后滑动，并通过大腿驱动杆24推动大腿连杆A21绕相应的铰接点反向转动，与此同时，右连杆结构腿的自重也产生转动力矩，与大腿复位弹簧5的弹簧力共同驱动大腿连杆机构2向直立状态运动。

右连杆结构腿中的双杆气缸4的后端活塞杆伸长，小腿牵引绳36松弛，钢丝绳松弛；小腿复位弹簧6的弹性势能开始释放，弹簧力带动牵引滑块221相对于大腿连杆B22向下滑动，小腿牵引杆34向下推动小腿驱动杆33，进而拉动小腿连杆B32相对于大腿连杆B22向前转动，并伸直，右腿小腿漫步着地动作。

左连杆结构腿按照类似于右连杆结构腿的运动过程，从而实现了左、右连杆结构腿的前进动作。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“A”、“B”、“C”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (5)

1.一种基于连杆机构的双足仿生机器人，其特征在于，包括机器人躯体(1)和固定在所述机器人躯体(1)上的两个行走机构；

所述行走机构包括和所述机器人躯体(1)相连接的大腿连杆机构(2)、双杆气缸(4)、大腿滑轮(11)和小腿滑轮(12)以及滑动连接在所述机器人躯体(1)上的大腿驱动滑块(25)和小腿驱动滑块(35)，所述大腿连杆机构(2)的一端和所述机器人躯体(1)相连接，另一端连接有小腿连杆机构(3)，

所述双杆气缸(4)的一输出端与大腿牵引绳(26)的一端相连，所述大腿牵引绳(26)的另一端绕过所述大腿滑轮(11)和所述大腿驱动滑块(25)相连接，所述大腿驱动滑块(25)和所述大腿连杆机构(2)之间通过大腿驱动杆(24)相连接；

所述双杆气缸(4)的另一输出端与小腿牵引绳(36)的一端相连接，所述小腿牵引绳(36)的另一端绕过所述小腿滑轮(12)和所述小腿驱动滑块(35)相连接，所述小腿驱动滑块(35)通过传动机构和所述小腿连杆机构(3)相连接；

所述大腿驱动滑块(25)运动带动所述大腿连杆机构(2)运动，所述小腿驱动滑块(35)运动，通过与其相连接的传动机构带动所述小腿连杆机构(3)运动；

还包括大腿复位弹簧(5)，所述大腿复位弹簧(5)的一端和所述机器人躯体(1)相连接，另一端和所述大腿驱动滑块(25)相连接；所述大腿复位弹簧(5)和所述大腿牵引绳(26)分别位于所述大腿驱动滑块(25)的两端；

所述大腿连杆机构(2)包括互相平行的大腿连杆A(21)和大腿连杆B(22)，所述大腿连杆A(21)的顶端和大腿连杆B(22)的顶端均铰接在所述机器人躯体(1)上，所述大腿连杆A(21)的底端和大腿连杆B的底端之间铰接有大腿连杆C(23)；所述大腿驱动杆(24)和大腿连杆A(21)相铰接，另一端和所述大腿驱动滑块(25)相铰接；

所述小腿连杆机构(3)包括小腿连杆A(31)和小腿连杆B(32)，所述小腿连杆A(31)的顶端铰接装设于所述大腿连杆A(21)与所述大腿连杆C(23)的交点处，小腿连杆B(32)的顶端铰接装设于所述大腿连杆B(22)与所述大腿连杆C(23)的交点处，所述小腿连杆A(31)的底端和小腿连杆B(32)的底端之间铰接有脚底板(30)；

所述传动机构包括牵引滑块(221)、小腿复位弹簧(6)、小腿牵引杆(34)和小腿驱动杆(33)，所述牵引滑块(221)滑动连接在大腿连杆B(22)上，所述小腿复位弹簧(6)的底端连接在所述大腿连杆B(22)和大腿连杆C(23)的铰接点处，顶端连接在所述牵引滑块(221)的底端，所述牵引滑块(221)的顶端通过钢丝绳和所述小腿驱动滑块(35)相连接；所述小腿驱动杆(33)的一端连接在所述小腿连杆B(32)上，另一端和所述小腿牵引杆(34)的底端相铰接，所述小腿牵引杆(34)的顶端和所述牵引滑块(221)相铰接。

2.根据权利要求1所述的基于连杆机构的双足仿生机器人，其特征在于，位于所述双杆气缸(4)与所述大腿滑轮(11)之间的一段所述大腿牵引绳(26)平行于位于所述大腿滑轮(11)与大腿驱动滑块(25)之间的一段所述大腿牵引绳(26)，且两段所述大腿牵引绳(26)均平行于所述大腿驱动滑块(25)的运动方向。

3.根据权利要求1所述的基于连杆机构的双足仿生机器人，其特征在于，所述大腿连杆C(23)平行于所述大腿驱动滑块(25)的运动方向，且其长度小于所述大腿连杆A(21)的长度。

4.根据权利要求1所述的基于连杆机构的双足仿生机器人，其特征在于，所述大腿连杆B(22)上固定有钢丝环B(222)，所述钢丝绳穿过钢丝环B(222)和所述牵引滑块(221)相连接。

5.根据权利要求1所述的基于连杆机构的双足仿生机器人，其特征在于，所述小腿驱动杆(33)垂直固定在所述小腿连杆B(32)上，其长度不大于所述大腿连杆C(23)的长度。

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