CN111439320B - 一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿及调节方法，其中，可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，包括小腿连接件及其连接的减振机构，其中：小腿连接件和减振机构之间的连接曲度可调；减振机构设有混合弹性缓冲机构。本发明提供的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，通过在小腿连接件和减振机构之间的连接曲度可调的结构设计，能够根据环境需要调节小腿连接件和减振机构之间的曲度，从而减小足端受力方向与小腿连杆的直线方向有交大的偏差角度，减小小腿需承受额外的运动力矩；另外，通过采用混合弹性缓冲机构，解决单一的弹簧减振机构较难根据自身的重量调节弹簧的减振效果的问题，使其能很好的完成崎岖路面的支撑行走任务。

Description

一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿及调节方法

技术领域

本发明涉及足式机器人结构设计领域，特别涉及一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿及调节方法。

背景技术

在人类生存的广阔陆地上,由于地形构造的复杂多变,山丘或沼泽占地面积几乎达到了陆地面积的一半以上。要想在这些复杂的地貌环境中自由移动,单靠轮式机械存在着一定的困难。足式机器人可在非结构化、不平坦地环境如不平的山地、丘陵、沼泽、丛林等复杂地形灵活行走，进而完成如地震、核污染、化学污染、野外军事作战等环境下的灾后救援、行军物质运输、高危环境巡逻等特殊任务。因此，在机器人研究领域对研究仿生足式机器人保持着高度的热情。

现有的四足机器人大多如公开号为CN106828654B的中国专利中公开的一种四足仿生机器人，其包括控制***和机械***，机械***包括两躯干和设置在两躯干间用于调整两躯干摆动的腰部调整电机，两躯干均连接有两条腿部机构，各腿部机构包括多自由度的混联机构和驱动混联机构摆动的驱动电机，混联机构的摆动轴线与两躯干的摆动轴线平行，控制***协调控制腰部调整电机和驱动电机实现两躯干和四条腿部机构的连续摆动以实现跳跃运动，此通过腰部调整电机和四条腿部机构的设置，控制***协调控制腰部调整电机和各驱动电机以驱动两躯干和四条腿部机构摆动以实现整体机构姿态的转变，进而实现连续跳跃动作。

上述专利中公开的足式机器人的小腿机构是以简单的直线形状的连杆机构，通过与膝关节连接完成摆动运动。虽然直线形状的连杆的小腿机构简单设计方便，但在小腿摆动着地行走过程中，其足端受力方向与小腿连杆的直线方向有较大的偏差角度，这使小腿需承受额外的运动力矩。此外，有些现有的足式机器人的腿部还设置有弹簧减振机构，但往往为单一的弹簧减振机构，但较难根据自身的重量调节弹簧的减振效果。无法满足在不平路况中具有减振缓冲且稳定的行走要求。

发明内容

为解决上述背景技术中指出的足端受力方向与小腿连杆的直线方向有交大的偏差角度，这使小腿需承受额外的运动力矩和单一的弹簧减振机构难以根据自身的重量调节弹簧的减振效果，无法满足在不平路况中具有减振缓冲且稳定的行走要求的问题。本发明提供一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿及调节方法，其中，可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，包括小腿连接件及其连接的减振机构，其中：

所述小腿连接件和减振机构之间的连接曲度可调；

所述减振机构设有混合弹性缓冲机构。

进一步地，所述小腿连接件一端与大腿连接，另一端设有若干调节孔；若干调节孔排列成多组与水平方向夹角不同的调节孔组；

所述减振机构上设有若干定位孔；

所述定位孔通过第三连接件与所述调节孔可拆卸连接。

进一步地，所述调节孔包括第一调节孔、第二调节孔和第三调节孔，其中：

若干所述第一调节孔水平排列；若干第二调节孔的排列方向与水平方向呈20°夹角；若干第三调节孔的排列方向与水平方向呈40°夹角。

进一步地，所述混合弹性缓冲机构包括若干减振弹簧；若干减振弹簧的弹性系数相同或不同；若干减振弹簧共同作用于所述小腿连接件。

进一步地，所述减振弹簧设有三个。

进一步地，所述混合弹性缓冲机构底部设有减振橡胶。

进一步地，所述减振机构还包括减振机构活塞、活塞挡圈、第一连接件、减振套筒和第二连接件，其中：

所述减振机构活塞一端设有若干定位孔；若干定位孔通过第三连接件与小腿连接件上的调节孔连接；

所述减振套筒的开口端通过第一连接件连接有活塞挡圈；

所述减振机构活塞底部设于减振套筒内；通过活塞挡圈对减振机构活塞的行程进行限位；

所述减振橡胶通过第二连接件连接于所述减振套筒底部；所述减振机构活塞底部通过减振弹簧与所述减振橡胶相抵。

进一步地，所述减振弹簧末端设有压力传感器。

本发明另外提供一种如上任意所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿的曲度调节方法，所述方法步骤如下：

将小腿连接件下端设有与水平方向夹角不同的调节孔组；所述减振机构上设有若干定位孔；

通过第三连接件将定位孔与不同角度的调节孔组连接，从而实现小腿曲度的调节。

本发明还提供一种如上任意所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿的减振调节方法，所述方法步骤如下：

混合弹性缓冲机构内设有若干减振弹簧；若干减振弹簧的弹性系数设为k1、k2、k3...kn;则综合弹性系数为k=k1+k2+k3+...+kn；

根据不同的使用场景，选择不同弹性系数弹簧的组合，从而达到理想的综合弹性系数。

本发明提供的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，通过在小腿连接件和减振机构之间的连接曲度可调的结构设计，能够根据环境需要调节小腿连接件和减振机构之间的曲度，从而减小足端受力方向与小腿连杆的直线方向有较大的偏差角度，减小小腿需承受额外的运动力矩；另外，通过采用混合弹性缓冲机构，解决单一的弹簧减振机构较难根据自身的重量调节弹簧的减振效果的问题。本发明提供的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，能够在不平路况中具有减振缓冲且稳定的行走，使其能很好的完成崎岖路面的支撑行走任务，结构简单、实用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为四足机器人示意图；

图2为本发明提供的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿立体示意图；

图3为可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿部分剖面图；

图4为小腿侧面示意图；

图5为减振机构活塞的剖面示意图。

附图标记：

10 小腿连接件	11第一调节孔	12 第二调节孔
			13 第三调节孔	20 减振机构活塞	21 活塞挡圈
22 第一连接件	23 减振套筒	24 减振弹簧
			25 减振橡胶	26 压力传感器	27 第二连接件
28 信号线	30 第三连接件	201 定位孔

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”以及类似的词语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定与物理或者机械的连接，而是可以包括电性的连接、光连接等，不管是直接的还是间接的。

本发明实施例提供一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿及调节方法，其中，可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，包括小腿连接件10及其连接的减振机构，其中：

所述小腿连接件10和减振机构之间的连接曲度可调；

所述减振机构设有混合弹性缓冲机构。

具体实施时，如图1、图2、图3、图4和图5所示，其中图2为图1中A的具体放大图，可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，包括小腿连接件10及其连接的减振机构，其中：

所述小腿连接件10和减振机构之间的连接曲度可调；所述减振机构设有混合弹性缓冲机构。通过在小腿连接件10和减振机构之间的连接曲度可调的结构设计，能够根据环境需要调节小腿连接件10和减振机构之间的曲度，从而减小足端受力方向与小腿连杆的直线方向有较大的偏差角度，减小小腿需承受额外的运动力矩；另外，通过采用混合弹性缓冲机构，解决单一的弹簧减振机构较难根据自身的重量调节弹簧的减振效果的问题。

本发明提供的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，通过在小腿连接件和减振机构之间的连接曲度可调的结构设计，能够根据环境需要调节小腿连接件和减振机构之间的曲度，从而减小足端受力方向与小腿连杆的直线方向有较大的偏差角度，减小小腿需承受额外的运动力矩；另外，通过采用混合弹性缓冲机构，解决单一的弹簧减振机构较难根据自身的重量调节弹簧的减振效果的问题。本发明提供的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，能够在不平路况中具有减振缓冲且稳定的行走，使其能很好的完成崎岖路面的支撑行走任务，结构简单、实用。

具体实施时，小腿连接件10一端设有与大腿连接的结构如连接孔，另一端设有若干调节孔；若干调节孔排列成多组与水平方向夹角不同的调节孔组；减振机构上设有若干定位孔201；定位孔201通过第三连接件30与调节孔可拆卸连接，第三连接件30包括但不限于螺栓结构。具体地，调节孔包括第一调节孔11、第二调节孔12和第三调节孔13，其中：若干第一调节孔11水平排列；若干第二调节孔12的排列方向与水平方向呈20°斜夹角；若干第三调节孔13的排列方向与水平方向呈40°斜夹角。

连接时，如图3所示，以最左端的定位孔20为圆心，第一调节孔11构成的调节孔组、第二调节孔12构成的调节孔组和第三调节孔13构成的调节孔组沿该圆心线性扇形分布，通过减振机构上设有若干定位孔201与水平方向夹角各不相同的调节孔调节孔组连接，从而实现小腿曲度调节。本实施例中，通过调节孔组与定位孔201的结构设计，实现了小腿曲度的调节，结构简单，安装方便。

具体实施时，所述混合弹性缓冲机构包括三个减振弹簧24；三个减振弹簧24底部设有减振橡胶25；三个减振弹簧24均匀分布，共同作用于所述小腿连接件10；三个减振弹簧24的弹性系数相同或不同。

具体实施时，减振机构还包括减振机构活塞20、活塞挡圈21、第一连接件22、减振套筒23和第二连接件27，其中：第一连接件22、第二连接件27包括但不限于螺栓结构；

如图5所示，减振机构活塞20一端设有若干定位孔201；若干定位孔201的位置分别与相应的调节孔的位置相适配；若干定位孔201通过第三连接件30与小腿连接件10上的调节孔连接；所述第三连接件30包括但不限于螺栓螺母结构；减振套筒23的开口端横向向外延伸有凸沿；凸沿上表面设有活塞挡圈21；凸沿以及活塞挡圈21相应的位置开设有通孔；第一连接件22穿过该通孔并与螺母紧固，从而实现将活塞挡圈21连接在减振套筒23上；减振机构活塞20底部设于减振套筒23内，并通过减振弹簧24与减振套筒23底部的减振橡胶25连接；活塞挡圈21的内径小于减振机构活塞20行程中部的直径，通过活塞挡圈21对减振机构活塞20的行程进行限位；半球形的减振橡胶25通过第二连接件27连接于减振套筒23底部。本实施例中通过上述结构设计，实现了小腿曲度可调的目的，并且，通过若干减振弹簧24与减振橡胶25相结合的结构设计，实现了理想的综合减振效果。

较佳地，如图3、图5所示，所述减振机构活塞20底部设有若干圆柱形凹槽；固定减振弹簧24设于所述圆柱形凹槽内；所述圆柱形凹槽的深度小于减振套筒23内腔的长度。通过圆柱形凹槽固定减振弹簧24，能够避免减振弹簧24在运动过程中发生偏移而导致的弹力不平衡问题出现。

优选地，所述减振弹簧24末端设有压力传感器26。

具体实施时，如图3所示，所述减振弹簧24末端与压力传感器26一侧，压力传感器26另一侧与减振橡胶25贴合。本实施例中压力传感器26的信息通过信号线28进行信息传输，若三个压力传感器26测量的力大小为F1、F2和F3，那么仿生小腿所承受的压力为F= F1+F2+F3。本实施例中，通过在若干减振弹簧24末端设置压力传感器26，当处于不同作用力和崎岖路面工况时，使机器人实现腿部缓冲的同时检测地面缓冲力大小，实现针对不同环境需求可改变小腿的曲度以更好的完成地面支撑和行走能力。压力传感器26可采用市场上常用的型号，在此不再赘述。

本发明另外提供一种如上任意所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿的曲度调节方法，所述方法步骤如下：

将小腿连接件10下端设有与水平方向夹角不同的调节孔组；所述减振机构上设有若干定位孔201；

通过第三连接件30将定位孔201与不同角度的调节孔组连接，从而实现小腿曲度的调节。

具体地，如图3所示，在小腿连接件10下端设有与水平方向存在20°和40°倾斜角的调节孔，通过第三连接件30可将减振机构活塞20固定于小腿连接件10上，通过固定在不同倾斜角的调节孔上可使减振机构活塞20以垂直方向或与垂直方向相差 20°和40°方向进行连接，从而达到改变小腿曲度的能力；其中，第三连接件30包括但不限于螺栓螺母结构。

本发明还提供一种如上任意所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿的减振调节方法，所述方法步骤如下：

混合弹性缓冲机构内设有若干减振弹簧24；若干减振弹簧24的弹性系数设为k1、k2、k3...kn;则综合弹性系数为k=k1+k2+k3+...+kn；

根据不同的使用场景，选择不同弹性系数弹簧的组合，从而达到理想的综合弹性系数。

具体实施时，如图2、图3所示，三个减振弹簧24安装在减振套筒23中；减振弹簧24上端固定于减振机构活塞20的圆柱形凹槽中，下端通过减振套筒23的圆形通孔并压在足端的减振橡胶25上，而足端的减振橡胶25和减振套筒23则通过第二连接件27进行固定装配。在本实施例中，若三个减振弹簧的弹性系数分别为k1、k2和k3，那么综合弹性系数为k1=k1+k2+k3，因此可以通过选择不同弹性系数弹簧的组合从而达到理想的综合弹性系数。与此同时，再结合足端的减振橡胶25进行二次减振，从而实现理想的综合减振效果。其中，第二连接件27包括但不限于螺栓螺母结构。尽管本文中较多的使用了诸如小腿连接件、调节孔、减振机构活塞、活塞挡圈、连接件、减振套筒、减振弹簧、减振橡胶、压力传感器、定位孔等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，其特征在于：包括小腿连接件（10）及其连接的减振机构，其中：

所述小腿连接件（10）和减振机构之间的连接曲度可调；所述小腿连接件（10）一端与大腿连接，另一端设有若干调节孔；若干调节孔排列成多组与水平方向夹角不同的调节孔组；

所述减振机构上设有若干定位孔（201）；

所述定位孔（201）通过第三连接件（30）与所述调节孔可拆卸连接；

所述减振机构设有混合弹性缓冲机构；所述混合弹性缓冲机构包括若干减振弹簧（24）；若干减振弹簧（24）的弹性系数相同或不同；若干减振弹簧（24）共同作用于所述小腿连接件（10）。

2.根据权利要求1所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，其特征在于：所述调节孔包括第一调节孔（11）、第二调节孔（12）和第三调节孔（13），其中：

若干所述第一调节孔（11）水平排列；若干第二调节孔（12）的排列方向与水平方向呈20°夹角；若干第三调节孔（13）的排列方向与水平方向呈40°夹角。

3.根据权利要求1所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，其特征在于：所述减振弹簧（24）设有三个。

4.根据权利要求2所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，其特征在于：所述混合弹性缓冲机构底部设有减振橡胶（25）。

5.根据权利要求4所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，其特征在于：所述减振机构还包括减振机构活塞（20）、活塞挡圈（21）、第一连接件（22）、减振套筒（23）和第二连接件（27），其中：

所述减振机构活塞（20）一端设有若干定位孔（201）；若干定位孔（201）通过第三连接件（30）与小腿连接件（10）上的调节孔连接；

所述减振套筒（23）的开口端通过第一连接件（22）连接有活塞挡圈（21）；

所述减振机构活塞（20）底部设于减振套筒（23）内；通过活塞挡圈（21）对减振机构活塞（20）的行程进行限位；

所述减振橡胶（25）通过第二连接件（27）连接于所述减振套筒（23）底部；所述减振机构活塞（20）底部通过减振弹簧（24）与所述减振橡胶（25）相抵。

6.根据权利要求5所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿，其特征在于：所述减振弹簧（24）末端设有压力传感器（26）。

7.一种如权利要求2-6任一项所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿的曲度调节方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

将小腿连接件（10）下端设有与水平方向夹角不同的调节孔组；所述减振机构上设有若干定位孔（201）；

通过第三连接件（30）将定位孔（201）与不同角度的调节孔组连接，从而实现小腿曲度的调节。

8.一种如权利要求4-6任一项所述的可变曲度的混合弹性缓冲机器人仿生小腿的减振调节方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

混合弹性缓冲机构内设有若干减振弹簧（24）；若干减振弹簧（24）的弹性系数设为k1、k2、k3...kn;则综合弹性系数为k=k1+k2+k3+...+kn；根据不同的使用场景，选择不同弹性系数弹簧的组合，从而达到理想的综合弹性系数。

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