CN111439322B - 一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，包括髋关节横摆总装、大腿纵摆总装和小腿纵摆总装，髋关节横摆总装包括髋关节摆缸和电液执行器，电液执行器与大腿纵摆总装的一端分别通过连接块与髋关节摆缸铰接，电液执行器的另一端与大腿纵摆总装的侧面铰接，大腿纵摆总装的另一端与小腿纵摆总装铰接。本发明的四足仿生机器人四自由度腿部机构通过集成化的油路设计实现了轻量化，髋关节摆缸受液压泵驱动控制抗负载能力强、高功重比，电液执行器与大腿纵摆总装动作响应快、动力学参数易于精确测量、能够实现三个主动自由度加一个被动自由度的四自由度运动。

Description

一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构
技术领域
本发明涉及仿生机器人部件的技术领域，特别是涉及一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构。
背景技术
随着21世纪科技的高速发展，如工程机械、冶金机械、飞行器、助力外骨骼以及四足仿生机器人等高端移动装备得到了广泛的研究与应用。高端移动装备运动方式主要分为两种：轮式运动和足式运动。由于足式运动能很好适应非结构化的环境、腿部灵活度高而备受青睐。而足式仿生机器人中又可分为两足、四足、六足和多足，其中四足仿生机器人在抗援救灾、日常搬运东西、娱乐玩耍等领域应用范围最广，实用性最高而备受关注。而四足仿生机器人腿部结构驱动方法主要有三种：电力驱动、气压驱动和液压驱动，由于液压驱动有功重比高、工作平稳换向冲击小、响应快、推力大等优点，因此，研究高端移动装备液压四足仿生机器人的一体化腿部机构变得尤为重要。
目前，液压四足机器人腿部机构主要采用外接管路的液压驱动，腿部机构排布较为分散，对于该种腿部结构存在着以下缺点：1.关节质量大、运动范围小、驱动能力不足、运动精度和响应速度受限；2.伺服阀与伺服缸之间的连接管路过长，降低了***固有频率，导致动态响应速度变差，液压功率损失增加，制约了液压四足机器人的行走能力和工程化运用。
鉴于上述缺点，公开号为CN106627831A的专利中介绍了一种四足机器人单腿机构，小腿下端设有三维传感器并利用皮带传动具备三个主动自由度的四足机器人腿部结构，该腿部结构三个电机配合两个皮带实现腿部三个关节的相对转动，从而实现腿部机构的正常运动；公开号为CN110155204A的专利中介绍了一种四足机器人腿部，包括前骨架、后骨架、侧摆总装、大腿总装、小腿总装的四足机器人腿部结构，该发明采用简单的杆件机构作为四足机器人腿部，原理简单，具有三个自由度，分别是前进方向的两个转动自由度以及侧摆方向的一个转动自由度；公开号为CN110304170A的专利中介绍了四足机器人腿部结构及机器人，四足机器人腿部模块化结构，包括侧摆总成、髋关节总成、大腿总成以及小腿总成四个模块组成，方案结构简单，能够实现机器人腿部的前后摆动及左右侧摆，能够提高机器人腿部的灵活性，提升用户的体验。
综上所述，液压四足仿生机器人发展前景广阔，但目前其腿部结构集成性不够高、灵活性和反应的快速性较差、关节质量大、驱动能力不足以及液压功率损失较大，不能满足高端移动装备液压四足仿生机器人高性能的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，以解决上述现有技术存在的问题，使腿部机构实现高度集成的轻量化且无需外接液压管路，提升腿部机构的灵活性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，包括髋关节横摆总装、大腿纵摆总装和小腿纵摆总装，所述髋关节横摆总装包括髋关节摆缸和电液执行器，所述电液执行器与所述大腿纵摆总装的一端分别通过连接块与所述髋关节摆缸铰接，所述电液执行器的另一端与所述大腿纵摆总装的侧面铰接，所述大腿纵摆总装的另一端与所述小腿纵摆总装铰接。
优选的，所述电液执行器与所述大腿纵摆总装的油路分别分别通过连接块中的通路与所述髋关节摆缸的横摆轴中的油路连通。
优选的，所述连接块的上端通过螺栓固定于所述横摆轴的法兰盘上，所述连接块的下端呈U型且设置有进油口和出油口，U型两端的所述连接块上转动设置有配油轴，所述配油轴内设置有分别与所述进油口和所述出油口连通的油路和油孔，每个所述油孔两侧均设置有刚性密封件，所述刚性密封件分别与所述电液执行器和所述大腿纵摆总装密封连接。
优选的，所述电液执行器包括缸体、缸杆和导向杆，所述缸杆和所述导向杆分别设置于所述缸体内，所述缸杆和所述导向杆的顶端通过连接板连接，所述缸杆的顶端连接有耳环，所述缸体的端部设置有轴钢套，所述耳环与所述大腿纵摆总装的侧壁铰接，所述轴钢套与所述配油轴固定连接。
优选的，所述连接板上设置有位移传感器，所述耳环与所述连接板之间设置有力传感器，所述缸体上连通有伺服阀。
优选的，所述大腿纵摆总装包括防护罩及套设于所述防护罩内的液压缸和伺服阀，所述液压缸的缸体连通所述伺服阀，所述伺服阀与所述横摆轴中的油路连通，所述液压缸的缸杆通过一滑块连杆机构与所述小腿纵摆总装铰接。
优选的，所述滑块连杆机构包括套筒、滑块和推杆，所述套筒与所述液压缸的缸体连接，所述液压缸的缸杆与所述滑块的一端连接，所述滑块套设于所述套筒内，所述滑块的另一端与所述推杆的一端铰接，所述推杆的另一端和所述套筒分别与所述小腿纵摆总装铰接。
优选的，所述小腿纵摆总装包括外筒、内杆、减震弹簧和足端，所述内杆套设于所述外筒内，所述内杆的上端设置有限位环，所述内杆的下端与所述足端固定连接，所述足端与所述外筒之间设置有减震弹簧，所述减震弹簧套设于所述内杆上。
优选的，所述足端包括脚踝、固定件和定位足，所述脚踝分别与所述内杆和所述固定件连接，所述固定件设置有用于容纳所述定位足的凹槽，所述定位足通过螺栓与所述固定件固定连接。
优选的，所述脚踝与所述内杆之间设置有六维力传感器，所述定位足为橡胶柱体且接触地面的圆柱面上设置有凹槽。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的四足仿生机器人四自由度腿部机构通过集成化的油路设计实现了轻量化，髋关节摆缸受液压泵驱动控制抗负载能力强、高功重比，电液执行器与大腿纵摆总装动作响应快、动力学参数易于精确测量、能够实现三个主动自由度加一个被动自由度的四自由度运动。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构的结构示意图一；
图2为本发明四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构的结构示意图二；
图3为本发明中髋关节横摆总装的结构示意图；
图4为本发明中连接块的结构示意图；
图5为本发明中电液执行器的结构示意图一；
图6为本发明中电液执行器的结构示意图二；
图7为本发明中大腿纵摆总装和小腿纵摆总装的结构示意图；
图8为本发明中髋关节横摆总装的油路及结构示意图；
图9为本发明中大腿纵摆总装的油路及结构示意图；
其中：1-髋关节横摆总装，2-大腿纵摆总装，3-小腿纵摆总装，4-髋关节摆缸，5-横摆轴，6-连接块，7-进油口，8-出油口，9-油路，10-油孔，11-配油轴，12-电液执行器，13-缸体，14-缸杆，15-导向杆，16-连接板，17-耳环，18-轴钢套，19-伺服阀，20-位移传感器，21-力传感器，22-防护罩，23-液压缸，24-套筒，25-滑块，26-推杆，27-外筒，28-内杆，29-减震弹簧，30-脚踝，31-固定件，32-定位足，33-限位环，34-六维力传感器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，以解决现有技术存在的问题，使腿部机构实现高度集成的轻量化且无需外接液压管路，提升腿部机构的灵活性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图9所示：本实施例提供了一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，包括髋关节横摆总装1、大腿纵摆总装2和小腿纵摆总装3，髋关节横摆总装1包括髋关节摆缸4和电液执行器12，电液执行器12与大腿纵摆总装2的一端分别通过连接块6与髋关节摆缸4铰接，电液执行器12的另一端与大腿纵摆总装2的侧面铰接，大腿纵摆总装2的另一端与小腿纵摆总装3铰接。
具体的，电液执行器12与大腿纵摆总装2的油路9分别分别通过连接块6中的通路与髋关节摆缸4的横摆轴5中的油路9连通。连接块6的上端通过螺栓固定于横摆轴5的法兰盘上，连接块6的下端呈U型且设置有进油口7和出油口8，U型两端的连接块6上转动设置有配油轴11，配油轴11内设置有分别与进油口7和出油口8连通的油路9和油孔10，每个油孔10两侧均设置有刚性密封件，刚性密封件分别与电液执行器12和大腿纵摆总装2密封连接。本实施例的髋关节摆缸4受液压泵驱动控制，节能、抗负载能力强，相对于机身的横摆运动，传动结构简单，实现一体化腿部机构、实用性强，并能够有效缓冲一体化腿部机构受到侧面的碰撞力；无外接液压管路且机械结构高度集成，能够实现三个主动自由度加一个被动自由度的四自由度运动。
电液执行器12为阀控缸，包括缸体13、缸杆14和导向杆15，缸杆14和导向杆15分别设置于缸体13内，缸杆14和导向杆15的顶端通过连接板16连接，缸杆14的顶端连接有耳环17，缸体13的端部设置有轴钢套18，耳环17与大腿纵摆总装2的侧壁铰接，轴钢套18与配油轴11固定连接。本实施例中耳环17与轴钢套18内设置有轴承，连接板16上设置有位移传感器20，耳环17与连接板16之间设置有力传感器21，缸体13上连通有伺服阀19。本实施例中位移传感器20、力传感器21和伺服阀19均与机器人的控制器电连接，使腿部机构的动力学参数(关节转速、足端缸杆14出力状态等)易于精确测量，缸体13和伺服阀19外设置有防护罩22。阀控缸的整体结构设计紧凑、动作响应快、高功重比，且把液压油流道设计在传动轴和缸体13等结构中，可以降低腿部机构的重量和转动惯量，大腿纵摆总装2上端两个铰接处位置相邻，可以增大关节的活动范围和输出力矩。
大腿纵摆总装2包括防护罩22及套设于防护罩22内的液压缸23和伺服阀19，液压缸23的缸体13的端部设置有用于铰接的轴钢套18，液压缸23的缸体13连通伺服阀19，伺服阀19与横摆轴5中的油路9连通，液压缸23的缸杆14通过一滑块25连杆机构与小腿纵摆总装3铰接。滑块连杆机构包括套筒24、滑块25和推杆26，套筒24与液压缸23的缸体13连接，液压缸23的缸杆14与滑块25的一端连接，滑块25套设于套筒24的衬套内，滑块25的另一端与推杆26的一端铰接，推杆26的另一端和套筒24分别与小腿纵摆总装3铰接。本实施例中大腿纵摆总装2液压缸23缸杆14通过推动滑块25的滑动，滑块25带动推杆26运动，进而改变小腿纵摆总装3与地面的摆动角度。电液执行器12和大腿纵摆总装2都是阀控缸驱动单元，实现了多元器件的高密度集成，体积小、重量轻，并且伺服阀19与液压缸23间无外接管路，降低了一体化腿部机构管路接头损坏和泄漏故障的发生率，提高了运动的动态响应速度。
小腿纵摆总装3包括外筒27、内杆28、减震弹簧29和足端，内杆28套设于外筒27内，内杆28的上端设置有限位环33，可以保障内杆28轴向运动的直线性。内杆28的下端与足端固定连接，足端与外筒27之间设置有减震弹簧29，减震弹簧29套设于内杆28上。足端包括脚踝30、固定件31和定位足32，脚踝30分别与内杆28和固定件31连接，固定件31设置有用于容纳定位足32的凹槽，定位足32通过螺栓与固定件31固定连接。脚踝30为一柱状连接件，脚踝30与内杆28之间设置有六维力传感器34，定位足32为橡胶柱体且接触地面的圆柱面上设置有凹槽，增大摩擦力，可以充分保障不同角度接触地面的稳定性，被动自由度可以提供很好的缓冲，起到保护腿部结构的效果。小腿纵摆总装3的外筒27采用中空结构，减轻机构重量，且可以为六维力传感器34布线。
本实施例的三个主动自由度分别为液压摆缸提供的髋关节横摆自由度和纵摆自由度、膝关节纵摆自由度，一个被动自由度是由减震弹簧29和定位足32的橡胶柱体提供的。
本实施例的油路9设置如图8-图9中所示，髋关节摆缸4的横摆轴5中的两条油路9一端分别与的连接块6中进油口7和出油口8连通，同时进油口7和出油口8通过连接块6和配油轴11、伺服阀19与电液执行器12缸体13内的油路9连通并形成一条油路循环；横摆轴5中的两条油路9另一端通过连接块6和配油轴11、伺服阀19与大腿纵摆总装2缸体13内的油路9连通并形成另一条油路循环。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：包括髋关节横摆总装、大腿纵摆总装和小腿纵摆总装，所述髋关节横摆总装包括髋关节摆缸和电液执行器，所述电液执行器与所述大腿纵摆总装的一端分别通过连接块与所述髋关节摆缸铰接，所述电液执行器的另一端与所述大腿纵摆总装的侧面铰接，所述大腿纵摆总装的另一端与所述小腿纵摆总装铰接；所述电液执行器与所述大腿纵摆总装的油路分别分别通过连接块中的通路与所述髋关节摆缸的横摆轴中的油路连通。
2.根据权利要求1所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述连接块的上端通过螺栓固定于所述横摆轴的法兰盘上，所述连接块的下端呈U型且设置有进油口和出油口，U型两端的所述连接块上转动设置有配油轴，所述配油轴内设置有分别与所述进油口和所述出油口连通的油路和油孔，每个所述油孔两侧均设置有刚性密封件，所述刚性密封件分别与所述电液执行器和所述大腿纵摆总装密封连接。
3.根据权利要求2所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述电液执行器包括缸体、缸杆和导向杆，所述缸杆和所述导向杆分别设置于所述缸体内，所述缸杆和所述导向杆的顶端通过连接板连接，所述缸杆的顶端连接有耳环，所述缸体的端部设置有轴钢套，所述耳环与所述大腿纵摆总装的侧壁铰接，所述轴钢套与所述配油轴固定连接。
4.根据权利要求3所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述连接板上设置有位移传感器，所述耳环与所述连接板之间设置有力传感器，所述缸体上连通有伺服阀。
5.根据权利要求1所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述大腿纵摆总装包括防护罩及套设于所述防护罩内的液压缸和伺服阀，所述液压缸的缸体连通所述伺服阀，所述伺服阀与所述横摆轴中的油路连通，所述液压缸的缸杆通过一滑块连杆机构与所述小腿纵摆总装铰接。
6.根据权利要求5所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述滑块连杆机构包括套筒、滑块和推杆，所述套筒与所述液压缸的缸体连接，所述液压缸的缸杆与所述滑块的一端连接，所述滑块套设于所述套筒内，所述滑块的另一端与所述推杆的一端铰接，所述推杆的另一端和所述套筒分别与所述小腿纵摆总装铰接。
7.根据权利要求1所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述小腿纵摆总装包括外筒、内杆、减震弹簧和足端，所述内杆套设于所述外筒内，所述内杆的上端设置有限位环，所述内杆的下端与所述足端固定连接，所述足端与所述外筒之间设置有减震弹簧，所述减震弹簧套设于所述内杆上。
8.根据权利要求7所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述足端包括脚踝、固定件和定位足，所述脚踝分别与所述内杆和所述固定件连接，所述固定件设置有用于容纳所述定位足的凹槽，所述定位足通过螺栓与所述固定件固定连接。
9.根据权利要求8所述的四足仿生机器人轻量化四自由度腿部机构，其特征在于：所述脚踝与所述内杆之间设置有六维力传感器，所述定位足为橡胶柱体且接触地面的圆柱面上设置有凹槽。
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