CN203819377U - 四足机器人腿部联动机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种四足机器人腿部联动机构，其特征是：包括大腿总成、小腿总成和髋部驱动器，所述大腿总成、小腿总成和髋部驱动器之间分别通过连杆连接构成机器人腿部联动机构，所述连杆包括大腿摆动连杆、小腿摆动连杆、髋部摆动连杆；所述大腿总成包括大腿和大腿驱动油缸3，所述大腿摆动连杆的一端与大腿驱动油缸销接，其另一端分别与小腿摆动连杆和髋部摆动连杆销接，所述小腿摆动连杆另一端与小腿总成连接，所述髋部摆动连杆另一端与髋部驱动器连接。有益效果：可以在只有两个腿部驱动器的条件下，模拟自然界四足动物的腿部动作；在卧倒和起立时，每条腿中的大腿驱动器同步伸长或收缩，带动足部上下运动，各腿之间不存在运动干涉现象。

Description

四足机器人腿部联动机构

技术领域

本实用新型属于仿生机器人机构，尤其涉及一种模拟自然界四足动物腿部动作的四足机器人腿部联动机构。

背景技术

目前，在步行机器人的腿部运动机构研究领域，主要方向是以机械装置模拟自然界四足动物（马、狗等）腿部的进化结构，设计腿部的运动关系。但是根据解剖学的结论，经过长期进化的四足动物腿部肌肉群结构复杂而且数量众多，要实现全面模拟，需要设计许多复杂的机构。但是这些机械装置由于重量、数量、空间、功能等的限制，不可能实际实现。通常的结构是在大腿与小腿之间直接加装液压缸。在完成卧倒起立动作时，足部除了需要的上下运动之外，还存在前后运动，导致四条腿之间相互干涉，无法平稳的卧倒和起立。目前，步行机器人腿部运动机构技术的发展逐步以功能需求为牵引，采用尽可能简化的机构来实现步行运动功能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，提供一种四足机器人腿部联动机构，模拟自然界四足动物（马、狗等）的腿部动作，可以在只有两个腿部驱动器的条件下，实现大腿与小腿的同时运动；在卧倒和起立的过程中，各腿之间不存在运动干涉现象；提高腿部运动速度，降低驱动器所需的最大运动范围，采用简化的机构来实现步行运动功能。

本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种四足机器人腿部联动机构，其特征是：包括大腿总成、小腿总成和髋部驱动器，所述大腿总成、小腿总成和髋部驱动器之间分别通过连杆连接构成机器人腿部联动机构，所述连杆包括大腿摆动连杆、小腿摆动连杆、髋部摆动连杆；所述大腿总成包括大腿和大腿驱动油缸，所述大腿摆动连杆的一端与大腿驱动油缸销接，其另一端分别与小腿摆动连杆和髋部摆动连杆销接，所述小腿摆动连杆另一端与小腿总成连接，所述髋部摆动连杆另一端与髋部驱动器连接。

所述小腿总成包括足、小腿和膝关节，所述小腿和足构成整体部件，小腿中上部通过连杆叉与小腿摆动连杆一端铰接，所述小腿通过膝关节与大腿铰链连接构成大、小腿及足活动机构。

所述大腿总成包括大腿和大腿驱动油缸，所述大腿中间固接大腿驱动油缸和大腿摆动连杆，大腿上端与髋部驱动器铰链连接构成大腿总成抬腿和迈步机构。

所述髋部驱动器包括髋关节、摆动油缸、驱动摆臂和侧向液压缸，所述驱动摆臂一端与髋部摆动油缸输出轴固连为一体，另一端与联动机构连杆铰接，所述髋关节由摆动油缸两侧的同心销轴，铰接在机身上构成能够绕其纵轴在横向平面内上下摆动，驱动腿部左右移动机构，所述摆动油缸与侧向液压缸一端铰接，所述侧向液压缸另一端与机身呈上下滑动连接。

有益效果：，模拟自然界四足动物（马、狗等）的腿部动作，并给出了腿部逆向运动学的计算方法。本实用新型可以在只有两个腿部驱动器的条件下，实现大腿与小腿的同时运动，在给定足端运动轨迹时，可以方便求解两个驱动器分别所需的驱动位移，并提高腿部运动速度，降低驱动器所需的最大运动范围。四足机器人腿部联动机构在卧倒和起立的过程中，每条腿中的大腿驱动器（液压缸）同步伸长或收缩，带动足部上下运动，完成所要求的动作，且各腿之间不存在运动干涉现象。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型卧倒的连杆运动原理图；

图3是本实用新型起立的连杆运动原理图；

图4是计算公式的计算原理图。

图中：1、机身，2、大腿摆动连杆，3、大腿驱动油缸，4、大腿，5、膝关节，6、足，7、小腿，8、小腿摆动连杆，9、髋部摆动连杆，10、驱动摆臂11、髋关节12、摆动油缸13、侧向液压缸，14、连杆叉。

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。

实施例

详见附图1，本实用新型提供一种四足机器人腿部联动机构，包括大腿总成、小腿总成和髋部驱动器，所述大腿总成、小腿总成和髋部驱动器之间分别通过连杆连接构成机器人腿部联动机构，具有承载能力强、驱动方便、结构合理、步态算法简单的特点。所述连杆包括大腿摆动连杆2、小腿摆动连杆8、髋部摆动连杆9；所述大腿总成包括大腿4和大腿驱动油缸3，所述大腿摆动连杆2的一端与大腿驱动油缸3销接，其另一端分别与小腿摆动连杆8和髋部摆动连杆9销接，所述小腿摆动连杆另一端与小腿总成连接，所述髋部摆动连杆另一端与髋部驱动器连接。所述小腿总成包括足6、小腿7和膝关节铰链5，所述小腿和足构成整体部件，小腿中上部通过连杆叉14与小腿摆动连杆一端铰接，所述小腿通过膝关节与大腿铰链连接构成大、小腿及足活动机构。所述大腿总成包括大腿4和大腿驱动油缸3，所述大腿中间固接大腿驱动油缸和大腿摆动连杆，大腿上端与髋部驱动器铰链连接构成大腿总成抬腿和迈步机构。大腿部分由两块冲压钢板经连接块铆接成型，主要作用是承载整机重量，中间用于布置大腿驱动油缸3和大腿摆动连杆2。大腿上端与髋关节11铰链连接，其下端通过膝关节5与小腿铰链连接，由油缸和马达驱动大腿绕髋关节旋转，实现抬腿和迈步。所述髋部驱动器包括髋关节11、摆动油缸12、驱动摆臂10和侧向液压缸13，所述驱动摆臂一端与髋部摆动油缸输出轴固连为一体，另一端与联动机构连杆铰接，所述髋关节由摆动油缸两侧的同心销轴，铰接在机身上，构成能够绕其纵轴在横向平面内上下摆动，驱动腿部左右移动机构，所述摆动油缸与侧向液压缸一端铰接，所述侧向液压缸另一端与机身1呈上下滑动连接。髋关节既可以绕机器人横轴前后转动，驱动装置为液压马达或摆动油缸，驱动腿部向前迈步并产生驱动力；同时横向布置的液压油缸也可通过装在马达外壳上的铰接点推动马达绕纵轴在横向平面内上下摆动，驱动腿部左右移动，以维持机器人在横向的稳定性和实现转向。

其中腿部连杆机构由三组连杆构成，分别连接小腿、大腿和髋部摆动臂。主要作用是当髋部驱动马达锁止不转时，髋部摆动臂固定，大腿油缸推动等臂摆动杠杆转动，下端通过小腿摆动连杆8连接小腿摆动，同时大腿摆动连杆通过连接在髋上的髋部摆动连杆推动大腿前后摆动。实现蹲起动作，该结构可减少髋部液压缸的驱动行程。

详见附图2-3，基本工作原理

图中A、B、C、D、E、F、J、H、G为腿部节点

（1）卧倒与起立

四足机器人的卧倒与起立是两个相反的运动过程。本实用新型中的特征是在卧倒和起立的过程中，每条腿中的大腿驱动器（液压缸）同步伸长或收缩，带动足部上下运动，完成所要求的动作，且各腿之间不存在运动干涉现象。

通常的结构（在大腿与小腿之间直接加装液压缸的方案）在完成卧倒起立动作时，足部除了需要的上下运动之外，还存在前后运动，导致四条腿之间相互干涉，无法平稳的卧倒和起立。

（2）迈步

四足机器人腿部的迈步动作是行走的关键。本实用新型的特征是大腿上的液压缸在驱动联动机构时，可以保证足部的正常抬腿动作，而髋部的驱动器（摆动油缸）可推动摆动臂CJ前后摆动，实现大腿前摆，完成迈步动作。因此大腿驱动缸负责控制抬腿高度，髋部摆动油缸负责控制步幅大小，二者之间是良好的解耦关系，简化了腿部控制算法的复杂程度。

（3）连杆机构

腿部的联动机构保证了大腿、小腿和髋部的连接关系。其特征一是无论腿部是处于支撑相还是处于摆动相状态，都能保证腿部的运动符合要求，特征二是由于联动机构的存在，可以利用其摆臂缸缸的作用增强***的承载能力。

详见附图4，逆向运动学计算公式

腿部逆向运动学的计算是在已知所需要的足端目标位置x₁y₁，与髋部的坐标x₀y₀的相对位置关系，利用结构尺寸，求得所需要的两个驱动器：大腿液压缸、髋部摆动油缸的目标Z₁位移Z₀和，其计算公式如下：

大腿液压缸的位移计算公式：

$Z_0=$

$\frac{\sqrt{{(u_1-(u_0+\frac{g\·(x_0-u_0)}{a}+\frac{h\·(-y_0+v_0)}{a})-\frac{c\·(-u_1+u_2+\frac{(-{\mathrm{cc}}^2+d^2+{d_5}^2)\·(u_1-u_2)}{2\·{d_5}^2}-\frac{d_7\·(-v_1+v_2)}{2\·{d_5}^2})}{\mathrm{cc}})}^2}}{+{(v_1-(v_0+\frac{h\·(x_0-u_0)}{a}-\frac{g\·(-y_0+v_0)}{a})+\frac{c\·(v_1-(v_2-\frac{d_7\·(u_1-u_2)}{2\·{d_5}^2}+\frac{(-{\mathrm{cc}}^2+d^2+{d_5}^2)\·(v_1-v_2)}{2\·{d_5}^2}))}{\mathrm{cc}})}^2}$

式中

$d_0=\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}$

$d_2=\sqrt{a+e+d_0}\·\sqrt{a+e-d_0}\·\sqrt{a-e+d_0}\·\sqrt{-a+e+d_0}$

$u_0=x_0+\frac{(a^2-e^2+{d_0}^2)\·({-x}_0+x_1)}{2\·{d_0}^2}-\frac{d_2\·(y_0-y_1)}{2\·{d_0}^2}$

$u_1=u_0+\frac{b\·(x_0-u_0)}{a}$

$v_0=y_0-\frac{d_2\·({-x}_0+x_1)}{2\·{d_0}^2}+\frac{(a^2-e^2+{d_0}^2)\·({-y}_0+y_1)}{2\·{d_0}^2}$

$u_2=x_1-\frac{f\·(x_1-u_0)}{e}$

$v_1=v_0-\frac{b\·({-y}_0+v_0)}{a}$

$v_2=y_1+\frac{f\·(-y_1+v_0)}{e}$

$d_5=\sqrt{{\left({-u}_1{+u}_2\right)}^2+{({-v}_1+v_2)}^2}$

$d_7=\sqrt{\mathrm{cc}+d+d_5}\·\sqrt{\mathrm{cc}+d-d_5}\·\sqrt{\mathrm{cc}-d+d_5}\·\sqrt{-\mathrm{cc}+d+d_5}$

髋部摆动油缸的角位移计算公式Z₁=

$\arctan \left(\frac{y_0-(y_0+\frac{d_{11}\·({-x}_0+u_3)}{2\·{d_9}^2}+\frac{({{-a}_0}^2+{a_1}^2{+d_9}^2)\·({-y}_0+v_3)}{2\·{d_9}^2})}{\frac{({{-a}_0}^2+{a_1}^2+{d_9}^2)\·({-x}_0+u_3)}{2\·{d_9}^2}+\frac{d_{11}\·(y_0-v_3)}{2\·{d_9}^2}}\right)$

式中

$d_0=\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}$

$d_2=\sqrt{a+e+d_0}\·\sqrt{a+e-d_0}\·\sqrt{a-e+d_0}\·\sqrt{-a+e+d_0}$

$u_0=x_0+\frac{(a^2-e^2+{d_0}^2)\·({-x}_0+x_1)}{2\·{d_0}^2}-\frac{d_2\·(y_0-y_1)}{2\·{d_0}^2}$

$u_2=x_1+\frac{f\·(x_1-u_0)}{e}$

$u_1=u_0+\frac{b\·(x_0-u_0)}{a}$

$v_0=y_0-\frac{d_2\·({-x}_0+x_1)}{2\·{d_0}^2}+\frac{(a^2-e^2+{d_0}^2)\·({-y}_0+y_1)}{2\·{d_0}^2}$

$v_1=v_0-\frac{b\·({-y}_0+v_0)}{a}$

$v_2=y_1+\frac{f\·(-y_1+v_0)}{e}.$

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的结构作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种四足机器人腿部联动机构，其特征是：包括大腿总成、小腿总成和髋部驱动器，所述大腿总成、小腿总成和髋部驱动器之间分别通过连杆连接构成机器人腿部联动机构，所述连杆包括大腿摆动连杆、小腿摆动连杆、髋部摆动连杆；所述大腿总成包括大腿和大腿驱动油缸，所述大腿摆动连杆的一端与大腿驱动油缸铰接，其另一端分别与小腿摆动连杆和髋部摆动连杆铰接，所述小腿摆动连杆另一端与小腿总成连接，所述髋部摆动连杆另一端与髋部驱动器连接。

2.根据权利要求1所述的四足机器人腿部联动机构，其特征是：所述小腿总成包括足、小腿和膝关节，所述小腿和足构成整体部件，小腿中上部通过连杆叉与小腿摆动连杆一端铰接，所述小腿通过膝关节与大腿铰链连接构成大、小腿及足活动机构。

3.根据权利要求1或2所述的四足机器人腿部联动机构，其特征是：所述大腿总成包括大腿和大腿驱动油缸，所述大腿中间固接大腿驱动油缸和大腿摆动连杆，大腿上端与髋部驱动器铰链连接构成大腿总成抬腿和迈步机构。

4.根据权利要求3所述的四足机器人腿部联动机构，其特征是：所述髋部驱动器包括髋关节、摆动油缸、驱动摆臂和侧向液压缸，所述驱动摆臂一端与髋部摆动油缸输出轴固连为一体，另一端与联动机构连杆铰接，所述髋关节由摆动油缸两侧的同心销轴，铰接在机身上，构成能够绕其该轴在横向平面内上下摆动的驱动腿部左右摆动机构，所述摆动油缸与侧向液压缸一端铰接，其输出轴与大腿上端铰接，所述侧向液压缸另一端与机身呈上下滑动连接。