CN204399319U - 一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人。包括躯干支架以及安装在躯干支架上的四条腿；每条腿均由大腿单元与小腿单元组成；包括髋部关节连接件、内侧关节连接件、外侧关节连接件、足尖连接件、足尖、大腿支架、小腿支架、第二气动肌肉、第一气动肌肉、第三气动肌肉、第四气动肌肉、轴销、轴承、气动肌肉接头、支柱、上关节轴、下关节轴。气动肌肉驱动的四足机器人腿部设计对称协调，具有良好的仿生特点，便于控制算法的实现；本四足机器人结构具有行走步态柔顺，适应性较好，具有较强承载能力的有益特性。

Description

一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人

技术领域

本实用新型属于仿生机器人领域，具体涉及的是一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人。

背景技术

机器人是近年来飞速发展的一项新兴产业，机器人按照运动方式可分为轮式、履带式和腿式机器人。为满足适应各种地形的要求，腿式机器人得到快速发展，并取得了一定的成就。由Boston Dynamics公司开发的BigDog机器人可谓是四足机器人领域的佼佼者，随后相继改进的Alpha、Wildcat机器人在稳定性与运行速度得到大幅提升。

国内的清华大学、山东大学和哈尔滨工业大学等高校也在四足仿生四足机器人方面做了巨大努力，并且取得了一定的成就。

传统腿式机器人的驱动器大多采用液压缸、伺服电机，导致机器人整体结构很复杂且造价高。近年来，气动肌肉作为一种新型的驱动器进入机器人领域，除了继承传统驱动器响应速度快、动力足的特点之外，同时具有良好的柔顺性和仿生性、更高的功率重量比、更高的能量利用率与更低的成本等优点。

经对现有文献检索发现，中国专利文献CN201220344525中公开了一种小型四足仿生机器人。机器人每条腿上均有两个自由度并采用舵机实现，具备步态灵活、行动稳定特点，但其成本较高，结构设计较为复杂，步态不柔顺，承载能力不高。

发明内容

本实用新型克服现有技术的不足，设计一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人。

本实用新型采用了以下技术方案，包括：躯干支架以及安装在躯干支架上的四条腿；躯干支架呈方形，四条腿两两安装在躯干支架的两侧，每条腿均由大腿单元和小腿单元两部分组成；大腿单元由髋关节连接件、第一气动肌肉、第二气动肌肉、大腿支架、膝关节内侧连接件、上关节轴、轴承、轴销、气动肌肉连接件组成；小腿单元由膝关节外侧连接件、第三气动肌肉、第四气动肌肉、小腿支架、足尖连接件、下关节轴、轴承、轴销、气动肌肉连接件组成；大腿支架一端通过上关节轴与髋关节连接件铰接，关节轴与髋关节连接件之间设置有轴承，大腿支架另一端与膝关节内侧连接件固接；小腿支架一端通过下关节轴与膝关节外侧连接件铰接，下关节轴与膝关节外侧连接件之间设置有轴承，小腿支架的另一端与足尖连接件固接；髋关节连接件通过螺钉固接在躯干支架上，膝关节外侧连接件通过螺钉固接在膝关节内侧连接件上，足尖通过螺钉与足尖连接件固接；大腿支架两侧分别设置有第一气动肌肉和第二气动肌肉，第一气动肌肉和第二气动肌肉的两端分别通过气动肌肉连接件与髋关节连接件和膝关节内侧连接件铰接，小腿支架两侧分别设置有第三气动肌肉和第四气动肌肉，第三气动肌肉和第四气动肌肉的两端分别通过气动肌肉连接件与膝关节外侧连接件和足尖连接件铰接；髋关节连接件与膝关节内侧连接件上均设有第一弧形长孔，螺钉穿过弧形长孔将髋关节连接件固定在躯干支架上；膝关节内侧连接件上设有第二弧形长孔，螺钉穿过第二弧形长孔将膝关节外侧连接件固定在膝关节内侧连接件上。第一弧形长孔与第二弧形长孔可以分别实现大腿单元相对于躯干支架、小腿单元相对于大腿单元的安装角度可调。使用时，通过控制气动肌肉的进气量，模拟生物肌肉的收缩与伸张，拉动腿部单元绕关节轴转动，实现腿部的摆动。当第二气动肌肉充气、第一气动肌肉放气时，机器人大腿单元部绕上关节轴向第二气动肌肉所在一侧方向摆动；当第一气动肌肉充气、第二气动肌肉放气时，机器人大腿单元部绕上关节轴向第一气动肌肉所在一侧方向摆动。小腿单元的第三气动肌肉放气，第四气动肌肉充气时，小腿单元绕下关节轴向第四气动肌肉所在一侧方向摆动；第四气动肌肉放气，第三气动肌肉充气时，小腿单元绕下关节轴向第三气动肌肉所在一侧方向摆动。

本仿生四足机器人使用了功率重量比高的气动肌肉作为驱动器，具有成本低、动力足、清洁性好的特点；本结构设计对称协调，具有良好的仿生特点，并且便于控制算法的实现；同时，本机器人结构具有行走步态柔顺，适应性较好以及较强承载能力的有益特性。

附图说明

图1是气动肌肉驱动的仿生四足机器人结构示意图；

图2是单腿组合设计装配图。

附图中：1-躯干支架，2-大腿单元，3-小腿单元，4-髋关节连接件，5-膝关节内侧连接件，6-膝关节外侧连接件，7-足尖连接件，8-足尖，9-大腿支架，10-小腿支架，11-第二气动肌肉，12-第一气动肌肉，13-第三气动肌肉，14-第四气动肌肉，15-轴销，16-轴承，17-气动肌肉接头，18-上关节轴，19-下关节轴，20-第一弧形长孔，21-第二弧形长孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，是气动肌肉驱动的仿生四足机器人结构示意图。包括：躯干支架1以及安装在躯干支架上的四条腿，前后腿安装采用前肘后膝式。

如图2所示，机器人的每条腿均由大腿单元2、小腿单元3两部分组成。大腿单元2由髋关节连接件4、膝关节内侧连接件5、大腿支架9、第一气动肌肉12、第二气动肌肉11、轴销15、轴承16、气动肌肉连接件17、上关节轴18组成；小腿单元3由膝关节外侧连接件6、足尖连接件7、小腿支架10、第三气动肌肉13、第四气动肌肉14、轴销15、轴承16、气动肌肉连接件17、下关节轴19组成；大腿支架9一端通过上关节轴18与髋关节连接件4铰接，上关节轴18与髋关节连接件4之间设置有轴承16，大腿支架9另一端与膝关节内侧连接件5固接；小腿支架10一端通过下关节轴19与膝关节外侧连接件6铰接，下关节轴19与膝关节外侧连接件6之间设置有轴承16，小腿支架10的另一端与足尖连接件7固接；髋关节连接件4通过螺钉固接在躯干支架1上，膝关节外侧连接件6通过螺钉固接在膝关节内侧连接件5上，足尖8通过螺钉与足尖连接件7固接；大腿支架9两侧分别设置有第一气动肌肉12和第二气动肌肉11，第一气动肌肉12和第二气动肌肉11的两端分别通过气动肌肉连接件17与髋关节连接件4和膝关节内侧连接件5铰接，小腿支架10两侧分别设置有第三气动肌肉13和第四气动肌肉14，第三气动肌肉13和第四气动肌肉14的两端分别通过气动肌肉连接件17与膝关节外侧连接件4和足尖连接件7铰接。使用时，通过给气动肌肉充气与放气，模拟生物肌肉的收缩与伸张，拉动腿部单元绕关节轴转动，实现腿部单元的摆动。当第二气动肌肉11充气、第一气动肌肉12放气时，机器人大腿单元2绕上关节轴19向第二气动肌肉11所在一侧方向摆动；当第一气动肌肉12充气、第二气动肌肉11放气时，机器人大腿单元2绕上关节轴18向第一气动肌肉12所在一侧方向摆动；小腿单元3的第三气动肌肉13放气，第四气动肌肉14充气，小腿单元3绕下关节轴19向第四气动肌肉14所在一侧方向摆动；第四气动肌肉14放气，第三气动肌肉13充气时，小腿单元3绕下关节轴19向第三气动肌肉13所在一侧方向摆动。髋关节连接件4与膝关节内侧连接件6上均设有第一弧形长孔20，螺钉穿过第一弧形长孔20将髋关节连接件4固定在躯干支架1上。膝关节内侧连接件5上设有第二弧形长孔21，螺钉穿过第二弧形长孔21将膝关节外侧连接件6固定在膝关节内侧连接件5上。第一弧形长孔20与第二弧形长孔21可以分别实现大腿单元2相对于躯干支架1、小腿单元3相对于大腿单元2的安装角度可调。

Claims (3)

1.一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人，其特征在于：包括躯干支架(1)以及安装于躯干支架上的四条腿；所述躯干支架(1)呈方形，所述四条腿分别两两安装在躯干支架(1)的两侧，每条腿均由大腿单元(2)和小腿单元(3)两部分组成；所述大腿单元(2)由髋关节连接件(4)、膝关节内侧连接件(5)、大腿支架(9)、第一气动肌肉(12)、第二气动肌肉(11)、轴销(15)、轴承(16)、气动肌肉连接件(17)、上关节轴(18)组成；所述小腿单元(3)由膝关节外侧连接件(6)、足尖连接件(7)、小腿支架(10)、第三气动肌肉(13)、第四气动肌肉(14)、轴销(15)、轴承(16)、气动肌肉连接件(17)下关节轴(19)组成；所述大腿支架(9)一端通过上关节轴(18)与髋关节连接件(4)铰接，上关节轴(18)与髋关节连接件(4)之间设置有轴承(16)，大腿支架(9)另一端与膝关节内侧连接件(5)固接；所述小腿支架(10)一端通过下关节轴(19)与膝关节外侧连接件(6)铰接，下关节轴(19)与膝关节外侧连接件(6)之间设置有轴承(16)，小腿支架(10)的另一端与足尖连接件(7)固接；所述髋关节连接件(7)通过螺钉固接在躯干支架(1)上，膝关节外侧连接件(6)通过螺钉固接在膝关节内侧连接件(5)上，足尖(8)通过螺钉与足尖连接件(7)固接；所述大腿支架(9)两侧分别设置有第一气动肌肉(12)和第二气动肌肉(11)，第一气动肌肉(12)和第二气动肌肉(11)的两端分别通过气动肌肉连接件(17)与髋关节连接件(4)和膝关节内侧连接件(5)铰接，所述小腿支架(10)两侧分别设置有第三气动肌肉(13)和第四气动肌肉(14)，第三气动肌肉(13)和第四气动肌肉(14)的两端分别通过气动肌肉连接件(17)与膝关节外侧连接件(4)和足尖连接件(7)铰接。

2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人，其特征在于：所述髋关节连接件(4)与膝关节内侧连接件(6)上均设有第一弧形长孔(20)，螺钉穿过第一弧形长孔(20)将髋关节连接件(4)固定在躯干支架(1)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的仿生四足机器人，其特征在于：所述膝关节内侧连接件(5)上设有第二弧形长孔(21)，螺钉穿过第二弧形长孔(21)将膝关节外侧连接件(6)固定在膝关节内侧连接件(5)上。