專利名稱：一種液壓驅動式四足機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人技術應用領域，具體涉及一種液壓驅動式四足機器人。
背景技術：
適應山地環(huán)境的足式機器人是當今機器人研究領域最為前沿的課題之一，它集機 械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術及人工智能等多門學科于一體，反映了一個國家 的智能化和自動化研究水平，同時也作為一個國家高科技實力的重要標志，各發(fā)達國家在 該領域相繼投入巨資開展研究。足式機器人能夠實現(xiàn)復雜地面爬坡，可調整前后端高低體位運動相結合的方式， 滿足更大坡度的山地環(huán)境運動要求，增強了山地環(huán)境運動的適應性，提高了足式機器人的 移動能力。可依據(jù)行走的速度和地面狀況，可選擇不同的運動方式，因此足式機器人的步態(tài) 轉變方式為節(jié)約能耗、實現(xiàn)高效運動提供有利途徑。具有液壓驅動的四足機器人將在山地 救災、物資運輸、林地勘測等特殊復雜環(huán)境下有巨大的需求背景。比較國內(nèi)外較為著名的足式機器人，其中MIT, Stanford, Carnegie Mellon等研 究機構研制的“LittleDog”是一款用于研究動力學的四足機器人，采用直流電機驅動錐齒 輪實現(xiàn)關節(jié)運動方式。TITAN-VIII機器人每足具有三個自由度，其中大腿關節(jié)具有前后轉 動和上下轉動兩個自由度，膝關節(jié)具有一個上下轉動自由度，實現(xiàn)在不平地面的靜態(tài)穩(wěn)定 運行，關節(jié)驅動也采用電機驅動。由于現(xiàn)有的電機驅動具有承載能力差缺點，為了能夠承載 更高負載的要求，通常也采用液壓驅動方式，如美國軍方“Bigdog”四足機器人可以攀越35 度的斜坡，可以承載40多公斤的裝備，約相當于其重量的30%，其液壓裝置由單缸兩沖程發(fā) 動機驅動。能夠自行沿著簡單的路線行進，或被遠程控制?？稍谏降?、冰雪地等環(huán)境中行走， 具有較好的適應性。山東大學榮學文等發(fā)明的《具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構》 (申請?zhí)?201010153672. 8))具有與Bigdog相似的運動機構。在液壓缸直線驅動實現(xiàn)足 式機器人關節(jié)轉動方式中，采用伸縮四連桿機構實現(xiàn)，(如美國軍方的Bigdog四足機器人、 山東大學榮學文發(fā)明的《具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構》(申請?zhí)?201010153672. 8))。由于傳統(tǒng)的伸縮四連桿機構運動時會出現(xiàn)運動關節(jié)轉速與液壓缸移動 速度之間速比k隨不同運動位置而明顯不同。由于足式機器人關節(jié)受力的復雜性及其特殊 性，即在關節(jié)運動速度和驅動力矩大小這兩者的均衡性上有特殊要求，對關節(jié)運動機構設 計具有較高的設計要求。一般在關節(jié)運動到往返兩個極限位置時關節(jié)通常需要較大的驅動 力矩，而此時的伸縮四連桿機構的速比k較大使得必須選擇更大驅動功率的液壓缸才能滿 足，選擇更大功率的液壓缸更不利于足式機器人機構輕巧的客觀要求；而處于中間狀態(tài)時 所需的驅動力矩有可能較小，選擇大功率的液壓缸又不必要。這種傳統(tǒng)的伸縮四連桿機構 在同等功率的液壓驅動時足式機器人關節(jié)凸顯輸出力矩和轉動速度的不均衡缺點，使得關 節(jié)運動控制難度增加，不利于足式機器人運動實現(xiàn)，也阻礙了液壓驅動足式機器人關節(jié)設 計思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種關節(jié)控制簡單的液壓驅動式四足機器人。—種液壓驅動的四足機器人結構設計，其特征在于
包括機體以及安裝于機體上的四條腿；其中每條腿結構均相同。其中每條腿均包括 第一液壓缸缸體、第一液壓缸伸縮桿、第一平行四邊I連桿、第一平行四邊II連桿、髖部、第 二液壓缸缸體、第二液壓缸伸縮桿、第二平行四邊I連桿、第二平行四邊II連桿、大腿、第三 液壓缸缸體、第三液壓缸伸縮桿、第三平行四邊I連桿、第三平行四邊II連桿、小腿、彈簧、 伸縮足、腳掌。機體與第一液壓缸缸體通過鉸鏈連接，第一液壓缸缸體與第一液壓缸伸縮桿之間 為液壓驅動的直線移動副，第一液壓缸伸縮桿、第一平行四邊I連桿一端和第一平行四邊 II連桿一端共同鉸接，第一平行四邊I連桿另一端與機體鉸接，第一平行四邊II連桿另一 端與髖部鉸接，髖部另一端與機體鉸接后組成了髖關節(jié)左右驅動的平行四邊形伸縮四連桿 機構；第二液壓缸缸體與髖部鉸接，第二液壓缸缸體與第二液壓缸伸縮桿之間為液壓驅動 的直線移動副，第二液壓缸伸縮桿、第二平行四邊I連桿一端和第二平行四邊II連桿一端 共同鉸接，第二平行四邊I連桿另一端與髖部鉸接，第二平行四邊II連桿另一端與大腿鉸 接，大腿與髖部共同鉸接后組成了髖關節(jié)前后驅動的平行四邊形伸縮四連桿機構；第三液 壓缸缸體與大腿鉸接，第三液壓缸缸體與第三液壓缸伸縮桿之間為液壓驅動的直線移動 副，第三液壓缸伸縮桿、第三平行四邊I連桿一端和第三平行四邊II連桿一端共同鉸接，第 三平行四邊I連桿另一端與大腿鉸接，第三平行四邊II連桿另一端與小腿鉸接，小腿與大 腿鉸接后組成了膝關節(jié)驅動的平行四邊形伸縮四連桿機構；小腿與伸縮足之間為直線移動 副，兩者之間通過彈簧進行約束，具有緩沖蓄能作用；腳掌與伸縮足固連，腳掌為柔性材料， 具有增加摩擦系數(shù)和增加阻尼作用，能為足式機器人提供更高摩擦力、減小沖擊力。本發(fā)明的工作原理為現(xiàn)有的液壓驅動足式機器人中均采用伸縮四連桿機構實現(xiàn) 液壓直線驅動帶動關節(jié)轉動，因此本發(fā)明注重提出基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動 機構，使運動關節(jié)轉速與液壓缸移動速度之間速比k在不同運動位置時基本保持相同。以 膝關節(jié)為例，基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構運動時，通過直線移動裝置帶動 平行四邊形桿件轉動，最終實現(xiàn)大腿和小腿之間轉角變化，完成了液壓缸等裝置的這種直 線運動到關節(jié)轉動的運動傳動。由于平行四邊形的運動特點，使得驅動伸縮四連桿運動的 力與轉動關節(jié)點之間力臂變化較小，比單純的伸縮四連桿具有運動輸出更為穩(wěn)定特點。液 壓驅動的四足機器人關節(jié)設計采用基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構提高了足 式機器人關節(jié)的運動性能，為機構輕巧、運動高效的足式機器人關節(jié)設計提供機構創(chuàng)新和 優(yōu)化方式。液壓驅動的多關節(jié)運動協(xié)調控制，實現(xiàn)了四足機器人在復雜山地等環(huán)境下高負 載和高效的移動功能。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點
1、本發(fā)明能夠實現(xiàn)直線運動到關節(jié)轉動的運動傳動，結合平行四邊形的運動特點，比 單純的伸縮四連桿具有運動輸出更為穩(wěn)定特點。2、本發(fā)明的結構簡單、運動原理清晰、運動實現(xiàn)方便，滿足足式機器人在不同條件 下關節(jié)特殊運動的性能要求，為高效穩(wěn)定運動提供機構運動保障。
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3、本發(fā)明改善了原有伸縮四連桿機構性能，提高了足式機器人關節(jié)運動性能，降 低了液壓等直線驅動的足式機器人關節(jié)的控制難度，提高了四足機器人的運動效率，為足 式機器人結構創(chuàng)新設計提供有利途徑和良好的方式方法。


圖1是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計總體分布圖2是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計A向右前腿分解示意圖； 圖3是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計B向右前腿分解示意圖； 圖4是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計的主視圖； 圖5是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計的俯視圖； 圖6是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計的左視圖； 圖7是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計的三維效果圖； 圖8是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構示意圖9是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構運動示意圖10是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構狀態(tài)1示意圖11是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構狀態(tài)2示意圖12是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構狀態(tài)3示意圖13是本發(fā)明一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構某尺寸下的運動仿真圖14是一種液壓驅動的四足機器人結構設計中膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮四連桿 關節(jié)傳動機構該尺寸下輸入量與輸出量數(shù)據(jù)比較上述圖中標號名稱1、機體；2、第一液壓缸缸體；3、第一液壓缸伸縮桿；4、第一 平行四邊I連桿；5、第一平行四邊II連桿；6、髖部；7、第二液壓缸缸體；8、第二液壓缸伸 縮桿；9、第二平行四邊I連桿；10、第二平行四邊II連桿；11、大腿；12、第三液壓缸缸 體；13、第三液壓缸伸縮桿；14、第三平行四邊I連桿；15、第三平行四邊II連桿；16、小 腿；17、彈簧；18、伸縮足；19、腳掌；
圖中Ey部分為右前腿分解部分；A向為針對機器人側面方向；B向為針對機器人正
面方向。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明
結合圖 1，1-2、1-3、2-1、2-2、2-3、2-4、3、4、5-1、5-2、5-3、6-1、6-2，本實施例為一種液
壓驅動的四足機器人結構設計，包括機體1以及安裝于機體上的四條腿；其中每條腿結構
均相同。其中每條腿均包括第一液壓缸缸體2、第一液壓缸伸縮桿3、第一平行四邊I連桿4、第一平行四邊II連桿5、髖部6、第二液壓缸缸體7、第二液壓缸伸縮桿8、第二平行四邊I 連桿9、第二平行四邊II連桿10、大腿11、第三液壓缸缸體12、第三液壓缸伸縮桿13、第三平 行四邊I連桿14、第三平行四邊II連桿15、小腿16、彈簧17、伸縮足18、腳掌19。如圖2和1-3所示，分別為右前腿A向和B向的結構分解示意圖，機體1與第一液 壓缸缸體2通過鉸鏈連接，第一液壓缸缸體2與第一液壓缸伸縮桿3之間為液壓驅動的直 線移動副，第一液壓缸伸縮桿3、第一平行四邊I連桿4 一端和第一平行四邊II連桿5 —端 共同鉸接，第一平行四邊I連桿4另一端與機體1鉸接，第一平行四邊II連桿5另一端與髖 部6鉸接，髖部6另一端與機體1鉸接后組成了髖關節(jié)左右驅動的平行四邊形伸縮四連桿 機構；第二液壓缸缸體7與髖部6鉸接，第二液壓缸缸體7與第二液壓缸伸縮桿8之間為 液壓驅動的直線移動副，第二液壓缸伸縮桿8、第二平行四邊I連桿9 一端和第二平行四邊 II連桿10 —端共同鉸接，第二平行四邊I連桿9另一端與髖部6鉸接，第二平行四邊II連 桿10另一端與大腿11鉸接，大腿11與髖部6共同鉸接后組成了髖關節(jié)前后驅動的平行四 邊形伸縮四連桿機構；第三液壓缸缸體12與大腿11鉸接，第三液壓缸缸體12與第三液壓 缸伸縮桿13之間為液壓驅動的直線移動副，第三液壓缸伸縮桿13、第三平行四邊I連桿14 一端和第三平行四邊II連桿15 —端共同鉸接，第三平行四邊I連桿14另一端與大腿11鉸 接，第三平行四邊II連桿15另一端與小腿16鉸接，小腿16與大腿11鉸接后組成了膝關節(jié) 驅動的平行四邊形伸縮四連桿機構；小腿16與伸縮足18之間為直線移動副，兩者之間通過 彈簧17進行約束，具有緩沖蓄能作用；腳掌19與伸縮足18固連，腳掌19為柔性材料，具有 增加摩擦系數(shù)和增加阻尼作用，能為足式機器人提供更高摩擦力、減小沖擊力。如圖4所示為一種液壓驅動的四足機器人結構設計主視圖；圖5所示為一種液壓 驅動的四足機器人結構設計俯視圖；圖6所示為一種液壓驅動的四足機器人結構設計左視 圖。最終如圖7所示為一種液壓驅動的四足機器人結構設計三維效果圖。如圖8所示為膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構示意圖，其中包 括大腿11、第三液壓缸缸體12、第三液壓缸伸縮桿13、第三平行四邊I連桿14、第三平行 四邊II連桿15、小腿16。液壓缸的直線往返移動，實現(xiàn)了膝關節(jié)轉動。如圖9所示為膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構運動示意圖，上 述液壓缸驅動力廠實現(xiàn)直線移動，驅動基于平行四邊形的伸縮四連桿，完成膝關節(jié)力矩 ·輸 出，實現(xiàn)膝關節(jié)轉動。如圖10所示，為膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構運動狀態(tài)1， 液壓缸移動最長值時的機構運動狀態(tài)；如圖11所示，為膝關節(jié)基于平行四邊形的伸縮四連 桿關節(jié)傳動機構運動狀態(tài)2，液壓缸移動處于中間值時的機構運動狀態(tài)；如圖12所示，為膝 關節(jié)基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構運動狀態(tài)3，液壓缸移動處于最短值時的 機構運動狀態(tài)。同理，基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構中液壓缸直線移動實現(xiàn) 關節(jié)的往返轉動，保證了直線驅動實現(xiàn)關節(jié)轉動的運動傳動方式，可廣泛應用于液壓等直 線驅動的足式機器人關節(jié)運動的機構設計。如圖13所示，基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構，在第三平行四邊I連 桿14和第三平行四邊II連桿15的長度尺寸均為0. Im時，當大腿11與小腿16成直角時設 為中間狀態(tài)(零狀態(tài))，此時的第三液壓缸缸體12和大腿11的鉸接點與大腿11和小腿16 的鉸接點(坐標位置為(0，0. 5m))的相對坐標位置為(0. 3m,-0. 05m)。在該尺寸下進行運動仿真，結果如圖14所示，當直線移動副在1秒內(nèi)勻速伸縮直線移動0. lm時，相應轉動關節(jié) 較為勻速的轉動了 60° (-30° _30° )，表明運動關節(jié)轉速與直線移動速度之間速比k在 不同運動位置時均較為恒定，此特性能夠減小關節(jié)運動控制難度，基于平行四邊形的伸縮 四連桿關節(jié)傳動機構比傳統(tǒng)的伸縮四連桿具有更好特性，可進一步為優(yōu)化直線驅動實現(xiàn)關 節(jié)傳動的足式機器人關節(jié)設計提供新的途徑和方式。其中第三液壓缸缸體12和大腿11的 鉸接點與大腿11和小腿16的鉸接點的相對坐標位置、第三平行四邊I連桿14和第三平行 四邊II連桿15長度尺寸進行不同組合，能夠得到關節(jié)的不同運動性能，實際應用中可調整 優(yōu)化上述尺寸大小，滿足實際工況下關節(jié)運動性能要求。
權利要求
1. 一種液壓驅動式四足機器人，其特征在于包括機體(1)以及安裝于機體上的四條 腿；其中每條腿結構均相同，均由第一液壓缸缸體(2)、第一液壓缸伸縮桿(3)、第一平行四 邊I連桿(4)、第一平行四邊II連桿(5)、髖部(6)、第二液壓缸缸體(7)、第二液壓缸伸縮 桿(8)、第二平行四邊I連桿(9)、第二平行四邊II連桿(10)、大腿(11)、第三液壓缸缸體 (12)、第三液壓缸伸縮桿(13)、第三平行四邊I連桿(14)、第三平行四邊II連桿(15)、小腿 (16)、彈簧(17)、伸縮足(18)、腳掌(19)組成；其中機體(1)與第一液壓缸缸體(2)通過鉸 鏈連接，第一液壓缸缸體(2)與第一液壓缸伸縮桿(3)之間為液壓驅動的直線移動副，第一 液壓缸伸縮桿(3)、第一平行四邊I連桿(4) 一端和第一平行四邊II連桿(5) —端共同鉸 接，第一平行四邊I連桿(4)另一端與機體(1)鉸接，第一平行四邊II連桿(5)另一端與髖 部(6 )鉸接，髖部(6 )另一端與機體(1)鉸接后組成了髖關節(jié)左右驅動的平行四邊形伸縮四 連桿機構；其中第二液壓缸缸體(7)與髖部(6)鉸接，第二液壓缸缸體(7)與第二液壓缸伸 縮桿(8)之間為液壓驅動的直線移動副，第二液壓缸伸縮桿(8)、第二平行四邊I連桿(9) 一端和第二平行四邊II連桿(10) —端共同鉸接，第二平行四邊I連桿(9)另一端與髖部 (6)鉸接，第二平行四邊II連桿(10)另一端與大腿(11)鉸接，大腿(11)與髖部(6)共同鉸接 后組成了髖關節(jié)前后驅動的平行四邊形伸縮四連桿機構；其中第三液壓缸缸體(12)與大 腿(11)鉸接，第三液壓缸缸體(12)與第三液壓缸伸縮桿(13)之間為液壓驅動的直線移動 副，第三液壓缸伸縮桿(13)、第三平行四邊I連桿(14) 一端和第三平行四邊II連桿(15) — 端共同鉸接，第三平行四邊I連桿(14)另一端與大腿(11)鉸接，第三平行四邊II連桿(15) 另一端與小腿(16)鉸接，小腿(16)與大腿(11)鉸接后組成了膝關節(jié)前后驅動的平行四邊 形伸縮四連桿機構；其中小腿(16)與伸縮足(18)之間為直線移動副，兩者之間通過具有緩 沖蓄能作用的彈簧(17)約束；腳掌(19)與伸縮足(18)固連。
全文摘要
一種液壓驅動式四足機器人，屬機器人領域。包括機體(1)及安裝于機體上的四條腿；每條腿均由第一液壓缸缸體(2)、第一液壓缸伸縮桿(3)、第一平行四邊Ⅰ連桿(4)、第一平行四邊Ⅱ連桿(5)、髖部(6)、第二液壓缸缸體(7)、第二液壓缸伸縮桿(8)、第二平行四邊Ⅰ連桿(9)、第二平行四邊Ⅱ連桿(10)、大腿(11)、第三液壓缸缸體(12)、第三液壓缸伸縮桿(13)、第三平行四邊Ⅰ連桿(14)、第三平行四邊Ⅱ連桿(15)、小腿(16)、彈簧(17)、伸縮足(18)、腳掌(19)組成。液壓驅動的四足機器人關節(jié)設計采用基于平行四邊形的伸縮四連桿關節(jié)傳動機構，實現(xiàn)關節(jié)控制的簡單化，提高了足式機器人關節(jié)的運動性能。
文檔編號B62D57/032GK102001371SQ201010554998
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權日2010年11月23日
發(fā)明者于浩, 俞志偉, 張昊, 戴振東, 李宏凱, 郭策 申請人:南京航空航天大學