專利名稱：一種基于仿生設(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種基于仿生設(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的加深，越來(lái)越多的智能仿生器械被開發(fā)出來(lái)。智能仿生機(jī)器人以自然界中的生物作為研究對(duì)象，用機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬生物組織的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而探索其運(yùn)動(dòng)機(jī)理。開發(fā)小型化、輕便化和適應(yīng)性強(qiáng)的仿生四腿機(jī)器人對(duì)促進(jìn)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展具有重要意義，這類仿生機(jī)器人在科學(xué)研究、示范教學(xué)以及益智娛樂(lè)等方面具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。中國(guó)專利號(hào)CN 101927793 A公開了一種“匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)”，該四足機(jī)器人有機(jī)體和固定在上面的四條肢體，每條肢體采用三個(gè)舵機(jī)控制，舵機(jī)間為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)連接桿件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于要求小型、輕便的仿生機(jī)器人。 同時(shí)該結(jié)構(gòu)中機(jī)體是一個(gè)整體，限制了運(yùn)動(dòng)的靈活性。中國(guó)專利號(hào)CN 101811525 A公開了一種“具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)”，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)的在軀干下面布置四條腿，均采用液壓驅(qū)動(dòng)，每條腿有具有冗余自由度，增加了機(jī)構(gòu)控制的復(fù)雜性。另外液壓驅(qū)動(dòng)提高了整套機(jī)構(gòu)的體積和重量，不方便攜帶運(yùn)輸和拆裝。中國(guó)專利號(hào)CN 101791994 A公開了“一種凸輪驅(qū)動(dòng)控制式四足機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)”，機(jī)構(gòu)分為前后腿組件和連接前后腿組件的萬(wàn)向連接組件。其中萬(wàn)向節(jié)連接組件僅僅是提供一個(gè)被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式，不能對(duì)人為的對(duì)其控制，不利于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和平衡控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)更加緊湊、安裝和搬運(yùn)更加方便，更有利于提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性、更好地吸收足部沖擊力、具有感知外部環(huán)境作用的基于仿生設(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)?；诜律O(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括身體框架和四條腿部；四條腿部固定在身體框架上；四條腿部包括髖部、大腿部、膝部和小腿部；髖部連接大腿部，大腿部連接膝部，膝部連接小腿部；身體框架包括身體前板、身體后板、前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭、后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭、第一電機(jī)和柔性手柄；前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭固定在身體前板上，后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭固定在身體后板上，前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭和后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第一電機(jī)固定在前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭上，第一電機(jī)輸出軸連接到后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭，柔性手柄的兩端分別固定在身體前板和身體后板上；髖部包括第二電機(jī)、第一正齒輪組、第一驅(qū)動(dòng)固定架、第一太陽(yáng)錐齒輪、行星錐齒輪、行星支架、第二太陽(yáng)錐齒輪、第二驅(qū)動(dòng)固定架、 第二正齒輪組和第三電機(jī)；第二電機(jī)輸出軸連接第一正齒輪組的輸入輪，第三電機(jī)輸出軸連接第二正齒輪組的輸入輪，第一正齒輪組的輸出輪連接第一太陽(yáng)錐齒輪，第二正齒輪組的輸出輪連接第二太陽(yáng)錐齒輪，第一太陽(yáng)錐齒輪、第二太陽(yáng)錐齒輪和行星錐齒輪與行星支架構(gòu)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，第一驅(qū)動(dòng)固定架和第二驅(qū)動(dòng)固定架固定在身體前板上，同時(shí)支撐第一太陽(yáng)錐齒輪和第二太陽(yáng)錐齒輪和行星錐齒輪；大腿部包括脹緊套、大腿桿、第四電機(jī)和電機(jī)座，大腿桿與行星錐齒輪輸出軸通過(guò)脹緊套固定，第四電機(jī)通過(guò)電機(jī)座固定在大腿桿內(nèi)；膝部包括膝關(guān)節(jié)錐齒輪組、齒輪外殼和錐齒輪軸；第四電機(jī)輸出軸上安裝有膝關(guān)節(jié)錐齒輪組的輸入錐齒輪，與膝關(guān)節(jié)軸上的膝關(guān)節(jié)錐齒輪組的輸出錐齒輪相互嚙合，齒輪外殼固定在大腿桿上，同時(shí)支撐膝關(guān)節(jié)軸；小腿部包括左小腿板、右小腿板、大圓筒、錐形彈簧、小圓筒和力傳感器；左小腿板和右小腿板連接膝部中的錐齒輪軸兩端，并與大圓筒上端固定，大圓筒下端中空，小圓筒一端套在大圓筒內(nèi)，兩者通過(guò)錐形彈簧連接，銷子插在大圓筒和小圓筒相互配合的槽內(nèi)，小圓筒另一端安裝有力傳感器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，安裝拆卸方便的特點(diǎn)，加入的身體關(guān)節(jié)令機(jī)器人更加適合高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，腿部的緩沖裝置和力傳感器使運(yùn)動(dòng)控制可靠性容易得到保證。


圖1是四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)整體實(shí)物圖； 圖2是四腿機(jī)器人身體框架實(shí)物圖； 圖3是四腿機(jī)器人單腿實(shí)物圖4是四腿機(jī)器人髖部裝配圖； 圖5是四腿機(jī)器人大腿部、膝部和小腿部裝配圖； 圖中身體框架1、腿部2、身體前板3、身體后板4、前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭5、后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭6、第一電機(jī)7、柔性綁帶8、髖部9、大腿部10、膝部11、小腿部12、第二電機(jī)13、第一正齒輪組14、 第一驅(qū)動(dòng)固定架15、第一太陽(yáng)錐齒輪16、行星錐齒輪17、行星支架18、第二太陽(yáng)錐齒輪19、 第二驅(qū)動(dòng)固定架20、第二正齒輪組21、第三電機(jī)22、脹緊套23、大腿桿M、第四電機(jī)25、電機(jī)座沈、膝關(guān)節(jié)錐齒輪組27、齒輪外殼觀、錐齒輪軸四、左小腿板30、右小腿板31、大圓筒 32、錐形彈簧33、小圓筒34、力傳感器35。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。如圖1，2，3，4，5所示，基于仿生設(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括身體框架1和四條腿部2 ；四條腿部2固定在身體框架1上；四條腿部2包括髖部9、大腿部10、膝部11和小腿部12 ；髖部9連接大腿部10，大腿部10連接膝部11，膝部11連接小腿部12 ；身體框架1包括身體前板3、身體后板4、前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭5、后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭6、第一電機(jī)7和柔性手柄8 ；前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭5固定在身體前板3上，后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭6固定在身體后板4上，前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭5和后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭6構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第一電機(jī)7固定在前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭5上，第一電機(jī)7輸出軸連接到后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭 6，柔性手柄8的兩端分別固定在身體前板3和身體后板4上；髖部9包括第二電機(jī)13、第一正齒輪組14、第一驅(qū)動(dòng)固定架15、第一太陽(yáng)錐齒輪16、行星錐齒輪17、行星支架18、第二太陽(yáng)錐齒輪19、第二驅(qū)動(dòng)固定架20、第二正齒輪組21和第三電機(jī)22 ；第二電機(jī)13輸出軸連接第一正齒輪組14的輸入輪，第三電機(jī)22輸出軸連接第二正齒輪組21的輸入輪，第一正齒輪組14的輸出輪連接第一太陽(yáng)錐齒輪16，第二正齒輪組21的輸出輪連接第二太陽(yáng)錐齒輪19，第一太陽(yáng)錐齒輪16、第二太陽(yáng)錐齒輪19和行星錐齒輪17與行星支架18構(gòu)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，第一驅(qū)動(dòng)固定架15和第二驅(qū)動(dòng)固定架20固定在身體前板3上，同時(shí)支撐第一太陽(yáng)錐齒輪16和第二太陽(yáng)錐齒輪19和行星錐齒輪17 ；大腿部10包括脹緊套23、大腿桿24、第四電機(jī)25和電機(jī)座沈，大腿桿M與行星錐齒輪17輸出軸通過(guò)脹緊套23固定，第四電機(jī) 25通過(guò)電機(jī)座沈固定在大腿桿M內(nèi)；膝部11包括膝關(guān)節(jié)錐齒輪組27、齒輪外殼28和錐齒輪軸四；第四電機(jī)25輸出軸上安裝有膝關(guān)節(jié)錐齒輪組27的輸入錐齒輪，與膝關(guān)節(jié)軸四上的膝關(guān)節(jié)錐齒輪組27的輸出錐齒輪相互嚙合，齒輪外殼觀固定在大腿桿M上，同時(shí)支撐膝關(guān)節(jié)軸四；小腿部12包括左小腿板30、右小腿板31、大圓筒32、錐形彈簧33、小圓筒 34和力傳感器35 ；左小腿板30和右小腿板31連接膝部11中的錐齒輪軸四兩端，并與大圓筒32上端固定，大圓筒32下端中空，小圓筒34 —端套在大圓筒32內(nèi)，兩者通過(guò)錐形彈簧33連接，銷子插在大圓筒32和小圓筒34相互配合的槽內(nèi)，小圓筒34另一端安裝有力傳感器；35。 本發(fā)明的工作過(guò)程如下身體框架1上的第一電機(jī)7的輸出軸帶動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭6 轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)身體前板3和身體后板4的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合的靈活性，機(jī)器人的搬運(yùn)通過(guò)柔性手柄8能夠很方便的實(shí)現(xiàn)，髖部9的第一太陽(yáng)錐齒輪16、第二太陽(yáng)錐齒輪19和行星錐齒輪17組成差動(dòng)錐齒輪組合，第二電機(jī)13和第三電機(jī)22分別驅(qū)動(dòng)第一太陽(yáng)錐齒輪16和第二太陽(yáng)錐齒輪19，兩者運(yùn)動(dòng)傳遞到行星錐齒輪17，行星錐齒輪17 的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)屈/伸、內(nèi)收/外展兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)力矩增大，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的魯棒性。大腿桿M與行星錐齒輪17輸出軸通過(guò)脹緊套23固定，采用這種方式方便了對(duì)機(jī)器人腿部的安裝和拆卸，大腿桿M中固定第四電機(jī)25，合理分配腿部重心，更有利于機(jī)器人的平衡控制，通過(guò)第四電機(jī)25輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到錐齒輪軸四，左小腿板30和右小腿板31固定在錐齒輪軸四兩端，這樣就實(shí)現(xiàn)了大腿部10和小腿部12的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。大圓筒32中空，小圓筒34套在大圓筒32內(nèi)，兩者通過(guò)錐形彈簧33連接，銷子插在大圓筒32和小圓筒34相互配合的槽內(nèi)，可以防止小圓筒34從大圓筒32中脫落，小圓筒34另一端安裝有力傳感器35，在足底受到?jīng)_擊時(shí)，小圓筒34通過(guò)壓縮錐形彈簧 33與大圓筒32之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，減緩了沖力對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的影響，以適應(yīng)崎嶇的地面。同時(shí)，足底的力傳感器35用于采集地面的作用力，便于實(shí)時(shí)感知外部環(huán)境以及對(duì)機(jī)器人進(jìn)行平衡控制。
權(quán)利要求
1. 一種基于仿生設(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其特征在于包括身體框架(1)和四條腿部 (2)；四條腿部(2)固定在身體框架(1)上；四條腿部(2)包括髖部(9)、大腿部(10)、膝部 (11)和小腿部(12);髖部(9)連接大腿部(10)，大腿部(10)連接膝部(11)，膝部(11)連接小腿部(12)；身體框架(1)包括身體前板(3)、身體后板(4)、前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(5)、后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭 (6)、第一電機(jī)(7)和柔性手柄(8);前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(5)固定在身體前板(3)上，后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(6) 固定在身體后板(4)上，前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(5)和后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(6)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第一電機(jī)(7)固定在前轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(5)上，第一電機(jī)(7)輸出軸連接到后轉(zhuǎn)動(dòng)法蘭(6)，柔性手柄(8)的兩端分別固定在身體前板(3)和身體后板(4)上；髖部(9)包括第二電機(jī)(13)、第一正齒輪組(14)、 第一驅(qū)動(dòng)固定架(15)、第一太陽(yáng)錐齒輪(16)、行星錐齒輪(17)、行星支架(18)、第二太陽(yáng)錐齒輪(19)、第二驅(qū)動(dòng)固定架(20)、第二正齒輪組(21)’和第三電機(jī)(22)；第二電機(jī)(13)輸出軸連接第一正齒輪組(14)的輸入輪，第三電機(jī)(22)輸出軸連接第二正齒輪組(21)的輸入輪，第一正齒輪組(14)的輸出輪連接第一太陽(yáng)錐齒輪(16)，第二正齒輪組(21)的輸出輪連接第二太陽(yáng)錐齒輪(19)，第一太陽(yáng)錐齒輪(16)、第二太陽(yáng)錐齒輪(19)和行星錐齒輪(17) 與行星支架(18)構(gòu)成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，第一驅(qū)動(dòng)固定架(15)和第二驅(qū)動(dòng)固定架(20)固定在身體前板(3 )上，同時(shí)支撐第一太陽(yáng)錐齒輪(16)和第二太陽(yáng)錐齒輪(19)和行星錐齒輪(17); 大腿部(10)包括脹緊套(23)、大腿桿(24)、第四電機(jī)(25)和電機(jī)座(26)，大腿桿(24)與行星錐齒輪(17 )輸出軸通過(guò)脹緊套(23 )固定，第四電機(jī)(25 )通過(guò)電機(jī)座(26 )固定在大腿桿(24)內(nèi)；膝部(11)包括膝關(guān)節(jié)錐齒輪組(27)、齒輪外殼(28)和錐齒輪軸(29)；第四電機(jī)(25)輸出軸上安裝有膝關(guān)節(jié)錐齒輪組(27)的輸入錐齒輪，與膝關(guān)節(jié)軸(29)上的膝關(guān)節(jié)錐齒輪組(27)的輸出錐齒輪相互嚙合，齒輪外殼(28)固定在大腿桿(24)上，同時(shí)支撐膝關(guān)節(jié)軸(29)；小腿部(12)包括左小腿板(30)、右小腿板(31)、大圓筒(32)、錐形彈簧(33)、小圓筒(34)和力傳感器(35);左小腿板(30)和右小腿板(31)連接膝部(11)中的錐齒輪軸(29) 兩端，并與大圓筒(32)上端固定，大圓筒(32)下端中空，小圓筒(34) —端套在大圓筒(32) 內(nèi)，兩者通過(guò)錐形彈簧(33)連接，銷子插在大圓筒(32)和小圓筒(34)相互配合的槽內(nèi)，小圓筒(34)另一端安裝有力傳感器(35)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于仿生設(shè)計(jì)的四腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)。由身體框架和四條腿部組成。身體框架由前板和后板組成，兩側(cè)有柔性手柄，方便搬運(yùn)；每條腿部包含髖部、大腿部、膝部和小腿部，髖部采用差動(dòng)錐齒輪實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度；髖部和大腿部采用脹緊套聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)快速方便的拆裝；膝部采用錐齒輪傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)；小腿包括大圓筒、小圓筒、錐形彈簧和力傳感器，小圓筒和大圓筒通過(guò)錐形彈簧連接，能夠減緩機(jī)器人行走過(guò)程中外部沖擊力，足底力傳感器采集地面作用力，便于實(shí)時(shí)感知外部環(huán)境以及對(duì)機(jī)器人進(jìn)行平衡控制。本發(fā)明通過(guò)仿生的設(shè)計(jì)思想，模擬設(shè)計(jì)了機(jī)器人的脊髓和柔性足部機(jī)構(gòu)，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性，減輕了地面對(duì)機(jī)器人的沖擊力，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。
文檔編號(hào)B62D57/032GK102211627SQ20111010648
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者嚴(yán)華, 朱秋國(guó), 熊蓉, 褚健 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)