仿生四足機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿生四足機器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎組成脊椎，腿部包括前后兩對腿，兩對腿分別通過具有俯仰和側擺兩個自由度的髖關節(jié)與前肩梁和后肩梁相連，前脊椎一端呈懸臂梁狀水平固定于前肩梁中部，另一端與后脊椎活動聯(lián)接，后脊椎固定于后肩梁上；每一條腿都是大腿和小腿一體化結構，大腿是剛性板，膝部和小腿是由有彈性的鋼板構成；前脊椎的后端呈稍寬的長方形，該長方形中心處設有一通孔，通孔中設置有橡膠圈，前脊椎的后端通過一穿過橡膠圈的長銷軸及螺母與后脊椎相連，且長銷軸與橡膠圈之間有間隙；前脊椎后端分別固定有上、下、左、右四個向外自由穿出后脊椎框架的銷，每個銷上均套有彈簧。
【專利說明】仿生四足機器人

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人，尤其是一種仿生四足機器人。

【背景技術】
[0002]目前，四足機器人大多采用剛性機體結構，存在軀體姿態(tài)不平穩(wěn)和地面沖擊力大等問題，無法滿足跳躍，奔跑等高速運動，也不能在不平的地面穩(wěn)定行走，為克服上述不足，提高四足機器人的動態(tài)性能，非常需要設計一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順四足機器人。四足機器人身體需要具有俯仰的自由度，橫滾自由度，和偏轉自由度。腿部要有彈性。
[0003]中國專利申請:201110196221.7公開了一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順四足機器人。分為前軀干、脊柱、腰部、后軀干以及四條結構相同的腿幾部分；前軀干或后軀干中的軸承與各條腿上的法蘭軸構成轉動副，前軀干與脊柱用轉動副聯(lián)接，由電機和齒輪組驅動，使機器人身體具有俯仰的自由度，脊柱與腰部用帶有扭簧的轉動副聯(lián)接，使機器人身體具有橫滾自由度，腰部和后軀干也用帶有扭簧的轉動副聯(lián)接，使機器人身體具有偏轉自由度，機器人腿部由大腿，小腿構成，都由電機和齒輪組驅動，小腿裝有壓簧。該專利申請結構較為復雜，制作成本高，驅動多，能耗高。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種仿生四足機器人，該機器人的運動穩(wěn)定性好，減小了機器人的沖擊。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
一種仿生四足機器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎組成脊椎，所述腿部包括前后兩對腿，兩對腿分別通過具有俯仰和側擺兩個自由度的髖關節(jié)與前肩梁和后肩梁相連，前脊椎一端呈懸臂梁狀水平固定于前肩梁中部，另一端與后脊椎活動聯(lián)接，后脊椎固定于后肩梁上，依靠懸臂梁的變形提供脊椎豎直方向的自由度；
每一條腿都是大腿和小腿一體化結構，大腿是剛性板，膝部和小腿是由有彈性的鋼板構成；機器人行走時，膝部和小腿可有彎曲變形以緩沖沖擊。驅動時，只在大腿處加電機驅動即可。
[0006]所述前脊椎的后端呈比中部稍寬的長方形，該長方形中心處設有一通孔，通孔中設置有橡膠圈，前脊椎的后端通過一穿過橡膠圈的長銷軸及螺母與后脊椎相連，且長銷軸與橡膠圈之間有間隙；
所述前脊椎后端的長方形部分的相對兩個對角處分別固定有一個垂直向下、一個垂直向上均穿出后脊椎的下銷和上銷，另兩個相對對角處分別固定有一個水平向左、一個水平向右均穿出后脊椎的左銷和右銷，所述上銷、下銷、左銷和右銷與后脊椎上的穿出口之間均為間隙配合，所述前、后脊椎之間的上銷、下銷、左銷和右銷上均套有一彈簧，依靠彈簧的壓縮或伸長，提供脊椎的橫滾自由度和偏轉自由度。
[0007]所述后脊椎是由后脊椎上板、后脊椎下板和左右擋板通過螺栓、螺母聯(lián)接組成的長方體框架結構。
[0008]所述髖關節(jié)上下水平設置有兩個呈十字交叉的孔，髖關節(jié)分別經(jīng)銷軸穿過上、下孔與腿部上端及前、后肩梁活動鉸接。
[0009]所述前脊椎的俯視圖大體呈工字型，即兩頭寬中間細。
[0010]所述前脊椎是由鋼板組成，前脊椎后半部可變形。
[0011]所述膝部和小腿的彈性鋼板的厚度小于大腿鋼板的厚度。
[0012]所述腿部的前腿和后腿的彎曲方向相對。
[0013]本發(fā)明是由四條柔性腿、四個髖關節(jié)、前肩梁、后肩梁、前脊椎、后脊椎組成。四條腿分別通過四個髖關節(jié)與前肩梁、后肩梁相連。每個髖關節(jié)具有兩個自由度(俯仰和側擺)。
[0014]本發(fā)明的四條柔性腿都是大腿和小腿一體化。大腿是剛性的，膝部和小腿是由有彈性的薄鋼板構成。當機器人行走時，膝部和小腿可有一定的彎曲變形，以緩沖沖擊。
[0015]兩條前腿通過髖關節(jié)與前肩梁聯(lián)接；前脊椎的前端通過螺栓、螺母聯(lián)接在前肩梁上，后脊椎是由后脊椎上板和后脊椎下板組成的長方體框架結構，并通過螺栓和螺母與后肩梁聯(lián)接；兩條后腿分別通過髖關節(jié)與后肩梁聯(lián)接。
[0016]本發(fā)明的柔性脊椎具有豎直方向的俯仰自由度，水平方向的偏轉自由度，以及脊椎的橫滾自由度。前脊椎呈懸臂梁狀固定在前肩梁上，依靠懸臂梁的變形提供脊椎豎直方向的自由度。前脊椎通過長銷軸和螺母與后脊椎相連，長銷軸穿過前脊椎后端的中心孔，此中心孔處設有一橡膠圈。長銷軸與橡膠圈間有間隙。當前脊椎后半部有橫滾或沿脊椎軸線前后有變形時，此橡膠圈可徑向變形以緩沖沖擊。
[0017]前脊椎的后端對角處固定上銷，上銷上套有上彈簧，另一對角處固定下銷，下銷上套有下彈簧，當脊椎橫滾時，上彈簧和下彈簧可同時壓縮或伸長，提供脊椎的橫滾自由度。前脊椎的后端水平面處的對角處固定右銷，右銷上套有右彈簧，另一對角處固定左銷和套在左銷上的左彈簧，當前脊椎后部相對于后脊椎水平面方向需要偏轉時，右彈簧和左彈簧可同時壓縮或伸長，提供脊椎的偏轉自由度。
[0018]本發(fā)明是具有柔性腰部和彈性腿的柔順四足機器人。四足機器人身體具有俯仰的自由度，橫滾自由度和偏轉自由度，腿部有彈性。本發(fā)明采用柔性機構替代傳統(tǒng)的剛性結構，增加機器人的運動穩(wěn)定性，減小機器人的沖擊。驅動時，只在大腿處加電機驅動即可。驅動減少，能耗降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是圖2中A-A向剖視圖；
圖2是一個實施例的俯視圖；
圖3是圖1中I部分放大圖；
圖4是圖2中II部分放大圖；
圖5是圖2中D-D向即腰部剖視圖；
圖6是圖2中B-B向剖視即后脊椎聯(lián)接圖；
圖7是圖1中E-E向即髖關節(jié)剖視圖；
圖8是彈簧布置圖；
圖9是前脊椎俯視圖； 圖10是后脊椎主視剖面圖；
圖11是一個實施例的三維圖；
其中1.第一螺栓，2.第一螺母，3.上彈簧，4.上銷，5.第二螺栓，6.第二螺母，7.下銷，8.髖關節(jié)，9.下彈簧，10.左彈簧，11.后肩梁，12.后腿，13.第三螺栓，14.第三螺母，15.前腿，16.前肩梁，17.第四螺栓，18第四螺母，19.前脊椎，20.后脊椎下板，21.右擋板，22.右銷，23.右彈簧，24.橡膠圈，25.長銷軸，26.第五螺母，27.后脊椎上板，28.左擋板，29.左銷。

【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0021]如圖1-11所示，仿生四足機器人主要由四條柔性腿、四個髖關節(jié)8、前肩梁16、后肩梁11、前脊椎19、后脊椎組成。所述腿部包括前后兩對腿，四條腿分別通過四個髖關節(jié)8與前肩梁16、后肩梁22相連。每個髖關節(jié)8具有兩個自由度(俯仰和側擺)。髖關節(jié)8上下水平設置有兩個呈十字交叉的孔，髖關節(jié)8分別經(jīng)銷軸穿過上、下孔與腿部上端及前、后肩梁16、11活動鉸接。后脊椎固定于后肩梁11上。
[0022]四條柔性腿的每一條腿都是大腿和小腿一體化結構，大腿是剛性板，膝部和小腿是由有彈性的鋼板構成；機器人行走時，膝部和小腿可有彎曲變形以緩沖沖擊。驅動時，只在大腿處加電機驅動即可。前腿15和后腿12的彎曲方向相對。兩條前腿15通過髖關節(jié)8與前肩梁16聯(lián)接；兩條后腿12通過髖關節(jié)8與后肩梁11聯(lián)接。
[0023]柔性脊椎具有豎直方向的俯仰自由度，水平方向的偏轉自由度，以及脊椎的橫滾自由度。前脊椎19是由鋼板組成，前脊椎后半部可變形。前脊椎19的俯視圖大體呈工字型，即兩頭寬中間細。前脊椎19 (圖9)的前端通過第四螺栓17、第四螺母18連接在前肩梁16上。后脊椎由后脊椎上板27、后脊椎下板20和左、右擋板28、21通過第三螺栓13、第三螺母14聯(lián)接組成的長方體框架結構，并通過第一螺栓I和第一螺母2與后肩梁11聯(lián)接。
[0024]前脊椎19呈懸臂梁狀態(tài)，其前端固定在前肩梁16中部，依靠懸臂梁的變形提供脊椎豎直方向的自由度。前脊椎19后端呈比中部稍寬的長方形，該長方形中心處設有一通孔，通過長銷軸25穿過該通孔與后脊椎相連，并通過第五螺母26固定，此通孔中設有一橡膠圈24。長銷軸25與橡膠圈24間有間隙。當前脊椎后半部有橫滾或沿脊椎軸線前后有變形時，此橡膠圈24可徑向變形以緩沖沖擊。
[0025]前脊椎19的后端長方形的一個對角處通過第二螺栓5和第二螺母6固定垂直向上自由穿出后脊椎的上銷4，前脊椎19與后脊椎之間的上銷4上套有上彈簧3 ;另一相對的對角處通過第二螺栓5和第二螺母6固定垂直向下自由穿出后脊椎的下銷7，前脊椎19與后脊椎之間的下銷7上套有下彈簧9。當脊椎橫滾時，上彈簧3和下彈簧9可同時壓縮或伸長，提供脊椎的橫滾自由度。
[0026]前脊椎19的后端水平面處的剩余的兩個對角處的其中一個對角處固定水平向右自由穿出后脊椎的右銷22，前脊椎19與后脊椎之間的右銷22上套有右彈簧23 ;另一對角處固定水平向左自由穿出后脊椎的左銷29和套在左銷29上的左彈簧10。當前脊椎后部相對于后脊椎水平面方向需要偏轉時，右彈簧23和左彈簧10可同時壓縮或伸長，提供脊椎的偏轉自由度。彈簧布置見圖8。上銷4、下銷7、左銷29和右銷22與后脊椎上的穿出口之間均為間隙配合。
[0027]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種仿生四足機器人，其特征是，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎組成脊椎，所述腿部包括前后兩對腿，兩對腿分別通過具有俯仰和側擺兩個自由度的髖關節(jié)與前肩梁和后肩梁相連，前脊椎一端呈懸臂梁狀水平固定于前肩梁中部，另一端與后脊椎活動聯(lián)接，后脊椎固定于后肩梁上，依靠懸臂梁的變形提供脊椎豎直方向的自由度； 四條柔性腿的每一條腿都是大腿和小腿一體化結構，大腿是剛性板，膝部和小腿是由有彈性的鋼板構成；機器人行走時，膝部和小腿有彎曲變形以緩沖沖擊，驅動時，只在大腿處加電機驅動即可； 所述前脊椎的后端呈比中部寬的長方形，該長方形中心處設有一通孔，通孔中設置有橡膠圈，前脊椎的后端通過一穿過橡膠圈的長銷軸及螺母與后脊椎相連，且長銷軸與橡膠圈之間有間隙； 所述前脊椎后端的長方形部分的相對兩個對角處分別固定有一個垂直向下、一個垂直向上均穿出后脊椎的下銷和上銷，另兩個相對對角處分別固定有一個水平向左、一個水平向右均穿出后脊椎的左銷和右銷，所述上銷、下銷、左銷和右銷與后脊椎上的穿出口之間均為間隙配合，所述前、后脊椎之間的上銷、下銷、左銷和右銷上均套有一彈簧，依靠彈簧的壓縮或伸長，提供脊椎的橫滾自由度和偏轉自由度。
2.如權利要求1所述的仿生四足機器人，其特征是，所述后脊椎是由后脊椎上板、后脊椎下板和左、右擋板通過螺栓、螺母聯(lián)接組成的長方體框架結構。
3.如權利要求1所述的仿生四足機器人，其特征是，所述髖關節(jié)上下水平設置有兩個呈十字交叉的孔，髖關節(jié)分別經(jīng)銷軸穿過上、下孔與腿部上端及前、后肩梁活動鉸接。
4.如權利要求1所述的仿生四足機器人，其特征是，所述前脊椎的俯視圖大體呈工字型，即兩頭寬中間細。
5.如權利要求1所述的仿生四足機器人，其特征是，所述前脊椎是由鋼板組成，前脊椎后半部可變形。
6.如權利要求1所述的仿生四足機器人，其特征是，所述膝部和小腿的彈性鋼板的厚度小于大腿鋼板的厚度。
7.如權利要求1所述的仿生四足機器人，其特征是，所述腿部的前腿和后腿的彎曲方向相對。
【文檔編號】B62D57/032GK104309716SQ201410520580
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權日:2014年9月30日
【發(fā)明者】馬宗利, 劉永超, 朱彥防, 王建明 申請人:山東大學