帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的是一種帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，包含前軀干、后驅(qū)干、脊柱關節(jié)和彈性腿，前驅(qū)干和后軀干通過脊柱關節(jié)連接，在軀干下方的兩端分別安裝一條彈性腿，脊柱關節(jié)由端蓋、萬向節(jié)、波紋管、液壓油管、齒輪泵和電磁閥組成，上下兩個端蓋通過萬向節(jié)在中心位置連接，在上下兩個端蓋之間均勻分布四個波紋管，對稱布置的兩個波紋管通過液壓油管、齒輪泵和電磁閥連接在一起；在軀干的兩端分別裝有卷線輪，卷線輪與第二舵機的輸出軸連接，鋼絲繩的一端固定在卷線輪上、另一端固定在踝關節(jié)上。本實用新型的運動更協(xié)調(diào)、穩(wěn)定，能夠更好地模擬貓科動物的運動特征，同時也能減小落地時地面對機器人的沖擊力。
【專利說明】帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種仿生機器人，具體的說是一種仿生四足機器人。
【背景技術】
[0002]機器人是集機械、電子、計算機、傳感器、控制技術等多門學科為一體的綜合技術，反應了一個國家的智能化和自動化的研究水平，同時也是一個國家高科技技術的綜合表現(xiàn)。足式機器人有優(yōu)于輪式、履帶式和蠕動式機器人的出色表現(xiàn)，擁有多種步態(tài)，而且具有一定的越障功能，這大大提高了機器人的應用范圍，特別是在復雜地形條件下進行探險、勘察、軍事等領域都能得到廣泛的應用。
[0003]在足式機器人中，四足機器人既有優(yōu)于兩足機器人的平穩(wěn)性，又避免了六足、八足機器人結(jié)構(gòu)的復雜性，在整個足式機器人中占有很大比重，四足機器人技術研究是當前足式機器人研究領域的熱點和前沿方向之一。
[0004]目前關于大多數(shù)仿生多足機器人的研究，均是以剛性軀干為模型，并不考慮系統(tǒng)構(gòu)件的變形，不能很好的體現(xiàn)動物的運動特征，實際上運動生物的肌肉、腱和韌帶像彈簧一樣能夠儲存和釋放能量，其運動過程中具有柔性變形，動力學形態(tài)復雜。生物學家對貓科動物進行了研究，發(fā)現(xiàn)其在運動過程中，彈性的腿部結(jié)構(gòu)可以減少與地面的沖擊力，既能提高運動速度，又能提高能量利用率，在高速運動中，除了腿部的大幅度擺動外，脊柱關節(jié)也起到了很重要的作用，在貓科動物奔跑過程中，其軀干形狀并不是剛性不變的，而是可以進行彎曲和伸展的柔性體。例如根據(jù)一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順四足機器人(專利號CN201110196221.7)，其機器人的緩沖僅采用足端上方的彈簧，關節(jié)采用轉(zhuǎn)動副實現(xiàn)，為了更好的模擬貓科動物的行走，需要一種仿生機器人，更好的利用其彈性腿和柔性關節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的為了真實的反應動物的運動特征，使機器人的運動更加穩(wěn)定，更加協(xié)調(diào)而提供一種帶脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人。
[0006]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，包含前軀干、后軀干、脊柱關節(jié)和彈性腿，前軀干和后軀干通過脊柱關節(jié)連接，在前軀干和后軀干下方的兩端分別安裝彈性腿，脊柱關節(jié)包括端蓋、萬向節(jié)、波紋管、液壓油管、兩個齒輪泵和兩個電磁閥，上下兩個端蓋通過萬向節(jié)在中心位置連接，在上下兩個端蓋之間均勻分布四個波紋管，對稱布置的兩個波紋管通過液壓油管、一個齒輪泵和一個電磁閥連接在一起；在前軀干和后軀干的兩端分別裝有卷線輪，卷線輪與固定在前軀干和后軀干兩端的卷線輪舵機的輸出軸連接，鋼絲繩的一端固定在卷線輪上，鋼絲繩另一端固定在彈性腿上。
[0007]本實用新型還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征:
[0008]1.彈性腿包括滑輪、鋼絲繩、大腿、小腿、足部、壓簧和拉簧，滑輪與固定在前軀干和后軀干下方兩端的滑輪舵機連接，滑輪安裝在大腿的髖關節(jié)上，小腿的一端與大腿連接、另一端與足部連接，鋼絲繩跨過滑輪，所述鋼絲繩另一端固定在彈性腿上是指鋼絲繩的一端固定在彈性腿的踝關節(jié)上，拉簧的一端與大腿連接、另一端與足部連接，壓簧的套在導桿上。
[0009]2.彈性腿的足部的末端形狀是球形。
[0010]3.兩個齒輪泵和兩個電磁閥分別布置在上下兩個端蓋上。
[0011]帶脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，該機器人包括軀干、脊柱以及安裝于軀干上的四條腿。在前后軀干上對稱安裝四個卷線輪，卷線輪與卷線輪舵機的輸出軸相連，舵機安裝在舵機架上，舵機架安裝在軀干上。脊柱關節(jié)包括端蓋，兩端蓋之間安裝二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)和波紋管，二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)包括位于中間的十字軸、與十字軸連接的萬向節(jié)叉、與端蓋連接的萬向軸基座，第一端蓋上安裝相互連通的第一齒輪泵、第一二位四通電磁閥，第二端蓋上安裝相互連通的第二齒輪泵、第二二位四通電磁閥，所述的波紋管有四個，第一二位四通電磁閥分別連通第一、第二波紋管，第二二位四通電磁閥分別連通第三、四波紋管。
[0012]四條腿的結(jié)構(gòu)均相同，由大腿、滑輪、小腿、足部、緩沖裝置、拉簧組成。其中大腿的一端與滑輪通過轉(zhuǎn)動副相連，大腿的另一端與小腿的一端通過轉(zhuǎn)動副相連構(gòu)成膝關節(jié)，小腿的另一端與足部在足部一端的三分之一處通過轉(zhuǎn)動副連接構(gòu)成踝關節(jié)，足端采用的是橡膠球形足。其中緩沖裝置由直線軸承、直線軸承座、導桿、壓簧組成，直線軸承座與大腿在大腿一端的三分之一處通過轉(zhuǎn)動副相連，導桿端部與足部通過轉(zhuǎn)動副相連，轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線與小腿和足部的轉(zhuǎn)動副軸線共線。直線軸承安裝到直線軸承座上，導桿套在直線軸承里，導桿可以在直線軸承里自由滑動，壓簧套在導桿上。拉簧與大腿通過轉(zhuǎn)動副相連，轉(zhuǎn)動副與直線軸承座和大腿的轉(zhuǎn)動副共軸線，拉簧的另一端與足部的一端通過轉(zhuǎn)動副相連。
[0013]本實用新型提供的帶脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人與現(xiàn)有技術比具有的優(yōu)點是:本實用新型突破了傳統(tǒng)仿生四足機器人的剛性結(jié)構(gòu)，使機器人的運動更加協(xié)調(diào)、穩(wěn)定；給機器人增加了一個柔性脊柱，使機器人的脊柱關節(jié)有兩個轉(zhuǎn)動自由度，能夠更好地模擬貓科動物的運動特征；在機器人足部加了一個由拉簧組成的被動自由度，使機器人在落地時具有一個緩沖過程，減小了落地時地面對機器人的沖擊力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2是彈性腿的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3是脊柱關節(jié)結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4是脊柱關節(jié)的部分元件結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0018]本實用新型提供了一種帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，下面結(jié)合附圖對本實用新型做更詳細的描述。
[0019]實施案例一:結(jié)合圖1、圖3和圖4，本實用新型有以下幾部分組成:彈性腿1、前軀干3、脊柱關節(jié)4、后軀干6，四條腿的結(jié)構(gòu)和運動原理完全相同。滑輪舵機2安裝在前后軀干如圖1所示位置的下方，其輸出軸連接大腿11的一端。卷線輪舵機8安裝在前后軀干如圖所示位置的上方，其輸出軸連接卷線輪5。前軀干3和后軀干6通過脊柱關節(jié)4連在一起。脊柱關節(jié)4由第一端蓋24、二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)25、第一波紋管26、第二波紋管32、第三波紋管27、第四波紋管33、液壓油管28、二位四通電磁閥29、第二端蓋30、齒輪泵31組成。
[0020]第一端蓋24與第二端蓋30中間通過二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)25連接，二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)25中間的十字軸可以實現(xiàn)兩個方向的自由度變化。第一端蓋24和第二端蓋30的內(nèi)側(cè)均勻地連著第一波紋管26、第二波紋管32、第三波紋管27、第四波紋管33。第二端蓋30上固定有一套齒輪泵31和二位四通電磁閥29，第一端蓋24上也同樣有一套齒輪泵和二位四通電磁閥。齒輪泵31和二位四通電磁閥29、第三波紋管27、第四波紋管33通過液壓油管28連接，實現(xiàn)液壓油的流動。
[0021]第二端蓋30跟齒輪泵31和二位四通電磁閥29相互作用，當二位四通電磁閥29在正向工作位置時，可以通過齒輪泵31的作用，使液壓油從第三波紋管27流向第四波紋管33，第三波紋管27的液壓油減少，將發(fā)生收縮彎曲變形，第四波紋管33的液壓油增加，將發(fā)生伸長彎曲變形，從而使第一端蓋24和第二端蓋30沿著二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)的一個自由度方向轉(zhuǎn)動，當二位四通電磁閥29在負向工作位置時，此自由度可以往相反的方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)一個自由度的變化。同理，當?shù)谝欢松w24與另一套齒輪泵和二位四通電磁閥發(fā)生作用時，第一端蓋24和第二端蓋30沿著二自由度十字軸式剛性萬向節(jié)的另一個自由度方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)第二個自由度的變化。
[0022]實施案例二:結(jié)合圖2，彈性腿I由鋼絲繩9、滑輪10、大腿11、小腿14、足部16、球形足17、導桿13、直線軸承21、直線軸承座22、壓簧15、拉簧20、限位銷18組成。大腿11的一端安裝在滑輪舵機2的輸出軸上，滑輪10安裝在大腿11的髖關節(jié)23上，大腿11與小腿14連接形成膝關節(jié)12，小腿14的一端與足部16的三分之一處連接形成踝關節(jié)19，足部16的一端為橡膠球形足17。直線軸承座22的一端與大腿11的三分之一處通過轉(zhuǎn)動副連接，直線軸承21通過過盈配合安裝在直線軸承座22上，導桿13的一端套在直線軸承21里，導桿13的另一端與足部16在踝關節(jié)19處連接，壓簧15套在導桿13上。拉簧20的一端通過轉(zhuǎn)動副連接在大腿11的三分之一處，另一端與足部16的一端通過轉(zhuǎn)動副連接。限位銷18用來限制足部16的運動范圍。
[0023]該腿部結(jié)構(gòu)的功能主要是實現(xiàn)行走，通過卷線輪舵機8、鋼絲繩9來實現(xiàn)腿部的運動，鋼絲繩9 一端固定在踝關節(jié)19上，鋼絲繩9跨過滑輪10，卷線輪舵機8收縮鋼絲繩9使壓簧15壓縮，就實現(xiàn)了膝關節(jié)12的運動，當需要實現(xiàn)彈性腿I伸長的時候，卷線輪舵機8釋放鋼絲繩9，落地時球形足17與地面接觸，足部16帶動拉簧20作伸縮運動，這就實現(xiàn)了踩關節(jié)19的運動。
【權利要求】
1.帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，包含前軀干、后軀干、脊柱關節(jié)和彈性腿，前軀干和后軀干通過脊柱關節(jié)連接，在前軀干和后軀干下方的兩端分別安裝彈性腿，其特征是:脊柱關節(jié)包括端蓋、萬向節(jié)、波紋管、液壓油管、兩個齒輪泵和兩個電磁閥，上下兩個端蓋通過萬向節(jié)在中心位置連接，在上下兩個端蓋之間均勻分布四個波紋管，對稱布置的兩個波紋管通過液壓油管、一個齒輪泵和一個電磁閥連接在一起； 在前軀干和后軀干的兩端分別裝有卷線輪，卷線輪與固定在前軀干和后軀干兩端的卷線輪舵機的輸出軸連接，鋼絲繩的一端固定在卷線輪上，鋼絲繩另一端固定在彈性腿上。
2.根據(jù)權利要求1所述的帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，其特征是:彈性腿包括滑輪、鋼絲繩、大腿、小腿、足部、壓簧和拉簧，滑輪與固定在前軀干和后軀干下方兩端的滑輪舵機連接，滑輪安裝在大腿的髖關節(jié)上，小腿的一端與大腿連接、另一端與足部連接，鋼絲繩跨過滑輪，所述鋼絲繩另一端固定在彈性腿上是指鋼絲繩的一端固定在彈性腿的踝關節(jié)上，拉簧的一端與大腿連接、另一端與足部連接，壓簧套在導桿上。
3.根據(jù)權利要求2所述的帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，其特征是:足部的末端形狀是球形。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的帶有脊柱關節(jié)和彈性腿的仿生四足機器人，其特征是:兩個齒輪泵和兩個電磁閥分別布置在上下兩個端蓋上。
【文檔編號】B62D57/032GK203780644SQ201420176304
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】陳東良, 王洪, 劉琦 申請人:哈爾濱工程大學