本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種四足仿生機(jī)器人。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，在面對惡劣環(huán)境和復(fù)雜地形時(shí)，利用運(yùn)動(dòng)機(jī)器人彈跳功能增強(qiáng)其地形適應(yīng)和自主運(yùn)動(dòng)能力是近年發(fā)展較快的一種機(jī)器人技術(shù)。相比輪式、履帶式或一般足式機(jī)器人，跳躍機(jī)器人具有突出的越障能力，其運(yùn)動(dòng)爆發(fā)性及突然性對機(jī)器人躲避危險(xiǎn)是非常有利的，更重要的是跳躍的運(yùn)動(dòng)方式具有低能耗特點(diǎn)。此外，研究跳躍機(jī)器人有助于對生物奔跑、跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理的深入了解，對改善目前步行或爬行等遲緩運(yùn)動(dòng)方式有更好的啟發(fā)意義。

最早的跳躍式機(jī)器人為Marc Raibert于1980年在麻省理工學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的單腿連續(xù)性跳躍式機(jī)器人，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)被限制在1個(gè)平面內(nèi)，腿部裝有氣缸，作用相當(dāng)于彈簧，因此它在地面上的運(yùn)動(dòng)類似于1個(gè)帶彈簧的倒立擺，解決了單足跳躍機(jī)器人起跳姿態(tài)控制和落地時(shí)足部定位算法的問題。Minnesota大學(xué)研制了一種可以躍上樓梯的微小型機(jī)器人，機(jī)器人外形為一圓柱體，直徑為40mm，長度為115mm，重200g，該機(jī)器人屬于間歇性跳躍式機(jī)器人，平坦地形下采用兩輪前行，遇到樓梯，可以釋放彈性腿實(shí)現(xiàn)跳躍，跳躍高度達(dá)到35cm。美國國家航空宇航局(NASA)下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的第二代跳躍式機(jī)器人的蓄能裝置采用六連桿構(gòu)造，把水平方向彈簧線形伸縮轉(zhuǎn)化成機(jī)體方向的非線形拉伸和壓縮。六連桿蓄能機(jī)構(gòu)可以有效預(yù)防機(jī)器人提前起跳，同時(shí)提高系統(tǒng)的能量利用率。日本東京大學(xué)的Kenken機(jī)器人模仿了狗類腿部腿的工作原理。該機(jī)器人在地面接觸階段可以積蓄能量，在跳躍觸地時(shí)可以吸收能量。該跳躍模型是用腿部彈簧來模擬腿的作用，彈簧位于大腿和小腿后跟之間并平行于中腿，這樣的安裝位置使機(jī)器人在跳躍觸地時(shí)，彈簧可以吸收地面對腿部的沖擊，并把動(dòng)能積蓄成勢能儲(chǔ)存起來用于下次跳躍，騰空階段，有利于腿部的被動(dòng)的收縮和張開。

在國內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)近年來也開展了跳躍機(jī)器人的相關(guān)研究，前者主要從事仿袋鼠跳躍機(jī)理研究，后者主要從事仿蝗蟲跳躍機(jī)理研究。現(xiàn)都處于基礎(chǔ)研究階段，還沒有取得實(shí)質(zhì)性的成果。

現(xiàn)有技術(shù)中，連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)器人都比較復(fù)雜，平衡性也比較差而且穩(wěn)定性不高，起跳效率比較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種機(jī)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活的四足仿生機(jī)器人。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種四足仿生機(jī)器人，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括兩軀干和設(shè)置在兩軀干間用于調(diào)整兩軀干擺動(dòng)的腰部調(diào)整電機(jī)，兩軀干均連接有兩條腿部機(jī)構(gòu)，各腿部機(jī)構(gòu)包括多自由度的混聯(lián)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)混聯(lián)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，混聯(lián)機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)軸線與兩軀干的擺動(dòng)軸線平行，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制腰部調(diào)整電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩軀干和四條腿部機(jī)構(gòu)的連續(xù)擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，混聯(lián)機(jī)構(gòu)包括若干連桿，連桿包括第一主動(dòng)桿、第二主動(dòng)桿、第一傳力桿、第二傳力桿以及第三連桿，第一傳力桿的兩端分別與第一主動(dòng)桿和第三連桿鉸接，第二傳力桿的兩端分別與第二主動(dòng)桿和第三連桿鉸接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括分別驅(qū)動(dòng)第一主動(dòng)桿和第二主動(dòng)桿的第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)均為舵機(jī)，第一主動(dòng)桿與第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的第一舵盤鉸接，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的第二舵盤還連接有舵盤連接件，第二主動(dòng)桿與舵盤連接件間偏心鉸接，第一傳力桿和第二傳力桿分別鉸接在第三連桿同一端的不同位置。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，第三連桿的另一端還設(shè)置有緩沖機(jī)構(gòu)，緩沖機(jī)構(gòu)包括腳、鉸接設(shè)置在腳上的扭簧，還設(shè)置有對扭簧限位的扭簧限位銷。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，腳為圓弧狀的板，扭簧有兩個(gè)，兩個(gè)扭簧鉸接在腳圓弧凹面內(nèi)設(shè)置的兩個(gè)鉸接筋上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，各腿部機(jī)構(gòu)均設(shè)有與相應(yīng)軀干固定連接的電機(jī)支架，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)均固定設(shè)置在電機(jī)支架上。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，腰部調(diào)整電機(jī)為單軸舵機(jī)，還設(shè)置有安裝腰部調(diào)整電機(jī)的腰部電機(jī)安裝座，兩軀干分別與腰部調(diào)整電機(jī)和腰部電機(jī)安裝座固定連接。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，兩軀干均為設(shè)置有彎折的鈑金件，各軀干上開設(shè)有減輕重量的通孔。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，控制系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、Wi-Fi模塊/藍(lán)牙模塊、舵機(jī)控制端口、USART、電源輸出模塊、傳感器模塊和程序下載模塊。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，控制系統(tǒng)基于ARM開發(fā)，控制系統(tǒng)的電路板設(shè)置在兩軀干上。

本發(fā)明的有益效果：此四足仿生機(jī)器人通過腰部調(diào)整電機(jī)和四條腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)置，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制腰部調(diào)整電機(jī)和各驅(qū)動(dòng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)兩軀干和四條腿部機(jī)構(gòu)擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)姿態(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)跳躍動(dòng)作，該四足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1是四足仿生機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)示意圖；

圖2是四足仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是四足仿生機(jī)器人的緩沖結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1至圖3，本發(fā)明為一種四足仿生機(jī)器人，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括兩軀干1和設(shè)置在兩軀干1間用于調(diào)整兩軀干1擺動(dòng)的腰部調(diào)整電機(jī)2，兩軀干1均連接有兩條腿部機(jī)構(gòu)，各腿部機(jī)構(gòu)包括多自由度的混聯(lián)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)混聯(lián)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，混聯(lián)機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)軸線與兩軀干1的擺動(dòng)軸線平行，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制腰部調(diào)整電機(jī)2和驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)兩軀干1和四條腿部機(jī)構(gòu)的連續(xù)擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。

通過腰部調(diào)整電機(jī)2和四條腿部機(jī)構(gòu)的設(shè)置，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制腰部調(diào)整電機(jī)2和各驅(qū)動(dòng)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)兩軀干1和四條腿部機(jī)構(gòu)擺動(dòng)以實(shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)姿態(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)跳躍動(dòng)作，該四足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，混聯(lián)機(jī)構(gòu)包括若干連桿，連桿包括第一主動(dòng)桿5、第二主動(dòng)桿6、第一傳力桿8、第二傳力桿7以及第三連桿10，第一傳力桿8的兩端分別與第一主動(dòng)桿5和第三連桿10鉸接，第二傳力桿7的兩端分別與第二主動(dòng)桿6和第三連桿10鉸接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括分別驅(qū)動(dòng)第一主動(dòng)桿5和第二主動(dòng)桿6的第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32均為舵機(jī)，第一主動(dòng)桿5與第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31的第一舵盤151鉸接，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32的第二舵盤152還連接有舵盤連接件16，第二主動(dòng)桿6與舵盤連接件16間偏心鉸接，第一傳力桿8和第二傳力桿7分別鉸接在第三連桿10同一端的不同位置。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，第三連桿10的另一端還設(shè)置有緩沖機(jī)構(gòu)，緩沖機(jī)構(gòu)包括腳11、鉸接設(shè)置在腳11上的扭簧12，還設(shè)置有對扭簧12限位的扭簧限位銷13。

扭簧12和扭簧限位銷13的設(shè)置可以在機(jī)器人落地的過程中起到良好的緩沖作用，防止機(jī)器人因落地沖擊大而發(fā)生損壞。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，腳11為圓弧狀的板，扭簧12有兩個(gè)，兩個(gè)扭簧12鉸接在腳11圓弧凹面內(nèi)設(shè)置的兩個(gè)鉸接筋上。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，各腿部機(jī)構(gòu)均設(shè)有與相應(yīng)軀干1固定連接的電機(jī)支架4，第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32均固定設(shè)置在電機(jī)支架4上。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，腰部調(diào)整電機(jī)2為單軸舵機(jī)，還設(shè)置有安裝腰部調(diào)整電機(jī)2的腰部電機(jī)安裝座，兩軀干1分別與腰部調(diào)整電機(jī)2和腰部電機(jī)安裝座固定連接。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，兩軀干1均為設(shè)置有彎折的鈑金件，各軀干1上開設(shè)有減輕重量的通孔。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，控制系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、Wi-Fi模塊/藍(lán)牙模塊、舵機(jī)控制端口、USART、電源輸出模塊、傳感器模塊和程序下載模塊。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，控制系統(tǒng)基于ARM開發(fā)，控制系統(tǒng)的電路板設(shè)置在兩軀干1上。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，該四足仿生機(jī)器人包括兩軀干1、腰部調(diào)整電機(jī)2和四條腿部機(jī)構(gòu)，腰部調(diào)整電機(jī)2的輸出端鉸接設(shè)置有腰部電機(jī)安裝座，兩軀干分別設(shè)置在腰部調(diào)整電機(jī)2的左右兩側(cè)，兩軀干1均為設(shè)置有彎折的鈑金件，左側(cè)的軀干1通過彎折與腰部電機(jī)安裝座的另一端固定連接，右側(cè)的軀干1通過彎折與腰部調(diào)整電機(jī)2的另一端固定連接，進(jìn)一步的兩軀干1均為設(shè)置有減輕重量的通孔的三角形鈑金件，彎折設(shè)置在三角形鈑金件的其中一個(gè)角位置處，三角形鈑金件的另外兩個(gè)角位置各固定連接一個(gè)電機(jī)支架4。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，各腿部機(jī)構(gòu)包括上端的一并聯(lián)機(jī)構(gòu)和下端的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，上端的并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括固定在軀干1上的電機(jī)支架4，電機(jī)支架4上固定設(shè)置有第一支鏈和第二支鏈，第一支鏈包括一端鉸接在一起的通過第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31驅(qū)動(dòng)的第一主動(dòng)桿5和第一傳力桿8，第二支鏈包括一端鉸接在一起的通過第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32驅(qū)動(dòng)的第二主動(dòng)桿6和第二傳力桿7，第一支鏈下端的第一傳力桿8和第二支鏈下端的第二傳力桿7均與第三連桿10的同一端鉸接，此處的各鉸接軸線均相互平行，且鉸接軸線與腰部調(diào)整電機(jī)2的輸出軸軸線保持一致。

根據(jù)需要，也可以在第三連桿10的下端串聯(lián)多根連桿并增加相應(yīng)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)腿部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，或者通過串聯(lián)和并聯(lián)組合的混聯(lián)機(jī)構(gòu)組成腿部機(jī)構(gòu)。

腰部調(diào)整電機(jī)2和腰部電機(jī)安裝座組成了腰部調(diào)整機(jī)構(gòu)，腰部調(diào)整機(jī)構(gòu)的兩端分別連接有軀干1，這樣使得兩軀干1間具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，腰部調(diào)整電機(jī)2在跳躍的過程中可根據(jù)控制系統(tǒng)傳入的PWM信號實(shí)時(shí)調(diào)整左右兩軀干1間的夾角，進(jìn)而調(diào)整機(jī)器人在跳躍過程中的各腿部機(jī)構(gòu)的相對位姿，使其起跳、騰空、落地等過程更加協(xié)調(diào)、平穩(wěn)。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，控制系統(tǒng)包括避障越障能力，傳感器模塊中還設(shè)置有姿態(tài)傳感器，在跳躍過程中根據(jù)姿態(tài)傳感器中傳回的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障越障能力。

作為優(yōu)選的實(shí)施方式，腿部機(jī)構(gòu)也可以為連桿機(jī)構(gòu)，通過第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32輸出角度間的相互配合，使各腿部機(jī)構(gòu)末端達(dá)到預(yù)期的位置，通過計(jì)算組成連桿機(jī)構(gòu)的各桿長和腿部機(jī)構(gòu)末端需要達(dá)到的位置曲線利用MATLAB逆解求出第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)31和第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)32各時(shí)刻的輸出角度，輸入到控制系統(tǒng)即可。

當(dāng)然，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。