本發(fā)明涉及機(jī)械仿生工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于四足機(jī)器人的基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機(jī)器人后肢。

背景技術(shù)：

由于四足行走具有穩(wěn)定性好、適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，近年來在世界范圍內(nèi)有關(guān)四足機(jī)器人的研究得到廣泛開展。但是出于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與控制的目的，目前多數(shù)四足機(jī)器人的關(guān)節(jié)(膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)等)均被設(shè)計(jì)為鉸連接。由于四足機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境通常十分復(fù)雜，下肢腿部構(gòu)件和關(guān)節(jié)往往承受拉壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等多種類型載荷的作用，尤其處于高速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，現(xiàn)有的四足機(jī)器人經(jīng)常因?yàn)橥炔繕?gòu)件和關(guān)節(jié)失效而導(dǎo)致機(jī)體運(yùn)動(dòng)失敗，而目前尚無較好的解決方法。

近年來，隨著學(xué)科之間的深入交叉與融合，張拉整體思想引起了世界范圍內(nèi)生物力學(xué)與仿生機(jī)器人領(lǐng)域研究者的重視。張拉整體結(jié)構(gòu)的概念最初由美國(guó)結(jié)構(gòu)工程師Fuller首次提出，是指由非連續(xù)受壓構(gòu)件包含于連續(xù)受拉構(gòu)件而形成的一種自平衡空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年發(fā)展，其設(shè)計(jì)思想已經(jīng)成功應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域之中，如美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University)Mirletz研究組設(shè)計(jì)了具有多自由度張拉柔性脊柱的機(jī)器人。在張拉整體結(jié)構(gòu)中，受壓構(gòu)件之間不存在剛性接觸，從而為解決四足機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)失效問題提供了新思路。

同時(shí)，生物力學(xué)研究表明，在四足哺乳動(dòng)物的下肢中，并不存在傳統(tǒng)四足機(jī)器人下肢中的鉸鏈關(guān)節(jié)，而是肌肉骨骼系統(tǒng)，其中，肌肉主動(dòng)收縮產(chǎn)生肌肉力并通過肌腱將力傳遞至連接骨骼，從而產(chǎn)生骨骼的關(guān)節(jié)性運(yùn)動(dòng)。從生物力學(xué)角度出發(fā)可知，骨骼-肌肉系統(tǒng)中的骨骼主要承受壓載荷，而韌帶、肌肉等組織則主要承受拉載荷。由此，動(dòng)物的腿部骨骼-肌肉系統(tǒng)可視為是由具有空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的受拉的韌帶、肌肉、肌腱組織與受壓骨骼構(gòu)成的一種存在于生物體的特殊“張拉整體結(jié)構(gòu)”。這種特殊的結(jié)構(gòu)中柔性的拉索(肌肉、韌帶)可使得四足動(dòng)物腿部關(guān)節(jié)和腿部骨骼在高速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中能夠從容應(yīng)對(duì)足-地沖擊載荷，同時(shí)柔性連接代替剛性連接可消除形成關(guān)節(jié)的剛性骨骼間的摩擦，進(jìn)而降低了能耗。

綜觀上述四足機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)、張拉整體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及四足動(dòng)物腿部的優(yōu)異生物力學(xué)結(jié)構(gòu)特征，急需一種具有張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機(jī)器人后肢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的四足機(jī)器人所使用的下肢在多種類型載荷的作用下使腿部構(gòu)件和腿部關(guān)節(jié)失效，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)失敗的問題，而提供一種具有張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機(jī)器人后肢。研究表明，該機(jī)器人后肢可以在機(jī)體運(yùn)動(dòng)過程中避免因地面沖擊力作用而導(dǎo)致的腿部構(gòu)件剪應(yīng)力集中破壞，以及膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的沖擊損壞。

本發(fā)明包含膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、第一腿部構(gòu)件、第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件。

所述的膝關(guān)節(jié)由第一緊定螺釘、第一拉索、第一銷、第一拉桿、第一彈簧支架、第一螺釘、第一壓簧、第一墊片、第一螺母、第一彈簧掛件、第一拉簧、第一滑輪、第一吊環(huán)螺釘組成。其中，一對(duì)第一拉索穿過第一腿部構(gòu)件的底部，由一對(duì)第一緊定螺釘保證第一拉索與第一腿部構(gòu)件的相對(duì)位置，兩對(duì)第一滑輪通過四個(gè)第一銷對(duì)稱布置在第二腿部構(gòu)件的頂部，對(duì)第一拉索起導(dǎo)向與支撐作用。第一拉索兩端跨過第一滑輪并與第一拉桿固連，第一拉桿將第一壓簧作用于第一彈簧支架與第一墊片之間的彈力轉(zhuǎn)化為第一拉桿對(duì)第一拉索的拉力，這里，第一墊片的位置由旋緊在第一拉桿上的第一螺母確定，第一彈簧支架通過第一螺釘固定在第二腿部構(gòu)件上。第一彈簧掛件穿過第一腿部構(gòu)件并與第一腿部構(gòu)件固連，一對(duì)第一拉簧對(duì)稱布置在第一彈簧掛件與第一吊環(huán)螺釘之間，這里，一對(duì)第一吊環(huán)螺釘通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件上。

所述的踝關(guān)節(jié)由第二螺母、第二墊片、第二壓簧、第二螺釘、第二彈簧支架、第二拉桿、第二拉索、第二銷、第二拉簧、第二彈簧掛件、第二吊環(huán)螺釘、第二緊定螺釘、第二滑輪組成。其中，一對(duì)第二拉索穿過第三腿部構(gòu)件的上部，由一對(duì)第二緊定螺釘保證第二拉索與第三腿部構(gòu)件的相對(duì)位置，兩對(duì)第二滑輪通過四個(gè)第二銷對(duì)稱布置在第二腿部構(gòu)件的底部，對(duì)第二拉索起導(dǎo)向與支撐作用。第二拉索兩端跨過第二滑輪并與第二拉桿固連，第二拉桿將第二壓簧作用于第二彈簧支架與第二墊片之間的彈力轉(zhuǎn)化為第二拉桿對(duì)第二拉索的拉力，這里，第二墊片的位置由旋緊在第二拉桿上的第二螺母確定，第二彈簧支架通過第二螺釘固定在第二腿部構(gòu)件上。第二彈簧掛件穿過第三腿部構(gòu)件并與第三腿部構(gòu)件固連，一對(duì)第二拉簧對(duì)稱布置在第二彈簧掛件與第二吊環(huán)螺釘之間，這里，一對(duì)第二吊環(huán)螺釘通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件上。

所述的第三拉索、第四拉索跨越膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)，其中，第三拉索頂部與第三拉桿固連，第三拉索底部通過第一壓塊、第二壓塊、第五螺釘固定在第三腿部構(gòu)件上。第四拉索頂部通過螺栓、第四螺母固定在拉索夾頭上，拉索夾頭以螺紋連接的方式與氣缸固連，第四拉索底部通過第七螺釘固定在第三腿部構(gòu)件底部。這里，第一滑輪組、第二滑輪組、第三滑輪組分別通過第四螺釘固定在第二腿部構(gòu)件的左側(cè)并對(duì)第三拉索起到支撐與導(dǎo)向的作用。第四滑輪組、第五滑輪組、第六滑輪組分別通過第四螺釘固定在第二腿部構(gòu)件的右側(cè)并對(duì)第四拉索起到支撐與導(dǎo)向的作用。第三拉索與第四拉索的拉力分別由第三壓簧、氣缸提供，第三壓簧的彈力作用于第三墊片進(jìn)而推動(dòng)第三螺母帶動(dòng)與第三螺母固連的第三拉桿為第三拉索提供拉力，這里，第三彈簧支架通過第三螺釘固定在第一腿部構(gòu)件上并對(duì)第三壓簧起到支撐與限位作用，氣缸支架通過第六螺釘固定在第一腿部構(gòu)件上，氣缸以螺紋連接的方式與氣缸支架固連。

本發(fā)明的工作過程和原理：

在具體的實(shí)施過程中，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)為基于張拉整體的構(gòu)型，可以實(shí)現(xiàn)腿部各個(gè)關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，由于膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)并不是傳統(tǒng)鉸接式關(guān)節(jié)故可以避免剛體之間的摩擦。第一拉簧、第二拉簧成對(duì)使用，限制第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件在冠狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。這里，第一拉索、第二拉索、第一拉簧、第二拉簧、第三拉索、第四拉索共同組成機(jī)器人下肢張拉整體結(jié)構(gòu)中的受拉部件，與第一腿部構(gòu)件、第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件等受壓部件一起完成機(jī)器人后肢的運(yùn)動(dòng)。第三拉索、第四拉索分別跨越膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)，其中第四拉索由氣缸提供拉力同時(shí)帶動(dòng)第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人后肢主動(dòng)蹬離地面，第三拉索由第三壓簧提供拉力用于機(jī)器人后肢在蹬離地面后的復(fù)位，氣缸與第三壓簧交替作用完成機(jī)器人后肢的完整動(dòng)作。同時(shí)，由于第三拉索、第四拉索模擬四足哺乳動(dòng)物的后肢利用肌腱、韌帶的傳動(dòng)方式，可以解決機(jī)器人后肢應(yīng)力集中分布的問題，這有利于保護(hù)機(jī)器人后肢，提高其使用壽命。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明使用跨越兩個(gè)關(guān)節(jié)的拉索模仿四足哺乳動(dòng)物后肢肌肉-肌腱的工作方式，拉索的存在可有效避免觸地沖擊過程中機(jī)器人后肢腿部構(gòu)件的剪應(yīng)力集中分布，進(jìn)而保護(hù)后肢腿部構(gòu)件免于剪切破壞。

2、本發(fā)明通過使用張拉整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在矢狀平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，由于本發(fā)明中的關(guān)節(jié)不存在傳統(tǒng)鉸鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)中的關(guān)節(jié)軸，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)中消除了構(gòu)成關(guān)節(jié)的剛性體間的磨損與沖擊作用，從而顯著提高關(guān)節(jié)穩(wěn)定性與使用壽命。

3、本發(fā)明利用氣缸與彈簧配合跨越兩個(gè)關(guān)節(jié)的拉索實(shí)現(xiàn)機(jī)器人后肢完整的運(yùn)動(dòng)，只有一個(gè)主動(dòng)元件，從而可以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的主視圖。

圖3為圖2的左視局部視圖。

圖4為圖2的A向視圖。

其中：1-膝關(guān)節(jié)；101-第一緊定螺釘；102-第一拉索；103-第一銷；104-第一拉桿；105-第一彈簧支架；106-第一螺釘；107-第一壓簧；108-第一墊片；109-第一螺母；110-第一彈簧掛件；111-第一拉簧；112-第一滑輪；113-第一吊環(huán)螺釘；2-踝關(guān)節(jié)；201-第二螺母；202-第二墊片；203-第二壓簧；204-第二螺釘；205-第二彈簧支架；206-第二拉桿；207-第二拉索；208-第二銷；209-第二拉簧；210-第二彈簧掛件；211-第二吊環(huán)螺釘；212-第二緊定螺釘；213-第二滑輪；3-第一腿部構(gòu)件；4-氣缸；5-第三螺母；6-第三墊片；7-第三壓簧；8-第三彈簧支架；9-第三螺釘；10-第三拉桿；11-第三拉索；12-第一滑輪組；13-第四螺釘；14-第二滑輪組；15-第二腿部構(gòu)件；16-第三滑輪組；17-第一壓塊；18-第二壓塊；19-第五螺釘；20-第三腿部構(gòu)件；21-氣缸支架；22-第六螺釘；23-拉索夾頭；24-螺栓；25-第四螺母；26-第四滑輪組；27-第四拉索；28-第五滑輪組；29-第六滑輪組；30-第七螺釘。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3及圖4所示，本實(shí)施例包含膝關(guān)節(jié)1、踝關(guān)節(jié)2、第一腿部構(gòu)件3、第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20。

所述的膝關(guān)節(jié)1由第一緊定螺釘101、第一拉索102、第一銷103、第一拉桿104、第一彈簧支架105、第一螺釘106、第一壓簧107、第一墊片108、第一螺母109、第一彈簧掛件110、第一拉簧111、第一滑輪112、第一吊環(huán)螺釘113組成。其中，一對(duì)第一拉索102穿過第一腿部構(gòu)件3的底部，由一對(duì)第一緊定螺釘101保證第一拉索102與第一腿部構(gòu)件3的相對(duì)位置，兩對(duì)第一滑輪112通過四個(gè)第一銷103對(duì)稱布置在第二腿部構(gòu)件15的頂部，對(duì)第一拉索102起導(dǎo)向與支撐作用。第一拉索102兩端跨過第一滑輪112并與第一拉桿104固連，第一拉桿104將第一壓簧107作用于第一彈簧支架105與第一墊片108之間的彈力轉(zhuǎn)化為第一拉桿104對(duì)第一拉索102的拉力，這里，第一墊片108的位置由旋緊在第一拉桿104上的第一螺母109確定，第一彈簧支架105通過第一螺釘106固定在第二腿部構(gòu)件15上。第一彈簧掛件110穿過第一腿部構(gòu)件3并與第一腿部構(gòu)件3固連，一對(duì)第一拉簧111對(duì)稱布置在第一彈簧掛件110與第一吊環(huán)螺釘113之間，這里，一對(duì)第一吊環(huán)螺釘113通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件15上。

所述的踝關(guān)節(jié)2由第二螺母201、第二墊片202、第二壓簧203、第二螺釘204、第二彈簧支架205、第二拉桿206、第二拉索207、第二銷208、第二拉簧209、第二彈簧掛件210、第二吊環(huán)螺釘211、第二緊定螺釘212、第二滑輪213組成。其中，一對(duì)第二拉索207穿過第三腿部構(gòu)件20的上部，由一對(duì)第二緊定螺釘212保證第二拉索207與第三腿部構(gòu)件20的相對(duì)位置，兩對(duì)第二滑輪213通過四個(gè)第二銷208對(duì)稱布置在第二腿部構(gòu)件15的底部，對(duì)第二拉索207起導(dǎo)向與支撐作用。第二拉索207兩端跨過第二滑輪213并與第二拉桿206固連，第二拉桿206將第二壓簧203作用于第二彈簧支架205與第二墊片202之間的彈力轉(zhuǎn)化為第二拉桿206對(duì)第二拉索207的拉力，這里，第二墊片202的位置由旋緊在第二拉桿206上的第二螺母201確定，第二彈簧支架205通過第二螺釘204固定在第二腿部構(gòu)件15上。第二彈簧掛件210穿過第三腿部構(gòu)件20并與第三腿部構(gòu)件20固連，一對(duì)第二拉簧209對(duì)稱布置在第二彈簧掛件210與第二吊環(huán)螺釘211之間，這里，一對(duì)第二吊環(huán)螺釘211通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件15上。

所述的第三拉索11、第四拉索27跨越膝關(guān)節(jié)1與踝關(guān)節(jié)2，其中，第三拉索11頂部與第三拉桿10固連，第三拉索11底部通過第一壓塊17、第二壓塊18、第五螺釘19固定在第三腿部構(gòu)件20上。第四拉索27頂部通過螺栓24、第四螺母25固定在拉索夾頭23上，拉索夾頭23以螺紋連接的方式與氣缸4固連，第四拉索27底部通過第七螺釘30固定在第三腿部構(gòu)件20底部。這里，第一滑輪組12、第二滑輪組14、第三滑輪組16分別通過第四螺釘13固定在第二腿部構(gòu)件15的左側(cè)并對(duì)第三拉索11起到支撐與導(dǎo)向的作用。第四滑輪組26、第五滑輪組28、第六滑輪組29分別通過第四螺釘13固定在第二腿部構(gòu)件15的右側(cè)并對(duì)第四拉索27起到支撐與導(dǎo)向的作用。第三拉索11與第四拉索27的拉力分別由第三壓簧7、氣缸4提供，第三壓簧7的彈力作用于第三墊片6進(jìn)而推動(dòng)第三螺母5帶動(dòng)與第三螺母5固連的第三拉桿10為第三拉索11提供拉力，這里，第三彈簧支架8通過第三螺釘9固定在第一腿部構(gòu)件3上并對(duì)第三壓簧7起到支撐與限位作用，氣缸支架21通過第六螺釘22固定在第一腿部構(gòu)件3上，氣缸4以螺紋連接的方式與氣缸支架21固連。

在具體的實(shí)施過程中，膝關(guān)節(jié)1、踝關(guān)節(jié)2為基于張拉整體的構(gòu)型，可以實(shí)現(xiàn)腿部各個(gè)關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，由于膝關(guān)節(jié)1、踝關(guān)節(jié)2并不是傳統(tǒng)鉸接式關(guān)節(jié)故可以避免剛體之間的摩擦。第一拉簧111、第二拉簧209成對(duì)使用，限制第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20在冠狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。這里，第一拉索102、第二拉索207、第一拉簧111、第二拉簧209、第三拉索11、第四拉索27共同組成機(jī)器人下肢張拉整體結(jié)構(gòu)中的受拉部件，與第一腿部構(gòu)件3、第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20等受壓部件一起完成機(jī)器人后肢的運(yùn)動(dòng)。第三拉索11、第四拉索27分別跨越膝關(guān)節(jié)1與踝關(guān)節(jié)2，其中第四拉索27由氣缸4提供拉力同時(shí)帶動(dòng)第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人后肢主動(dòng)蹬離地面，第三拉索11由第三壓簧7提供拉力用于機(jī)器人后肢在蹬離地面后的復(fù)位，氣缸4與第三壓簧7交替作用完成機(jī)器人后肢的完整動(dòng)作。同時(shí)，由于第三拉索11、第四拉索27模擬四足哺乳動(dòng)物的后肢利用肌腱、韌帶的工作方式，可以解決機(jī)器人后肢應(yīng)力集中分布的問題，這有利于保護(hù)機(jī)器人后肢，提高其使用壽命。