本發(fā)明涉及一種可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，目的在于突破單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人對不同地形通過能力的局限，屬于仿生機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

足式機(jī)器人從上世紀(jì)60年代出現(xiàn)，到現(xiàn)在已有半百年的歷史。隨著控制元件、控制方法、新型材料等的發(fā)展，足式機(jī)器人的可靠性及智能程度得到了飛躍式的提升。從2008年波士頓動力首次公開的bigdog，到2011年出現(xiàn)的負(fù)重比更多的ls3，再到后期的cheetah及spot系列等等，一次次的沖擊著四足機(jī)器人各類指標(biāo)的極限。

在已公布的、技術(shù)較為成熟的四足樣機(jī)中，其腿部采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可以分為四類：雙膝式、雙肘式、前肘后膝式和前膝后肘式。從穩(wěn)定性和操控能力上講，四種類型并沒有太大的差異，但由于前肘后膝式和前膝后肘式這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了全對稱布置方式，能有效抑制關(guān)節(jié)控制誤差引起的軀干質(zhì)心在前進(jìn)方向的抖動。再者對于特殊地形，例如坡度較大的山地，前膝后肘式具有較大的通行能力較優(yōu)，同時前肘后膝式和前膝手肘式較比雙膝或肘式有效的節(jié)約了腹部空間，對于大負(fù)重的四足平臺，現(xiàn)有的較成熟的幾款樣機(jī)大多采用了以上兩種結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人對不同地形通過能力的局限性，綜合不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于機(jī)器人本體的穩(wěn)定性、操控能力、負(fù)重能力等優(yōu)勢，本發(fā)明提供一種可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人，可以在前肘后膝式和前膝手肘式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自由變換。

該四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，包括軀干單元和腿部單元，軀干單元的底部連接有四條腿部單元；腿部單元包括髖部腿節(jié)、大腿腿節(jié)和小腿腿節(jié)，軀干單元與髖部腿節(jié)之間、髖部腿節(jié)和大腿腿節(jié)之間、大腿腿節(jié)和小腿腿節(jié)之間分別由聯(lián)接半軸連接，髖部腿節(jié)與軀干單元之間連接有髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器，大腿腿節(jié)與髖部腿節(jié)之間連接有大腿俯仰直線液壓作動器，小腿腿節(jié)與大腿腿節(jié)之間連接小腿俯仰直線液壓作動器。

所述軀干單元采用焊接框架結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效的降低了結(jié)構(gòu)重量，增加了內(nèi)部安裝空間。

所述軀干單元通過跨梁與髖部腿節(jié)連接，髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器連接在跨梁與髖部腿節(jié)之間。所述四條腿部單元中，前部兩條腿部單元共用一個跨梁，后部兩條腿部單元共用一個跨梁。

所述髖部腿節(jié)包括髖關(guān)節(jié)外部連接框和內(nèi)板，內(nèi)板連接在髖關(guān)節(jié)外部連接框內(nèi)。

所述髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器的缸體和活塞分別通過連接軸鉸接在髖部腿節(jié)和軀干單元上。

所述大腿俯仰直線液壓作動器的活塞缸和缸體通過連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)及內(nèi)板上。

所述小腿腿節(jié)包括小腿過渡腿節(jié)和小腿底端腿節(jié)，小腿底端腿節(jié)固定連接在小腿過渡腿節(jié)上。

所述小腿俯仰直線液壓作動器通過連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)及小腿過渡腿節(jié)上。

本發(fā)明的腿部單元通過直線液壓作動器構(gòu)成完整的運(yùn)動鏈，其自身通過程序控制的節(jié)律運(yùn)動和與外界的交互作用，使機(jī)器人產(chǎn)生相對于地面的移動，能夠?qū)崿F(xiàn)前肘后膝式行走方式，前膝后肘行走方式。變換過程中，機(jī)器人應(yīng)處于停機(jī)或是卸荷狀態(tài)，通過人工干預(yù)將腿部單元擺至另一側(cè)，此時小腿俯仰直線液壓作動器作動區(qū)間也換至了另一側(cè)，通過切換控制程序，使機(jī)器人完成不同結(jié)構(gòu)步態(tài)的調(diào)整。由于直線液壓作動器的活塞桿作動長度較長，加之腿部單元的三節(jié)構(gòu)件均采用了分片式設(shè)計，有效的將桿件的活動范圍劃分了兩個半?yún)^(qū)，從而通過停機(jī)或是卸荷狀態(tài)下的人工干預(yù)，便可實(shí)現(xiàn)前膝手肘式或是前肘后膝式行走模式切換。而在運(yùn)動過程中，為防止油缸的作動程序紊亂或其它突發(fā)狀況引起的油缸作動突破半?yún)^(qū)界限，造成機(jī)構(gòu)損壞，除了采用兩套控制程序外，還采用對直線液壓作動器上位移傳感器信號進(jìn)行“硬性限位”，當(dāng)檢測達(dá)到位移極限時采用單作動器伺服閥卸荷或是整體運(yùn)動歸位處理方式，避免直線液壓作動器的進(jìn)一步作動。

本發(fā)明機(jī)構(gòu)采用12自由度，每條腿采用三個直線液壓缸控制，有效的降低了腿部運(yùn)動慣量，軀干采用焊接式框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可集成液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力源等，在保證強(qiáng)度的前提下能有效的增加部件的安裝空間且有較好的散熱性能。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

(1)腿部單元的腿節(jié)采用了分片式設(shè)計，有效降低了運(yùn)動慣量，保證了運(yùn)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易變性；

(2)腿部單元各腿節(jié)采用了雙半軸連接，將直線液壓作動器的驅(qū)動空間分為了兩個半?yún)^(qū)，保證了油缸在兩個半?yún)^(qū)自由切換的無障礙通過；

(3)腿部單元與軀干單元采用螺栓連接，此番設(shè)計使腿部單元模塊化，有效的增加了結(jié)構(gòu)的易變性并較低維護(hù)難易度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖(前肘后膝式)。

圖2是本發(fā)明中腿部單元的結(jié)構(gòu)分解示意圖。

圖3是本發(fā)明中直線液壓驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明中腿部單元由前膝后肘式變?yōu)榍爸夂笙ナ降臓顟B(tài)示意圖。

圖5是本發(fā)明可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的前膝后肘式狀態(tài)示意圖。

圖6是本發(fā)明的前膝后肘式(左a)和前肘后膝式(右b)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)示意圖。

圖中：1.軀干單元，2.腿部單元，3.髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器，4.大腿俯仰直線液壓作動器，5.小腿俯仰直線液壓作動器；

201.跨梁，202.髖關(guān)節(jié)外部連接框，203.內(nèi)板，204.鎖緊扣蓋，205.聯(lián)接半軸，206.大腿腿節(jié)，207.直線液壓作動器連接軸，208.鎖緊螺栓，209.小腿過渡腿節(jié)，210.小腿底端腿節(jié)；

a.前膝后肘式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，b.前肘后膝式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，如圖1所示，包括軀干單元1、腿部單元2、、髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器3、大腿俯仰直線液壓作動器4及小腿俯仰直線液壓作動器5。軀干單元1的底部連接有四條腿部單元2。腿部單元2分為三節(jié)，之間由聯(lián)接半軸依次連接。

軀干單元1采用焊接框架結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效的降低了結(jié)構(gòu)重量，增加了內(nèi)部安裝空間。軀干單元1內(nèi)部可集成動力源、閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部件。

腿部單元2的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用高強(qiáng)度航空鋁合金作為設(shè)計材料，采用力學(xué)及桿件優(yōu)化原理優(yōu)化構(gòu)型，在保證強(qiáng)度的同時有效的較低了腿部運(yùn)動慣量。腿部單元2包括跨梁201、髖關(guān)節(jié)外部連接框202、大腿腿節(jié)206和小腿腿節(jié)。髖關(guān)節(jié)外部連接框202通過聯(lián)接半軸205連接在跨梁201的一端。髖關(guān)節(jié)外部連接框202與跨梁201之間連接髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器3，髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動器3的缸體和活塞分別通過連接軸鉸接在髖關(guān)節(jié)外部連接框202及跨梁201上。髖關(guān)節(jié)外部連接框202中設(shè)置有內(nèi)板203，兩者通過鎖緊扣蓋204鎖緊連接，使兩者合為一體組成腿部單元2的髖部腿節(jié)。大腿腿節(jié)206與內(nèi)板203通過聯(lián)接半軸205連接，這種采用聯(lián)接半軸的連接方式保證了腿部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，區(qū)分了直線液壓作動器的作動空間。大腿腿節(jié)206與內(nèi)板203之間連接有大腿俯仰直線液壓作動器4，大腿俯仰直線液壓作動器4的活塞缸和缸體通過連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)206及內(nèi)板203上。小腿過渡腿節(jié)209通過聯(lián)接半軸連接在大腿腿節(jié)206上。小腿底端腿節(jié)210與小腿過渡腿節(jié)209通過鎖緊螺栓208固定連接在一起，使兩者合為一體組成腿部單元2的小腿腿節(jié)。大腿腿節(jié)206與小腿過渡腿節(jié)209之間連接小腿俯仰直線液壓作動器5，小腿俯仰直線液壓作動器5通過連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)206及小腿過渡腿節(jié)209上。通過三個直線液壓作動器的活塞桿和缸體分別聯(lián)接不同腿節(jié)，組成完整的驅(qū)動鏈。因此，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)共有12個自由度，分別為髖關(guān)節(jié)橫滾、四個大腿俯仰和四個小腿俯仰。各直線液壓作動器均采用如圖3所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

前部兩個腿部單元2可以共用一套跨梁201，后部兩個腿部單元2也可以共用一套跨梁。

軀干單元1與腿部單元2中的跨梁201通過螺栓連接，此番設(shè)計將腿部單元2模塊化，有效的增加了結(jié)構(gòu)的易變性。

腿部單元2通過直線液壓作動器構(gòu)成完整的運(yùn)動鏈，其自身通過程序控制的節(jié)律運(yùn)動和與外界的交互作用，使機(jī)器人產(chǎn)生相對于地面的移動。由于四足機(jī)器人在同樣自重的情況下采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需求的油缸輸出力有較大的差異(前肘后膝式明顯小于前膝后肘式)，且對于在非運(yùn)動方向的速度擾動各有不同，特別是在位置控制時，這種擾動區(qū)別明顯(前肘后膝式擾動最小)，但對于急陡坡度的通過能力，前膝后肘式明顯的高于前肘后膝式。因此對于不同坡度較緩或是平地多采用圖5所示的前肘后膝式行走方式(參見圖6)，而對于坡度較大的地形采用如圖1所示的前膝后肘行走方式(參見圖6)。其變換過程如圖4所示。

變換過程中，機(jī)器人應(yīng)處于停機(jī)或是卸荷狀態(tài)，通過人工干預(yù)將腿部單元2擺至另一側(cè)，此時直線液壓作動器3作動區(qū)間也換至了另一側(cè)，通過切換控制程序，使機(jī)器人完成不同結(jié)構(gòu)步態(tài)的調(diào)整。由于油缸的長度完全可以達(dá)到結(jié)構(gòu)死區(qū)，為防止機(jī)器人在運(yùn)行過程中由于程序紊亂或是操作失誤，導(dǎo)致出現(xiàn)圖4中的中間腿部單元狀態(tài)，在程序中對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位移傳感器在相應(yīng)運(yùn)動半?yún)^(qū)中做位置限位，使機(jī)器人在到達(dá)限定位置時運(yùn)動停止并依據(jù)程序設(shè)定做腿部單元?dú)w位處理。