一種雙擺桿柔性四腿行走機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】一種雙擺桿柔性四腿行走機(jī)器人，它包括機(jī)身、電源箱、雙擺桿機(jī)構(gòu)和四個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)；雙擺桿機(jī)構(gòu)包括機(jī)身、電機(jī)、絲杠電機(jī)、推架和雙擺桿；柔性腿機(jī)構(gòu)包括大、小腿，足，彈簧，滑套和內(nèi)、外彈性板；機(jī)身、大、小腿、足相互轉(zhuǎn)動(dòng)串聯(lián)；電機(jī)通過雙擺桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)以馬步行走，大腿前擺時(shí)，地面阻力驅(qū)使大、小腿、足相互柔性反轉(zhuǎn)，雙彈性板牽引滑套壓縮彈簧，足離地時(shí)彈簧通過滑套和雙彈性板牽引大、小腿、足相互正轉(zhuǎn)，直至柔性腿機(jī)構(gòu)伸直自鎖；大腿后擺時(shí)，地面阻力增強(qiáng)大、小腿、足相互伸直自鎖能力，實(shí)現(xiàn)柔性腿機(jī)構(gòu)蹬地行走；絲杠電機(jī)通過變化大腿擺幅，改變行走方向。本發(fā)明驅(qū)動(dòng)數(shù)少，易控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于不規(guī)則路面行快速走。
【專利說明】
一種雙擺桿柔性四腿行走機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，特別是一種足式機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]足式機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人家族的一種特殊機(jī)器人，近年來成為機(jī)器人比較活躍的研究領(lǐng)域。相比輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)器人，基于仿生學(xué)原理的足式機(jī)器人雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制相對(duì)繁瑣，但卻有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):足式機(jī)器人自由度多，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜靈活的運(yùn)動(dòng)方式，且因?yàn)樽闶綑C(jī)器人行走過程中的支撐點(diǎn)是離散的，可以在極不規(guī)則的路面上行走，能夠跨越或跳越障礙，適應(yīng)性極強(qiáng)，在軍事偵察、災(zāi)后搜救、航空航天、工業(yè)管道、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、家庭娛樂、仿生學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。其中四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制方法成為足式機(jī)器人領(lǐng)域更受關(guān)注的研究對(duì)象。這類機(jī)器人用于做人類不能做的事，在人無法進(jìn)入的狹小空間進(jìn)行作業(yè)和救援，在人無法適應(yīng)的極端環(huán)境下進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè);也用于做人不愿意做的事，把人類從危險(xiǎn)、有害、復(fù)雜的環(huán)境中解救或解脫出來。多年來世界各國(guó)高度重視足式機(jī)器人的研究、研制與應(yīng)用。2005年美國(guó)Boston Dynamics公司研制了軍用大狗四足機(jī)器人。2003年東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)機(jī)器人Quadlator II ;Tmsuk和三洋電機(jī)開發(fā)成功的兩種型號(hào)的面向家庭安全用途的4足行走機(jī)器人。青島啟東電子設(shè)備設(shè)備有限公司研制B10-12四足爬蟲機(jī)器人，具有12自由度，單腿4自由度。2006年清華大學(xué)發(fā)明專利公開“一種可調(diào)整的四足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)”，其特征是大腿和小腿分別由各自的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)其沿各自關(guān)節(jié)軸擺動(dòng)。2009年上海師范大學(xué)專利公開一種四足步行機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，在機(jī)架的前、后部設(shè)置兩足驅(qū)動(dòng)組件。2016授權(quán)發(fā)明專利CN104228996B公開一種用于坡路行走的雙動(dòng)力四足機(jī)器人。2015授權(quán)專利CN103465991B公開一種簡(jiǎn)易型四足機(jī)器人，包括兩個(gè)電動(dòng)推桿通過相應(yīng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四個(gè)腿。2012年授權(quán)專利CN102211627B公開一種基于仿生設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，每個(gè)足采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其髖部采用差動(dòng)錐齒輪。20 16年發(fā)明授權(quán)專利CN104139811B公開一種包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的欠驅(qū)動(dòng)的仿生四足機(jī)器人。上述足式機(jī)器人各具特色，但仍然存在諸多不足:驅(qū)動(dòng)數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，控制難度大，故障率較高。如何克服上述諸多不利因素一直是行走機(jī)器人研究領(lǐng)域努力的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)可靠、易于制造和控制、行走速度快、左右轉(zhuǎn)彎靈活的雙擺桿柔性四腿行走機(jī)器人。
[0004]本發(fā)明包括機(jī)身、電源箱、雙擺桿機(jī)構(gòu)和四個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)，其中，電源箱固連在機(jī)身的底部，雙擺桿機(jī)構(gòu)位于機(jī)身頂面中部，四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的柔性腿機(jī)構(gòu)分布在機(jī)身的矩形四個(gè)頂角；
[0005]所述雙擺桿機(jī)構(gòu)包括機(jī)身，電機(jī)，絲杠電機(jī)，曲柄，連桿，滑塊，推架，導(dǎo)桿，前擺桿，后擺桿，四個(gè)銷軸，四個(gè)球套和四個(gè)球滑座;所述機(jī)身是矩形體，在機(jī)身的中部靠近一側(cè)面設(shè)有豎直通孔，在機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)近中水平通孔，在機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有相互正交的兩個(gè)豎直通孔和兩個(gè)水平通孔;所述曲柄設(shè)有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述連桿兩端設(shè)有相互平行的通孔，所述滑塊是矩形體，該滑塊中部設(shè)有相互正交的螺紋孔和通孔，所述推架是矩形體，該推架中部設(shè)有矩形開槽和水平通孔，該推架兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)水平通孔和兩個(gè)豎直通孔，所述前、后擺桿中部設(shè)有開槽和豎直中心軸，該擺桿兩端設(shè)有垂直開槽并與豎直中心軸正交的兩個(gè)同軸心的端軸；電機(jī)固連在機(jī)身的底面，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸穿過機(jī)身的中部豎直通孔與曲柄中心通孔鍵連接，曲柄的端部通孔通過銷軸與連桿一端的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，該連桿的另一端通孔通過銷軸與滑塊的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接;滑塊與推架的矩形開槽滑動(dòng)副聯(lián)接，絲杠電機(jī)與推架中部固連，絲杠電機(jī)的驅(qū)動(dòng)絲杠穿過推架的中部水平通孔與滑塊的螺紋孔螺紋聯(lián)接，兩個(gè)導(dǎo)桿的兩端分別與機(jī)身側(cè)面兩個(gè)近中對(duì)稱水平通孔固連，兩個(gè)導(dǎo)桿中部與推架兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱的水平通孔滑動(dòng)副聯(lián)接;兩個(gè)銷軸一端分別與推架兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱的豎直通孔固連，其另一端分別與兩個(gè)對(duì)稱的前、后擺桿的開槽移動(dòng)副聯(lián)接;前、后擺桿的中心軸分別與機(jī)身兩側(cè)的豎直通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，前、后擺桿的端軸均與球套上過球心的通孔圓柱副聯(lián)接，所述球套設(shè)有凸球面，所述球滑座中心設(shè)有凹球面通孔，球套與球滑座球副聯(lián)接；
[0006]所述柔性腿機(jī)構(gòu)包括大腿、小腿、足、上軸、中軸、下軸、彈簧、滑套、立柱和內(nèi)、外彈性板;所述大腿上端設(shè)有矩形開槽，球座與大腿上端的矩形開槽移動(dòng)副聯(lián)接，構(gòu)成每個(gè)擺桿的兩端軸分別與兩個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)的大腿圓柱副-球副-移動(dòng)副的復(fù)合聯(lián)接;大腿的中部和下端均設(shè)有與上述矩形開槽正交的通孔，大腿的中部通孔通過上軸與上述機(jī)身的兩側(cè)的水平通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，所述小腿上、下端均設(shè)有相互平行的矩形開槽和與矩形開槽正交的通孔，中部設(shè)有與矩形開槽平行的矩形長(zhǎng)槽，矩形長(zhǎng)槽兩端設(shè)有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形開槽內(nèi)，足上端位于小腿下端矩形開槽內(nèi)，大腿下端通孔通過中軸與小腿上端通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，小腿下端通孔通過下軸與足上端的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，足的下端設(shè)有彈性蹄;立柱與小腿的矩形長(zhǎng)槽兩端的通孔連接，設(shè)有中心通孔的滑套和彈簧滑動(dòng)套在立柱上，彈簧兩端分別抵在滑套下面和小腿矩形長(zhǎng)槽的底部；內(nèi)彈性板兩端分別與大腿下端和滑套內(nèi)側(cè)連接，外彈性板兩端分別與滑套外側(cè)和足上端連接。
[0007]電機(jī)通過曲柄、連桿、滑塊、推架驅(qū)動(dòng)雙擺桿機(jī)構(gòu)相互反向擺動(dòng)，帶動(dòng)四個(gè)腿機(jī)構(gòu)以馬步行走。大腿前擺時(shí)，地面阻力驅(qū)使足、小腿、大腿相互柔性反轉(zhuǎn)，內(nèi)、外彈性板帶動(dòng)滑塊壓縮彈簧;足離地時(shí)彈簧通過滑塊和內(nèi)、外彈性板牽引足、小腿、大腿相互正轉(zhuǎn)，直至足、小腿、大腿相互伸直和自鎖;大腿后擺時(shí)，地面阻力增強(qiáng)足、小腿、大腿的相互伸直和自鎖能力，實(shí)現(xiàn)腿機(jī)構(gòu)的彈性蹄蹬地行走。絲杠電機(jī)通過改變滑塊在推架的相對(duì)位置改變擺桿的轉(zhuǎn)角和大腿擺幅，實(shí)現(xiàn)改變前行方向。單驅(qū)動(dòng)柔性四腿行走機(jī)器人站立時(shí)，各腿機(jī)構(gòu)呈伸直垂直機(jī)架狀態(tài)，由于各腿機(jī)構(gòu)的上軸線相對(duì)中、下軸線向前偏置，所以四個(gè)腿機(jī)構(gòu)呈穩(wěn)定自鎖站立狀態(tài)。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0009]1、兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，容易控制；
[0010]2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)實(shí)可靠，容易制造；
[0011 ] 3、腿部的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，行走速度快；
[0012]4、變化兩側(cè)大腿擺幅過程簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎。
[0013]5、可以等效馬前行、爬坡等靈活復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，在極不規(guī)則的路面上行走，適應(yīng)性強(qiáng)。在軍事偵察、災(zāi)后搜救、航空航天探測(cè)、工業(yè)管道內(nèi)部檢測(cè)、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、家庭娛樂、仿生學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的俯視圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的主視圖。
[0016]圖中:1-機(jī)身、2-電機(jī)、3-曲柄、4-連桿、5-銷軸、6_推架、7_滑塊、8_絲杠電機(jī)、9-導(dǎo)桿、10-1后擺桿、10-2-前擺桿、11-上軸、12-大腿、13-中軸、14-內(nèi)彈性板、15-外彈性板、16-小腿、17-下軸、18-足、19-電源箱、20-立柱、21-彈簧、22-滑套、23-球套、24-球滑座。
【具體實(shí)施方式】
[0017]在圖1和圖2所示的雙擺桿柔性四腿行走機(jī)器人示意圖中，電源箱19固連在機(jī)身I的底部，雙擺桿機(jī)構(gòu)位于機(jī)身頂面中部，四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的柔性腿機(jī)構(gòu)分布在機(jī)身的矩形四個(gè)頂角；
[0018]所述雙擺桿機(jī)構(gòu)包括機(jī)身1、電機(jī)2、絲杠電機(jī)8、曲柄3、連桿4、滑塊7、推架6、導(dǎo)桿
9、前擺桿10-2、后擺桿10-1和四個(gè)球滑座24;所述機(jī)身為矩形體，在機(jī)身的中部靠近一側(cè)面設(shè)有豎直通孔，在機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)近中水平通孔，在機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有相互正交的兩個(gè)豎直通孔和兩個(gè)水平通孔;所述曲柄設(shè)有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述連桿兩端設(shè)有相互平行的通孔，所述滑塊是矩形體，該滑塊中部設(shè)有相互正交的螺紋孔和通孔，所述推架是矩形體，該推架中部設(shè)有矩形開槽和水平通孔，該推架兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)水平通孔和兩個(gè)豎直通孔，所述前、后擺桿中部設(shè)有開槽和豎直中心軸，該擺桿兩端設(shè)有垂直開槽并與豎直中心軸正交的兩個(gè)同軸心的端軸；電機(jī)固連在機(jī)身的底面，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸穿過機(jī)身的中部豎直通孔與曲柄中心通孔鍵連接，曲柄的端部通孔通過銷軸與連桿一端的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，該連桿的另一端通孔通過銷軸與滑塊的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接;滑塊與推架的矩形開槽滑動(dòng)副聯(lián)接，絲杠電機(jī)與推架中部固連，絲杠電機(jī)的驅(qū)動(dòng)絲杠穿過推架的中部水平通孔與滑塊的螺紋孔螺紋聯(lián)接，兩個(gè)導(dǎo)桿的兩端分別與機(jī)身側(cè)面兩個(gè)近中對(duì)稱水平通孔固連，兩個(gè)導(dǎo)桿中部與推架兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱的水平通孔滑動(dòng)副聯(lián)接;兩個(gè)銷軸一端分別與推架兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱的豎直通孔固連，其另一端分別與兩個(gè)對(duì)稱的前、后擺桿的開槽移動(dòng)副聯(lián)接;前、后擺桿的中心軸分別與機(jī)身兩側(cè)的豎直通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，前、后擺桿的端軸均與球套23上過球心的通孔圓柱副聯(lián)接，所述球套設(shè)有凸球面，球套與球滑座球副聯(lián)接，所述球滑座中心設(shè)有凹球面通孔；
[0019]所述柔性腿機(jī)構(gòu)包括大腿12、小腿16、足18、上軸11、中軸13、下軸17、彈簧21、滑套22、立柱20、內(nèi)彈性板14和外彈性板15;所述大腿上端設(shè)有矩形開槽，球座與大腿上端的矩形開槽移動(dòng)副聯(lián)接，構(gòu)成每個(gè)擺桿的兩端軸分別與兩個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)的大腿圓柱副-球副-移動(dòng)副的復(fù)合聯(lián)接;大腿的中部和下端均設(shè)有與上述矩形開槽正交的通孔，大腿的中部通孔通過上軸與上述機(jī)身兩側(cè)的水平通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，所述小腿上、下端均設(shè)有相互平行的矩形開槽和與矩形開槽正交的通孔，中部設(shè)有與矩形開槽平行的矩形長(zhǎng)槽，矩形長(zhǎng)槽兩端設(shè)有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形開槽內(nèi)，足上端位于小腿下端矩形開槽內(nèi)，大腿下端通孔通過中軸與小腿上端通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，小腿下端通孔通過下軸與足上端的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，足的下端設(shè)有彈性蹄;立柱與小腿的矩形長(zhǎng)槽兩端的通孔連接，設(shè)有中心通孔滑套和彈簧滑動(dòng)套在立柱上，彈簧兩端分別抵在滑套下面和小腿矩形長(zhǎng)槽的底部；內(nèi)彈性板兩端分別與大腿下端和滑套內(nèi)側(cè)連接，外彈性板兩端分別與滑套外側(cè)和足上端連接。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙擺桿柔性四腿行走機(jī)器人包括機(jī)身、電源箱、雙擺桿機(jī)構(gòu)和四個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述電源箱固連在機(jī)身的底部，雙擺桿機(jī)構(gòu)位于機(jī)身頂面中部，四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的柔性腿機(jī)構(gòu)分布在機(jī)身的矩形四個(gè)頂角； 所述雙擺桿機(jī)構(gòu)包括機(jī)身，電機(jī)，絲杠電機(jī)，曲柄，連桿，滑塊，推架，導(dǎo)桿，前擺桿，后擺桿，四個(gè)銷軸，四個(gè)球套和四個(gè)球滑座;所述機(jī)身是矩形體，在該機(jī)身的中部靠近正面設(shè)有豎直通孔，在機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)近中水平通孔，在機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有相互正交的兩個(gè)豎直通孔和兩個(gè)水平通孔;所述曲柄設(shè)有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述連桿兩端設(shè)有相互平行的通孔，所述滑塊是矩形體，該滑塊中部設(shè)有相互正交的螺紋孔和通孔;所述推架是矩形體，該推架中部設(shè)有矩形開槽和水平通孔，該推架兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)水平通孔和兩個(gè)豎直通孔，所述前、后擺桿中部設(shè)有開槽和豎直中心軸，該擺桿兩端設(shè)有垂直于開槽并與豎直中心軸正交的兩個(gè)同軸心的端軸；電機(jī)固連在機(jī)身的底面，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸穿過機(jī)身的中部豎直通孔與曲柄中心通孔鍵連接，曲柄的端部通孔通過銷軸與連桿一端的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，該連桿的另一端通孔通過銷軸與滑塊的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接;滑塊與推架的矩形開槽滑動(dòng)副聯(lián)接，絲杠電機(jī)與推架中部固連，絲杠電機(jī)的驅(qū)動(dòng)絲杠穿過推架的中部水平通孔與滑塊的螺紋孔螺紋聯(lián)接，兩個(gè)導(dǎo)桿的兩端分別與機(jī)身的兩個(gè)近中水平通孔固連，兩個(gè)導(dǎo)桿中部與推架兩側(cè)的水平通孔滑動(dòng)副聯(lián)接;兩個(gè)銷軸一端分別與推架兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱豎直通孔固連，其另一端分別與對(duì)稱的前、后擺桿的開槽移動(dòng)副聯(lián)接;前、后擺桿的中心軸分別與機(jī)身兩側(cè)的豎直通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，前、后擺桿的端軸均與球套上過球心的通孔圓柱副聯(lián)接，所述球套設(shè)有凸球面，所述球滑座中心設(shè)有凹球面通孔，球套與球滑座球副聯(lián)接； 所述柔性腿機(jī)構(gòu)包括大腿、小腿、足、上軸、中軸、下軸、彈簧、滑套、立柱和內(nèi)、外彈性板;所述大腿上端設(shè)有矩形開槽，球座與大腿上端的矩形開槽移動(dòng)副聯(lián)接，構(gòu)成每個(gè)擺桿的兩端軸分別與兩個(gè)柔性腿機(jī)構(gòu)的大腿圓柱副-球副-移動(dòng)副的復(fù)合聯(lián)接;大腿的中部和下端均設(shè)有與上述矩形開槽正交的通孔，大腿的中部通孔通過上軸與上述機(jī)身兩面的水平通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，所述小腿上、下端均設(shè)有相互平行的矩形開槽和與矩形開槽正交的通孔，中部設(shè)有與矩形開槽平行的矩形長(zhǎng)槽，矩形長(zhǎng)槽兩端設(shè)有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形開槽內(nèi)，足上端位于小腿下端矩形開槽內(nèi)，大腿下端通孔通過中軸與小腿上端通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，小腿下端通孔通過下軸與足上端的通孔轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，足的下端設(shè)有彈性蹄;立柱與小腿的矩形長(zhǎng)槽兩端的通孔連接，設(shè)有中心通孔的滑套和彈簧滑動(dòng)套在立柱上，彈簧兩端分別抵在滑套下面和小腿矩形長(zhǎng)槽的底部；內(nèi)彈性板兩端分別與大腿下端和滑套內(nèi)側(cè)連接，外彈性板兩端分別與滑套外側(cè)和足上端連接。
【文檔編號(hào)】B62D57/032GK106005090SQ201610538653
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】路懿, 葉妮佳, 代卓宏, 路揚(yáng)
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)