一種雙擺桿柔性四腿行走機器人的制作方法
【專利摘要】一種雙擺桿柔性四腿行走機器人，它包括機身、電源箱、雙擺桿機構和四個柔性腿機構；雙擺桿機構包括機身、電機、絲杠電機、推架和雙擺桿；柔性腿機構包括大、小腿，足，彈簧，滑套和內、外彈性板；機身、大、小腿、足相互轉動串聯；電機通過雙擺桿機構驅動四個柔性腿機構以馬步行走，大腿前擺時，地面阻力驅使大、小腿、足相互柔性反轉，雙彈性板牽引滑套壓縮彈簧，足離地時彈簧通過滑套和雙彈性板牽引大、小腿、足相互正轉，直至柔性腿機構伸直自鎖；大腿后擺時，地面阻力增強大、小腿、足相互伸直自鎖能力，實現柔性腿機構蹬地行走；絲杠電機通過變化大腿擺幅，改變行走方向。本發明驅動數少，易控制，結構簡單，適于不規則路面行快速走。
【專利說明】
一種雙擺桿柔性四腿行走機器人
技術領域
[0001]本發明涉及一種機器人，特別是一種足式機器人。
【背景技術】
[0002]足式機器人是移動機器人家族的一種特殊機器人，近年來成為機器人比較活躍的研究領域。相比輪式和履帶式移動機器人，基于仿生學原理的足式機器人雖然結構比較復雜，控制相對繁瑣，但卻有其獨特的優點:足式機器人自由度多，可以實現復雜靈活的運動方式，且因為足式機器人行走過程中的支撐點是離散的，可以在極不規則的路面上行走，能夠跨越或跳越障礙，適應性極強，在軍事偵察、災后搜救、航空航天、工業管道、醫學檢測、家庭娛樂、仿生學等領域都有廣泛的應用前景。其中四足機器人的結構和控制方法成為足式機器人領域更受關注的研究對象。這類機器人用于做人類不能做的事，在人無法進入的狹小空間進行作業和救援，在人無法適應的極端環境下進行危險作業;也用于做人不愿意做的事，把人類從危險、有害、復雜的環境中解救或解脫出來。多年來世界各國高度重視足式機器人的研究、研制與應用。2005年美國Boston Dynamics公司研制了軍用大狗四足機器人。2003年東京工業大學開發機器人Quadlator II ;Tmsuk和三洋電機開發成功的兩種型號的面向家庭安全用途的4足行走機器人。青島啟東電子設備設備有限公司研制B10-12四足爬蟲機器人，具有12自由度，單腿4自由度。2006年清華大學發明專利公開“一種可調整的四足仿生機器人運動結構”，其特征是大腿和小腿分別由各自的驅動裝置帶動其沿各自關節軸擺動。2009年上海師范大學專利公開一種四足步行機器人的行走機構，在機架的前、后部設置兩足驅動組件。2016授權發明專利CN104228996B公開一種用于坡路行走的雙動力四足機器人。2015授權專利CN103465991B公開一種簡易型四足機器人，包括兩個電動推桿通過相應機構驅動四個腿。2012年授權專利CN102211627B公開一種基于仿生設計的四足機器人機構，每個足采用一個驅動電機，其髖部采用差動錐齒輪。20 16年發明授權專利CN104139811B公開一種包括四個驅動電機的欠驅動的仿生四足機器人。上述足式機器人各具特色，但仍然存在諸多不足:驅動數多，結構復雜，質量大，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器人研究領域努力的方向。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種結構簡單、結實可靠、易于制造和控制、行走速度快、左右轉彎靈活的雙擺桿柔性四腿行走機器人。
[0004]本發明包括機身、電源箱、雙擺桿機構和四個柔性腿機構，其中，電源箱固連在機身的底部，雙擺桿機構位于機身頂面中部，四個結構相同的柔性腿機構分布在機身的矩形四個頂角；
[0005]所述雙擺桿機構包括機身，電機，絲杠電機，曲柄，連桿，滑塊，推架，導桿，前擺桿，后擺桿，四個銷軸，四個球套和四個球滑座;所述機身是矩形體，在機身的中部靠近一側面設有豎直通孔，在機身兩側對稱設有兩個近中水平通孔，在機身兩側對稱設有相互正交的兩個豎直通孔和兩個水平通孔;所述曲柄設有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述連桿兩端設有相互平行的通孔，所述滑塊是矩形體，該滑塊中部設有相互正交的螺紋孔和通孔，所述推架是矩形體，該推架中部設有矩形開槽和水平通孔，該推架兩側對稱設有兩個水平通孔和兩個豎直通孔，所述前、后擺桿中部設有開槽和豎直中心軸，該擺桿兩端設有垂直開槽并與豎直中心軸正交的兩個同軸心的端軸；電機固連在機身的底面，電機的驅動軸穿過機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動副聯接，該連桿的另一端通孔通過銷軸與滑塊的通孔轉動副聯接;滑塊與推架的矩形開槽滑動副聯接，絲杠電機與推架中部固連，絲杠電機的驅動絲杠穿過推架的中部水平通孔與滑塊的螺紋孔螺紋聯接，兩個導桿的兩端分別與機身側面兩個近中對稱水平通孔固連，兩個導桿中部與推架兩側的兩個對稱的水平通孔滑動副聯接;兩個銷軸一端分別與推架兩側的兩個對稱的豎直通孔固連，其另一端分別與兩個對稱的前、后擺桿的開槽移動副聯接;前、后擺桿的中心軸分別與機身兩側的豎直通孔轉動副聯接，前、后擺桿的端軸均與球套上過球心的通孔圓柱副聯接，所述球套設有凸球面，所述球滑座中心設有凹球面通孔，球套與球滑座球副聯接；
[0006]所述柔性腿機構包括大腿、小腿、足、上軸、中軸、下軸、彈簧、滑套、立柱和內、外彈性板;所述大腿上端設有矩形開槽，球座與大腿上端的矩形開槽移動副聯接，構成每個擺桿的兩端軸分別與兩個柔性腿機構的大腿圓柱副-球副-移動副的復合聯接;大腿的中部和下端均設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身的兩側的水平通孔轉動副聯接，所述小腿上、下端均設有相互平行的矩形開槽和與矩形開槽正交的通孔，中部設有與矩形開槽平行的矩形長槽，矩形長槽兩端設有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形開槽內，足上端位于小腿下端矩形開槽內，大腿下端通孔通過中軸與小腿上端通孔轉動副聯接，小腿下端通孔通過下軸與足上端的通孔轉動副聯接，足的下端設有彈性蹄;立柱與小腿的矩形長槽兩端的通孔連接，設有中心通孔的滑套和彈簧滑動套在立柱上，彈簧兩端分別抵在滑套下面和小腿矩形長槽的底部；內彈性板兩端分別與大腿下端和滑套內側連接，外彈性板兩端分別與滑套外側和足上端連接。
[0007]電機通過曲柄、連桿、滑塊、推架驅動雙擺桿機構相互反向擺動，帶動四個腿機構以馬步行走。大腿前擺時，地面阻力驅使足、小腿、大腿相互柔性反轉，內、外彈性板帶動滑塊壓縮彈簧;足離地時彈簧通過滑塊和內、外彈性板牽引足、小腿、大腿相互正轉，直至足、小腿、大腿相互伸直和自鎖;大腿后擺時，地面阻力增強足、小腿、大腿的相互伸直和自鎖能力，實現腿機構的彈性蹄蹬地行走。絲杠電機通過改變滑塊在推架的相對位置改變擺桿的轉角和大腿擺幅，實現改變前行方向。單驅動柔性四腿行走機器人站立時，各腿機構呈伸直垂直機架狀態，由于各腿機構的上軸線相對中、下軸線向前偏置，所以四個腿機構呈穩定自鎖站立狀態。
[0008]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0009]1、兩個直流電動機驅動，容易控制；
[0010]2、結構簡單，結實可靠，容易制造；
[0011 ] 3、腿部的質量和轉動慣量小，行走速度快；
[0012]4、變化兩側大腿擺幅過程簡單，便于實現左右轉彎。
[0013]5、可以等效馬前行、爬坡等靈活復雜的運動方式，在極不規則的路面上行走，適應性強。在軍事偵察、災后搜救、航空航天探測、工業管道內部檢測、醫學檢測、家庭娛樂、仿生學等領域都有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的俯視圖。
[0015]圖2是本發明的主視圖。
[0016]圖中:1-機身、2-電機、3-曲柄、4-連桿、5-銷軸、6_推架、7_滑塊、8_絲杠電機、9-導桿、10-1后擺桿、10-2-前擺桿、11-上軸、12-大腿、13-中軸、14-內彈性板、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。
【具體實施方式】
[0017]在圖1和圖2所示的雙擺桿柔性四腿行走機器人示意圖中，電源箱19固連在機身I的底部，雙擺桿機構位于機身頂面中部，四個結構相同的柔性腿機構分布在機身的矩形四個頂角；
[0018]所述雙擺桿機構包括機身1、電機2、絲杠電機8、曲柄3、連桿4、滑塊7、推架6、導桿
9、前擺桿10-2、后擺桿10-1和四個球滑座24;所述機身為矩形體，在機身的中部靠近一側面設有豎直通孔，在機身兩側對稱設有兩個近中水平通孔，在機身兩側對稱設有相互正交的兩個豎直通孔和兩個水平通孔;所述曲柄設有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述連桿兩端設有相互平行的通孔，所述滑塊是矩形體，該滑塊中部設有相互正交的螺紋孔和通孔，所述推架是矩形體，該推架中部設有矩形開槽和水平通孔，該推架兩側對稱設有兩個水平通孔和兩個豎直通孔，所述前、后擺桿中部設有開槽和豎直中心軸，該擺桿兩端設有垂直開槽并與豎直中心軸正交的兩個同軸心的端軸；電機固連在機身的底面，電機的驅動軸穿過機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動副聯接，該連桿的另一端通孔通過銷軸與滑塊的通孔轉動副聯接;滑塊與推架的矩形開槽滑動副聯接，絲杠電機與推架中部固連，絲杠電機的驅動絲杠穿過推架的中部水平通孔與滑塊的螺紋孔螺紋聯接，兩個導桿的兩端分別與機身側面兩個近中對稱水平通孔固連，兩個導桿中部與推架兩側的兩個對稱的水平通孔滑動副聯接;兩個銷軸一端分別與推架兩側的兩個對稱的豎直通孔固連，其另一端分別與兩個對稱的前、后擺桿的開槽移動副聯接;前、后擺桿的中心軸分別與機身兩側的豎直通孔轉動副聯接，前、后擺桿的端軸均與球套23上過球心的通孔圓柱副聯接，所述球套設有凸球面，球套與球滑座球副聯接，所述球滑座中心設有凹球面通孔；
[0019]所述柔性腿機構包括大腿12、小腿16、足18、上軸11、中軸13、下軸17、彈簧21、滑套22、立柱20、內彈性板14和外彈性板15;所述大腿上端設有矩形開槽，球座與大腿上端的矩形開槽移動副聯接，構成每個擺桿的兩端軸分別與兩個柔性腿機構的大腿圓柱副-球副-移動副的復合聯接;大腿的中部和下端均設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身兩側的水平通孔轉動副聯接，所述小腿上、下端均設有相互平行的矩形開槽和與矩形開槽正交的通孔，中部設有與矩形開槽平行的矩形長槽，矩形長槽兩端設有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形開槽內，足上端位于小腿下端矩形開槽內，大腿下端通孔通過中軸與小腿上端通孔轉動副聯接，小腿下端通孔通過下軸與足上端的通孔轉動副聯接，足的下端設有彈性蹄;立柱與小腿的矩形長槽兩端的通孔連接，設有中心通孔滑套和彈簧滑動套在立柱上，彈簧兩端分別抵在滑套下面和小腿矩形長槽的底部；內彈性板兩端分別與大腿下端和滑套內側連接，外彈性板兩端分別與滑套外側和足上端連接。
【主權項】
1.一種雙擺桿柔性四腿行走機器人包括機身、電源箱、雙擺桿機構和四個柔性腿機構，其特征在于:所述電源箱固連在機身的底部，雙擺桿機構位于機身頂面中部，四個結構相同的柔性腿機構分布在機身的矩形四個頂角； 所述雙擺桿機構包括機身，電機，絲杠電機，曲柄，連桿，滑塊，推架，導桿，前擺桿，后擺桿，四個銷軸，四個球套和四個球滑座;所述機身是矩形體，在該機身的中部靠近正面設有豎直通孔，在機身兩側對稱設有兩個近中水平通孔，在機身兩側對稱設有相互正交的兩個豎直通孔和兩個水平通孔;所述曲柄設有相互平行的中心通孔和端部通孔，所述連桿兩端設有相互平行的通孔，所述滑塊是矩形體，該滑塊中部設有相互正交的螺紋孔和通孔;所述推架是矩形體，該推架中部設有矩形開槽和水平通孔，該推架兩側對稱設有兩個水平通孔和兩個豎直通孔，所述前、后擺桿中部設有開槽和豎直中心軸，該擺桿兩端設有垂直于開槽并與豎直中心軸正交的兩個同軸心的端軸；電機固連在機身的底面，電機的驅動軸穿過機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動副聯接，該連桿的另一端通孔通過銷軸與滑塊的通孔轉動副聯接;滑塊與推架的矩形開槽滑動副聯接，絲杠電機與推架中部固連，絲杠電機的驅動絲杠穿過推架的中部水平通孔與滑塊的螺紋孔螺紋聯接，兩個導桿的兩端分別與機身的兩個近中水平通孔固連，兩個導桿中部與推架兩側的水平通孔滑動副聯接;兩個銷軸一端分別與推架兩側的兩個對稱豎直通孔固連，其另一端分別與對稱的前、后擺桿的開槽移動副聯接;前、后擺桿的中心軸分別與機身兩側的豎直通孔轉動副聯接，前、后擺桿的端軸均與球套上過球心的通孔圓柱副聯接，所述球套設有凸球面，所述球滑座中心設有凹球面通孔，球套與球滑座球副聯接； 所述柔性腿機構包括大腿、小腿、足、上軸、中軸、下軸、彈簧、滑套、立柱和內、外彈性板;所述大腿上端設有矩形開槽，球座與大腿上端的矩形開槽移動副聯接，構成每個擺桿的兩端軸分別與兩個柔性腿機構的大腿圓柱副-球副-移動副的復合聯接;大腿的中部和下端均設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身兩面的水平通孔轉動副聯接，所述小腿上、下端均設有相互平行的矩形開槽和與矩形開槽正交的通孔，中部設有與矩形開槽平行的矩形長槽，矩形長槽兩端設有通孔，大腿下端位于小腿上端的矩形開槽內，足上端位于小腿下端矩形開槽內，大腿下端通孔通過中軸與小腿上端通孔轉動副聯接，小腿下端通孔通過下軸與足上端的通孔轉動副聯接，足的下端設有彈性蹄;立柱與小腿的矩形長槽兩端的通孔連接，設有中心通孔的滑套和彈簧滑動套在立柱上，彈簧兩端分別抵在滑套下面和小腿矩形長槽的底部；內彈性板兩端分別與大腿下端和滑套內側連接，外彈性板兩端分別與滑套外側和足上端連接。
【文檔編號】B62D57/032GK106005090SQ201610538653
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】路懿, 葉妮佳, 代卓宏, 路揚
【申請人】燕山大學