一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于仿生機器人領域,具體涉及的是一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人。
【背景技術】
[0002]機器人是近年來飛速發展的一項新興產業,機器人按照運動方式可分為輪式、履帶式和腿式機器人。為滿足適應各種地形的要求,腿式機器人得到快速發展,并取得了一定的成就。由Boston Dynamics公司開發的BigDog機器人可謂是四足機器人領域的佼佼者,隨后相繼改進的Alpha、Wildcat機器人在穩定性與運行速度得到大幅提升。
[0003]國內的清華大學、山東大學和哈爾濱工業大學等高校也在四足仿生四足機器人方面做了巨大努力,并且取得了一定的成就。
[0004]傳統腿式機器人的驅動器大多采用液壓缸、伺服電機,導致機器人整體結構很復雜且造價高。近年來,氣動肌肉作為一種新型的驅動器進入機器人領域,除了繼承傳統驅動器響應速度快、動力足的特點之外,同時具有良好的柔順性和仿生性、更高的功率重量比、更高的能量利用率與更低的成本等優點。
[0005]經對現有文獻檢索發現,中國專利文獻CN201220344525中公開了一種小型四足仿生機器人。機器人每條腿上均有兩個自由度并采用舵機實現,具備步態靈活、行動穩定特點,但其成本較高,結構設計較為復雜,步態不柔順,承載能力不高。
【發明內容】
[0006]本實用新型克服現有技術的不足,設計一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人。
[0007]本實用新型采用了以下技術方案,包括:軀干支架以及安裝在軀干支架上的四條腿;軀干支架呈方形,四條腿兩兩安裝在軀干支架的兩側,每條腿均由大腿單元和小腿單元兩部分組成;大腿單元由髖關節連接件、第一氣動肌肉、第二氣動肌肉、大腿支架、膝關節內側連接件、上關節軸、軸承、軸銷、氣動肌肉連接件組成;小腿單元由膝關節外側連接件、第三氣動肌肉、第四氣動肌肉、小腿支架、足尖連接件、下關節軸、軸承、軸銷、氣動肌肉連接件組成;大腿支架一端通過上關節軸與髖關節連接件鉸接,關節軸與髖關節連接件之間設置有軸承,大腿支架另一端與膝關節內側連接件固接;小腿支架一端通過下關節軸與膝關節外側連接件鉸接,下關節軸與膝關節外側連接件之間設置有軸承,小腿支架的另一端與足尖連接件固接;髖關節連接件通過螺釘固接在軀干支架上,膝關節外側連接件通過螺釘固接在膝關節內側連接件上,足尖通過螺釘與足尖連接件固接;大腿支架兩側分別設置有第一氣動肌肉和第二氣動肌肉,第一氣動肌肉和第二氣動肌肉的兩端分別通過氣動肌肉連接件與髖關節連接件和膝關節內側連接件鉸接,小腿支架兩側分別設置有第三氣動肌肉和第四氣動肌肉,第三氣動肌肉和第四氣動肌肉的兩端分別通過氣動肌肉連接件與膝關節外側連接件和足尖連接件鉸接;髖關節連接件與膝關節內側連接件上均設有第一弧形長孔,螺釘穿過弧形長孔將髖關節連接件固定在軀干支架上;膝關節內側連接件上設有第二弧形長孔,螺釘穿過第二弧形長孔將膝關節外側連接件固定在膝關節內側連接件上。第一弧形長孔與第二弧形長孔可以分別實現大腿單元相對于軀干支架、小腿單元相對于大腿單元的安裝角度可調。使用時,通過控制氣動肌肉的進氣量,模擬生物肌肉的收縮與伸張,拉動腿部單元繞關節軸轉動,實現腿部的擺動。當第二氣動肌肉充氣、第一氣動肌肉放氣時,機器人大腿單元部繞上關節軸向第二氣動肌肉所在一側方向擺動;當第一氣動肌肉充氣、第二氣動肌肉放氣時,機器人大腿單元部繞上關節軸向第一氣動肌肉所在一側方向擺動。小腿單元的第三氣動肌肉放氣,第四氣動肌肉充氣時,小腿單元繞下關節軸向第四氣動肌肉所在一側方向擺動;第四氣動肌肉放氣,第三氣動肌肉充氣時,小腿單元繞下關節軸向第三氣動肌肉所在一側方向擺動。
[0008]本仿生四足機器人使用了功率重量比高的氣動肌肉作為驅動器,具有成本低、動力足、清潔性好的特點;本結構設計對稱協調,具有良好的仿生特點,并且便于控制算法的實現;同時,本機器人結構具有行走步態柔順,適應性較好以及較強承載能力的有益特性。
【附圖說明】
[0009]圖1是氣動肌肉驅動的仿生四足機器人結構示意圖;
[0010]圖2是單腿組合設計裝配圖。
[0011]附圖中:1-軀干支架,2-大腿單元,3-小腿單元,4-髖關節連接件,5-膝關節內側連接件,6-膝關節外側連接件,7-足尖連接件,8-足尖,9-大腿支架,10-小腿支架,11-第二氣動肌肉,12-第一氣動肌肉,13-第三氣動肌肉,14-第四氣動肌肉,15-軸銷,16-軸承,17-氣動肌肉接頭,18-上關節軸,19-下關節軸,20-第一弧形長孔,21-第二弧形長孔。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明。
[0013]如圖1所示,是氣動肌肉驅動的仿生四足機器人結構示意圖。包括:軀干支架I以及安裝在軀干支架上的四條腿,前后腿安裝采用前肘后膝式。
[0014]如圖2所示,機器人的每條腿均由大腿單元2、小腿單元3兩部分組成。大腿單元2由髖關節連接件4、膝關節內側連接件5、大腿支架9、第一氣動肌肉12、第二氣動肌肉11、軸銷15、軸承16、氣動肌肉連接件17、上關節軸18組成;小腿單元3由膝關節外側連接件6、足尖連接件7、小腿支架10、第三氣動肌肉13、第四氣動肌肉14、軸銷15、軸承16、氣動肌肉連接件17、下關節軸19組成;大腿支架9 一端通過上關節軸18與髖關節連接件4鉸接,上關節軸18與髖關節連接件4之間設置有軸承16,大腿支架9另一端與膝關節內側連接件5固接;小腿支架10 —端通過下關節軸19與膝關節外側連接件6鉸接,下關節軸19與膝關節外側連接件6之間設置有軸承16,小腿支架10的另一端與足尖連接件7固接;髖關節連接件4通過螺釘固接在軀干支架I上,膝關節外側連接件6通過螺釘固接在膝關節內側連接件5上,足尖8通過螺釘與足尖連接件7固接;大腿支架9兩側分別設置有第一氣動肌肉12和第二氣動肌肉11,第一氣動肌肉12和第二氣動肌肉11的兩端分別通過氣動肌肉連接件17與髖關節連接件4和膝關節內側連接件5鉸接,小腿支架10兩側分別設置有第三氣動肌肉13和第四氣動肌肉14,第三氣動肌肉13和第四氣動肌肉14的兩端分別通過氣動肌肉連接件17與膝關節外側連接件4和足尖連接件7鉸接。使用時,通過給氣動肌肉充氣與放氣,模擬生物肌肉的收縮與伸張,拉動腿部單元繞關節軸轉動,實現腿部單元的擺動。當第二氣動肌肉11充氣、第一氣動肌肉12放氣時,機器人大腿單元2繞上關節軸19向第二氣動肌肉11所在一側方向擺動;當第一氣動肌肉12充氣、第二氣動肌肉11放氣時,機器人大腿單元2繞上關節軸18向第一氣動肌肉12所在一側方向擺動;小腿單元3的第三氣動肌肉13放氣,第四氣動肌肉14充氣,小腿單元3繞下關節軸19向第四氣動肌肉14所在一側方向擺動;第四氣動肌肉14放氣,第三氣動肌肉13充氣時,小腿單元3繞下關節軸19向第三氣動肌肉13所在一側方向擺動。髖關節連接件4與膝關節內側連接件6上均設有第一弧形長孔20,螺釘穿過第一弧形長孔20將髖關節連接件4固定在軀干支架I上。膝關節內側連接件5上設有第二弧形長孔21,螺釘穿過第二弧形長孔21將膝關節外側連接件6固定在膝關節內側連接件5上。第一弧形長孔20與第二弧形長孔21可以分別實現大腿單元2相對于軀干支架1、小腿單元3相對于大腿單元2的安裝角度可調。
【主權項】
1.一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人,其特征在于:包括軀干支架(I)以及安裝于軀干支架上的四條腿;所述軀干支架(I)呈方形,所述四條腿分別兩兩安裝在軀干支架(I)的兩側,每條腿均由大腿單元⑵和小腿單元⑶兩部分組成;所述大腿單元⑵由髖關節連接件⑷、膝關節內側連接件(5)、大腿支架(9)、第一氣動肌肉(12)、第二氣動肌肉(11)、軸銷(15)、軸承(16)、氣動肌肉連接件(17)、上關節軸(18)組成;所述小腿單元(3)由膝關節外側連接件出)、足尖連接件(7)、小腿支架(10)、第三氣動肌肉(13)、第四氣動肌肉(14)、軸銷(15)、軸承(16)、氣動肌肉連接件(17)下關節軸(19)組成;所述大腿支架(9) 一端通過上關節軸(18)與髖關節連接件(4)鉸接,上關節軸(18)與髖關節連接件(4)之間設置有軸承(16),大腿支架(9)另一端與膝關節內側連接件(5)固接;所述小腿支架(10) —端通過下關節軸(19)與膝關節外側連接件(6)鉸接,下關節軸(19)與膝關節外側連接件(6)之間設置有軸承(16),小腿支架(10)的另一端與足尖連接件(7)固接;所述髖關節連接件(7)通過螺釘固接在軀干支架(I)上,膝關節外側連接件(6)通過螺釘固接在膝關節內側連接件(5)上,足尖(8)通過螺釘與足尖連接件(7)固接;所述大腿支架(9)兩側分別設置有第一氣動肌肉(12)和第二氣動肌肉(11),第一氣動肌肉(12)和第二氣動肌肉(11)的兩端分別通過氣動肌肉連接件(17)與髖關節連接件(4)和膝關節內側連接件(5)鉸接,所述小腿支架(10)兩側分別設置有第三氣動肌肉(13)和第四氣動肌肉(14),第三氣動肌肉(13)和第四氣動肌肉(14)的兩端分別通過氣動肌肉連接件(17)與膝關節外側連接件(4)和足尖連接件(7)鉸接。
2.根據權利要求1所述的一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人,其特征在于:所述髖關節連接件(4)與膝關節內側連接件(6)上均設有第一弧形長孔(20),螺釘穿過第一弧形長孔(20)將髖關節連接件(4)固定在軀干支架(I)上。
3.根據權利要求1或2所述的一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人,其特征在于:所述膝關節內側連接件(5)上設有第二弧形長孔(21),螺釘穿過第二弧形長孔(21)將膝關節外側連接件(6)固定在膝關節內側連接件(5)上。
【專利摘要】本實用新型是一種氣動肌肉驅動的仿生四足機器人。包括軀干支架以及安裝在軀干支架上的四條腿;每條腿均由大腿單元與小腿單元組成;包括髖部關節連接件、內側關節連接件、外側關節連接件、足尖連接件、足尖、大腿支架、小腿支架、第二氣動肌肉、第一氣動肌肉、第三氣動肌肉、第四氣動肌肉、軸銷、軸承、氣動肌肉接頭、支柱、上關節軸、下關節軸。氣動肌肉驅動的四足機器人腿部設計對稱協調,具有良好的仿生特點,便于控制算法的實現;本四足機器人結構具有行走步態柔順,適應性較好,具有較強承載能力的有益特性。
【IPC分類】B62D57-032
【公開號】CN204399319
【申請號】CN201520038822
【發明人】張斌, 干蘇, 王斌銳
【申請人】中國計量學院
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年1月14日