[发明专利]四足机器人腿部机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种四足机器人腿部机构，在不增加自由度的情况下，能很好地模拟动物关节的运动，对四足动物（马、狗）进行仿生设计，这种设计结构紧凑，运动关节灵活，大大地提高了四足机器人的运动性能。

 

背景技术

四足机器人相比其他机器人而言有其自身的优点：相对于轮式或履带式机器人而言，足式机器人更能适应较复杂的环境，如森林，草地湿地，山林地等；相比两足机器人，四足机器人更平稳，更易适应不平整的地面；相比六足机器人，其结构简单，运动更灵活，且控制较为容易，制造成本较低。总体来说，四足机器人具有很大的优势，是步行机器人中最有可能首先实用化的机型之一。四足机器人其在抢险救灾、排雷探险、娱乐和军事领域都有着广泛的应用，例如，可以携带一定的救灾物资行走在崎岖的路面上；可以在陡峭的崖壁上攀爬；可以在一些危险恶劣的环境中进行适当的作业；也可以用于家庭、医院等场所为人类服务，给人们带来欢乐。因而，四足机器人有着广泛的应用前景。

目前，国外关于四足机器人的研究比较多。比较典型的是卡耐基梅隆大学的Boston dynamics实验室研制的BigDog四足机器人。该机器人具有承载一定负载的能力，能够在粗糙的瓦砾地面或泥泞地面以不同步态自如行走，野外行走能力很强；其最大的特点是具有较强的机体平衡能力，在剧烈的侧面冲击作用下，能保持平衡。BigDog四条腿的关节通过液压系统进行驱动，能提供足够的动力，但其成本很高，控制难度大，目前采用这一设计并不多。传统的设计大都采用电机(如步进电机、伺服电机等)作为关节驱动源，结构简单，但使得机器人的运动性能大幅度降低。通过增加运动关节的自由度可以提高四足机器人运动的灵活性，但这会加大控制难度。由于四足机器人结构和驱动源的限制，使得目前很多的研究工作都是基于静态行走（在行走过程中，机器人始终有三条腿着地），其样机制作简单，运动比较单一，行走速度很慢，很难推广。相比而言，动态行走（运动过程中始终少于三条腿着地）的四足机器人运动灵活，行走速度快，如BigDog采用的就是动态行走。但目前国内研究大多处于理论研究阶段，实物制作相对较少，这对具有较高运动性能的四足机器人研究影响较大。因此，成本较低，运动性能良好的四足机器人样机设计在四足机器人研究中显得尤为重要。

 

发明内容

本发明目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种四足机器人腿部机构，结构简单，运动性能良好。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

为了方便描述，定义如下的惯性坐标系Oxyz：坐标系Oxyz遵循右手笛卡尔坐标系规则，其中z轴垂直于地面向上，x轴指向机器人前进方向。

髋关节铰链含有两个自由度，包括绕Oxyz坐标系x轴和y轴的两个转动运动副。

膝关节铰链和踝关节铰链为联动机构，具有一个自由度，这两个关节都具有绕y轴的转动运动副。所述两关节的联动是通过两组锥齿轮和一根传动轴实现的，该传动轴安装在胫骨连杆上，轴的两端分别通过键连接来固定两个锥齿轮，其中所述传动轴一端的锥齿轮与安装在股骨连杆上的锥齿轮啮合，另一端的锥齿轮与安装在跖骨连杆的锥齿轮啮合，这样就使得机器人的膝关节铰链和踝关节铰链为一组联动机构。

在股骨连杆上安装一个伺服电机，伺服电机传动一组锥齿轮来控制胫骨连杆绕股骨连杆的转动，即通过该伺服电机实现机器人膝关节铰链的旋转运动。由于膝关节铰链和踝关节铰链为一组联动机构，故踝关节铰链也会跟随着膝关节铰链一起做旋转运动，从而实现所述两关节的联动。通过更改膝关节铰链和踝关节铰链处的一对锥齿轮的齿数比可以修改所述膝关节铰链和踝关节铰链旋转运动的幅值比，这样能更好的实现仿生设计，使机器人具有良好的运动性能。

为了防止地面冲击过大，跖骨连杆采用一根阻尼弹簧来实现，主要目的是用来吸收机器人运动过程中足底与地面间的冲击力。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种四足机器人腿部机构，包括驱动电机、股骨机构、膝关节铰链、胫骨机构、裸关节铰链和跖骨机构。所述股骨机构通过膝关节铰链铰连胫骨机构。所述驱动电机固定安装在股骨机构上，驱动电机的输出轴通过膝关节铰链中的伞齿轮传动机构驱动胫骨机构转动。所述胫骨机构通过裸关节铰链铰连跖骨机构。所述驱动电机通过膝关节铰链中的伞齿轮传动机构和裸关节铰链中的伞齿轮传动机构驱动跖骨机构传动。