專利名稱：一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四足步行機(jī)器人，具體涉及一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人。
背景技術(shù)：
在四足步行機(jī)器人領(lǐng)域，美國波士頓動(dòng)力公司制作的BigDog是四足機(jī)器人的最高技術(shù)成就，它能夠適應(yīng)冰面、雪地、草地等多種地形，并表現(xiàn)出超強(qiáng)的抗側(cè)向擾動(dòng)能力。大多數(shù)四足機(jī)器人采用剛性腰部，即整個(gè)軀干為剛性整體，這樣機(jī)器人運(yùn)動(dòng)柔順性差，為改善機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，一些四足機(jī)器人也做了柔性腰部的設(shè)計(jì)。例如日本東京大學(xué)JSK實(shí)驗(yàn)室研制的SQ43四足機(jī)器人，它具有柔性的脊柱，這讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)變得柔順，并且有一定的減振效果，使它能夠穿過一些狹窄的通道和不規(guī)則的地形。韓國慶北大學(xué)的電子工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的％-Hoon Park等人研制了四足機(jī)器人ELIR0，該機(jī)器人與傳統(tǒng)的足式機(jī)器人相比，機(jī)器人本體不再是一個(gè)單一的剛性整體，而是在本體用一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)將機(jī)器人本體分為前后兩個(gè)部分。這種被動(dòng)的腰部關(guān)節(jié)使機(jī)器人能夠?qū)嵭徐o態(tài)的轉(zhuǎn)向，因此ELIRO 系列機(jī)器人直線行走過程中遇到障礙，可以停下來轉(zhuǎn)向以避開障礙物。在彈性腿的研究方面，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的仿生機(jī)器人團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款四足機(jī)器人“Cheetah”，該機(jī)器人最重要的部位是它的腿部設(shè)計(jì)，采用較輕質(zhì)的材料，踝關(guān)節(jié)的彈簧可以吸收沖擊并儲(chǔ)存能量，既有利于提高了機(jī)器人速度又有利于降低能耗。比利時(shí)根特大學(xué)電子與信息系統(tǒng)學(xué)院研制了“Reservoir Dog”四足機(jī)器人，由于腿部重量較輕，而且彈簧具有蓄能效果，因而該機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)的(Gallop (跳躍)步態(tài)，即四足同時(shí)騰空，整個(gè)機(jī)器人向前跳躍的步態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)在的四足機(jī)器人的腰部和腿部大多采用剛性結(jié)構(gòu)，從而帶來的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差、運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)、腿部沖擊力大、能耗高的問題，提供了一種具有柔性腰部和彈性腿的四足機(jī)器人。本發(fā)明的技術(shù)方案該機(jī)器人分為前軀干、脊柱、腰部、后軀干以及四條結(jié)構(gòu)相同的腿幾部分前軀干與脊柱間通過水平設(shè)置的、與機(jī)器人前進(jìn)方向垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，由安裝在脊柱上的脊柱電機(jī)通過齒輪組驅(qū)動(dòng)前軀干做俯仰運(yùn)動(dòng)；脊柱與腰部用帶有扭簧的、與脊柱中心線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，扭簧一端插入腰部的小孔，一端插入脊柱的小孔，使腰部能夠沿軸向旋轉(zhuǎn)，即使機(jī)器人身體具有橫滾自由度，并擁有自動(dòng)回復(fù)能力；腰部和后軀干之間用帶有扭簧的、與水平面垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使機(jī)器人身體具有偏轉(zhuǎn)自由度，并擁有自動(dòng)回復(fù)能力。前軀干和后軀干的兩端采用相同的方式分別安裝一條腿；固定在前軀干上的左前軸承與左前腿上的法蘭軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，由安裝在前軀干上的左前電機(jī)和齒輪組驅(qū)動(dòng)，使左前腿擺動(dòng)。機(jī)器人的腿由大腿和小腿構(gòu)成，大腿和小腿間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使小腿能前后擺動(dòng)； 大腿的下端設(shè)置腿部電機(jī)，通過齒輪組驅(qū)動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，小腿的下端裝有壓簧，使其擁有被動(dòng)緩沖能力。所述的前軀干與脊柱之間的齒輪組包括一對傳動(dòng)比為1 1的錐齒輪和一對傳動(dòng)比為1 1的直齒圓柱齒輪。所述前軀干或后軀干與各條腿之間、腿部的大腿與小腿之間均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪組的方式，來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且錐齒輪的傳動(dòng)比為1 1。所述的腰部與后軀干之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副采用銷軸，且扭簧套在銷軸外，銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線沿豎直方向。本發(fā)明的有益效果為該四足步行機(jī)器人摒棄了傳統(tǒng)的四足機(jī)器人的剛性結(jié)構(gòu)， 機(jī)器人的腰部擁有一個(gè)主動(dòng)、兩個(gè)被動(dòng)共三個(gè)自由度，是機(jī)器人在行走時(shí)穩(wěn)定性更高，運(yùn)動(dòng)更協(xié)調(diào)。在機(jī)器人的腿部裝有彈簧，由被動(dòng)緩沖效果，減小了行走時(shí)的地面沖擊力，彈簧擁有蓄能效果，降低了能耗。


圖1為具有柔性腰部和彈性腿四足機(jī)器人的整體三維圖；圖2為前軀干與脊柱主動(dòng)自由度的連接圖；圖3為脊柱與腰部被動(dòng)自由度的連接圖；圖4為腰部與后軀干被動(dòng)自由度的連接圖；圖5為大腿、小腿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖6為大腿驅(qū)動(dòng)的軸系剖面圖；圖7為小腿被動(dòng)彈性的結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)號(hào)Al-前軀干；A2-前軀干軸承座；A3-前軀干電機(jī)座；A4-前軀干電機(jī) ’A5-前軀干第一錐齒輪；A6-前軀干軸承；A7-前軀干第一直齒圓柱齒輪；A8-前軀干第二直齒圓柱齒輪； A9-前軀干第二錐齒輪；Bl-左前腿；B2-左前腿法蘭軸；B3-左前腿第一軸用彈性擋圈；B4-左前腿第一錐齒輪；B5-左前腿第二軸用彈性擋圈；B6-左前腿電機(jī)；B7-左前腿電機(jī)座；B8-左前腿第二錐齒輪；B9-左前腿第三錐齒輪；BlO-左前腿軸承座；Bll-左前腿第三軸用彈性擋圈； B12-左前腿第四軸用彈性擋圈；B13-左前腿法蘭；B14-左前腿軸；B15-左前腿小腿桿； B16-左前腿軸用彈性擋圈；B17-左前腿直線滑動(dòng)軸承；B18-左前腿壓簧；B19-左前腿小腿柱；B20-左前腿足端；Cl-脊柱；C2-脊柱電機(jī)座；C3-脊柱錐齒輪；C4-脊柱電機(jī)；C5-脊柱軸承座； C6-脊柱扭簧；Dl-腰部；D2-腰部擋圈；D3-腰部銷軸；El-后軀干；E2-后軀干扭簧；E3-后軀干定位銷。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示機(jī)器人整體分為前軀干Al，左前腿Bi、脊柱Cl、腰部D1、后軀干E1、右前腿、左后腿、右后腿組成，四條腿結(jié)構(gòu)完全相同。如圖2所示，前軀干Al與脊柱Cl之間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，前軀干Al的端部加工出圓軸，一端插進(jìn)脊柱Cl端的通孔內(nèi)，另一端插入脊柱軸承座C5的通孔內(nèi)，脊柱軸承座C5通過螺栓螺母連接在脊柱Cl上，如此前軀干Al與脊柱Cl構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。脊柱電機(jī)C4通過螺釘固定在脊柱電機(jī)座C2上，脊柱電機(jī)座C2通過螺栓螺母固定在脊柱Cl上，脊柱電機(jī)C4的轉(zhuǎn)動(dòng)通過脊柱錐齒輪C3、前軀干第二錐齒輪A9、前軀干第二直齒圓柱齒輪A8、直齒圓柱齒輪 A7傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)副，脊柱錐齒輪C3、前軀干第二錐齒輪A9通過頂絲與前軀干第二直齒圓柱齒輪軸AlO連接，前軀干第二直齒圓柱齒輪A8、前軀干第一直齒圓柱齒輪A7靠D形面分別與前軀干第二直齒圓柱齒輪軸A10、前軀干Al連接。如圖3所示，脊柱Cl與腰部Dl之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，脊柱Cl上加工有軸插入腰部Dl的孔內(nèi)，脊柱扭簧C6的兩端分別插入脊柱Cl和腰部Dl的小孔內(nèi)，如此扭簧能提供轉(zhuǎn)動(dòng)副的回復(fù)力。脊柱Cl的軸與腰部Dl的孔之間的軸向固定靠上下兩片腰部擋圈D2實(shí)現(xiàn)， 腰部擋圈D2為開有半圓形槽的矩形薄片，腰部擋圈D2處的脊柱Cl開有深槽，深槽直徑與所述半圓形槽直徑相同，腰部擋圈D2的半圓形槽卡在脊柱Cl的深槽中，腰部擋圈D2用上下兩個(gè)螺釘固定在腰部Dl上。如此脊柱Cl與腰部Dl之間構(gòu)成了具有回復(fù)力的轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線為機(jī)器人前進(jìn)方向。如圖4所示，腰部Dl與后軀干El通過腰部銷軸D3連接，腰部銷軸D3穿過腰部Dl 上下兩個(gè)通孔和后軀干El的通孔，后軀干扭簧E2 —端插入腰部Dl的小孔，另一端插入腰部銷軸D3底部圓柱面的小孔內(nèi)，腰部銷軸D3與后軀干El用后軀干定位銷E3固定，如此， 腰部Dl與后軀干El之間構(gòu)成有自動(dòng)回復(fù)力的繞豎直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副。四條腿的結(jié)構(gòu)及連接方式相同，以左前腿Bl為例。如圖5、圖6所示，前軀干電機(jī)座A3、前軀干軸承座A2固定在前軀干Al上，前軀干電機(jī)A4通過螺釘固定在前軀干電機(jī)座 A3上，前軀干第一錐齒輪A5、左前腿第一錐齒輪B4分別通過頂絲固定在電機(jī)軸和左前腿法蘭軸B2上，左前腿法蘭軸B2通過螺釘固定在左前腿Bl的大腿桿上，左前腿法蘭軸B2穿過左前腿第二軸用彈性擋圈B5、前軀干軸承A6、左前腿第一軸用彈性擋圈B3和左前腿第一錐齒輪B4，左前腿第一軸用彈性擋圈B3、左前腿第二軸用彈性擋圈B5起軸向固定作用，前軀干軸承A6通過過盈連接裝在前軀干軸承座A2內(nèi)，如此，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能帶動(dòng)左前腿Bl的大腿桿轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，左前腿電機(jī)B6的轉(zhuǎn)動(dòng)通過左前腿第二錐齒輪B8、左前腿第三錐齒輪B9 傳遞到左前腿法蘭B13，從而帶動(dòng)左前腿小腿桿B15轉(zhuǎn)動(dòng)，左前腿軸B14穿過左前腿軸承座 BlO中的軸承，左前腿第三軸用彈性擋圈B11、左前腿第四軸用彈性擋圈B12起軸向固定作用。如圖7所示，左前腿小腿柱B19與左前腿直線滑動(dòng)軸承B17之間構(gòu)成移動(dòng)副，中間的左前腿壓簧B18起被動(dòng)緩沖作用，上端左前腿軸用彈性擋圈B16起單向的軸向固定作用， 左前腿小腿柱B19與左前腿足端B20用螺釘固定在一起。
權(quán)利要求
1.一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人，其特征在于，分為前軀干(Al)、脊柱(Cl)、腰部(Dl)、后軀干(El)以及四條結(jié)構(gòu)相同的腿幾部分；前軀干(Al)與脊柱(Cl)間通過水平設(shè)置的、與機(jī)器人前進(jìn)方向垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，由安裝在脊柱(Cl)上的脊柱電機(jī)(C4)通過齒輪組驅(qū)動(dòng)前軀干(Al)做俯仰運(yùn)動(dòng)；脊柱(Cl) 與腰部(Dl)用帶有扭簧的、與脊柱(Cl)中心線平行的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使腰部(Dl)能夠沿軸向旋轉(zhuǎn)，即使機(jī)器人身體具有橫滾自由度，并擁有自動(dòng)回復(fù)能力；腰部(Dl)和后軀干(El) 之間用帶有扭簧的、與水平面垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使機(jī)器人身體具有偏轉(zhuǎn)自由度，并擁有自動(dòng)回復(fù)能力；前軀干(Al)和后軀干(El)的兩端采用相同的方式分別安裝一條腿；固定在前軀干 (Al)上的左前軸承(A6)與左前腿(Bi)上的法蘭軸(B2)構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，由安裝在前軀干(Al) 上的左前電機(jī)(A4)和齒輪組驅(qū)動(dòng)，使左前腿(Bi)擺動(dòng)；機(jī)器人的腿由大腿和小腿構(gòu)成，大腿和小腿間由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使小腿能前后擺動(dòng)；大腿的下端設(shè)置腿部電機(jī)，通過齒輪組驅(qū)動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，小腿的下端裝有壓簧，使其擁有被動(dòng)緩沖能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人，其特征在于所述的前軀干(Al)與脊柱(Cl)之間的齒輪組包括一對傳動(dòng)比為1 1的錐齒輪和一對傳動(dòng)比為1 1的直齒圓柱齒輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人，其特征在于所述前軀干(Al)或后軀干(El)與各條腿之間、腿部的大腿與小腿之間均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪組的方式，來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，且錐齒輪的傳動(dòng)比為1 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人，其特征在于，所述的腰部(Dl)與后軀干(El)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副采用銷軸，且扭簧套在銷軸外，銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線沿豎直方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四足步行機(jī)器人，具體涉及一種具有柔性腰部和彈性腿的柔順?biāo)淖銠C(jī)器人。分為前軀干、脊柱、腰部、后軀干以及四條結(jié)構(gòu)相同的腿幾部分；前軀干或后軀干中的軸承與各條腿上的法蘭軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，前軀干與脊柱用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，由電機(jī)和齒輪組驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人身體具有俯仰的自由度，脊柱與腰部用帶有扭簧的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使機(jī)器人身體具有橫滾自由度，腰部和后軀干也用帶有扭簧的轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，使機(jī)器人身體具有偏轉(zhuǎn)自由度，機(jī)器人腿部由大腿，小腿構(gòu)成，都由電機(jī)和齒輪組驅(qū)動(dòng)，小腿裝有壓簧，使機(jī)器人行走時(shí)地面沖擊力減小。該發(fā)明采用柔性機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，減小機(jī)器人的沖擊。
文檔編號(hào)B62D57/032GK102343950SQ20111019622
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者劉鋮, 周坤玲, 張秀麗, 李冬冬 申請人:北京交通大學(xué)