一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人的制作方法
【專利摘要】一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人，其特征在于該機器人包括機架和四條機械腿；機械腿通過外擺關(guān)節(jié)連接到機架兩側(cè)。所述四條機械腿采用內(nèi)膝肘式的對稱結(jié)構(gòu)；每條機械腿由外擺關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)架、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿和足依次組成。所述髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)均包括相同結(jié)構(gòu)的具有主動柔性的柔性關(guān)節(jié)主體，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)分別由髖關(guān)節(jié)電機和膝關(guān)節(jié)電機驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)架為L型。
【專利說明】一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及機器人技術(shù)，具體為一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]四足機器人憑借其在行走過程中的離散接觸特性，在復雜環(huán)境中的探索和工作，表現(xiàn)出了很強的適應性，尤其在有障礙物的通道(如管道、臺階、樓梯、斜坡)上或很難接近的工作場地上具有更廣闊的發(fā)展前景。目前四足機器人的研宄大多處于試驗階段，特別是機器人在步行過程中的可靠性、穩(wěn)定性、速度以及與地面接觸的柔性等方面仍然具有諸多問題。例如，四足機器人在實際行走過程中，足部著地瞬間會產(chǎn)生巨大的沖力，這個沖力由足部通過機械腿傳遞至機器人各關(guān)節(jié)及機身，以至于機器人各關(guān)節(jié)及機身均會產(chǎn)生劇烈振動，降低傳感精度，損壞部分靈敏部件，并影響機器人運動的穩(wěn)定性。特別是機器人在快步行走過程中，更易產(chǎn)生連續(xù)劇烈振蕩導致機體損害，使機器人無法工作。
[0003]如何降低機器人行走過程中與地面接觸產(chǎn)生的剛性沖力，降低機器人機身、傳感器和各靈敏部件的損壞，是當前四足機器人進一步要研宄的重要內(nèi)容。為此，人們從生物界尋找到了靈感，對機器人機械腿關(guān)節(jié)采用柔性仿生驅(qū)動的方式，降低機器人足部著地過程的沖擊力，同時又可以完成既定任務，提高機器人的適應性。目前，四足機器人的驅(qū)動性能及良好地適應性主要取決于是否具有大功率的驅(qū)動裝置，緊湊的仿生結(jié)構(gòu)，精確的控制系統(tǒng)等。
[0004]關(guān)節(jié)柔性仿生驅(qū)動已成為目前四足機器人一個重要的研宄方向，麻省理工學院的一位學者Pratt，首次將串聯(lián)彈性驅(qū)動器(Series ElasticActuator，SEA)應用到步行機器人的驅(qū)動。串聯(lián)彈性驅(qū)動器將彈性元件串聯(lián)在剛性驅(qū)動器之后，使其能夠承發(fā)剛性驅(qū)動器的驅(qū)動力和負載反饋過來的力，實現(xiàn)精確地力控制。
[0005]中國專利CN103538079A公開了一種基于旋轉(zhuǎn)彈性驅(qū)動器的機器人關(guān)節(jié)，采用回轉(zhuǎn)油缸與渦簧的組合方式，雖然通過渦旋彈簧的旋緊、放松，可以起到將油缸的驅(qū)動力柔性化的作用，但渦旋彈簧對能量的吸收和釋放只能分別通過旋緊和放松來實現(xiàn)，因此對關(guān)節(jié)的實際應用造成了限制，進而也影響了基于柔性關(guān)節(jié)的四足機器人的性能。
[0006]另外對于四足機器人來說，不僅需要能夠前后移動，也需要具備一定的橫移動能力，以滿足復雜實際情況對其提出的要求，但現(xiàn)有的四足機器人，其用于橫向移動的結(jié)構(gòu)都較為復雜。
[0007]因此提供一種串聯(lián)彈性驅(qū)動器，并基于該串聯(lián)彈性驅(qū)動器提供一種能夠適應復雜地面環(huán)境，且承載力大，耗能低且具備一定橫向移動能力的四足機器人成為現(xiàn)有技術(shù)中需要解決的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型擬解決的技術(shù)問題是，提供一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人。該機器人能滿足復雜環(huán)境下的工作要求，同時能克服傳統(tǒng)的剛性機器人的沖擊性，有效提高機器人的使用壽命。在滿足上述條件下，本機器人還具有一定的負載能力，耗能低，良好地環(huán)境適應性等特點。
[0009]本實用新型解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人，其特征在于該機器人包括機架和四條機械腿；機械腿通過外擺關(guān)節(jié)連接到機架兩側(cè)。所述四條機械腿采用內(nèi)膝肘式的對稱結(jié)構(gòu)；每條機械腿由外擺關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)架、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿和足依次組成。所述髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)均包括相同結(jié)構(gòu)的具有主動柔性的柔性關(guān)節(jié)主體，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)分別由髖關(guān)節(jié)電機和膝關(guān)節(jié)電機驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)架為L型。
[0010]所述機架側(cè)面具有用于安裝機械腿的外擺關(guān)節(jié)的U型凹槽，外擺關(guān)節(jié)包括外擺軸、外擺套筒，外擺電機，外擺電機固定板，外擺聯(lián)軸器，外擺軸承，所述外擺套筒一端開口，另一段固定安裝在機架U型凹槽內(nèi)側(cè)面，所述外擺關(guān)節(jié)套筒軸線與四足機器人前進方向平行，外擺電機由固定板固定在外擺套筒內(nèi)，外擺電機驅(qū)動軸伸向外擺套筒開口端，采用外擺聯(lián)軸器連接外擺電機的驅(qū)動軸與外擺軸的一端，U型槽的另一側(cè)面安裝有軸承座，在外擺套筒開口處和軸承座中均安裝有外擺軸承用于安裝外擺軸。外擺軸通過聯(lián)軸器，將外擺電機扭矩傳遞給髖關(guān)節(jié)，帶動機械腿外擺。
[0011]所述柔性關(guān)節(jié)主體由輸出盤和錐齒輪換向器、彈簧安裝架、彈簧組成，所述錐齒輪換向器具有單輸入軸與二個輸出軸，輸入軸從錐齒輪換向器側(cè)壁伸出，二輸出軸同軸，其中一個輸出軸上具有鍵槽用于安裝彈簧安裝架，所述彈簧安裝架為四枝相同的十字型板狀架，所述彈簧安裝架中心處有帶鍵槽的圓形安裝孔，彈簧安裝架通過平鍵安裝在輸出軸上；所述彈簧安裝架的每枝的末端或接近末端具有向兩側(cè)伸出的垂直短齒，所述輸出盤為環(huán)狀圓盤，輸出盤內(nèi)壁均勻分布有四個向盤心平伸出的內(nèi)凸板，內(nèi)凸板頂端向兩側(cè)伸出彈簧固定齒，當彈簧安裝架的四枝分別位于相鄰兩內(nèi)凸板的中間位置時，短齒正好與彈簧固定齒相對，且此時位于同一枝上的短齒之間的連線及其與相鄰彈簧固定齒的連線及其延長線能夠組成正方形；八條彈簧分別安裝于彈簧固定齒和短齒之間。當輸出軸轉(zhuǎn)動時帶動彈簧安裝架旋轉(zhuǎn)，對位于同一枝上兩側(cè)的彈簧分別進行壓縮和拉伸，并通過彈簧的回復力帶動輸出盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的柔性輸出。
[0012]所述四足機器人，其特征是所述髖關(guān)節(jié)架包括連接立柱、髖關(guān)節(jié)套筒；連接立柱與外擺軸垂直相交固定連接，髖關(guān)節(jié)套筒與連接立柱垂直，且髖關(guān)節(jié)套筒軸線與四足機器人前進方向平行，所述髖關(guān)節(jié)套筒開口端的側(cè)板向前延伸，形成用于夾持固定所述柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的髖關(guān)節(jié)支架。
[0013]髖關(guān)節(jié)包括柔性關(guān)節(jié)體與髖關(guān)節(jié)主連接板、髖關(guān)節(jié)副連接板、髖關(guān)節(jié)電機架、聯(lián)軸器及髖關(guān)節(jié)電機，所述髖關(guān)節(jié)主連接板為L型板，髖關(guān)節(jié)主連接板的側(cè)板固定安裝在輸出盤外側(cè)，髖關(guān)節(jié)主連接板的底板沿髖關(guān)節(jié)軸向延伸至髖關(guān)節(jié)對側(cè)，所述髖關(guān)節(jié)副連接板通過安裝在其內(nèi)壁上的髖關(guān)節(jié)支撐軸承套筒及髖關(guān)節(jié)支撐軸承與柔性關(guān)節(jié)體中錐齒輪換向器的的另一輸出軸連接。髖關(guān)節(jié)副連接板與髖關(guān)節(jié)主連接板的底板固定連接，髖關(guān)節(jié)電機架安裝在髖關(guān)節(jié)套筒內(nèi)部，髖關(guān)節(jié)電機通過髖關(guān)節(jié)電機架固定在髖關(guān)節(jié)套筒內(nèi)部，髖關(guān)節(jié)電機的輸出軸伸向髖關(guān)節(jié)套筒開口端，并通過聯(lián)軸器與柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的輸入軸串聯(lián)連接。
[0014]所述大腿為柱狀長方體框架，包括大腿連接板；
[0015]采用大腿連接板將大腿與髖關(guān)節(jié)主連接板的底板外側(cè)固定連接，所述膝關(guān)節(jié)電機固定在大腿內(nèi)部，并通過聯(lián)軸器與膝關(guān)節(jié)相連；
[0016]所述膝關(guān)節(jié)包括柔性關(guān)節(jié)體與膝關(guān)節(jié)主連接板、膝關(guān)節(jié)副連接板、膝關(guān)節(jié)電機及其聯(lián)軸器，所述膝關(guān)節(jié)主連接板為L型板，膝關(guān)節(jié)副連接板與膝關(guān)節(jié)主連接板的底板固定連接，所述柔性關(guān)節(jié)體安裝在膝關(guān)節(jié)副連接板與膝關(guān)節(jié)主連接板的側(cè)板之間，膝關(guān)節(jié)電機固定在大腿內(nèi)部，并通過聯(lián)軸器與柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的輸入軸串聯(lián)連接。
[0017]所述小腿包括小腿連接板、小腿頂端蓋、小腿套筒、小腿支柱、小腿內(nèi)套筒、小腿末端蓋、小腿彈簧、足。小腿通過小腿連接板與膝關(guān)節(jié)相連；小腿連接板末端與小腿頂端蓋相連，小腿頂端蓋安裝在小腿套筒頂端，小腿套筒內(nèi)依次安裝小腿內(nèi)套筒和小腿支柱，小腿內(nèi)套筒固定安裝在位于小腿套筒內(nèi)的中部，小腿支柱中部具有凸起，小腿支柱安裝在小腿套筒內(nèi)，小腿支柱頂端可從小腿內(nèi)套筒中間的孔伸出，小腿支柱末端，小腿支柱末端伸出小腿套筒末端，通過小腿末端蓋和小腿內(nèi)套筒將小腿支柱的軸向運動范圍限制在小腿內(nèi)套筒安裝位置和小腿套筒末端之間，小腿彈簧套裝在小腿支柱外且位于小腿內(nèi)套筒和小腿支柱的凸起之間，小腿彈簧在足不接觸地面時可以將小腿支柱頂至從小腿套筒中伸出量最大的狀態(tài)，；當足底部接觸地面受力后小腿支柱上移同時壓縮小腿彈簧起到儲存能量及緩沖作用，當足抬起時小腿彈簧回彈并釋放能量。
[0018]所述足包括腳掌、腳掌連接板；腳掌通過螺栓和腳掌連接板固定在小腿支柱伸出小腿套筒部分的末端；腳掌采用彈性材料制成。
[0019]所述柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的速比優(yōu)選為1: 1。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型提供的具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人，每條腿均只采用三個驅(qū)動電機驅(qū)動，耗能較低，控制容易，工作效率大為提高；最為關(guān)鍵的機械腿關(guān)節(jié)通過特殊設計的柔性關(guān)節(jié)主體，使關(guān)節(jié)活動范圍大，且關(guān)節(jié)在向各個方向旋轉(zhuǎn)時均能通過彈簧有效吸收地面沖擊，實現(xiàn)柔性力輸出，可以大大降低地面對機器人的沖擊、提高機器人使用壽命。本實用新型由于特殊的結(jié)構(gòu)設計，整體機構(gòu)自由度沒有損失，具有較高靈活度，可以跨越一定高度的障礙，跨越一定長度的凹坑，具有較強的環(huán)境適應能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型實施例1提供的四足機器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本實用新型實施例1提供的四足機器人的外擺關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為本實用新型實施例1提供的四足機器人的髖關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)原理示意圖。
[0024]圖4為本實用新型實施例1提供的四足機器人的髖關(guān)節(jié)主視示意圖。
[0025]圖5為本實用新型實施例1提供的四足機器人的髖關(guān)節(jié)側(cè)視裝配示意圖。
[0026]圖6為本實用新型實施例1提供的四足機器人的小腿主視示意圖。
[0027]圖7為本實用新型實施例1提供的四足機器人的足主視示意圖。
[0028]圖中:1-機架，2-髖關(guān)節(jié)，3-外擺軸，9-髖關(guān)節(jié)架，91-連接立柱，92-髖關(guān)節(jié)套筒，4-髖關(guān)節(jié)主連接板，5-髖關(guān)節(jié)電機，6-大腿連接板，，10-小腿連接板，11-小腿套筒，12-小腿頂端蓋，13-小腿彈簧，14-小腿底端蓋，15-小腿支柱，16-腳掌，18-髖關(guān)節(jié)副連接板，19-支撐軸承，20-髖關(guān)節(jié)軸承套筒，21-錐齒輪換向器，22-髖關(guān)節(jié)支架，23-輸出盤，231-內(nèi)凸板，24-彈簧安裝架，25-支撐軸承，26-彈簧，27-平鍵，28-大腿，29-膝關(guān)節(jié)，30-小腿，31-足，33-髖關(guān)節(jié)電機架，34-小腿內(nèi)套筒，37-腳掌連接板，38-機械腿，39-外擺套筒，40-外擺電機，42-外擺電機固定板，44-外擺聯(lián)軸器，45-外擺軸承。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合實施例及其附圖詳細敘述本實用新型。實施例是以本實用新型所述技術(shù)方案為前提進行的具體實施，給出了詳細的實施方式和過程。但本申請的權(quán)利要求保護范圍不限于所述實施例的描述范圍。
[0030]實施例1
[0031]本實用新型設計的一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人(簡稱機器人，參見圖1)，其特征在于該機器人包括機架I和四條機械腿38 ;機械腿38通過外擺關(guān)節(jié)連接到機架兩側(cè)。其中，所述四條機械腿38采用內(nèi)膝肘式的對稱結(jié)構(gòu)；每條機械腿38由外擺關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)架9、髖關(guān)節(jié)2、大腿28、膝關(guān)節(jié)29、小腿30和足31依次組成。髖關(guān)節(jié)2和膝關(guān)節(jié)29具有主動柔性(傳動原理示意參見圖3，結(jié)構(gòu)示意參見圖4、圖5、圖6)，所述髖關(guān)節(jié)2和膝關(guān)節(jié)29均包括相同結(jié)構(gòu)的具有主動柔性的柔性關(guān)節(jié)主體，膝關(guān)節(jié)2和髖關(guān)節(jié)29分別由髖關(guān)節(jié)電機5和膝關(guān)節(jié)電機驅(qū)動。
[0032]所述機架側(cè)面具有用于安裝機械腿的外擺關(guān)節(jié)的U型凹槽，外擺關(guān)節(jié)包括外擺軸
3、外擺套筒39，外擺電機40，外擺電機固定板42，外擺聯(lián)軸器44，外擺軸承45，所述外擺套筒39 —端開口，另一段固定安裝在機架U型凹槽內(nèi)側(cè)面，所述外擺關(guān)節(jié)套筒軸線與四足機器人前進方向平行，外擺電機40由固定板42固定在外擺套筒內(nèi)，外擺電機驅(qū)動軸伸向外擺套筒開口端，采用外擺聯(lián)軸器44連接外擺電機的驅(qū)動軸與外擺軸的一端，U型槽的另一側(cè)面安裝有軸承座，在外擺套筒開口處和軸承座中均安裝有外擺軸承45用于安裝外擺軸。外擺軸通過外擺聯(lián)軸器44，將外擺電機扭矩傳遞給髖關(guān)節(jié)，帶動機械腿外擺。
[0033]所述外擺關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)參見圖2。
[0034]所述柔性關(guān)節(jié)主體由輸出盤23和錐齒輪換向器21、彈簧安裝架24、彈簧26組成，所述錐齒輪換向器21具有單輸入軸與二個輸出軸，輸入軸從錐齒輪換向器側(cè)壁伸出，二輸出軸同軸，其中一個輸出軸上具有鍵槽用于安裝彈簧安裝架，所述彈簧安裝架為四枝相同的十字型板狀架，所述彈簧安裝架中心處有帶鍵槽的圓形安裝孔，彈簧安裝架通過平鍵27安裝在輸出軸上；所述彈簧安裝架的每枝的末端具有向兩側(cè)伸出的垂直短齒，所述輸出盤為環(huán)狀圓盤，輸出盤內(nèi)壁均勻分布有四個向盤心平伸出的內(nèi)凸板231，內(nèi)凸板頂端向兩側(cè)伸出彈簧固定齒，當彈簧安裝架的四枝分別位于相鄰兩內(nèi)凸板的中間位置時，短齒正好與彈簧固定齒相對，且此時位于同一枝上的短齒之間的連線及其與相鄰彈簧固定齒的連線及其延長線能夠組成正方形；八條彈簧分別安裝于彈簧固定齒和短齒之間。當輸出軸轉(zhuǎn)動時帶動彈簧安裝架旋轉(zhuǎn)，對位于同一枝上兩側(cè)的彈簧分別進行壓縮和拉伸，并通過彈簧的回復力帶動輸出盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的柔性輸出；
[0035]所述柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器21的速比優(yōu)選為1:1。
[0036]髖關(guān)節(jié)架9為L型，包括連接立柱91、髖關(guān)節(jié)套筒92 ;連接立柱與外擺軸垂直相交固定連接，髖關(guān)節(jié)套筒與連接立柱垂直，且髖關(guān)節(jié)套筒軸線與四足機器人前進方向平行，所述髖關(guān)節(jié)套筒開口端的側(cè)板向前延伸，形成用于夾持固定所述柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的髖關(guān)節(jié)支架22。
[0037]髖關(guān)節(jié)包括柔性關(guān)節(jié)體與髖關(guān)節(jié)主連接板4、髖關(guān)節(jié)副連接板18、髖關(guān)節(jié)電機架33、聯(lián)軸器及髖關(guān)節(jié)電機5，所述髖關(guān)節(jié)主連接板4為L型板，髖關(guān)節(jié)主連接板的側(cè)板固定安裝在輸出盤外側(cè)，髖關(guān)節(jié)主連接板的底板沿髖關(guān)節(jié)軸向延伸至髖關(guān)節(jié)對側(cè)，所述髖關(guān)節(jié)副連接板通過安裝在其內(nèi)壁上的髖關(guān)節(jié)支撐軸承套筒20及髖關(guān)節(jié)支撐軸承19與柔性關(guān)節(jié)體中錐齒輪換向器的的另一輸出軸連接。髖關(guān)節(jié)副連接板與髖關(guān)節(jié)主連接板的底板固定連接，髖關(guān)節(jié)電機架33安裝在髖關(guān)節(jié)套筒內(nèi)部，髖關(guān)節(jié)電機5通過髖關(guān)節(jié)電機架33固定在髖關(guān)節(jié)套筒內(nèi)部，髖關(guān)節(jié)電機5的輸出軸伸向髖關(guān)節(jié)套筒開口端，并通過聯(lián)軸器32與柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的輸入軸串聯(lián)連接。
[0038]所述大腿28為柱狀長方體框架，包括大腿連接板6 ;
[0039]采用大腿連接板6將大腿28與髖關(guān)節(jié)主連接板的底板外側(cè)固定連接，所述膝關(guān)節(jié)電機固定在大腿內(nèi)部，并通過聯(lián)軸器與膝關(guān)節(jié)相連；
[0040]所述膝關(guān)節(jié)29包括柔性關(guān)節(jié)體與膝關(guān)節(jié)主連接板、膝關(guān)節(jié)副連接板、膝關(guān)節(jié)電機及其聯(lián)軸器，所述膝關(guān)節(jié)主連接板為L型板，膝關(guān)節(jié)副連接板與膝關(guān)節(jié)主連接板的底板固定連接，所述柔性關(guān)節(jié)體安裝在膝關(guān)節(jié)副連接板與膝關(guān)節(jié)主連接板的側(cè)板之間，膝關(guān)節(jié)電機固定在大腿內(nèi)部，并通過聯(lián)軸器與柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的輸入軸串聯(lián)連接。
[0041]所述小腿30包括小腿連接板10、小腿頂端蓋12、小腿套筒11、小腿支柱15、小腿內(nèi)套筒34、小腿末端蓋14、小腿彈簧13、足31。所述足31包括腳掌16、腳掌連接板37 ;腳掌通過螺栓和腳掌連接板37固定在小腿支柱15伸出小腿套筒部分的末端；腳掌16采用彈性材料制成。
[0042]小腿30通過小腿連接板10與膝關(guān)節(jié)29相連；小腿連接板末端與小腿頂端蓋相連，小腿頂端蓋安裝在小腿套筒頂端，小腿套筒內(nèi)依次安裝小腿內(nèi)套筒34和小腿支柱15，小腿內(nèi)套筒固定安裝在位于小腿套筒內(nèi)的中部，小腿支柱中部具有凸起，小腿支柱安裝在小腿套筒內(nèi)，小腿支柱頂端可從小腿內(nèi)套筒中間的孔伸出，小腿支柱末端，小腿支柱末端伸出小腿套筒末端，通過小腿支柱中部的凸起及小腿末端蓋和小腿內(nèi)套筒將小腿支柱的軸向運動范圍限制在小腿內(nèi)套筒安裝位置和小腿套筒末端之間，小腿彈簧13套裝在小腿支柱外且位于小腿內(nèi)套筒34和小腿支柱15的凸起之間，小腿彈簧在足不接觸地面時可以將小腿支柱頂至從小腿套筒中伸出量最大的狀態(tài)，；當足底部接觸地面受力后小腿支柱15上移同時壓縮小腿彈簧13起到儲存能量及緩沖作用，當足抬起時小腿彈簧13回彈并釋放能量。
[0043]所述小腿30的結(jié)構(gòu)如圖6所示。所述足31的結(jié)構(gòu)如圖7所示。
[0044]本實用新型機器人的工作原理和過程是:當機器人向前方行進時，以先抬左前腿和右后腿為例，
[0045]步驟1，左前腿膝關(guān)節(jié)電機和右后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0046]步驟2，左前腿和右后腿髖關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)，使左前腿大腿與機架角度增大，右后腿大腿與機架角度減??；左前腿和右后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使大腿與小腿夾角增大；左前腿和右后腿足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0047]步驟3，右前腿和左后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使右前腿小腿與大腿夾角增大，左后腿大腿與小腿夾角增大，實現(xiàn)機架向前移動；
[0048]步驟4，右前腿膝關(guān)節(jié)電機和左后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0049]步驟5，右前腿和左后腿髖關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)，使右前腿大腿與機架角度增大，左后腿大腿與機架角度減小；右前腿和左后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使大腿與小腿夾角增大；右前腿和左后腿足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0050]步驟6，左前腿和右后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使左前腿小腿與大腿夾角增大，右后腿大腿與小腿夾角增大，實現(xiàn)機架向前移動，完成一個前進步態(tài)；
[0051]步驟7，左前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0052]步驟8，機架左前方控制電機旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個機械腿相對于機架向左擺動；
[0053]步驟9，左前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角增大，小腿向下擺動，足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0054]步驟10，右前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0055]步驟11，機架右前方控制電機旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個機械腿相對于機架向左擺動；
[0056]步驟12，右前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角增大，小腿向下擺動，足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0057]步驟13，機架前方兩個控制電機同時旋轉(zhuǎn)一定角度，使得兩條前腿相對與機架向右擺動，當旋轉(zhuǎn)到機械腿與機架垂直時，可實現(xiàn)整機的向左轉(zhuǎn)動。
[0058]相應的當先抬右前腿和左后腿時，相應的步驟如下
[0059]步驟1，右前腿膝關(guān)節(jié)電機和左后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0060]步驟2，右前腿和左后腿髖關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)，使右前腿大腿與機架角度增大，左后腿大腿與機架角度減小；右前腿和左后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使大腿與小腿夾角增大；右前腿和左后腿足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0061]步驟3，左前腿和右后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使左前腿小腿與大腿夾角增大，右后腿大腿與小腿夾角增大，實現(xiàn)機架向前移動；
[0062]步驟4，左前腿膝關(guān)節(jié)電機和右后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0063]步驟5，左前腿和右后腿髖關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)，使左前腿大腿與機架角度增大，右后腿大腿與機架角度減??；左前腿和右后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使大腿與小腿夾角增大；左前腿和右后腿足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0064]步驟6，右前腿和左后腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)使右前腿小腿與大腿夾角增大，左后腿大腿與小腿夾角增大，實現(xiàn)機架向前移動，完成一個前進步態(tài)；
[0065]步驟7，右前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0066]步驟8，機架右前方控制電機旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個機械腿相對于機架向右擺動；
[0067]步驟9，右前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角增大，小腿向下擺動，足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0068]步驟10，左前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角減小，小腿向上擺動，足脫離地面，小腿彈簧復位；
[0069]步驟11，機架左前方控制電機旋轉(zhuǎn)一定角度，使得整個機械腿相對于機架向右擺動；
[0070]步驟12，左前腿膝關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)一定角度使大腿與小腿夾角增大，小腿向下擺動，足接觸地面，小腿彈簧受力被壓縮；
[0071]步驟13，機架前方兩個控制電機同時旋轉(zhuǎn)一定角度，使得兩條前腿相對與機架向左擺動，當旋轉(zhuǎn)到機械腿與機架垂直時，可實現(xiàn)整機的向右轉(zhuǎn)動。
[0072]本實用新型的機器人共有12個主動自由度和4個小腿被動伸縮自由度，共有電機12個，電機同時工作消耗功率最大為1600W ;最大扭矩50N.m ;續(xù)航能力8小時；具有較高靈活度，除了能夠前進后退以外，還具有一定的側(cè)向移動能力，可以跨越一定高度的障礙，跨越一定長度的凹坑，具有較強的環(huán)境適應能力。
[0073]所述步驟中，“前、后、左、右”是相對性的方位詞，以機器人行進方向為前，此時四條機械腿分別為左、右前腿，左、右后腿。
[0074]本實用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有柔性關(guān)節(jié)的四足機器人，其特征在于該機器人包括機架和四條機械腿；機械腿通過外擺關(guān)節(jié)連接到機架兩側(cè)，所述四條機械腿采用內(nèi)膝肘式的對稱結(jié)構(gòu)；每條機械腿由外擺關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)架、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿和足依次組成，所述髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)均包括相同結(jié)構(gòu)的具有主動柔性的柔性關(guān)節(jié)主體，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)分別由髖關(guān)節(jié)電機和膝關(guān)節(jié)電機驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)架為L型； 所述機架側(cè)面具有用于安裝機械腿的外擺關(guān)節(jié)的U型凹槽，外擺關(guān)節(jié)包括外擺軸、夕卜擺套筒，外擺電機，外擺電機固定板，外擺聯(lián)軸器，外擺軸承，所述外擺套筒一端開口，另一段固定安裝在機架U型凹槽內(nèi)側(cè)面，所述外擺關(guān)節(jié)套筒軸線與四足機器人前進方向平行，外擺電機由固定板固定在外擺套筒內(nèi)，外擺電機驅(qū)動軸伸向外擺套筒開口端，采用外擺聯(lián)軸器連接外擺電機的驅(qū)動軸與外擺軸的一端，U型槽的另一側(cè)面安裝有軸承座，在外擺套筒開口處和軸承座中均安裝有外擺軸承用于安裝外擺軸，外擺軸通過聯(lián)軸器，將外擺電機扭矩傳遞給髖關(guān)節(jié)，帶動機械腿外擺； 所述柔性關(guān)節(jié)主體由輸出盤和錐齒輪換向器、彈簧安裝架、彈簧組成，所述錐齒輪換向器具有單輸入軸與二個輸出軸，輸入軸從錐齒輪換向器側(cè)壁伸出，二輸出軸同軸，其中一個輸出軸上具有鍵槽用于安裝彈簧安裝架，所述彈簧安裝架為四枝相同的十字型板狀架，所述彈簧安裝架中心處有帶鍵槽的圓形安裝孔，彈簧安裝架通過平鍵安裝在輸出軸上；所述彈簧安裝架的每枝的末端或接近末端具有向兩側(cè)伸出的垂直短齒，所述輸出盤為環(huán)狀圓盤，輸出盤內(nèi)壁均勻分布有四個向盤心平伸出的內(nèi)凸板，內(nèi)凸板頂端向兩側(cè)伸出彈簧固定齒，當彈簧安裝架的四枝分別位于相鄰兩內(nèi)凸板的中間位置時，短齒正好與彈簧固定齒相對，且此時位于同一枝上的短齒之間的連線及其與相鄰彈簧固定齒的連線及其延長線能夠組成正方形；八條彈簧分別安裝于彈簧固定齒和短齒之間，當輸出軸轉(zhuǎn)動時帶動彈簧安裝架旋轉(zhuǎn)，對位于同一枝上兩側(cè)的彈簧分別進行壓縮和拉伸，并通過彈簧的回復力帶動輸出盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的柔性輸出。
2.如權(quán)利要求1所述四足機器人，其特征是所述髖關(guān)節(jié)架，包括連接立柱、髖關(guān)節(jié)套筒；連接立柱與外擺軸垂直相交固定連接，髖關(guān)節(jié)套筒與連接立柱垂直，且髖關(guān)節(jié)套筒軸線與四足機器人前進方向平行，所述髖關(guān)節(jié)套筒開口端的側(cè)板向前延伸，形成用于夾持固定所述柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的髖關(guān)節(jié)支架； 所述髖關(guān)節(jié)包括柔性關(guān)節(jié)體與髖關(guān)節(jié)主連接板、髖關(guān)節(jié)副連接板、髖關(guān)節(jié)電機架、聯(lián)軸器及髖關(guān)節(jié)電機，所述髖關(guān)節(jié)主連接板為L型板，髖關(guān)節(jié)主連接板的側(cè)板固定安裝在輸出盤外側(cè)，髖關(guān)節(jié)主連接板的底板沿髖關(guān)節(jié)軸向延伸至髖關(guān)節(jié)對側(cè)，所述髖關(guān)節(jié)副連接板通過安裝在其內(nèi)壁上的髖關(guān)節(jié)支撐軸承套筒及髖關(guān)節(jié)支撐軸承與柔性關(guān)節(jié)體中錐齒輪換向器的的另一輸出軸連接，髖關(guān)節(jié)副連接板與髖關(guān)節(jié)主連接板的底板固定連接，髖關(guān)節(jié)電機架安裝在髖關(guān)節(jié)套筒內(nèi)部，髖關(guān)節(jié)電機通過髖關(guān)節(jié)電機架固定在髖關(guān)節(jié)套筒內(nèi)部，髖關(guān)節(jié)電機的輸出軸伸向髖關(guān)節(jié)套筒開口端，并通過聯(lián)軸器與柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的輸入軸串聯(lián)連接； 所述大腿為柱狀長方體框架，包括大腿連接板； 采用大腿連接板將大腿與髖關(guān)節(jié)主連接板的底板外側(cè)固定連接，所述膝關(guān)節(jié)電機固定在大腿內(nèi)部，并通過聯(lián)軸器與膝關(guān)節(jié)相連； 所述膝關(guān)節(jié)包括柔性關(guān)節(jié)體與膝關(guān)節(jié)主連接板、膝關(guān)節(jié)副連接板、膝關(guān)節(jié)電機及其聯(lián)軸器，所述膝關(guān)節(jié)主連接板為L型板，膝關(guān)節(jié)副連接板與膝關(guān)節(jié)主連接板的底板固定連接，所述柔性關(guān)節(jié)體安裝在膝關(guān)節(jié)副連接板與膝關(guān)節(jié)主連接板的側(cè)板之間，膝關(guān)節(jié)電機固定在大腿內(nèi)部，并通過聯(lián)軸器與柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的輸入軸串聯(lián)連接； 所述小腿包括小腿連接板、小腿頂端蓋、小腿套筒、小腿支柱、小腿內(nèi)套筒、小腿末端蓋、小腿彈簧、足，小腿通過小腿連接板與膝關(guān)節(jié)相連；小腿連接板末端與小腿頂端蓋相連，小腿頂端蓋安裝在小腿套筒頂端，小腿套筒內(nèi)依次安裝小腿內(nèi)套筒和小腿支柱，小腿內(nèi)套筒固定安裝在位于小腿套筒內(nèi)的中部，小腿支柱中部具有凸起，小腿支柱安裝在小腿套筒內(nèi)，小腿支柱頂端可從小腿內(nèi)套筒中間的孔伸出，小腿支柱末端，小腿支柱末端伸出小腿套筒末端，通過小腿末端蓋和小腿內(nèi)套筒將小腿支柱的軸向運動范圍限制在小腿內(nèi)套筒安裝位置和小腿套筒末端之間，小腿彈簧套裝在小腿支柱外且位于小腿內(nèi)套筒和小腿支柱的凸起之間，小腿彈簧在足不接觸地面時可以將小腿支柱頂至從小腿套筒中伸出量最大的狀態(tài)；當足底部接觸地面受力后小腿支柱上移同時壓縮小腿彈簧起到儲存能量及緩沖作用，當足抬起時小腿彈簧回彈并釋放能量； 所述足包括腳掌、腳掌連接板；腳掌通過螺栓和腳掌連接板固定在小腿支柱伸出小腿套筒部分的末端；腳掌采用彈性材料制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的四足機器人，其特征是所述柔性關(guān)節(jié)主體的錐齒輪換向器的速比為1:1。
【文檔編號】B62D57/032GK204197100SQ201420688942
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】張小俊, 張建華, 孫凌宇, 張明路 申請人:河北工業(yè)大學