專(zhuān)利名稱(chēng)：匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四 足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用于復(fù)雜地面多功能行走運(yùn)動(dòng)的足式機(jī)器人。
背景技術(shù)：
適應(yīng)山地環(huán)境的足式機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域最為前沿的課題之一，它集機(jī) 械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)及人工智能等多門(mén)學(xué)科于一體，反映了一個(gè)國(guó)家 的智能化和自動(dòng)化研究水平，同時(shí)也作為一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力的重要標(biāo)志，各發(fā)達(dá)國(guó)家在 該領(lǐng)域相繼投入巨資開(kāi)展研究。變結(jié)構(gòu)足式機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜地面爬坡，可調(diào)整前后端高低體位運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的 方式，滿足更大坡度的山地環(huán)境運(yùn)動(dòng)要求，增強(qiáng)了山地環(huán)境運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性，提高了足式機(jī)器 人的移動(dòng)能力?？梢罁?jù)行走的速度和地面狀況，可選擇不同的運(yùn)動(dòng)方式，因此變結(jié)構(gòu)足式機(jī) 器人的步態(tài)轉(zhuǎn)變方式為節(jié)約能耗、實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)動(dòng)提供有利途徑。變結(jié)構(gòu)足式機(jī)器人將在山 地救災(zāi)、林地勘測(cè)等特殊復(fù)雜環(huán)境下有巨大的需求背景。經(jīng)生物學(xué)觀測(cè)可知，低體位匍匐運(yùn)動(dòng)的爬行速度相對(duì)較慢(如鱷魚(yú)、烏龜?shù)?，高 體位的直立奔跑運(yùn)動(dòng)的速度相對(duì)較快(如豹、馬等)。變結(jié)構(gòu)足式機(jī)器人能夠根據(jù)不同的復(fù) 雜環(huán)境，完成低體位匍匐爬行、高體位直立奔跑運(yùn)動(dòng)，具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)能力，可替代人類(lèi)完 成各種復(fù)雜地面運(yùn)動(dòng)等作業(yè)任務(wù)。低速運(yùn)動(dòng)時(shí)通常采用匍匐爬行運(yùn)動(dòng)，主要表現(xiàn)在身體貼 近地面緩慢爬行，在靜止?fàn)顟B(tài)下可依靠身體著地以節(jié)約肢體輸出力；在高速狀態(tài)時(shí)可采用 直立奔跑方式，主要表現(xiàn)在身體遠(yuǎn)離地面，肢體位于身體下方，通過(guò)肢體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速 運(yùn)動(dòng)。因此，變結(jié)構(gòu)足式機(jī)器人具有重要的實(shí)用價(jià)值。比較國(guó)內(nèi)外較為著名的足式機(jī)器人，其中MIT，Stanford，Carnegie Mellon等研究 機(jī)構(gòu)研制的“LittleDog”是一款用于研究動(dòng)力學(xué)的四足機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)方式屬于直立運(yùn)動(dòng) 方式。TITAN-VIII機(jī)器人每足具有三個(gè)自由度，其中大腿關(guān)節(jié)具有前后轉(zhuǎn)動(dòng)和上下轉(zhuǎn)動(dòng)兩 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)具有一個(gè)上下轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)在不平地面的靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，其運(yùn)動(dòng)方式 屬于匍匐爬行運(yùn)動(dòng)方式。美國(guó)軍方“Bigdog”四足機(jī)器人可以攀越35度的斜坡，可以承載40多公斤的裝備， 約相當(dāng)于其重量的30%，其液壓裝置由單缸兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。能夠自行沿著簡(jiǎn)單的路線 行進(jìn)，或被遠(yuǎn)程控制?？稍谏降亍⒄訚?、雪地等環(huán)境中行走，其運(yùn)動(dòng)方式屬于直立運(yùn)動(dòng)方式。華中科技大學(xué)研制的“4+2”多足步行機(jī)器人。而所謂“4+2”是指步行機(jī)器人在復(fù) 雜步行區(qū)域最多可利用六條腿來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的步行運(yùn)動(dòng)，而在工作區(qū)域又可作為具有兩條上 臂的四足機(jī)器人。因此，該機(jī)器人不僅具有步行移動(dòng)的基本功能而且可借助相應(yīng)的末端執(zhí) 行上具，如機(jī)械手臂來(lái)完成指定的作業(yè)任務(wù)，體現(xiàn)機(jī)器人的多功能性，其運(yùn)動(dòng)方式屬于匍匐 爬行運(yùn)動(dòng)方式?，F(xiàn)有的機(jī)器人中并沒(méi)有可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)匍匐運(yùn)動(dòng)和直立運(yùn)動(dòng)的四足機(jī)器人，因此本 發(fā)明注重提出變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式，體現(xiàn)變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 及其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，該變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)匍匐運(yùn)動(dòng)與直立運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化，提高了四足 機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境下越障能力，為高效穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)提供多種運(yùn)動(dòng)模式。一種匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于包括機(jī)體以及安裝于機(jī)體上的四條肢體；其中每條肢體結(jié)構(gòu)均相同，均由第一舵機(jī)、第二舵機(jī)框架、第二舵機(jī)、大腿支架、第 三舵機(jī)、小腿支架、踝部連接板、雙向連接件、直立支撐球頭、匍匐支撐球頭組成；其中第一 舵機(jī)安裝于機(jī)體上，第二舵機(jī)框架一端安裝于第一舵機(jī)的輸出軸上，第二舵機(jī)安裝于第二 舵機(jī)框架內(nèi)，大腿支架一端安裝于第二舵機(jī)的輸出軸上，第三舵機(jī)安裝于大腿支架的另一 端，小腿支架一端安裝于第三舵機(jī)的輸出軸上，踝部連接板安裝于小腿支架的另一端，直立 支撐球頭和匍匐支撐球頭通過(guò)雙向連接件安裝于踝部連接板上；上述第一舵機(jī)的輸出軸線與機(jī)體中心軸線平行，第二舵機(jī)的輸出軸線與第一舵機(jī) 的輸出軸線垂直、第三舵機(jī)的輸出軸線與第二舵機(jī)的輸出軸線平行。本發(fā)明的工作原理為匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，可從匍 匐運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷⑦\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即從低體位運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變到高體位運(yùn)動(dòng)，提高了機(jī)器人的越 障能力和行動(dòng)效率；同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)從直立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橘橘脒\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即從高體位運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)變到低體位運(yùn)動(dòng)，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。這種匍匐運(yùn)動(dòng)和直立運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)變的變 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式，提高了足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，增加了運(yùn)動(dòng)模式的選擇方式，為多功能穩(wěn)定 高效的足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方式。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)匍匐運(yùn)動(dòng)與直立運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化，提高了四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能 力。2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)原理清晰、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方便，滿足四足機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境下 越障能力，為高效穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)提供多種運(yùn)動(dòng)模式。3、本發(fā)明在不增加自由度數(shù)和自由度分布的前提下，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)匍匐運(yùn)動(dòng)和直立 運(yùn)動(dòng)，提高了四足機(jī)器人的有效運(yùn)動(dòng)功能，為四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供有利途徑和良 好的方式方法，有助于機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的一體化設(shè)計(jì)。


圖1是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)肢體分解示意圖。圖3-1是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人匍匐初始狀態(tài)1示意 圖。圖3-2是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人匍匐運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2示意 圖。圖3-3是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人前腿翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3示 意圖。
圖3-4是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人前腿直立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)4示 意圖。圖3-5是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人后腿翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)5示 意圖。圖3-6是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人后腿直立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)6示 意圖。圖3-7是本發(fā)明匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人直立初始狀態(tài)7示意 圖。上述圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)A、機(jī)體；1、第一舵機(jī)；2、主支架；3、第二舵機(jī)框架；4、第二舵 機(jī)；5、連接桿；6、支撐架；7、大腿支架；7-1、大腿支架的一部分；7-2、大腿支架的另一部分； 9、第三舵機(jī)；10、小腿支架；10-1、小腿支架的一部分；10-2、小腿支架的另一部份；12、踝部 連接板；13、雙向連接件；14、直立支撐球頭；15、匍匐支撐球頭；圖中Elf部分為肢體分解部分。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明結(jié)合圖1、2、3-1，3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7，本實(shí)施例為一種匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互 變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)體A、第一舵機(jī)、前主支架、第二舵 機(jī)框架、第二舵機(jī)、連接桿、支撐架、大腿支架、第三舵機(jī)、小腿支架、踝部連接板、雙向連接 件、直立支撐球頭、匍匐支撐球頭。如圖2所示為肢體的結(jié)構(gòu)分解，機(jī)體與主支架通過(guò)螺栓固定連接(簡(jiǎn)稱(chēng)固連)，將 第一舵機(jī)固定在主支架上，第一舵機(jī)的輸出軸與第二舵機(jī)框架一端固連，第二舵機(jī)框架另 一端與支撐架銷(xiāo)釘連接，支撐架與主支架通過(guò)連接桿固連，第二舵機(jī)固定在第二舵機(jī)框架 上，第二舵機(jī)的輸出軸與大腿支架固連，大腿支架另一端與第二舵機(jī)框架銷(xiāo)釘連接，第三舵 機(jī)固定于大腿支架上，第三舵機(jī)的輸出軸與小腿支架固連，小腿支架另一端與大腿支架銷(xiāo) 釘連接，雙向連接件通過(guò)踝部連接板與小腿支架連接，匍匐支撐球頭和直立支撐球頭分別 與雙向連接件。如圖3-1所示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人處于匍匐初始狀態(tài)，身 體緊貼地面，可實(shí)現(xiàn)低體位的低速穩(wěn)定爬行運(yùn)動(dòng)；如圖3-2所示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變 結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人處于匍匐運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將四足彎曲緊縮后減小左右支撐點(diǎn)距離；如圖3-3所 示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人前腿開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，提供前身高度；如圖3-4所 示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人前腿直立，進(jìn)一步提高前身高度；如圖3-5所 示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人后腿開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，提供后身高度；如圖3-6所 示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人后腿直立，進(jìn)一步提高后身高度；如圖3-7所 示，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人處于直立初始狀態(tài)。同理，匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互 變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人可在直立初始狀態(tài)按圖逆序所示轉(zhuǎn)變成匍匐初始狀態(tài)，最終可實(shí)現(xiàn) 匍匐運(yùn)動(dòng)和直立運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)變的變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。上述第二舵機(jī)框架3 —端安裝于第一舵機(jī)的輸出軸上，另一端可以通過(guò)支撐架6 固定，支撐架通過(guò)連接桿5與機(jī)體A固定。此結(jié)構(gòu)避免了第一舵機(jī)承載輸出軸懸臂支撐，提高了該運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)穩(wěn)固性能，為實(shí)現(xiàn)匍匐與直立運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)變提供必要的設(shè)備保障。
權(quán)利要求
一種匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于包括機(jī)體(A)以及安裝于機(jī)體上的四條肢體；其中每條肢體結(jié)構(gòu)均相同，均由第一舵機(jī)(1)、第二舵機(jī)框架(3)、第二舵機(jī)(4)、大腿支架(7)、第三舵機(jī)(9)、小腿支架(10)、踝部連接板(12)、雙向連接件(13)、直立支撐球頭(14)、匍匐支撐球頭(15)組成；其中第一舵機(jī)(1)安裝于機(jī)體(A)上，第二舵機(jī)框架(3)一端安裝于第一舵機(jī)的輸出軸上，第二舵機(jī)(4)安裝于第二舵機(jī)框架內(nèi)，大腿支架(7)一端安裝于第二舵機(jī)的輸出軸上，第三舵機(jī)(9)安裝于大腿支架的另一端，小腿支架(10)一端安裝于第三舵機(jī)的輸出軸上，踝部連接板(12)安裝于小腿支架的另一端，直立支撐球頭(14)和匍匐支撐球頭(15)通過(guò)雙向連接件(13)安裝于踝部連接板(12)上；上述第一舵機(jī)(1)的輸出軸線與機(jī)體(A)中心軸線平行，第二舵機(jī)(4)的輸出軸線與第一舵機(jī)(1)的輸出軸線垂直、第三舵機(jī)(9)的輸出軸線與第二舵機(jī)(4)的輸出軸線平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其特征在于上述第二舵機(jī)框架(3) 一端安裝于第一舵機(jī)的輸出軸上，另一端通過(guò)支撐架(6)固定，支撐架通過(guò)連接桿(5)與機(jī) 體(A)固定。
全文摘要
一種匍匐與直立運(yùn)動(dòng)互變的變結(jié)構(gòu)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，屬于機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。包括機(jī)體(A)以及安裝于機(jī)體上的四條肢體；其中每條肢體結(jié)構(gòu)均相同，均由第一舵機(jī)(1)、第二舵機(jī)框架(3)、第二舵機(jī)(4)、大腿支架(7)、第三舵機(jī)(9)、小腿支架(10)、踝部連接板(12)、雙向連接件(13)、直立支撐球頭(14)、匍匐支撐球頭(15)組成；上述第一舵機(jī)(1)的輸出軸線與機(jī)體(A)中心軸線平行，第二舵機(jī)(4)的輸出軸線與第一舵機(jī)(1)的輸出軸線垂直、第三舵機(jī)(9)的輸出軸線與第二舵機(jī)(4)的輸出軸線平行。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)匍匐運(yùn)動(dòng)與直立運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化，提高了四足機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境下越障能力，為高效穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)提供多種運(yùn)動(dòng)模式。
文檔編號(hào)B62D57/02GK101927793SQ20101023504
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者于浩, 俞志偉, 宮俊, 張昊, 戴振東, 李宏凱 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)