本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種減少驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的四足仿生機(jī)器人。

背景技術(shù)：

四足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單且靈活，能在較為復(fù)雜的路面上行進(jìn)，可以較為輕易地跨過障礙，相比于雙足機(jī)器人穩(wěn)定性更強(qiáng)，相比于更多足的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)更少更節(jié)省能源和成本，是足式機(jī)器人中綜合起來較為兼顧的選擇。四足仿生機(jī)器人可以代替人完成許多危險(xiǎn)作業(yè)，在軍事、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測、消防營救、建筑業(yè)、農(nóng)林采伐、示教娛樂等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

然而，傳統(tǒng)四足仿生機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)，為保證運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且足尖不發(fā)生側(cè)滑，多采用三關(guān)節(jié)腿和剛性機(jī)身的方案，共使用至少十二個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，且關(guān)注點(diǎn)大多集中在腿部結(jié)構(gòu)，對于機(jī)身結(jié)構(gòu)與腿部的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系通常沒有給予太多關(guān)注。其缺點(diǎn)在于：1)采用至少十二個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，成本較高，能耗較大。2)機(jī)身結(jié)構(gòu)固定，對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和姿勢不起任何作用，腰部對仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和適應(yīng)性調(diào)節(jié)不起任何作用。

專利號為cn201010219094.3，專利名稱為九自由度四足仿生爬行機(jī)器人的中國發(fā)明專利，公開了一種九自由度四足仿生爬行機(jī)器人，包括前軀體、后軀體和四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的由平行四連桿機(jī)構(gòu)組成的腿部，該機(jī)器人通過簡化腿部驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)減少了驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量，但沒有簡化機(jī)器人腿部與機(jī)身連接處的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)；簡化后的腿部在實(shí)際制作時(shí)更加復(fù)雜，降低了腿部的可靠性；機(jī)身所在平面只能與運(yùn)動(dòng)平面保持平行，降低了機(jī)器人靈活度。

公開號cn105818882a，公開日為2016-08-03，名稱為一種在腰部使用平面四桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人的中國發(fā)明專利申請中公開了一種在腰部使用平面四桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人，該機(jī)器人的機(jī)身擁有多個(gè)自由度，但在每種形態(tài)下都有冗余的自由度沒有充分利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種減少驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的四足仿生機(jī)器人，本發(fā)明在保證機(jī)器人靈活度的情況下驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)更少、更節(jié)省成本、減少能源消耗。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種減少驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的四足仿生機(jī)器人，包括兩條開鏈和一個(gè)機(jī)身，所述開鏈?zhǔn)怯傻谝粭U、第二桿、第三桿、第四桿和第五桿構(gòu)成的平面連桿機(jī)構(gòu)，所述第一桿和第五桿的長度相同，第二桿和第四桿的長度相同，所述第一桿、第二桿、第三桿、第四桿和第五桿之間依次通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈活動(dòng)連接，所述開鏈以第三桿的中點(diǎn)為中心左右對稱；

所述機(jī)身是由前機(jī)身和后機(jī)身通過第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈相連構(gòu)成的平面連桿機(jī)構(gòu)，所述前機(jī)身和后機(jī)身的兩端分別通過第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與所述第三桿的中點(diǎn)活動(dòng)連接；所述五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互平行；

所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互平行且與所述五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互垂直。

進(jìn)一步的，可通過所述前機(jī)身和后機(jī)身調(diào)節(jié)所述機(jī)身的長度以改變兩條開鏈間的距離。

進(jìn)一步的，前機(jī)身和后機(jī)身的長度相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.本發(fā)明通過合并簡化四足仿生機(jī)器人左右腿部與機(jī)身連接的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，降低了成本和能量消耗。

2.本發(fā)明的機(jī)身通過改變兩條開鏈中點(diǎn)處與機(jī)身連接的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的距離，消除了爬行過程中重心前移造成的支撐足水平間距的變化，保證足尖無側(cè)滑。

3.本發(fā)明在減少驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上保證了機(jī)器人足尖的自由度和機(jī)身的靈活度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-1和圖2-2分別是本發(fā)明中開鏈的正視和俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明機(jī)器人中機(jī)身的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明機(jī)器人彎腰步態(tài)變?yōu)橹毖綉B(tài)的示意圖。

圖5是本發(fā)明機(jī)器人直腰步態(tài)變?yōu)閺澭綉B(tài)的示意圖。

圖6是本發(fā)明機(jī)器人前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)完整步態(tài)周期分解示意圖。

圖7-1和圖7-2為本發(fā)明機(jī)器人的機(jī)身使用線性電機(jī)的具體實(shí)施方式示意圖。

附圖標(biāo)記：1-第一桿，2-第二桿，3-第三桿，4-第四桿，5-第五桿，6-第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，7-第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，8-第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，9-第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，10-前機(jī)身，11-后機(jī)身，12-第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，13-第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，14-第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，15-第三桿

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，其描述僅是對本發(fā)明的解釋性說明，并不用以限制本發(fā)明。

如圖1至圖3所示，一種減少驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的四足仿生機(jī)器人，包括兩條開鏈和一個(gè)機(jī)身。兩條開鏈為相同的平面五連桿機(jī)構(gòu)，都包含5條桿和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。以一條開鏈為例，開鏈以第三桿3的中點(diǎn)為界左右對稱，即第一桿1與第五桿5相同，第二桿2與第四桿4相同。兩條開鏈的第三桿3、15的中點(diǎn)分別通過第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13、第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14與機(jī)身連接。機(jī)身可以改變第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14之間的距離，進(jìn)而改變兩條開鏈的第三桿3、15中點(diǎn)之間的距離。機(jī)身可采用連桿機(jī)構(gòu)，分為前機(jī)身10和后機(jī)身11，前機(jī)身10和后機(jī)身11通過第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12連接，第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14分別位于前機(jī)身10和后機(jī)身11的兩端，前機(jī)身10和后機(jī)身11通過第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12做相對運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14之間的距離，第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14的軸線相互平行。

第三桿3、第三桿15、前機(jī)身10、后機(jī)身11處在相互平行的平面內(nèi)，兩條開鏈分別以第三桿3、15的中點(diǎn)(即與第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13、第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14連接處)為界分為左右兩部分，由此兩條開鏈被分為4部分構(gòu)成了機(jī)器人的四條相同的腿：其中一條開鏈的第一桿1、第二桿2、第三桿3的左半部分組成了機(jī)器人的左前腿；第四桿4、第五桿5、第三桿3的右半部分組成了機(jī)器人的右前腿；同理另一條開鏈分別形成有左后腿和右后腿。

以第一桿1、第二桿2、第三桿3的左半部分組成的機(jī)器人的左前腿為例，第一桿1與第二桿2通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈6連接，具備了一個(gè)在豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；第二桿2與第三桿3通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈7連接，具備了一個(gè)在豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；第三桿3與機(jī)身通過第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14連接，具備了一個(gè)在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。由此，機(jī)器人的四條腿都各自具備了一定程度上的3個(gè)自由度，左前腿、右前腿共享一個(gè)在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，左后腿、右后腿共享一個(gè)在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。機(jī)身可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)側(cè)傾等動(dòng)作，具有三維空間上的靈活度。機(jī)器人共包含11個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，即11個(gè)自由度，包括兩條開鏈本身各自的四個(gè)自由度、開鏈與機(jī)身連接的兩個(gè)自由度、前后機(jī)身相互之間轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，比普通的使用3自由度腿的四足機(jī)器人減少了一個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，并最大限度地保證了機(jī)器人的靈活度。

如圖4所示為機(jī)器人彎腰步態(tài)變?yōu)橹毖綉B(tài)的示意圖。機(jī)器人彎腰步態(tài)變?yōu)橹毖綉B(tài)的過程中，左前腿足尖在第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈6和第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈7的驅(qū)動(dòng)下抬起，在第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下前移，右前腿、左后腿、右后腿足尖接觸地面作為支撐，機(jī)身在第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下由彎折變?yōu)橥χ?，機(jī)器人的重心始終落在由三條支撐足足尖連線構(gòu)成的三角形內(nèi)，并向左前移動(dòng)。當(dāng)機(jī)身變?yōu)橥χ睜顟B(tài)，機(jī)器人重心剛好落在由三條支撐足足尖連線構(gòu)成的三角形的邊線上，此時(shí)左前腿移動(dòng)到位，足尖落下，支撐足變?yōu)?個(gè)，機(jī)器人重心落在四條支撐足足尖連線構(gòu)成的四邊形內(nèi)。至此，機(jī)器人完成彎腰步態(tài)變?yōu)橹毖綉B(tài)的過程，重心向左前方移動(dòng)了一段距離，重心在機(jī)器人前進(jìn)方向上移動(dòng)的距離為左前腿前移距離的四分之一。

如圖5所示為機(jī)器人直腰步態(tài)變?yōu)閺澭綉B(tài)的示意圖。機(jī)器人直腰步態(tài)變?yōu)閺澭綉B(tài)的過程中，右后腿足尖在相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的驅(qū)動(dòng)下抬起，在第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下前移，左前腿、右前腿、左后腿足尖接觸地面作為支撐，機(jī)身在第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈12、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下由挺直變?yōu)閺澱郏瑱C(jī)器人的重心由剛好落在三條支撐足足尖連線構(gòu)成的三角形的邊線上向三角形內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)方向?yàn)樽笄?。?dāng)機(jī)身變?yōu)閺澱蹱顟B(tài)，機(jī)器人重心落在由三條支撐足足尖連線構(gòu)成的三角形內(nèi)，此時(shí)右后腿移動(dòng)到位，足尖落下，支撐足變?yōu)?個(gè)，機(jī)器人重心落在四條支撐足組建連線構(gòu)成的四邊形內(nèi)。至此，機(jī)器人完成直腰步態(tài)變?yōu)閺澭綉B(tài)的過程，重心向左前方移動(dòng)了一段距離，重心在機(jī)器人前進(jìn)方向上移動(dòng)的距離為右后腿前移距離的四分之一。

如圖6所示是本發(fā)明四足仿生機(jī)器人前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)完整步態(tài)周期分解示意圖，一個(gè)完整的步態(tài)周期包含兩個(gè)彎腰步態(tài)和兩個(gè)直腰步態(tài)共4個(gè)步驟。機(jī)器人的四條腿要依次前移以保證機(jī)器人時(shí)刻保持至少有三條支撐腿，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中重心能夠平穩(wěn)移動(dòng)。由于機(jī)器人支撐腿的變化和為了重心的穩(wěn)定，彎腰步態(tài)分為左彎腰步態(tài)和右彎腰步態(tài)。以機(jī)器人的右彎腰步態(tài)為運(yùn)動(dòng)的初始姿態(tài)為例，完整的步態(tài)周期為：右彎腰步態(tài)(初始姿態(tài))——直腰步態(tài)——左彎腰步態(tài)——直腰步態(tài)——右彎腰步態(tài)(初始姿態(tài))。一個(gè)完整的步態(tài)周期中，機(jī)器人四條腿依次前移的距離之和的四分之一即為機(jī)器人重心的前移距離。機(jī)器人通過循環(huán)完成一個(gè)個(gè)完整的步態(tài)周期實(shí)現(xiàn)連續(xù)的穩(wěn)定的直線爬行。另外，通過控制四條腿前移的距離差可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬行運(yùn)動(dòng)中的左轉(zhuǎn)彎爬行和右轉(zhuǎn)彎爬行。

進(jìn)一步的，可在本發(fā)明的四足仿生機(jī)器人的機(jī)身上使用線性電機(jī)代替轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，即機(jī)身可進(jìn)行伸縮，線性電機(jī)可通過改變機(jī)身的長度以達(dá)到改變第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈13與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈14之間的距離的效果。如圖7-1所示為線性電機(jī)推桿伸出，機(jī)身變長，此時(shí)機(jī)器人步態(tài)效果等同于連桿機(jī)身下的直腰步態(tài)；如圖7-2所示為線性電機(jī)推桿收縮，機(jī)身變短，此時(shí)機(jī)器人步態(tài)效果等同于連桿機(jī)身下的彎腰步態(tài)。采用線性電機(jī)的機(jī)身能夠改變自身長度，在機(jī)器人直線爬行時(shí)使得機(jī)身重心在一條直線上移動(dòng)，避免了使用連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)身在機(jī)器人直線爬行時(shí)重心斜向移動(dòng)、移動(dòng)幅度較大等問題。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。