腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置及机器人

1.本发明涉及腿足型机器人技术领域，特别是涉及一种腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置及机器人。


背景技术：

2.腿足型机器人已经展示出了出色的环境适应能力，广泛应用于野外侦察，管道巡检等领域。
3.现有的腿足机器人腰部机构有天津大学发明的一种在腰部使用平面四杆变胞机构的四足仿生机器人(cn201610373938.7)，该机构包括一个闭链和四条开链，闭链是由第一至第四杆构成的一个平面四杆变胞杆机构；第一、二、三、四杆的长度均相同；每条开链的结构相同，每条开链均为一2r串联机构且均分别通过一转动铰链与闭链中一条杆件铰接，每条开链中的各杆位于同一平面内。该发明将平面四杆变胞机构应用到四足仿生机器人的腰部，实现四足仿生机器人腰部变形，从而更好地模仿四足动物的腰部结构，提高多足仿生机器人的灵活性和对不同地形环境的适应能力。
4.但是，现有的腿足机器人腰部通常不具备沿机器人体长方向主动移动自由度以及俯仰摆动自由度，这使得腿足机器人实际的运动灵活性下降，仿生表达欠缺，以及行走速度和能量利用效率低下。同时，现有腿足机器人腰部通常不具备单输入多输出功能，使其腰部整体尺寸臃肿。
5.大鼠作为自然界中小型腿足动物的代表具有本灵活的移动能力，复杂场景下大鼠可以通过腰部运动和腿足运动的配合来实现快速灵活移动；受该仿生启发，提供一种腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置及机器人，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置及机器人，以解决现有技术中腿足机器人行走姿态仿生性差，行走速度低，能量效率低等问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置，包括：
9.驱动模块，所述驱动模块安装于安装底板上；
10.输出模块，所述输出模块设置有两个，两个所述输出模块分别安装于所述安装底板的两端，两个所述输出模块能够分别与机器人的上肢部和下肢部连接；
11.弹簧阻尼传动模块，所述驱动模块通过所述弹簧阻尼传动模块与所述输出模块连接。
12.优选的，所述弹簧阻尼传动模块包括第一弹簧阻尼传动模块和第二弹簧阻尼传动模块，所述第一弹簧阻尼传动模块和所述第二弹簧阻尼传动模块分别设置于所述安装底板的上下两侧，所述第一弹簧阻尼传动模块和所述第二弹簧阻尼传动模块关于所述安装底板的中心点呈中心对称设置；所述驱动模块通过所述第一弹簧阻尼传动模块和所述第二弹簧
阻尼传动模块分别与两个所述输出模块连接。
13.优选的，所述第一弹簧阻尼传动模块和所述第二弹簧阻尼传动模块均包括杆件连接轴、第一杆件、第二杆件、滑动横轴和固定横轴，所述杆件连接轴的两端分别通过两个所述第一杆件与所述滑动横轴的两端连接，所述杆件连接轴的两端还分别通过两个所述第二杆件与所述固定横轴的两端连接；
14.所述安装底板一端的两侧均设置有滑槽，所述滑动横轴的两端分别设置于两侧的所述滑槽内，所述第一杆件的一端与所述杆件连接轴转动连接，所述第一杆件的另一端与所述滑动横轴转动连接；
15.所述安装底板另一端的两侧均设置有转动副基座，所述固定横轴的两端分别转动安装于两侧的所述转动副基座内，所述第二杆件的一端与所述杆件连接轴转动连接，所述第二杆件的另一端与所述固定横轴转动连接。
16.优选的，所述滑动横轴的两端通过弹簧与所述固定横轴的两端连接。
17.优选的，所述输出模块采用直线输出模块，所述直线输出模块包括直线输出连接件，所述直线输出连接件包括相连接的外侧连接板和连接部，所述滑动横轴穿过所述连接部，并与所述连接部形成转动副，所述外侧连接板的中心位置与所述安装底板长度方向的轴线共线；
18.所述直线输出连接件还连接有阻尼元件，所述直线输出连接件与所述阻尼元件形成移动副，所述阻尼元件固定在所述安装底板上。
19.优选的，所述输出模块采用转动输出模块，所述转动输出模块包括转动输出连接件、输出转轴、驱动连杆和阻尼杆；所述阻尼杆与所述滑动横轴固连，所述阻尼杆还连接有阻尼元件，所述阻尼杆与所述阻尼元件形成移动副，所述阻尼元件固定在所述安装底板上；所述驱动连杆的两端分别与所述转动输出连接件以及所述滑动横轴形成转动副，所述转动输出连接件通过所述输出转轴与所述安装底板上设置的转轴安装架形成转动副；
20.所述转动输出连接件的两侧凸出所述转动副的连接孔。
21.优选的，所述驱动模块采用双轴电机，所述安装底板的中心位置设置有安装槽，所述安装槽的两侧镂空；所述双轴电机安装于所述安装槽内，并通过电机固定板固定在所述安装底板上；所述双轴电机的两端均连接有拉绳连接件，两端的所述拉绳连接件通过拉绳分别与所述杆件连接轴的两端连接。
22.优选的，所述拉绳连接件采用驱动摇臂，所述拉绳远离所述杆件连接轴的一端与所述驱动摇臂的末端连接；
23.或者，所述拉绳连接件采用拉线齿轮，所述双轴电机的两端均连接有主动齿轮，所述主动齿轮与所述拉线齿轮啮合连接，所述拉线齿轮转动安装于所述安装底板。
24.优选的，所述双轴电机设置有一个，所述双轴电机的两侧均连接有一个所述拉绳连接件，所述拉绳连接件连接有两根拉绳，两根所述拉绳分别与所述第一弹簧阻尼传动模块以及所述第二弹簧阻尼传动模块的杆件连接轴连接；或者，所述双轴电机两侧均连接有两个所述拉绳连接件，每侧的两个所述所述拉绳连接件分别通过拉绳与所述第一弹簧阻尼传动模块以及所述第二弹簧阻尼传动模块的杆件连接轴连接；
25.或者，所述双轴电机设置有两个，两个所述双轴电机对称安装于所述安装底板的上下两侧，两个所述双轴电机的两侧均连接有一个所述拉绳连接件，两个所述双轴电机的
所述拉绳连接件通过拉绳分别与所述第一弹簧阻尼传动模块以及所述第二弹簧阻尼传动模块的杆件连接轴连接。
26.本发明还公开一种包括上述腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的机器人，还包括头部、上肢部和下肢部，所述腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置安装于所述上肢部与所述下肢部之间。
27.本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
28.本发明腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置用科学的方法设计机械结构及外形，通过两端直线输出构型和两端转动输出构型中的具有弹簧阻尼的连杆传动系统，将驱动电机的转动转化为两侧输出模块的周期性直线运动和周期性转动，配合腿足机器鼠的足端运动解决了腿足机器鼠行走姿态仿生性差，行走速度低，能量效率低等问题。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为实施例一腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的正视图；
31.图2为实施例一腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的俯视图；
32.图3为实施例一腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的结构示意图；
33.图4为实施例一安装底板的结构示意图；
34.图5为驱动模块的结构示意图；
35.图6为实施例一直线输出模块的结构示意图；
36.图7为实施例一腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的安装示意图；
37.图8为实施例二腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的正视图；
38.图9为实施例二腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的俯视图；
39.图10为实施例二腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的结构示意图；
40.图11为实施例二安装底板的结构示意图；
41.图12为实施例二直线输出模块的结构示意图；
42.图13为实施例二腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的第一安装示意图；
43.图14为实施例二腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的第二安装示意图；
44.图15为实施例三中腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的结构示意图；
45.图16为实施例三中腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置的正视图；
46.图17为实施例三中拉线齿轮的第一角度示意图；
47.图18为实施例三中拉线齿轮的第二角度示意图；
48.图19为实施例三中拉线齿轮支撑架的结构示意图；
49.图20为实施例三中安装底板的结构示意图；
50.附图标记说明：101为安装底板，102为安装底板，103为安装底板，2为驱动模块，201为双轴电机，202为驱动摇臂，203为电机固定板，204为主动齿轮，205为拉线齿轮，206为拉线齿轮支撑架，3为拉绳，4为杆件连接轴，5为1型杆件，6为y型杆件，7为弹簧，801为直线
输出模块，8011为直线输出连接件，8021为转动输出连接件，8022为输出转轴，8023为驱动连杆，8024为阻尼杆，9为滑动横轴，10为阻尼元件，11为固定横轴。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明的目的是提供一种腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置及机器人，以解决现有技术中腿足机器人行走姿态仿生性差，行走速度低，能量效率低等问题。
53.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
54.实施例一
55.如图1-图7所示，本实施例提供一种腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置，为两端直线输出构型，主要包括驱动模块2、弹簧阻尼传动模块和直线输出模块801。
56.在本实施例中，弹簧阻尼传动模块设置有两个，包括第一弹簧阻尼传动模块和第二弹簧阻尼传动模块，第一弹簧阻尼传动模块和第二弹簧阻尼传动模块分别设置于安装底板101的上下两侧，第一弹簧阻尼传动模块和第二弹簧阻尼传动模块关于安装底板的中心点呈中心对称设置；驱动模块2通过第一弹簧阻尼传动模块和第二弹簧阻尼传动模块分别带动两个直线输出模块801运动；或者，还可以根据工作需要设置有一个弹簧阻尼传动模块，通过一个弹簧阻尼传动模块同时带动两个直线输出模块801运动。
57.在本实施例中，第一弹簧阻尼传动模块和第二弹簧阻尼传动模块结构相同，均包括杆件连接轴4、第一杆件、第二杆件、滑动横轴9和固定横轴11，杆件连接轴4的两端分别通过两个第一杆件与滑动横轴9的两端连接，杆件连接轴4的两端还分别通过两个第二杆件与固定横轴11的两端连接；安装底板101一端的两侧均设置有滑槽，滑动横轴9的两端分别设置于两侧的滑槽内，第一杆件的一端与杆件连接轴4转动连接，第一杆件的另一端与滑动横轴9转动连接；安装底板101另一端的两侧均设置有转动副基座，固定横轴11的两端分别转动安装于两侧的转动副基座内，第二杆件的一端与杆件连接轴4转动连接，第二杆件的另一端与固定横轴11转动连接。
58.其中，第一杆件采用1型杆件5，第二杆件采用y型杆件6，y型杆件6的开口端与杆件连接轴4转动连接，1型杆件5与杆件连接轴4连接的一端位于y型杆件6的开口端中间；第一杆件和第二杆件亦可以根据需要选择其它结构的杆件。
59.在本实施例中，驱动模块2固定在安装底板101中心位置，采取双轴电机201将安装底板101上下两侧机构耦合驱动的形式，从而实现单输入多输出；但不限这种形式，同样可根据需要采取上下两侧对称布置双轴电机201的形式，用于非耦合驱动。
60.具体地，驱动模块2包括双轴电机201、驱动摇臂202、电机固定板203，双轴电机201由电机固定板203通过螺钉连接固定在安装底板101上。双轴电机201带动两侧的驱动摇臂202(拉绳连接件)转动，每一侧驱动摇臂202的末端均套有两条拉绳3，拉绳3的另一端套在安装底板101上下侧的杆件连接轴4上；其中，拉绳3优选采用弹力绳。杆件连接轴4的两端通
过转动副连接1型杆件5和y型杆件6，y型杆件6的另一端通过转动副与安装底板101连接，1型杆件5驱动直线输出模块801；1型杆件5通过转动副连接滑动横轴9，滑动横轴9的两端与安装底板101的滑槽形成移动副。
61.在本实施例中，直线输出连接件8011通过转动副与滑动横轴9连接，直线输出连接件8011与阻尼元件10形成移动副，阻尼元件10通过螺钉连接固定在安装底板101上；滑动横轴9的两端通过弹簧7与固定横轴11两端连接，当拉绳3不在杆件连接轴4上作用拉力时，弹簧7会通过预紧力将滑动横轴9拉紧在安装底板101的滑槽内侧。
62.本实施例中两端直线输出构型工作原理如下：
63.双轴电机201带动驱动摇臂202转动时，上下侧的拉绳3会随着驱动摇臂202转动进入循环的拉紧与释放的周期，进入拉紧周期时杆件连接轴4被拉动带动滑动横轴9向安装底板101外侧移动，弹簧7会被拉伸，推动直线输出连接件8011向安装底板101外侧直线移动。进入释放的周期时拉绳3失去拉力，弹簧7开始收缩，拉动滑动横轴9向安装底板101内侧移动，拉动直线输出连接件8011向安装底板101内侧直线移动。其中，通过调整上下侧的拉绳3的长度与双轴电机201的初始位置可以调整拉紧与释放的周期占比。
64.在本实施例中，安装底板101上下两侧的结构呈中心对称，安装底板101上下两侧的两端均分别设有滑槽和转动副基座，用于与两组弹簧阻尼传动模块连接；安装底板101中心位置设有突出的弯折结构形成安装槽，用于安装双轴电机201，弯折结构两侧镂空处理，使得驱动摇臂202有足够的工作空间。
65.在本实施例中，直线输出连接件8011作弯折处理，使得外侧连接板的中心位置与安装底板101长度方向的轴线共线，从而使得直线输出模块801的运动输出是沿着安装底板101的长度方向，能够最大限度维持机器人运动时的质心稳定性。
66.实施例二
67.如图8-图14所示，本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：腿足机器鼠主动弹簧阻尼腰部模拟装置采用两端转动输出构型。
68.在本实施例中，两端转动输出构型的安装底板102在两侧均设置有转轴安装架，两端转动输出构型的输出模块主要包括转动输出连接件8021、输出转轴8022、驱动连杆8023以及阻尼杆8024；阻尼杆8024与滑动横轴9固连并与阻尼元件10形成移动副，驱动连杆8023的两端分别与转动输出连接件8021和滑动横轴9形成转动副，转动输出连接件8021通过输出转轴8022与安装底板102形成转动副。
69.本实施例中两端转动输出构型工作原理如下：
70.双轴电机201带动驱动摇臂202转动时，上下侧的拉绳3会随着驱动摇臂202转动进入循环的拉紧与释放的周期，进入拉紧周期时，杆件连接轴4被拉动带动滑动横轴9向安装底板101外侧移动，弹簧7会被拉伸，驱动连杆8023会带动转动输出连接件8021绕输出转轴8022转动。进入释放的周期时，拉绳3失去拉力，弹簧7开始收缩，拉动滑动横轴9向安装底板101内侧移动，驱动连杆8023会带动转动输出连接件8021绕输出转轴8022反向转动。
71.在本实施例中，通过调整转动输出连接件8021和驱动连杆8023的长度可以调整以安装底板102为轴线上下转动角度的幅值，通过调整上下侧的拉绳3的长度与双轴电机201的初始位置可以调整拉紧与释放的周期占比。
72.在本实施例中，转动输出连接件8021两侧凸出转动副连接孔，中间空出空间从而
使得滑动横轴9有更大的移动距离而与其产生干涉，最大程度地保证沿安装底板102长度方向结构设计的紧凑性。
73.实施例三
74.本实施例是在实施例二的基础上进行的改进，其改进之处在于：如图15-20所示，在本实施例中，拉绳连接件采用拉线齿轮205，双轴电机201的两端均连接有主动齿轮204，主动齿轮204的上下两侧均啮合连接有一个拉线齿轮205，上下两侧的拉线齿轮205通过拉绳3分别与上下两侧的杆件连接轴4连接；拉线齿轮205转动安装于安装底板103上。
75.具体地，在安装底板103的上侧中部设置有拉线齿轮支撑架206，上侧的拉线齿轮205的旋转轴与拉线齿轮支撑架206形成转动副连接，下侧的拉线齿轮205的旋转轴与安装底板103下侧中间部位凸台的中心孔形成转动副；其中，凸台可以安装于电机安装槽的下方。
76.本实施例中，安装底板103下两侧的机构受两个不同的部件驱动，通过调整拉线齿轮205的初始啮合位置来实现上下两侧机构拉紧与释放的周期占比，调整更加简易方便。
77.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
78.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。