一种步态可转变的仿生机器人

1.本发明属于机械工程及机器人机构的应用领域，具体涉及一种步态可转变的仿生机器人。


背景技术：

2.近年来，随着科学技术的快速发展，机器人学越来越受到学者们的重视。如今，智能机器人的应用已经十分普遍，从家用的扫地机器人到无人快递机器人，再到工厂中的工业机器人等，这些机器人的广泛应用都向我们展示着它们是新时代产物中强有力的一支“军队”，而机器人中的足式机器人凭借着强大的环境适应能力在轮式和履带式机器人中脱颖而出。
3.相对于二足机器人，步态可转变的四足机器人更容易实现行走时的平稳。而六足和八足机器人又因肢体较多，控制复杂，所以四足机器人便成为了最优选择，它有着简单紧凑的机构，易于控制，较强的环境适应性等诸多优点。放眼自然界，四足哺乳动物更为普遍。猎豹作为奔跑最快的四足哺乳动物，其百公里加速的时间只有几秒。
4.现在四足机器人按驱动方式分类，有电驱式、气动式、液压式及电液混合式，电驱动较易于实现机器人的控制，例如美国麻省理工学院的猎豹系列机器人(cheetah)，液压式则能够提供较大的驱动力，例如美国波士顿动力公司的bigdog机器人，而气动式由于其自身动力的非线性的特性，在四足机器人中的应用较少；按肢腿的布置分类，四足机器人可分为全膝式、全肘式、外膝肘式和内膝肘式，外膝肘式与内膝肘式的配置形式能够使得四足机器人有较大的支承面，带来更多的稳定性，但较于全膝式和全肘式的四肢统一配置更难实现行走时的肢腿控制。
5.cn201510273138.3公开了一种《一种电驱动小型仿生四足机器人》，该四足机器人采用了电驱动、简洁的机械结构以及交流永磁同步电机直接驱动技术，实现了实时的运动控制；其机器人各个leg模块机械原理相同，提高了装配时的互换性，每个leg模块拥有3个自由度，这使得整个机器人需要12个电机进行驱动，机器人整体重量不可避免地增大，提高了控制难度；在布置leg模块中电机安装时采用了共轴线布置，使得整个leg模块的质量集中在轴线附近，有较小的转动惯量，进而使得leg模块有较高的动态响应能力；在leg模块中的大小腿连接处布置了弹簧储能器，能够在运动中储存能量，提高能量的利用效率，但弹簧储能器的采用会给机器人带来不可控的扰动，进而降低了机器人运动时的平稳性。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种步态可转变的仿生机器人，机身轻，稳定高，承重能力强，能实现步态转变。
7.实现本发明的技术解决方案为：一种步态可转变的仿生机器人，包括躯干、尾部平衡机构、两个调节装置和四个肢腿；四个肢腿分为左前肢、左后肢、右前肢和右后肢，对称固定在躯干两侧，尾部平衡机构固定在躯干后端面，两个调节装置设置在躯干的两端，每个调
节装置两侧分别连接一个肢腿；尾部平衡机构利用一个旋转姿态舵机和三个摆动姿态舵机的控制实现尾部调节，提升整个机器人的稳定性。
8.进一步地，躯干包括自前向后依次连接的前箱体、后箱体和柱状连接件，前箱体和后箱体外分别设有一个调节装置，左前肢和右前肢连接在前箱体两侧，左后肢和右后肢连接在后箱体两侧。
9.进一步地，所述调节装置包括传动轴、曲柄和棘轮，传动轴两端通过轴承与箱体连接，且传动轴垂直于柱状连接件的中心轴线方向设置，传动轴一端伸出箱体后连接棘轮，在棘轮的外轮上设有凸起，用于连接肢腿，传动轴另一端伸出箱体后通过曲柄连接肢腿。
10.进一步地，两个调节装置中的棘轮位于同一侧。
11.进一步地，棘轮的棘轮拨个数为n，机构最小控制角度受限于棘轮拨个数，其关系为最小控制角度
12.进一步地，肢腿包括四杆机构、液压缸、球型接头、足，四杆机构一端连接液压缸，液压缸再与球型接头连接，球型接头另一端与足转动连接，液压缸在跳跃步态中用以辅助仿生机器人跳起的动作；通过同侧设置的两个棘轮，实现左右肢行进中的角度差，继而实现步态的转变。
13.进一步地，上述四杆机构采用一端固定、另一端不固定的平面四杆机构，自由度为2。
14.进一步地，尾部平衡机构包括旋转姿态舵机、m个连杆和m 1个摆动姿态舵机，旋转姿态舵机通过固定架与后箱体的后端面固连，旋转姿态舵机的输出轴通过连接件、第三连杆件、舵机连接件连接第一个摆动姿态舵机，相邻两个摆动姿态舵机之间通过连杆连接，摆动姿态舵机实现连杆的上下摆动。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
16.(1)本发明提供了一种连杆和调节装置的组合，采用在调节装置中内置棘轮的结构，能够实现步态转变，多种步态使得机器人具有卓越的运动性能(奔跑、跳跃)。
17.(2)本发明采用了尾部平衡机构，实现四足机器人在行进中有较好的平稳性。
18.(3)本发明采用连杆机构传动，避免了在膝关节处配置驱动，即摆脱了膝关节配置驱动带来的转动惯量的影响，又减轻了整体的重量。
19.(4)本发明在肢腿中采用了液压驱动，可以有效地在跳跃步态中辅助整个机器人的跳跃，增加机器人越过障碍的能力。
20.本发明与现有六足机器人相比具有更加灵活的机动性能，步态转变更加方便快捷。本发明相比于现有技术的轮式、履带式机器人具有复杂地况的更好的移动性能，前后肢体共有两个驱动源驱动。
附图说明
21.图1是本发明机构中调节部件结构示意图。
22.图2是本发明机构中左肢部件结构示意图。
23.图3是本发明机构中右肢部件结构示意图。
24.图4是本发明机构中尾部部件结构示意图。
25.图5是本发明机构中躯干部件结构示意图。
26.图6是本发明仿生机器人机构整体示意图。
27.图中有：传动轴1、曲柄2、棘轮3、第一曲柄连杆4、第二曲柄连杆5、第一摇杆连杆6、第一摇杆连杆7、液压缸8、球型接头9、足10、第一摇杆11、第二摇杆12、前箱体13、后箱体14、柱状连接件15。舵机定位件16、第一舵机17、第一舵机连接件18、第二舵机19、第一连接件20、第一连杆21、第二连杆22、第一连杆件23、第三舵机24、第二连接件25、尾26、第三连接件27、第四舵机28、第二连杆件29、第三连杆件30、第二舵机连接件31。
具体实施方式
28.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的一部分实施例，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。
29.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
30.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
33.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
34.实施例1
35.结合图1-图5，本发明涉及一种步态可转变的仿生机器人，包括两个调节装置、四个肢腿、尾部平衡机构和躯干，四个肢腿对称分布，分为左前肢、左后肢、右前肢和右后肢，对称固定在躯干两侧，尾部平衡机构固定在躯干后端面，两个调节装置设置在躯干的两端，前后两个调节装置的两侧分别连接一个肢腿；尾部平衡机构利用一个旋转姿态舵机和三个摆动姿态舵机的控制实现尾部调节，提升整个机器人的稳定性。
36.躯干包括自前向后依次连接的前箱体13、后箱体14和柱状连接件15，前箱体13和后箱体14外分别设有一个调节装置，左前肢和右前肢连接在前箱体14两侧，左后肢和右后肢连接在后箱体14两侧。
37.所述调节装置包括传动轴1、曲柄2和棘轮3，传动轴1两端通过轴承与箱体连接，且传动轴1垂直于柱状连接件15的中心轴线方向设置，通过柱状连接件15对前后传动轴的位
置进行距离限定，传动轴1一端伸出箱体后连接棘轮3，在棘轮3的外轮上设有凸起，用于连接肢腿，传动轴1另一端伸出箱体后通过曲柄2连接肢腿。
38.两个调节装置中的棘轮3位于同一侧。棘轮3的棘轮拨个数为n，机构最小控制角度受限于棘轮拨个数，其关系为最小控制角度
39.肢腿包括平面四杆机构、液压缸8、球型接头9、足10，四杆机构一端连接液压缸8，液压缸8再与球型接头9连接，球型接头9另一端与足10转动连接，液压缸8在跳跃步态中用以辅助仿生机器人跳起的动作；通过同侧设置的两个棘轮3，实现左右肢行进中的角度差，继而实现步态的转变。
40.上述四杆机构采用一端固定、另一端不固定的平面四杆机构，自由度为2。
41.四杆机构的一种实现形式如下：由曲柄连杆组、摇杆连杆组、第一摇杆11、第二摇杆12组成。曲柄连杆组由平行对称设置的第一曲柄连杆4、第二曲柄连杆5构成，摇杆连杆组由平行对称设置的第一摇杆连杆6和第二摇杆连杆7组成。
42.第一摇杆11的第1端和第二摇杆12的第2端转动连接，第一摇杆11的第2端与平行的摇杆连杆组的第1端分别连接，摇杆连杆组的第2端与液压缸8连接，曲柄连杆组第2端均与第二摇杆12第1端连接，曲柄连杆组的第1端与摇杆连杆组的第2端实现四个端点的连接，连接后与液压缸8通过螺纹连接，液压缸8的下端输出轴与球型接头9连接，球型接头9另一端与足10转动连接；左肢中棘轮3与曲柄连杆组的中间段通过轴承连接；右肢中曲柄2与曲柄连杆组的中间段通过轴承连接；第二摇杆12的第2端和前箱体13外侧壁通过轴承连接。
43.传动轴1端面中心为a，左肢棘轮3与曲柄连杆铰点为b(右肢中曲柄与曲柄连杆铰点为b)，曲柄连杆与第二摇杆12铰点为c，第二摇杆12与第一摇杆11铰点为d，第一摇杆11与摇杆连杆的铰点为e，摇杆连杆与曲柄连杆的铰点为f，球型接头9下表面中心为g；则ab、bc、cd、de、ef、fg、bf间比例关系为30：135：150：165：150：225：270，其中fg长度为液压缸8缩到最短时。
44.所述步态转变中，行走步态的相遵循对角原则，左右肢存在180度角度差；跑姿步态的相为对角肢腿存在90度角度差，左右肢存在45度角度差；跳跃步态的相为前后肢同步，前后肢存在180度角度差。由于棘轮3的特性，即只能发生单向的转动(另一方向会发生空转)，所以在传动轴1倒转时，由于左右肢腿中一侧不发生动作，而另一侧则会跟着倒转一定角度，角度的大小依靠伺服电机来控制。机器人处于不同步态时，各肢腿的传动轴1端面角度(如附图1所示)有所差别，如下表1所示。当传动轴1倒转到各肢腿实现如表中步态的角度差左右时，伺服电机此时正转，由于棘轮3的存在，便锁定了该步态时的各肢腿间角度差，继而实现不同步态间角度差的控制。
45.以行走步态转变为跑姿步态为例，前肢由180
°
的角度差转变为45
°
角度差(假设棘轮存在于右肢)，此时只需要将前肢的传动轴倒转θ＝180
°‑
45
°
＝135
°
，然后正转；同理后肢的传动轴倒转θ＝360
°‑
[(180
°‑
135
°
) 90
°
]＝225
°
,然后正转。此时便实现了行走步态向跑姿步态的转变。
[0046]
表1各步态传动轴角度(行进中传动轴转动方向为正)
[0047][0048]
所述四个肢腿中，第一摇杆11被夹在第一曲柄连杆4与第二曲柄连杆5之间，其间存在一定距离，避免运动时四肢存在干涉。第一摇杆11位于第二摇杆12的一侧，两者通过轴承与箱体连接。四个肢腿结构相同，对称分布于躯干两侧，以便有更好的互换性，一定程度上降低成本。
[0049]
所述肢腿中的曲柄连杆组被夹在摇杆连杆组之间，其间存在一定距离，以免运动时存在干涉，足10与球型接头9铰接。所述步态可转变的仿生机器人处于运动状态时，在重力的作用下，足10始终与地面平行，并且能够前后左右转动，保证运行中的稳定性。
[0050]
所述液压缸8上下通过螺纹连接在四肢上，以便实现机构运动时的缓冲，并在运动时通过伸缩来辅助实现机器人行进时的跳跃。
[0051]
尾部平衡机构包括舵机定位件16、第一舵机17、第一舵机连接件18、第二舵机19、第一连杆件20、第一连杆21、第二连杆22、第一连接件23、第三舵机24、第二连接件25、尾26、第三连接件27、第四舵机28、第二连杆件29、第三连杆件30、舵机连接件31。
[0052]
所述尾部平衡机构，舵机定位件16下端通过螺钉与后箱体14内部底面连接，上端与第一舵机17在侧端铰接，第一舵机17旋转轴线与后箱体14后面垂直，第一舵机17控制整个尾部的沿轴线的旋转；第一舵机17输出轴与第二舵机连接件31连接，第二舵机连接件31与第一舵机连接件18左端连接，舵机连接件18右端与第三连杆件30连接；第三连杆件30与第二舵机19连接，第二舵机19通过第一连接件20控制第一连杆21的上下摆动，第一连杆21左端与第二舵机19连接；第一连杆21右端与第二连杆件29连接，第二连杆件29右端与第三舵机28连接；第三舵机28与第三连接件27连接，第三舵机28控制第一连杆21与第二连杆22间的角度；第三连接件27与第二连杆22左端连接；第二连杆22右端与第一连杆件23连接；第一连杆件23右端与第四舵机24连接，第四舵机24控制第二连杆22与尾26的角度；第四舵机24与第二连接件25左端连接；第二连接件25右端与尾26连接。