四关节液压足式机器人腿

1.本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种四关节液压足式机器人腿。


背景技术：

2.六足机器人是一种仿多足动物运动方式的足式机器人，其腿部具有多个自由度，可对落足点进行最优化选择，步态丰富，重心较低，稳定性高，机身竖直运动范围大，越障和避障能力强。相比于传统的轮式、履带式机器人，六足机器人可以利用离散的落足点支撑方式实现非接触式避障或跨障，在非结构化地形和变化的环境下具有更强的适应能力。目前的机器人驱动方式主要有电驱动、气驱动和液压驱动。其中电驱动和气驱动的功率较低，功率密度较低，难以达到重载机器人的功率需求和承载能力要求，因此重载机器人多采用液压式驱动。
3.现有的大部分六足机器人存在以下问题：1.均为单腿三关节结构，从仿生学的角度来看，三关节单腿的仿生程度低级，整体运动能力较弱。当三关节的六足机器人在进行大坡度爬坡的时候，容易下滑。而四关节多出一个足端的转动，增大了足端和地面的接触从而在大坡度的地形上面表现的更好。
4.2.单腿三关节的容错性较差，当机器人在野外执行任务时，腿中的一个关节故障，便难以继续完成任务。
5.3.单腿三关节的可达姿态少，对于某些特殊作业场合，缺少特种作业方式。单腿三关节少了足端的一个旋转，在丘陵地形这种需要跨越高度障碍较多的地方，便会显得相形见绌。而四关节的六足机器人，通过全身的24关节联动，可以灵活的在丘陵地形精准作业。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种四关节液压足式机器人腿，用于解决上述问题。
7.本发明的实施例是这样实现的：本发明提供一种四关节液压足式机器人腿，四关节液压足式机器人腿包括固定支架、活动支架、转动节、腿部支架、支腿以及多个液压直线缸；活动支架与固定支架铰接，转动节与活动支架铰接，腿部支架与转动节铰接，支腿与腿部支架铰接；活动支架相对于固定支架转动的轴线、转动节相对于活动支架转动的轴线以及腿部支架相对于活动支架转动的轴线两两垂直，且腿部支架相对于活动支架转动的轴线、支腿相对于腿部支架转动的轴线平行；活动支架、转动节、腿部支架及支腿均与至少一个液压直线缸传动连接。
8.在可选的实施方式中，多个液压直线缸包括第一液压直线缸、第二液压直线缸、第三液压直线缸及第四液压直线缸；第一液压直线缸的固定端与固定支架铰接，第一液压直线缸的活动端与活动支架铰接，第一液压直线缸用于驱动活动支架相对于固定支架转动；第二液压直线缸的固定端与活动支架铰接，第二液压直线缸的活动端与转动节铰
接，第二液压直线缸用于驱动转动节相对于活动支架转动；第三液压直线缸的固定端与转动节铰接，第三液压直线缸的活动端与腿部支架铰接，第三液压直线缸用于驱动腿部支架相对于转动节转动；第四液压直线缸的固定端与腿部支架铰接，第四液压直线缸的活动端与支腿铰接，第四液压直线缸用于驱动支腿相对于腿部支架转动。
9.在可选的实施方式中，固定支架包括第一分部及第二分部，第一分部与第二分部垂直连接，且第一分部的长度小于第二分部的长度；第一分部用于与外部机身连接；第一分部设置有与第一液压直线缸的固定端铰接的第一连接部；第二分部背离第一分部的一端设置有安装第一转动轴的第一转轴孔，第一转轴与活动支架连接。
10.在可选的实施方式中，第一转轴孔为条形孔；四关节液压足式机器人腿还包括升降液压直线缸；液压直线缸的固定端与第一分部连接，升降液压直线缸的活动端与第一转轴连接；升降液压直线缸用于与第一液压直线缸同步运动，以驱动第一转轴以及与第一转轴连接的活动支架沿第一转轴孔的延伸方向滑动。
11.在可选的实施方式中，活动支架包括第一主体、第一连接板及第二连接板；第一主体的一侧设置有与第一液压直线缸的活动端铰接的第二连接部，第一转轴与第一主体连接，并与第二连接部位于第一主体的同一侧，且第一转轴与第一主体的连接处与第二连接部间隔；第一主体的另一侧设置有与第二液压直线缸的固定端铰接的第三连接部；第一连接板及第二连接板连接于第一主体的另一侧，且第一连接板与第二连接板间隔设置，第一连接板及第二连接板均设置有安装第二转轴的第二转轴孔，第二转轴与转动节连接。
12.在可选的实施方式中，转动节包括第二主体、第一凸台、第二凸台、第三连接板及第四连接板；第一凸台、第二凸台、第三连接板及第四连接板均与第二主体连接；第一凸台及第二凸台位于第二主体的一侧，第一凸台及第二凸台均设置有安装第二转轴的第三转轴孔；第三连接板及第四连接板位于第二主体的另一侧，第三连接板与第四连接板间隔，第三连接板与第四连接板均开设有安装第三转轴的第四转轴孔，第三转轴与腿部支架连接；第三连接板或第四连接板设置有与第二液压直线缸的活动端铰接的第四连接部；第三连接板及第四连接板中的一个或两个设置有与第三液压直线缸的固定端铰接的第五连接部。
13.在可选的实施方式中，位于第三连接板或第四连接板上的第四转轴孔、第四连接部及第五连接部两两间隔。
14.在可选的实施方式中，腿部支架包括第三主体，第三主体设置有供支腿及第四液压直线缸活动的安装腔；第三主体的一端设置有与第三转轴配合的第五转轴孔，第三主体的另一端设置有与第三液压直线缸的活动端铰接的第六连接部；
安装腔的侧壁设置有第七连接部以及第六转轴孔，第七连接部与第四液压直线缸的固定端铰接；第六转轴孔安装第四转轴，第四转轴与支腿连接。
15.在可选的实施方式中，支腿设置有第八连接部以及第七转轴孔，第八连接部与第四液压直线缸的活动端铰接，且第七转轴孔位于支腿的离地端，第七转轴孔与第八连接部间隔，第七转轴孔与第四转轴配合。
16.在可选的实施方式中，支腿的接地端设置有力传感器。
17.本发明实施例的有益效果是：该四关节液压足式机器人腿包括固定支架、活动支架、转动节、腿部支架、支腿以及多个液压直线缸；其中，活动支架与固定支架铰接，转动节与活动支架铰接，腿部支架与转动节铰接，支腿与腿部支架铰接；而且活动支架、转动节、腿部支架及支腿均与至少一个液压直线缸传动连接，由此，活动支架、转动节、腿部支架及支腿便可在对应的液压直线缸的驱动作用下转动，并且活动支架相对于固定支架转动的轴线、转动节相对于活动支架转动的轴线以及腿部支架相对于活动支架转动的轴线两两垂直，且腿部支架相对于活动支架转动的轴线、支腿相对于腿部支架转动的轴线平行；由此，通过活动支架相对于固定支架的转动、转动节相对于活动支架的转动以及腿部支架相对于活动支架的转动可实现机器人足端三个方向上的位移以及旋转运动可以实现更多的运动姿态，从而能够使得该四关节液压足式机器人腿可在空间内灵活运动，丰富了四关节液压足式机器人腿在空间内的运动姿态，比起三关节机器人可以灵活的运动并完成复杂的运动，其地形适应能力大大加强。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
19.图1为本发明实施例中四关节液压足式机器人腿的结构示意图；图2为本发明实施例中固定支架的结构示意图；图3为本发明实施例中活动支架的结构示意图；图4为本发明实施例中转动节的结构示意图；图5为本发明实施例中腿部支架的结构示意图；图6为本发明实施例中支腿的结构示意图。
20.图标:200-四关节液压足式机器人腿；210-固定支架；220-活动支架；230-转动节；240-腿部支架；250-支腿；260-液压直线缸；261-第一液压直线缸；262-第二液压直线缸；263-第三液压直线缸；264-第四液压直线缸；211-第一分部；212-第二分部；213-第一连接部；214-第一转轴孔；215-第一转轴；221-第一主体；222-第一连接板；223-第二连接板；224-第二连接部；225-第三连接部；226-第二转轴孔；231-第二主体；232-第一凸台；233-第二凸台；234-第三连接板；235-第四连接板；236-第三转轴孔；237-第四转轴孔；238-第四连接部；239-第五连接部；241-第三主体；242-安装腔；243-第五转轴孔；244-第六连接部；245-第七连接部；246-第六转轴孔；251-第八连接部；252-第七转轴孔。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
22.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
23.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
26.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.请参照图1-图6，本实施例提供一种四关节液压足式机器人腿200，四关节液压足式机器人腿200包括固定支架210、活动支架220、转动节230、腿部支架240、支腿250以及多个液压直线缸260；活动支架220与固定支架210铰接，转动节230与活动支架220铰接，腿部支架240与转动节230铰接，支腿250与腿部支架240铰接；活动支架220相对于固定支架210转动的轴线、转动节230相对于活动支架220转动的轴线以及腿部支架240相对于活动支架220转动的轴线两两垂直，且腿部支架240相对于活动支架220转动的轴线、支腿250相对于腿部支架240转动的轴线平行；活动支架220、转动节230、腿部支架240及支腿250均与至少一个液压直线缸260传动连接。
28.请参照图1-图6，该四关节液压足式机器人腿200的工作原理是：该四关节液压足式机器人腿200包括固定支架210、活动支架220、转动节230、腿部支架240、支腿250以及多个液压直线缸260；其中，活动支架220与固定支架210铰接，转动节230与活动支架220铰接，腿部支架240与转动节230铰接，支腿250与腿部支架240铰接；而且
活动支架220、转动节230、腿部支架240及支腿250均与至少一个液压直线缸260传动连接，由此，活动支架220、转动节230、腿部支架240及支腿250便可在对应的液压直线缸260的驱动作用下转动，并且活动支架220相对于固定支架210转动的轴线、转动节230相对于活动支架220转动的轴线以及腿部支架240相对于活动支架220转动的轴线两两垂直，且腿部支架240相对于活动支架220转动的轴线、支腿250相对于腿部支架240转动的轴线平行；由此，通过活动支架220相对于固定支架210的转动、转动节230相对于活动支架220的转动以及腿部支架240相对于活动支架220的转动可实现在空间内的三个方向上的位置变化，从而能够使得该四关节液压足式机器人腿200可在空间内灵活运动，丰富了四关节液压足式机器人腿200在空间内的运动姿态，进而可以灵活的运动并完成复杂的运动，其地形适应能力大大加强。
29.进一步地，请参照图1-图6，基于上述内容，在本实施例中，多个液压直线缸260包括第一液压直线缸261、第二液压直线缸262、第三液压直线缸263及第四液压直线缸264；第一液压直线缸261的固定端与固定支架210铰接，第一液压直线缸261的活动端与活动支架220铰接，第一液压直线缸261用于驱动活动支架220相对于固定支架210转动；由此，当第一液压直线缸261驱动活动支架220相对于固定支架210转动时，由于转动节230与活动支架220铰接，腿部支架240与转动节230铰接，支腿250与腿部支架240铰接，故，活动支架220相对于固定支架210的转动，便可带动转动节230、腿部支架240以及支腿250转动，在本实施例中，以活动支架220相对于固定支架210转动的方向为第一方向为例进行说明；第二液压直线缸262的固定端与活动支架220铰接，第二液压直线缸262的活动端与转动节230铰接，第二液压直线缸262用于驱动转动节230相对于活动支架220转动；由此，当第二液压直线缸262驱动转动节230相对于活动支架220转动时，由于腿部支架240与转动节230铰接，支腿250与腿部支架240铰接，故，转动节230相对于活动支架220的转动，便可带动腿部支架240以及支腿250转动，在本实施例中，以转动节230相对于活动支架220转动的方向为第二方向为例进行说明；第三液压直线缸263的固定端与转动节230铰接，第三液压直线缸263的活动端与腿部支架240铰接，第三液压直线缸263用于驱动腿部支架240相对于转动节230转动；由此，当第三液压直线缸263驱动腿部支架240相对于转动节230转动时，由于支腿250与腿部支架240铰接，故，腿部支架240相对于转动节230的转动，便可带动支腿250转动，在本实施例中，以腿部支架240相对于转动节230转动的方向为第三方向为例进行说明；另外，第四液压直线缸264的固定端与腿部支架240铰接，第四液压直线缸264的活动端与支腿250铰接，第四液压直线缸264用于驱动支腿250相对于腿部支架240转动。其中，第四液压直线缸264的工作原理与上述内容中的液压直线缸260的工作原理相同，故在此不再赘述。
30.综上，请参照图1-图6，由于上述内容中的第一方向、第二方向及第三方向两两垂直，故，通过上述内容中的第一液压直线缸261、第二液压直线缸262、第三液压直线缸263中的一个或多个的运动，便可调整支腿250在空间内的相对位置。需要说明的是，在第一液压直线缸261及第二液压直线缸262运动的过程中，其采用的是调整腿部支架240在空间内的相对位置的方式，从而对支腿250的位置进行调整，由此，在通过第一液压直线缸261、第二液压直线缸262、第三液压直线缸263中的一个或多个的运动调整支腿250在空间中的位置
的同时，活动支架220、转动节230以及腿部支架240在空间中的位置同样得到了调整。
31.进一步地，在本实施例中，在设置固定支架210时，固定支架210包括第一分部211及第二分部212，第一分部211与第二分部212垂直连接，且第一分部211的长度小于第二分部212的长度；通过这样的设置方式，使得固定支架210整体呈l型，进而通过这样的方式，便于第一分部211与外部机身连接，而且第一分部211设置有与第一液压直线缸261的固定端铰接的第一连接部213；由于固定支架210整体呈l型，故在布置第一液压直线缸261时，便可将第一液压直线缸261沿第二分部212的延伸方向设置，且第一分部211与第一液压直线缸261位于第二分部212的同一侧，即，通过将第一液压直线缸261设置于固定支架210整体的l型的缺口处，进而能够简化固定支架210以及第一液压直线缸261的结构，以便于简化四关节液压足式机器人腿200的整体结构，并减小四关节液压足式机器人腿200的体积。
32.而且，为便于活动支架220与固定支架210连接，故，第二分部212背离第一分部211的一端设置有安装第一转动轴的第一转轴孔214，第一转轴215与活动支架220连接。即，通过这样的方式，采用设置第一转轴215的方式，使得活动支架220与固定支架210铰接。
33.在上述第一转轴孔214的结构基础上，在本发明的其他实施例中，可以将第一转轴孔214设置为条形孔，而且条形孔的延伸方向即为高度方向，由此，使得第一转轴215沿条形孔的延伸方向滑动，便可对第一转轴215的安装高度进行调整，由此，实现对活动支架220的安装高度的调整；在第一转轴孔214为条形孔的基础上，为便于对活动支架220的高度进行调整，故，四关节液压足式机器人腿200还包括升降液压直线缸260；液压直线缸260的固定端与第一分部211连接，升降液压直线缸260的活动端与第一转轴215连接；升降液压直线缸260用于与第一液压直线缸261同步运动，以驱动第一转轴215以及与第一转轴215连接的活动支架220沿第一转轴孔214的延伸方向滑动。
34.综上，由于第一液压直线缸261的活动端与活动支架220连接，且第一液压直线缸261的作用在于驱动活动支架220相对于固定支架210转动，由此，当需要驱动活动支架220相对于固定支架210升降时，则需要第一液压直线缸261与升降液压直线缸260同步运动，以驱动第一转轴215以及与第一转轴215连接的活动支架220沿第一转轴孔214的延伸方向滑动。而在需要驱动活动支架220相对于固定支架210转动时，则需要使得升降液压直线缸260静止，而第一液压直线缸261运动。需要说明的是，这样的设置方式与上述的活动支架220的转动同理，即，活动支架220在空间内的升降运动能够带动与其连接的转动节230、与转动节230连接的腿部支架240以及与腿部支架240连接的支腿250在空间内同步运动。
35.进一步地，请参照图1-图6，在本实施例中，在设置活动支架220时，活动支架220包括第一主体221、第一连接板222及第二连接板223；其中，为便于与第一液压直线缸261的活动端对接，故，第一主体221的一侧设置有与第一液压直线缸261的活动端铰接的第二连接部224；由上述内容可知，本实施例采用的是设置第一转轴215的方式实现活动支架220与固定支架210间的铰接，由此，安装于第一转轴孔214的第一转轴215与第一主体221连接，并与第二连接部224位于第一主体221的同一侧，进而能够在第一液压直线缸261的活动端相对于固定端运动时，便可驱动活动支架220相对于第一转轴215转动。需要说明的是，为使得第一液压直线缸261的运动能够驱动活动支架220相对于第一转轴215转动，故，需要使得第一转轴215与第一主体221的连接处与第
二连接部224间隔；另外，由于转动节230与活动支架220铰接，且第二液压直线缸262的固定端与活动支架220铰接，故，第一主体221的另一侧设置有与第二液压直线缸262的固定端铰接的第三连接部225；第一连接板222及第二连接板223连接于第一主体221的另一侧，且第一连接板222与第二连接板223间隔设置，第一连接板222及第二连接板223均设置有安装第二转轴的第二转轴孔226，第二转轴与转动节230连接。
36.通过这样的设置方式，使得活动支架220与固定支架210连接的结构以及与转动节230连接的结构分布于第一主体221的两侧，从而能够避免第一液压直线缸261与第二液压直线缸262产生运动干涉，而且有利于简化该四关节液压足式机器人腿200的整体结构。
37.进一步地，请参照图1-图6，在设置转动节230时，转动节230包括第二主体231、第一凸台232、第二凸台233、第三连接板234及第四连接板235；其中，第一凸台232、第二凸台233、第三连接板234及第四连接板235均与第二主体231连接；第一凸台232及第二凸台233位于第二主体231的一侧，第一凸台232及第二凸台233均设置有安装第二转轴的第三转轴孔236；由此，在转动节230与活动支架220对接时，可以使得第一凸台232及第二凸台233位于第一连接板222及第二连接板223支架，且第二转轴与第一连接板222及第二连接板223上的第二转轴孔226以及与第一凸台232及第二凸台233上的第三转轴孔236配合，从而能够通过这样的方式，简化转动节230与活动支架220的安装方式，并提高转动的稳定性。
38.另外，第三连接板234及第四连接板235位于第二主体231的另一侧，第三连接板234与第四连接板235间隔，第三连接板234与第四连接板235均开设有安装第三转轴的第四转轴孔237，第三转轴与腿部支架240连接；第三连接板234或第四连接板235设置有与第二液压直线缸262的活动端铰接的第四连接部238；第三连接板234及第四连接板235中的一个或两个设置有与第三液压直线缸263的固定端铰接的第五连接部239。
39.由此，通过这样的设置方式，能够将与活动支架220连接的结构以及与腿部支架240连接的结构设置于第二主体231的两侧，从而避免出现运动干涉，并提高运动的稳定性。而且在设置第三连接板234及第四连接板235时，通过第三连接板234及第四连接板235的设置，既能够形成安装第三液压直线缸263的固定端铰接的第五连接部239，也可以与第二液压直线缸262的活动端铰接的第四连接部238，并且位于第三连接板234或第四连接板235上的第四转轴孔237、第四连接部238及第五连接部239两两间隔；从而能够通过这样的设置方式，简化该四关节液压足式机器人腿200的整体结构，在避免出现运动干涉的情况的同时，能够提高该四关节液压足式机器人腿200的运动灵活性。
40.进一步地，请参照图1-图6，在本实施例中，在设置腿部支架240时，腿部支架240包括第三主体241，第三主体241设置有供支腿250及第四液压直线缸264活动的安装腔242；第三主体241的一端设置有与第三转轴配合的第五转轴孔243，第三主体241的另一端设置有与第三液压直线缸263的活动端铰接的第六连接部244；安装腔242的侧壁设置有第七连接部245以及第六转轴孔246，第七连接部245与第四液压直线缸264的固定端铰接；第六转轴孔246安装第四转轴，第四转轴与支腿250连接。
41.而且支腿250设置有第八连接部251以及第七转轴孔252，第八连接部251与第四液压直线缸264的活动端铰接，且第七转轴孔252位于支腿250的离地端，第七转轴孔252与第八连接部251间隔，第七转轴孔252与第四转轴配合。
42.在支腿250工作的过程中，为便于支腿250的工作受力情况进行监测，故，支腿250的接地端设置有力传感器。
43.综上，该四关节液压足式机器人腿200根据液压直线缸260的工件特点，通过上述内容中的第一液压直线缸261、第二液压直线缸262、第三液压直线缸263中的一个或多个的运动，便可调整支腿250在空间内的相对位置，即，通过活动支架220相对于固定支架210的转动、转动节230相对于活动支架220的转动以及腿部支架240相对于活动支架220的转动可实现在空间内的三个方向上的位置变化，从而能够使得该四关节液压足式机器人腿200可在空间内灵活运动，丰富了四关节液压足式机器人腿200在空间内的运动姿态，进而可以灵活的运动并完成复杂的运动，其地形适应能力大大加强。
44.从而满足关节多角度伸展灵活的要求，让整个腿部在液压系统控制下达到关节运动路径规划要求，同时第一液压直线缸261丰富了整个机器人的运动姿态；由四个液压缸合成的运动可实现机器人足端运动，实现机器人多角度，多姿态的空间运动设计。采用液压驱动的方式，可大幅提升四关节液压足式机器人腿200的承载能力；四自由度的结构可以使四关节液压足式机器人腿200灵活的运动并且可以完成复杂的运动，其地形适应能力大大加强；优化了转节力学性能和整腿运动性能，为后续高灵活性和高载重比机器人的研究提供了发明和设计基础。
45.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。