对角线足刚性连接以对角小跑方式行走的四足机器人

摘要

本发明公开了一种对角线足刚性连接以对角小跑方式行走的四足机器人，包括有：相互交叉的多自由度腿甲和多自由度腿乙，以及固定安装与两腿交叉处外侧的外部设备；所述的多自由度腿甲和多自由度腿乙，除了中间部分凹凸不同外，其余结构相同；多自由度腿甲的中部下凹部分与多自由度腿乙的中部上凸部分通过销轴分别独立连接到外壳上；所述的多自由度腿甲包括有胯部、两个大腿、两个中腿和两个小腿，其中胯部即为中间下凹部分。通过多自由度腿甲的姿态调整装置，可使本发明两对角足同时着地、离地，加快了运动速度的同时，保证了稳定性；并实现了在行进过程中改变外壳的高度以及腿的高度，避免了卡住的情况。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种以对角两足刚性连接，并以对角小跑方式行 走的四足机器人。

背景技术

移动机器人是一种特种机器人，有着自己的优点和特点。根据运动形式分为轮式机器人、 履带式机器人以及足式机器人。

足式机器人是近年来机器人研究一个比较活跃的领域，其涉及机器人学、生物学、控制 理论、传感器技术、信息处理技术等，因其不同于传统的轮式、履带式机器人的运动特点， 得到了各国科学家的大力关注，其中又因四足机器人与两足机器人相比更加稳定，与六足和 八足机器人相比，结构冗余更低，而且自由度更高，更能适合各种科学研究、民用军用对自 由度的需求，于是四足机器人成为足式机器人的一个理想研究对象。此外，四足机器人既能 在平坦的路面上行走又能在不平的路上行走，这种强大的环境适应能力使其备受重视，不但 可以应用在军事、行星探测、救灾等领域，而且在家庭娱乐、仿生学等领域大显身手。与轮 式机器人相比，四足机器人的优点是其可以利用孤立的地面支撑而不需连续地面支撑，因此 能够在复杂的非结构环境中稳定地行走，可以代替人完成许多危险作业。

四足机器人固然有着与轮式机器人，履带式机器人，以及足式机器人中两足、六足机器 人无法比拟的优点，但现有技术中的四足机器人也存在一定的不足，比如大部分现有技术停 留在实验室技术方案的研究阶段，实用性较差，无法完成高速行走，无法精确控制，对崎岖 地面的适应度较低，输出力矩较小，动态特性也比较差。而部分地客服上述缺点的四足机器 人，比如美国的BigDog四足机器人，其结构极其复杂，而且制作成本极高。 发明内容

为解决现有技术中无法高速行走，无法精确控制，对地面的适应度低下，输出力矩较小 等问题，本发明提供一种对角线足刚性连接以对角小跑方式行走的四足机器人。

本发明通过以下技术方案实现：

一种对角线足刚性连接以对角小跑方式行走的四足机器人，包括有：相互交叉的多自由 度腿甲A和多自由度腿乙B，以及固定安装与两腿交叉处外侧的外部设备C；

所述的多自由度腿甲A的中部下凹部分与多自由度腿乙B的中部上凸部分通过销轴分别 独立连接到外壳上，两腿间的夹角可以手动调整，两腿的凹凸设计可以使得两腿在运动时不 发生干涉。

所述的外部设备C包括有外壳36、电机37和转动工作台35，外壳36用于保护两腿免 受障碍物撞击损坏，并起到固定两腿的作用，电机37安装于外壳36内部，驱动外壳36外侧 的转动工作台35进行旋转，可以将工作设备直接放置于该转动工作台35上进行工作。

所述的多自由度腿甲A和多自由度腿乙B，除了中间部分凹凸不同外，其余结构相同， 下面以多自由度腿甲A为例进行结构介绍。

所述的多自由度腿甲A包括有胯部5、两个大腿4、6、两个中腿2、7和两个小腿3、8， 其中胯部5即为中间下凹部分，两个大腿4、6的前部通过关节与胯部5刚性连接，两个中腿 2、7的前部分别与两个大腿4、6的后部刚性连接，两个小腿3、8的前部分别与两个中腿2、 7的后部通过关节铰接，两个小腿3、8末端安装有粗糙度较大的足部。

上述每个铰接处的关节均有舵机驱动其旋转，例如：小腿3的前部与中腿2的后部之间 的关节通过舵机1驱动进行旋转，小腿8的前部与中腿7的后部之间的关节通过舵机9驱动 进行旋转，进而调整整个装置与地面的距离，以调整其速度和稳定性，并实现转弯动作。

所述的多自由度腿甲A还包括有姿态调整装置，该姿态调整装置包括有：与胯部5固连 的腿部固定装置10，腿部固定装置10内部的轴承11，与轴承11的内圈相连接的偏心轮12， 步进电机13，以及直线步进电机15；

偏心轮12的偏心程度可以手动调节，偏心轮12的中央孔与步进电机13的轴相连接，步 进电机13通过步进电机固定装置14固定，该步进电机固定装置14与直线步进电机15的丝 杆相连接，直线步进电机15通过直线步进电机固定装置16与外壳36固连。通过直线步进电 机15的伸缩，可以调整多自由度腿甲A与外壳36之间的距离，同时承担着让该装置从卡住 的状况里脱困的任务。

当该装置行进时，通过直线步进电机15的伸缩，可以调整外壳36的离地高度，进而调 整该装置的越障性能和通过性；通过调整外壳36的中心位置也可以改善稳定性，可以通过伸 缩可以控制装置转弯，即两侧伸缩不一致即可转弯。

当该装置到达指定位置时，直线步进电机15回缩，将外壳36降低，同时步进电机13调 整偏心轮12，使两条腿相对于外壳36上升，进而使得外壳36接地，将装置俯卧于地面，即 可进行转动工作台35上的工作设备的作业。

在进行运动时，两个直线步进电机15同时开始旋转，旋转的速度通过程序控制，通过程 序控制以及偏心轮12的作用，使得一条腿向下转动时另一条腿恰好向上转动。

当需要转弯时，可以调整两个直线步进电机15伸缩的程度来转弯，同时可以调节四个足 上的舵机运动来协助完成转弯的过程。当需要倒着行走时，由于整个装置的对称性，直接让 两直线步进电机15反向转动即可。

本发明的有益效果在于：通过将装置设计成通过偏心轮使两对角足同时着地、离地，加 快了运动速度的同时，保证了稳定性；使用步进电机控制行走，无需角度传感器，便得到了 精确控制的目的；实现了在行进过程中改变外壳的高度以及腿的高度，避免了卡住的情况； 通过直线步进电机输出力足够大，实现了即使有一足被卡住，也可以脱离的功能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，其中图1（a）为从斜上方往下看时的视图，图1（b） 为从底部向上看时的视图；

图2为本发明的拆去外部设备后的内部结构示意图；

图3为本发明的拆去外部设备后的内部结构的俯视图；

图4为本发明的外部设备示意图；

图5为本发明的外部设备仰视图。

图中：

A多自由度腿甲，B多自由度腿乙，C外部设备；

1舵机，2中腿，3小腿，4大腿，5胯部，6大腿，7中腿，8小腿，10腿部固定装置， 11轴承，12偏心轮，13步进电机，14步进电机固定装置，15直线步进电机，16直线步进电 机固定装置，35转动工作台，36外壳，37电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步介绍。

图1为本发明的整体结构示意图，图2和图3为本发明的拆去外部设备后的内部结构图， 从图中可以看出，本发明的一种对角线足刚性连接以对角小跑方式行走的四足机器人，包括 有：相互交叉的多自由度腿甲A和多自由度腿乙B，以及固定安装与两腿交叉处外侧的外部 设备C；

所述的多自由度腿甲A的中部下凹部分与多自由度腿乙B的中部上凸部分通过销轴分别 独立连接到外壳上，两腿间的夹角可以手动调整，两腿的凹凸设计可以使得两腿在运动时不 发生干涉。

图4和图5为本发明的外部设备示意图，可见所述的外部设备C包括有外壳36、电机 37和转动工作台35，外壳36用于保护两腿免受障碍物撞击损坏，并起到固定两腿的作用， 电机37安装于外壳36内部，驱动外壳36外侧的转动工作台35进行旋转，可以将工作设备 直接放置于该转动工作台35上进行工作。

所述的多自由度腿甲A和多自由度腿乙B，除了中间部分凹凸不同外，其余结构相同， 下面以多自由度腿甲A为例进行结构介绍。

所述的多自由度腿甲A包括有胯部5、两个大腿4、6、两个中腿2、7和两个小腿3、8， 其中胯部5即为中间下凹部分，两个大腿4、6的前部通过关节与胯部5刚性连接，两个中腿 2、7的前部分别与两个大腿4、6的后部刚性连接，两个小腿3、8的前部分别与两个中腿2、 7的后部通过关节铰接，两个小腿3、8末端安装有粗糙度较大的足部。

上述每个铰接处的关节均有舵机驱动其旋转，例如：小腿3的前部与中腿2的后部之间 的关节通过舵机1驱动进行旋转，小腿8的前部与中腿7的后部之间的关节通过舵机9驱动 进行旋转，进而调整整个装置与地面的距离，以调整其速度和稳定性，并实现转弯动作。

所述的多自由度腿甲A还包括有姿态调整装置，该姿态调整装置包括有：与胯部5固连 的腿部固定装置10，腿部固定装置10内部的轴承11，与轴承11的内圈相连接的偏心轮12， 步进电机13，以及直线步进电机15；

偏心轮12的偏心程度可以手动调节，偏心轮12的中央孔与步进电机13的轴相连接，步 进电机13通过步进电机固定装置14固定，该步进电机固定装置14与直线步进电机15的丝 杆相连接，直线步进电机15通过直线步进电机固定装置16与外壳36固连。通过直线步进电 机15的伸缩，可以调整多自由度腿甲A与外壳36之间的距离，同时承担着让该装置从卡住 的状况里脱困的任务。

当该装置行进时，通过直线步进电机15的伸缩，可以调整外壳36的离地高度，进而调 整该装置的越障性能和通过性；通过调整外壳36的中心位置也可以改善稳定性，可以通过伸 缩可以控制装置转弯，即两侧伸缩不一致即可转弯。

当该装置到达指定位置时，直线步进电机15回缩，将外壳36降低，同时步进电机13调 整偏心轮12，使两条腿相对于外壳36上升，进而使得外壳36接地，将装置俯卧于地面，即 可进行转动工作台35上的工作设备的作业。

在进行运动时，两个直线步进电机15同时开始旋转，旋转的速度通过程序控制，通过程 序控制以及偏心轮12的作用，使得一条腿向下转动时另一条腿恰好向上转动。

当需要转弯时，可以调整两个直线步进电机15伸缩的程度来转弯，同时可以调节四个足 上的舵机运动来协助完成转弯的过程。当需要倒着行走时，由于整个装置的对称性，直接让 两直线步进电机15反向转动即可。