一种仿马步态的平面连杆式四足步行机器人

摘要

本发明提供一种仿马步态的平面连杆式四足步行机器人，由机架、转弯机构、下机体和腿部机构组成，转弯机构和腿部机构布置于机架四角，呈左右对称；转弯机构主要由伺服电机、联轴器和直齿圆锥齿轮组成，固定于机架上，并通过法兰结构与下机体连接；腿部机构由大腿机构和小腿机构组成，采用平面六连杆机构，其中大腿机构采用曲柄摇杆机构，小腿机构采用双摇杆机构；腿部机构设置有减震装置；通过仿马步态，对角线上双腿联动，可实现机器人的全方位平稳运动。本发明结构简单，控制容易，具有良好的动态行走能力，成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿马步态的平面连杆式四足步行机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人技术是目前世界各国科研人员公认的高新技术，它集合了机械设计、计算机与信息处理技术、自动化、传感器应用技术和人工智能技术等多门学科的最新研究成果，可以说机器人技术是当之无愧的机电一体化技术的综合体。

目前各国研究的移动式机器人主要包括轮式机器人、足式机器人和履带式机器人。无论哪种形式的机器人都可以平稳的通过波纹比较小的地面，但是当地面波纹比较大的时候，就会使轮式机器人的能量损耗现象加重，尤其需要指出的是轮式机器人在波纹浮动较大且较软的路面上根本无法正常工作。相比之下，履带式的机器人可以在波纹浮动较大且较软的路面上移动，但机动性会降低而且这种机器人的机身也会出现明显的振动使得运动不平稳。现在研制的足式机器人正好弥补了那两种移动机构的缺陷，成为研究热点。研究人员从动物身上得到灵感设计了很多仿生足式机器人。该类机器人对路况要求相对较低，仅需要有足够多的离散立足点就可以实现稳定行走，但是这类机器人一般涉及较复杂的控制系统和一些复杂的新兴科技，所以相关的技术还有待补充和完善；同时这类机器人结构相对比较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种机械机构简化，控制容易，可实现直线行走、转弯行走以及在复杂路面平稳运动的仿马步态的平面连杆式四足步行机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括双层的机架、设置在机架内的四组转弯机构、与每个转弯机构下端连接的下机体以及设置在每个下机体上的腿部机构，每组转弯机构包括安装在机架上的直流空心杯伺服电机、与直流空心杯伺服电机输出端连接的减速器、与减速器输出端连接的小锥齿轮轴、安装在小锥齿轮轴上的小锥齿轮、竖直设置在机架上的大锥齿轮轴、安装在大锥齿轮轴上的大锥齿轮，小锥齿轮与大锥齿轮啮合；每个下机体与对应的大锥齿轮轴的下端固连，每个腿部机构包括安装在机体上的伺服电机、与伺服电机输出轴端部连接的曲柄、与曲柄端部铰接的大腿连杆、与大腿连杆端部铰接的大腿杆件、与大腿连杆中间位置铰接的小腿杆件，大腿连杆与大腿杆件的中间位置铰接，大腿杆件的上端铰接在下机体上，大腿杆件的下端铰接有脚部，小腿杆件的下端也与脚部的上端铰接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述四组腿部机构中的左边和右边的两个腿部机构相对设置。

2.每个脚部上还设置有减震弹簧器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，控制容易，具有良好的动态行走能力，成本较低。本发明主要采用平面六连杆机构和齿轮传动，实现了机器人的直线行走和转弯行走功能，大大简化了机器人的机械结构且控制方便。足式机器人兼有机动性好和平稳性高的优点，同时该四足步行机器人设置有减震装置，可实现在复杂路面的平稳运动。本发明模仿马的对角小跑姿态，即机器人对角线上的两条腿作为支撑相时，另外两条腿作为摆动相，四条腿成对依次完成迈步动作，形成一个步态周期。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的俯视方向的示意图；

图3是本发明的主视方向的示意图；

图4是本发明的侧视方向的结构示意图；

图5a是本发明的腿部机构的主视方向示意图，图5b是本发明的腿部机构的侧视方向的结构示意图；

图6是本发明的腿部机构的电机组件的结构示意图；

图7是本发明的转弯机构的结构示意图；

图8是本发明的机器人小跑运动分析图；

图9是本发明的机器人转弯示意图。

图中：1机架，2转弯机构，3下机体，4腿部机构，201为法兰盘，202为圆柱销，203为滚动轴承，204为轴套1，205为大锥齿轮轴，206为闷盖，207为轴套2，208为角接触球轴承，209为小锥齿轮轴，210为凸缘联轴器，211为电机安装座，212为减速器，213为直流空心杯伺服电机，214为编码器；401为脚部，402为减震装置，403为大腿杆件，404为小腿杆件，405为大腿连杆，406为曲柄，407为伺服电机，408为凸缘式联轴器,409为电机安装座。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1、图2、图3、图4所示为一种仿马步态的平面连杆式四足步行机器人，机器人由机架1、转弯机构2、下机体3和四条结构相同的腿部机构腿A-D组成。转弯机构2和腿部机构4布置在机架1四角，呈左右对称，转弯机构2主要由伺服电机213、联轴器210和直齿圆锥齿轮205、209组成，固定于机架1上，并通过法兰结构201、202与下机体3连接；腿部机构4由大腿机构和小腿机构组成，采用平面六连杆机构，其中大腿机构采用曲柄摇杆机构403-406，小腿机构采用双摇杆机构402-405；腿部机构4设置有减震装置402；通过仿马步态，对角线上双腿联动，可实现机器人的全方位平稳运动。

图5a和图5b所示为机器人的腿部机构4，腿部机构4由大腿机构和小腿机构组成，采用平面六连杆机构，其中大腿机构采用曲柄摇杆机构403-406，小腿机构采用双摇杆机构402-405；腿部机构4设置有减震装置402，通过仿马步态，对角线上双腿联动，可实现机器人的全方位平稳运动。电机407驱动曲柄406实现整周转动，带动大腿杆件403和大腿连杆405做摆动；小腿双摇杆机构由减震装置402、大腿杆件403、小腿杆件404和大腿连杆405组成，即曲柄406带动的连杆作为摇杆带动小腿的摆动；当曲柄406被动整周转动时，小腿就会实现往前迈步和往后蹬地的循环动作。

根据结构的需要确定下机体3为固定连杆，长度为L₁，大腿杆件403长度为L₂，曲柄406长度为L₃，大腿连杆405长度为L₄。应用两个极限位置可得L₃与L₄的关系，于是得到各连杆的尺寸。同时得到机器人左右腿的两个曲柄406的相位差始终为15°，由于双腿联动，即一条腿到达最前的位置时另一条腿已经到达最后的位置，所以只要让左腿和右腿的曲柄机构成150°-15°＝135°夹角即可。

图6所示为电机组的结构详图，机器人每一条腿均由一个伺服电机407单独驱动，伺服电机407安装在电机安装座409上，通过凸缘式联轴器408与曲柄处406的转动轴连接，进而伺服电机407可带动曲柄406做整周运动。曲柄406带动的连杆作为摇杆带动小腿的摆动，从而实现向前迈步和向后蹬地的连续动作。

机器人不仅要实现直线行走功能，还要实现转弯行走功能，图6所示即为机器人的转弯机构2。转弯机构2采用直齿圆锥齿轮传动，所述转弯机构2不仅可以直接利用电机213驱动直齿圆锥齿轮进而带动传动轴转动来实现机器人的转弯运动，而且是机器人腿部和下机体的连接机构。

本发明的转弯行走功能主要由转弯机构2实现。每一个转弯机构2均由一个直流空心杯伺服电机213单独驱动，采用直齿圆锥齿轮传动，输入端为小锥齿轮轴209，输出端为大锥齿轮轴205，伺服电机213安装在电机安装座211上，电机安装座211通过螺栓连接固定在机架1上，伺服电机213的输出轴通过凸缘式联轴器210与小锥齿轮轴205连接，小锥齿轮轴205通过角接触球轴承208固定，小锥齿轮轴205与大锥齿轮轴209交错垂直安装，大锥齿轮轴209由滚动轴承203固定，滚动轴承203通过轴套1204进行定位，大锥齿轮轴209顶部由闷盖206密封，底部通过法兰盘201和圆柱销202与下机体3连接，进而其转动可以带动机器人腿部机构4整体转动，转动角度由编码器214进行控制。

机器人每一条腿均设计有减震装置402，以实现机器人在复杂环境下的平稳运动。该减震装置402采用弹簧减震器，两端通过螺栓分别与脚部401和大腿杆件403连接。模块化设计，可以采用液压减震装置或混合减震装置，而不局限于弹簧减震器，便于根据需要维修和更换。

本发明的四足步行机器人模仿马的对角小跑姿态，即当机器人对角线上的两条腿作为支撑相时，另外两条腿作为摆动相，四条腿成对依次完成迈步动作，形成一个步态周期。

当机器人在比较平整的路面行走时，仅由腿部电机407驱动曲柄406运动，实现机器人的行走。机器人的直线行走步态为小马的对角小跑姿态，具体过程为：

(1)初始位姿如图8第一个图，四条腿同时作为支撑相站立在地面上；

(2)开始迈步的时候，右前腿C和左后腿A往前迈步，同时左前腿B和右后腿D往后蹬地从而实现第一个跨步；

(3)当右前腿C和左后腿A再次着地的同时，左前腿B和右后腿D开始往前迈步，并且右前腿C和左后腿A往后蹬地；

(4)四个腿成对依次完成迈步动作，形成一个步态周期。

当机器人遇到较大的障碍物无法跨越的时候，在抬腿过程中相应摆动相的腿部转体电机213驱动锥齿轮209转动，从而由传动轴带动机器人的腿进行转弯运动，四个腿依次转动相应的角度，当避开障碍物的时候，电机213再依次反转相应的角度使得机器人复位，然后继续向前直线行走，具体过程如图9所示，可以描述为：

(1)左前腿C和右后腿A在往前迈步的时候转过一定的角度；

(2)当右前腿D和左后腿B往前迈步的时候也转过相同的角度；

(3)当避开障碍后，右前腿D和左后腿B在往前迈步的时候电机反转相同的角度，左前腿C和右后腿A在迈步的时候也反转相同的角度。

(4)这样在一个步态周期内就可以实现转弯，快速方便。