一种基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人

摘要

本发明提供了一种基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，包括：躯干单元包括主体躯干和安装于主体躯干上的第一驱动装置；髋关节单元包括与第一驱动装置连接的髋关节和安装于髋关节上的第二驱动装置；前腿单元包括与第二驱动装置连接的前大腿组件和与前大腿组件连接的前小腿组件；后腿单元包括与第二驱动装置连接的后大腿组件和与后大腿组件连接的后小腿组件；前掌单元、后掌单元以及小腿驱动单元。其中，前大腿组件与前小腿组件呈肘式关节连接，后大腿组件与后小腿组件呈膝式关节连接。本发明能够实现在复杂环境中不同高度的平稳着陆，提高了移动过程中的稳定性，并提高了运动能力，使得提升了在救援工作中的救援能力。

说明书

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人。

背景技术

随着科技的发展，仿生学一词成为了科研领域的“宠儿”，以仿生学为基础，模仿生物、从事生物特点工作的仿生机器人应运而生，也使得仿生机器人逐步开始进入到人们的视野中。

仿生足式机器人可根据机器人足部的数量分为仿生双足机器人和仿生四足机器人等种类。其中，仿生双足机器人是模仿双足动物结构特点和运动形式的一种机器人，而仿生四足机器人是模仿四足动物结构特点和运动形式的一种机器人。相较于仿生双足机器人，仿生四足机器人拥有高负载性、高平稳性、以及更多更大的腿部运动空间。同时，仿生四足机器人还减少了运动机构的冗余性和复杂度，在诸多方面都有极其广阔的应用前景，例如，救援领域、勘测领域以及宠物领域等。

除仿生足式移动机器人之外，现有市面上的还存在轮式移动机器人、步行式移动机器人、履带式移动机器人以及复合式移动机器人等类型的机器人。上述现有市面上还存在的机器人，在应用于救援领域进行救援工作时，相较于仿生足式移动机器人具有移动速度快、救援效率高等优点。但是，上述现有市面上还存在的机器人，在一些特殊的救援环境下，例如：陡坡式环境、地面高低起伏式环境以及跳台断崖式环境等救援环境中，这类救援机器人由于减震能力、适应环境能力不理想，使得在救援工作中的运动能力会降低，从而使救援效率、救援能力下降，具有局限性。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人。

本发明提供了一种基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，具有这样的特征，包括：躯干单元，包括主体躯干和安装于主体躯干上的四个第一驱动装置；四个髋关节单元，分别与四个第一驱动装置对应，每个髋关节单元包括与第一驱动装置连接的髋关节和安装于髋关节上的第二驱动装置；两个前腿单元，分别与前侧的两个髋关节单元对应，每个前腿单元包括与第二驱动装置连接的前大腿组件和与前大腿组件连接的前小腿组件；两个后腿单元，分别与后侧的两个髋关节单元对应，每个后腿单元包括与第二驱动装置连接的后大腿组件和与后大腿组件连接的后小腿组件；四个小腿驱动单元，分别与两个前腿单元、两个后腿单元对应，每个小腿驱动单元包括安装于对应大腿组件上的第三驱动装置及与对应的小腿组件和第三驱动装置连接的连杆机构；两个前掌单元，分别与两个前小腿组件连接；以及两个后掌单元，分别与两个后小腿组件连接；其中，前大腿组件与前小腿组件呈肘式关节连接，后大腿组件与后小腿组件呈膝式关节连接。

在本发明提供的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人中，还可以具有这样的特征：前大腿组件与前小腿组件之间的夹角方向背向基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的前向运动方向。

在本发明提供的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人中，还可以具有这样的特征：后大腿组件与后小腿组件之间的夹角方向朝向基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的前向运动方向。

在本发明提供的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人中，还可以具有这样的特征：每个前腿单元和每个后腿单元均还包括第一减震机构，前腿单元的第一减震机构与前大腿组件和前小腿组件连接且位于前小腿组件的后方，后腿单元的第一减震机构与后大腿组件和后小腿组件连接且位于后小腿组件的后方。

在本发明提供的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人中，还可以具有这样的特征：第一驱动装置与髋关节之间、第二驱动装置与对应的大腿组件之间均设有第二减震机构。

进一步地，第二减震机构包括减震套和减震盖，减震套与对应的驱动装置和减震盖连接，第一驱动装置与髋关节之间、第二驱动装置与对应的大腿组件之间均连接有减震盖。

在本发明提供的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人中，还可以具有这样的特征：每个前掌单元和每个后掌单元均包括弹性连接件和脚掌部，脚掌部与对应的小腿组件通过弹性连接件相连接。

进一步地，前掌单元中的弹性连接件为扭簧，后掌单元中的弹性连接件为折弯板，折弯板的折弯方向与后腿单元弯曲方向相反。

进一步地，脚掌部为弹性脚掌部。

进一步地，每个前掌单元和每个后掌单元均还包括多个钩爪，多个钩爪设于脚掌部上，用于增大脚掌部的抓地能力。

在本发明提供的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人中，还可以具有这样的特征：基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人还包括：控制单元，设于躯干单元上，控制第一驱动装置、第二驱动装置以及第三驱动装置工作。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，因为在躯干单元上安装有驱动髋关节的第一驱动装置能够对髋关节进行驱动，在髋关节单元上安装有驱动大腿组件的第二驱动装置能够对大腿组件进行驱动，以及在大腿组件上安装有驱动小腿组件的第三驱动装置能够通过连杆机构对小腿组件进行驱动。其中，第三驱动装置通过连杆机构驱动小腿组件时，连杆机构与对应的小腿组件之间能够形成省力杠杆机构，从而使小腿组件能够获得更强的驱动力，并且小腿组件在移动过程中所造成的冲击力能够由连杆机构和大腿组件进行分解，从而减少对第三驱动装置的冲击，进而延长第三驱动装置的使用寿命。并且因为前腿单元与后腿单元关节形式为内膝肘式，能够使基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人更加符合四足哺乳动物的实际运动姿态。所以提高了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在移动过程中的稳定性。

综上所述，提升了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人整体的减震能力和适应环境能力，从而提高了基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的运动能力，进而增强了基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在救援工作中的救援效率和救援能力。

附图说明

图1是本发明的实施例中基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的结构示意图；

图2是本发明的实施例中基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的爆炸图；

图3是本发明的实施例中前腿单元的结构示意图；

图4是本发明的实施例中前腿单元的结构示意图；

图5是本发明的实施例中后腿单元的爆炸图；

图6是本发明的实施例中前掌单元与前小腿组件连接的结构示意图；

图7是本发明的实施例中后掌单元与后小腿组件连接的结构示意图。

10、躯干单元；11、主体躯干；12、第一驱动装置；20、髋关节单元；21、髋关节；22、第二驱动装置；30、前腿单元；31、前大腿组件；32、前小腿组件；33、第一减震机构；331、弹簧式第一减震机构；40、后腿单元；41、后大腿组件；42、后小腿组件；50、前掌单元；51、弹性连接件；511、扭簧；52、脚掌部；53、钩爪；60、后掌单元；61、折弯板；70、小腿驱动单元；71、连杆机构；711、两连杆机构；72、第三驱动装置；721、舵机；80、第二减震机构；81、减震套；82、减震盖。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。

实施例

图1是本发明的实施例中基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供了一种基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，包括：躯干单元10、四个髋关节单元20、分别与前侧的两个髋关节单元20对应的两个前腿单元30、分别与后侧的两个髋关节单元20对应的两个后腿单元40、分别与两个前腿单元30连接的两个前掌单元50、分别与两个后腿单元40连接的两个后掌单元60、分别与两个前腿单元30和两个后腿单元40对应的四个小腿驱动单元70以及第二减震机构80。其中，前腿单元30与后腿单元40关节形式为内膝肘式。

图2是本发明的实施例中基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的爆炸图。

如图2所示，躯干单元10包括主体躯干11和四个与主体躯干11连接的第一驱动装置12。髋关节单元20包括与第一驱动装置12连接的髋关节21和安装于髋关节21上的第二驱动装置22。前腿单元30包括与第二驱动装置22连接的前大腿组件31和与前大腿组件31连接的前小腿组件32。后腿单元40包括与第二驱动装置22连接的后大腿组件41和与后大腿组件41连接的后小腿组件42。两个前掌单元50分别与两个前小腿组件32连接。两个后掌单元60分别与两个后小腿组件42连接。小腿驱动单元70包括安装与对应大腿组件上的第三驱动装置72及与对应的小腿组件和第三驱动装置72连接的连杆机构71。第二减震机构80包括减震套81和减震盖82，减震盖82均连接于第一驱动装置12与髋关节21之间和第二驱动装置22与对应的大腿组件之间，减震套81与对应的驱动装置和减震盖82连接。

在本实施例中，第一驱动装置12、第二驱动装置22以及第三驱动装置72优选为舵机721；

其中，当本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人进行移动时，首先，由躯干单元10中的舵机721驱动髋关节单元20中的髋关节21工作，从而控制本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人移动方向。接着，髋关节单元20中的舵机721驱动前腿单元30或后腿单元40中对应的大腿组件工作以及小腿驱动单元70中的舵机721驱动前腿单元30或后腿单元40中对应的小腿组件工作，使得同一前腿单元30或后腿单元40中的大腿组件和小腿组件之间能够相互配合工作，从而达到进行移动的目的。

连杆机构71能够由两个以上的连杆连接构成或为其他能够实现转变运动形式的机构。

在本实施例中，连杆机构71优选为两连杆机构711。在前腿单元30中，两连杆机构711中一连杆的一端与第三驱动装置72转动连接，另一端与另一连杆的一端转动连接；另一连杆的另一端与前小腿组件32转动连接。在后腿单元40中，两连杆中连杆的一端与第三驱动装置72转动连接，另一端与与后小腿组件42转动连接。

其中，当小腿驱动单元70中的舵机721通过两连杆机构711驱动对应的小腿组件进行运动时，两连杆机构711与对应的小腿组件之间能够形成省力杠杆机构，从而使小腿组件能够获得更强的驱动力，并且小腿组件在移动过程中所造成的冲击力能够由两连杆机构711和大腿组件进行分解，从而减少对小腿驱动单元70中舵机721的冲击，进而延长小腿驱动单元70中舵机721的使用寿命。并且，两连杆机构711具有结构简单、便于加工以及连杆较少稳定性较好等优点。

在本实施例中，减震套81优选为圆筒形，其侧壁上还设有便于与驱动装置安装的避让结构，例如，缺口、凹槽。减震盖82优选为与圆筒形的减震套81相适配的圆形盖。

第二减震机构80安装以及如何进行减震工作如下：首先，将第二减震机构80中侧壁上设有避让机构的圆筒形减震套81卡嵌在对应的舵机721上。然后，再将第二减震机构80中与圆筒形减震套81相适配的圆形盖设于对应舵机721输出端与髋关节21或对应的大腿组件之间，使得髋关节21和大腿组件在移动过程中对舵机721所产生的冲击力能够由圆形盖将冲击力引导至圆筒形的减震套81上，从而减少了对舵机721的冲击，进而延长了舵机721的使用寿命，降低了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的使用成本。

图3是本发明的实施例中前腿单元的结构示意图，图4是本发明的实施例中前腿单元的结构示意图，图5是本发明的实施例中后腿单元的爆炸图。

如图3至图5所示，前腿单元30和后腿单元40还包括与对应小腿组件和大腿组件连接且位于小腿组件后方的第一减震机构33。

第一减震机构33可为弹簧式减震机构331、液力阻尼式减震机构、充氮气液压减震机构或其他能够实现减震效果的机构。在本实施例中，第一减震机构33优选为弹簧式减震机构331。

在小腿组件和大腿组件被对应的舵机721驱动处于落地状态时，弹簧式减震机构331能够减少大腿组件和小腿组件落地时所产生的冲击力，从而提高了大腿组件与小腿组件在落地状态时的稳定性，进而提升了前腿单元30和后腿单元40落地的缓冲能力。

图6是本发明的实施例中前掌单元与前小腿组件连接的结构示意图，图7是本发明的实施例中后掌单元与后小腿组件连接的结构示意图。

如图6和图7所示，前掌单元50和后掌单元60均包括脚掌部52、连接于脚掌部52和小腿组件之间的弹性连接件51。

在本实施例中，前掌单元50中的弹性连接件51为扭簧511；后掌单元60中的弹性连接件51为折弯板61，折弯板61的折弯方向与后腿单元40的弯曲方向相反；脚掌部52为弹性脚掌部，例如，橡胶脚掌部，硅胶脚掌部等由弹性材料制成的脚掌部。其中，脚掌部52上还可设有多个钩爪53，用于增大摩擦力。

其中，前掌单元50和后掌单元60中的脚掌部52在移动过程中会持续对小腿组件造成冲击力。但是，通过连接于脚掌部52与小腿组件之间的弹性连接件51能够减少脚掌部52对小腿组件造成的冲击力，从而提高了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在移动过程中的稳定性。

进一步地，由于弹性连接件51在前掌单元50中为扭簧511，在后掌单元60中为折弯板61，无论本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在移动过程中或由高处下落时，前腿单元30会优先落地，从而需要弹性效果更为突出的扭簧511来分解前脚掌部52对前小腿组件32的冲击力，而后腿单元40随后落地时需要在落地后稳住身形，从而需要弹性效果较差，但稳定性突出的折弯板61来分解后脚掌部52对后小腿组件42的冲击以及稳住落地后的后腿单元40。

进一步地，在移动过程中，脚掌部52上设有的多个钩爪53能够增大脚掌部52的抓地能力，从而使本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人能够在倾斜路面上正常移动，进而提高了移动过程中的稳定性。同时，脚掌部52为弹性脚掌部52，使得脚掌部52具备缓冲能力以及能够保证与地面之间的附着力，从而进一步提高了前腿单元30和后腿单元40在移动过程和落地缓冲过程中的稳定性。

此外，本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人还可包括控制模块(图中未示出)，该控制模块控制第一驱动装置12、第二驱动装置22以及第三驱动装置72工作，从而控制模块能够自动分别对髋关节21、大腿组件和小腿组件进行驱动，使得基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人能够根据所在环境，调整移动状态，从而保证了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的运动能力，进而提升了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在一些特殊环境下的救援能力。

本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人还能够以对角步态进行运动，此运动方式特点为处于对角线的两条腿具有相同的相位，可实现同步摆动或支撑，此运动方式更加符合四足哺乳动物实际运动姿态，从而增加了移动过程中躯干单元10的稳定性。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，因为髋关节和大腿组件在移动过程中对舵机所产生的冲击力能够由第二减震机构中的圆形盖将冲击力引导至圆筒形减震套上，从而减少了对第一驱动装置和第二驱动装置的冲击，进而延长了第一驱动装置和第二驱动装置的使用寿命，降低了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的使用成本。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，因为小腿驱动单元中的第三驱动装置通过连杆机构驱动对应的小腿组件进行运动时，连杆机构与小腿组件之间能够形成省力杠杆机构，从而使小腿组件能够获得更强的驱动力，并且小腿组件在移动过程中所造成的冲击力能够由两连杆机构和大腿组件进行分解，从而减少对舵机的冲击，进而延长舵机的使用寿命。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，连杆机构优选为两连杆机构，因为两连杆机构具有结构简单、便于加工以及连杆较少稳定性较好等优点。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，因为对应小腿组件和大腿组件连接且位于小腿组件后方的设有弹簧式第一减震机构，使得前腿单元与后腿单元中的小腿组件和大腿组件在被对应的舵机驱动处于落地状态时，弹簧式第一减震机构能够减少大腿组件和小腿组件落地时所产生的冲击力，从而提高了落地缓冲的稳定性。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，因为弹性连接件在前掌单元中为扭簧，在后掌单元中为折弯板，无论本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在移动过程中或由高处下落时，前腿单元会优先落地，从而需要弹性效果更为突出的扭簧来分解前脚掌部对前小腿组件的冲击力，而后腿单元随后落地时需要在落地后稳住身形，从而需要弹性效果较差，但稳定性突出的折弯板来分解后脚掌部对后小腿组件的冲击以及稳住落地后的后腿单元。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，脚掌部上设有的多个钩爪能够增大脚掌部的抓地能力，从而使本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人能够在倾斜路面上正常移动，进而提高了移动过程中的稳定性。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，脚掌部为弹性脚掌部，使得脚掌部具备缓冲能力以及能够保证与地面之间的附着力，从而进一步提高了在移动过程和落地缓冲过程中的稳定性。

根据本实施例所涉及的基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人，因为控制模块能够自动分别对髋关节、大腿组件和小腿组件进行驱动，使得基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人能够根据所在环境，调整移动状态，从而保证了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人的运动能力，进而提升了本基于猫科内膝式腿部结构的仿生机器人在一些特殊环境下的救援能力。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。