本發(fā)明屬于機(jī)器人學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)及仿生學(xué)等領(lǐng)域，涉及一種變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，具有可自由切換的哺乳動物式和昆蟲動物式兩種構(gòu)型。

背景技術(shù)：

多足步行機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域一個重要分支，其按腿的數(shù)目一般可分為雙足機(jī)器人、四足機(jī)器人及六足機(jī)器人。相對于輪式機(jī)器人和履帶機(jī)器人，多足步行機(jī)器人由于其非連續(xù)支撐的特點(diǎn)，具有極強(qiáng)的地形適應(yīng)性和運(yùn)動靈活性。相對于雙足機(jī)器人，四足機(jī)器人具有更好的承載能力和穩(wěn)定性，且比六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。從工程角度，綜合研發(fā)成本、制作難易度、控制方法和系統(tǒng)穩(wěn)定性等各個方面，四足機(jī)器人是最好的足式機(jī)器人形式。

而四足機(jī)器人按照其機(jī)械腿關(guān)節(jié)布置方式一般可分為仿四足哺乳動物和仿四足昆蟲動物兩種。仿四足哺乳動物式腿部機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是單腿與本體連接的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸平行于機(jī)身平面，機(jī)器人行走時腿部收攏于本體下方，通過踢腿向前運(yùn)動。故其優(yōu)點(diǎn)是承載能力高、運(yùn)動靈活性好，缺點(diǎn)是支撐區(qū)域小、重心較高，穩(wěn)定性較差。恰恰相反，仿四足昆蟲動物式腿部機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是單腿與本體連接的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸垂直于機(jī)身平面，機(jī)器人行走時腿部展開于本體兩側(cè)，通過擺腿向前運(yùn)動。故其優(yōu)點(diǎn)是支撐區(qū)域大、重心低，穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是負(fù)載能力低、運(yùn)動靈活性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)的仿四足哺乳動物機(jī)器人與仿四足昆蟲動物機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與功能特性，為提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性及滿足更高的功能要求，本發(fā)明提出一種變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，對每條腿分支機(jī)構(gòu)進(jìn)行哺乳—昆蟲可變構(gòu)型的特殊設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)二者功能復(fù)用。

本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，包括機(jī)器人本體與機(jī)器人本體周向均布的單腿結(jié)構(gòu)。單腿結(jié)構(gòu)為可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)，具有第一髖關(guān)節(jié)，第二髖關(guān)節(jié)，大腿關(guān)節(jié)與小腿關(guān)節(jié)。

所述第一髖關(guān)節(jié)由第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動；第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)固定于本體上，輸出軸沿空間z軸方向豎直設(shè)置，第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)的輸出軸與伸出軸上安裝有第一修改髖部；兩個第一修改髖部之間同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

所述第二髖關(guān)節(jié)由第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動；第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)固定于第一髖關(guān)節(jié)中第一修改髖部上，輸出軸沿空間x軸方向設(shè)置。第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)的輸出軸與伸出軸上安裝第二修改髖部，兩個第二修改髖部之間同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

所述大腿關(guān)節(jié)由大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動；大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)輸出軸沿空間y軸設(shè)置。大腿關(guān)節(jié)的輸出軸與伸出軸上安裝第三修改髖部。通過兩個第三修改髖部與第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)中第二修改髖部固定；大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)安裝于相互平的大腿板上端之間。

所述小腿關(guān)節(jié)由小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動；小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)輸出軸沿空間y軸設(shè)置；小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)安裝于兩相互平行的大腿板下端之間；小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)的輸出軸與伸出軸分別與兩個相互平行的小腿板頂部間。

上述小腿關(guān)節(jié)下端安裝有足端結(jié)構(gòu)，同時在兩小腿板間安裝減震裝置。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，兼具能夠自由切換的四足哺乳動物式行走和四足昆蟲動物式爬行兩種行進(jìn)形態(tài)。相較于傳統(tǒng)的兩類機(jī)器人，魚與熊掌兼得，且結(jié)構(gòu)并不會復(fù)雜，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功能要求，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

2、本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，單腿結(jié)構(gòu)包含4個自由度，可用做研究串聯(lián)4自由度單腿機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，以實(shí)現(xiàn)更靈活的運(yùn)動及更復(fù)雜的控制。

3、本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，在小腿底部安裝有減震裝置，該減震裝置能夠有效減弱機(jī)器人足部觸地時產(chǎn)生的運(yùn)動沖擊，提高機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人自由狀態(tài)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人仿哺乳動物行走形態(tài)下整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人仿昆蟲動物爬行形態(tài)下整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人仿哺乳動物行走形態(tài)下單腿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人仿昆蟲動物爬行形態(tài)下單腿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人的可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)中第一髖部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人的可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)中第二髖部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人的可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)中大腿關(guān)節(jié)與小腿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人的可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)中足端與減震裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1-機(jī)器人本體2-可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)3-大腿板

4-小腿板5-減震裝置101-本體下板

102-本體上板103-檔板201-第一髖關(guān)節(jié)

202-第二髖關(guān)節(jié)203-大腿關(guān)節(jié)204-小腿關(guān)節(jié)

201a-第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201b-第一修改髖部a201c-第一修改髖部b

201d-第一傳動連接件201e-舵機(jī)連接件202a-第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)

202b-第二修改髖部a202c-第二修改髖部b202d-第二傳動連接件

202e-加強(qiáng)柱203a-大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203b-第三修改髖部a

203c-第三修改髖部b204a-小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)205a-球足

205b-力傳感器205c-力傳感器連接件205d-導(dǎo)向釘

501-減震固定件502-減震器503-減震墊圈

504-減震板505-減震螺母

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人的物理機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人本體1與四條可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2，如圖1所示。同時，在物理機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上搭建其控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，并配置動力元件。

所述機(jī)器人本體1包括本體下板101、本體上板102與檔板103，如圖4所示。其中，本體上板101與本體下板102為等尺寸矩形板，上下對稱設(shè)置，其周向4條側(cè)邊間安裝有擋板103，實(shí)現(xiàn)本體下板101與本體上板102間的固定，并且本體下板101與本體上板102間周向均布6根立柱，以加強(qiáng)機(jī)器人本體1的穩(wěn)定性。本體1上搭載有機(jī)器人各輔助單元，輔助單元可以為控制器組件、攝像頭組件或電池組等。

所述4條可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2分別安裝在機(jī)器人本體1周向四角處，使4條可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2在本體1上呈對稱布置，可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2的安裝位置與本體1中心連線和本體1對稱軸呈45°夾角?？勺儤?gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2包含四個自由度，由4個舵機(jī)驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)哺乳動物式行走與昆蟲動物式爬行兩種行進(jìn)形態(tài)間的自由切換，如圖2、圖3所示?？勺儤?gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2具有四個關(guān)節(jié)，分別為第一髖關(guān)節(jié)201，第二髖關(guān)節(jié)202，大腿關(guān)節(jié)203與小腿關(guān)節(jié)204，如圖5、圖6所示。下面對各個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明：

a、第一髖關(guān)節(jié)201與機(jī)器人本體1直接連接，由第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201a驅(qū)動轉(zhuǎn)動。如圖7所示，第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201a輸出軸沿空間z軸方向豎直設(shè)置，第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201a通過上下布置的兩個舵機(jī)連接件201e分別與本體1上板102和本體下板101固定。第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201a的輸出軸通過舵盤與第一修改髖部a201b固定。第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201a的伸出軸端部與第一修改髖部b201c固定，并通過關(guān)節(jié)端蓋和緊固件分別實(shí)現(xiàn)密封與緊固。上述第一修改髖部a201b與第一修改髖部b201c之間，通過第一傳動連接件201d相連，實(shí)現(xiàn)兩者間的固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)第一修改髖部a201b與第一修改髖部b201c間的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

b、第二髖關(guān)節(jié)202由第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a驅(qū)動轉(zhuǎn)動，第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a輸出軸沿空間x軸方向設(shè)置。如圖8所示，第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a固定于第一髖關(guān)節(jié)201中第一修改髖部a201b上設(shè)計的安裝面上，同時在第一修改髖部a201b上設(shè)計加強(qiáng)筋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a的輸出軸通過舵盤與第二修改髖部a202b固定。第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a的伸出軸端部與第二修改髖部b202c固定，并通過關(guān)節(jié)端蓋和緊固件分別實(shí)現(xiàn)密封與緊固。上述第二修改髖部a202b與第二修改髖部b202c之間，通過第二傳動連接件202d相連，實(shí)現(xiàn)兩者間的固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)第二修改髖部a202b與第二修改髖部b202c間的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。為抵抗第二髖關(guān)節(jié)202中第二關(guān)節(jié)舵機(jī)202a所受翻轉(zhuǎn)力矩，因此在第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a的兩側(cè)板間周向均勻布置4根加強(qiáng)柱202e，以提高第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a的穩(wěn)固性。

c、大腿關(guān)節(jié)203由大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203a驅(qū)動轉(zhuǎn)動；大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203a輸出軸沿空間y軸設(shè)置。如圖9所示，大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203a的輸出軸通過舵盤與第三修改髖部a203b固定。第三關(guān)節(jié)舵機(jī)203a的伸出軸端部與第三修改髖部b203c固定，并通過關(guān)節(jié)端蓋和緊固件分別實(shí)現(xiàn)密封與緊固。大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203a通過第三修改髖部a203b、第三修改髖部b203c與第二髖關(guān)節(jié)舵機(jī)202a中第二修改髖部a203b上設(shè)計的安裝面固定。本發(fā)明中考慮可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)的緊湊型以及強(qiáng)度，將第三修改髖部a203b、第三修改髖部b203c采用彎曲板，彎曲板夾角為圓角。

d、小腿關(guān)節(jié)204由小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)204a驅(qū)動轉(zhuǎn)動。如圖5、圖6所示，小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)204a輸出軸沿空間y軸設(shè)置；小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)204a固定安裝于兩相互平行的大腿板3下端之間，相互平行的大腿板3上段固定安裝于大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203a兩側(cè)。小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)204a的輸出軸通過舵盤與一側(cè)小腿板4頂部固定。小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)204a的伸出軸端部與另一側(cè)小腿板4頂部固定，并通過關(guān)節(jié)端蓋和緊固件分別實(shí)現(xiàn)密封與緊固。由于上述大腿關(guān)節(jié)舵機(jī)203a與小腿關(guān)節(jié)舵機(jī)204a均布置在大腿板3上，因此可在兩小腿板4間保留較大的空間，以便在小腿處安裝各種設(shè)備，如減震裝置5，從而提高機(jī)器人的功能集合度。

如圖3所示，上述小腿關(guān)節(jié)204下端安裝有足端結(jié)構(gòu)205。足端結(jié)構(gòu)205包括球足205a、力傳感器205b與力傳感器連接件205c，如圖10所示。其中，力傳感器連接件205c為u型結(jié)構(gòu)，兩端分別通過導(dǎo)向釘205d與兩側(cè)小腿板4下端相接，該導(dǎo)向釘205d位于沿小腿板4上下方向設(shè)計的條形孔內(nèi)，由此使導(dǎo)向釘205d與兩側(cè)小腿板4間形成柔性連接，使得在安裝減震裝置5后，提供減震裝置5減震緩沖時所需的位移。力傳感器連接件205c底面通過螺紋固定連接三維力傳感器205b，三維力傳感器205b通過連接件連接橡膠球足205a，并且橡膠球足205a上表面安裝有足托片205d以減小橡膠球足205a受力時的變形。

本發(fā)明中在小腿處還安裝有減震裝置5，以提高機(jī)器人的運(yùn)行平穩(wěn)性；該減震裝置5包括減震固定件501與減震器502，如圖10所示。其中，減震器502上端通過兩側(cè)的減震固定件與兩側(cè)小腿板間固定。減震器502下端依次通過減震墊圈503、減震板504、減震螺母505與力傳感器連接件205c連接。由此，通過減震裝置5實(shí)現(xiàn)可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)在運(yùn)動過程中的減震。

本發(fā)明變構(gòu)型仿生四足機(jī)器人，可變構(gòu)型單腿結(jié)構(gòu)可自由切換為哺乳動物式和昆蟲動物式兩種構(gòu)型，進(jìn)而使四足機(jī)器人具有四足哺乳動物式行走和四足昆蟲動物式爬行兩種行進(jìn)形態(tài)；具體如下：

a、哺乳動物式構(gòu)型時，第一髖關(guān)節(jié)舵機(jī)201a鎖死，通過第二髖關(guān)節(jié)202a、大腿關(guān)節(jié)203與小腿關(guān)節(jié)204間的組合運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)哺乳動物式行走的行進(jìn)狀態(tài)，如圖2、圖5所示。

b、昆蟲動物式構(gòu)型時，第二髖關(guān)節(jié)202a鎖死，通過第一髖關(guān)節(jié)201、大腿關(guān)節(jié)203與小腿關(guān)節(jié)204間的組合運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)昆蟲動物式爬行的行進(jìn)狀態(tài)，如圖3、圖6所示。

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