本發(fā)明涉及一種可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，目的在于突破單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人對(duì)不同地形通過(guò)能力的局限，屬于仿生機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

足式機(jī)器人從上世紀(jì)60年代出現(xiàn)，到現(xiàn)在已有半百年的歷史。隨著控制元件、控制方法、新型材料等的發(fā)展，足式機(jī)器人的可靠性及智能程度得到了飛躍式的提升。從2008年波士頓動(dòng)力首次公開的bigdog，到2011年出現(xiàn)的負(fù)重比更多的ls3，再到后期的cheetah及spot系列等等，一次次的沖擊著四足機(jī)器人各類指標(biāo)的極限。

在已公布的、技術(shù)較為成熟的四足樣機(jī)中，其腿部采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可以分為四類：雙膝式、雙肘式、前肘后膝式和前膝后肘式。從穩(wěn)定性和操控能力上講，四種類型并沒有太大的差異，但由于前肘后膝式和前膝后肘式這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了全對(duì)稱布置方式，能有效抑制關(guān)節(jié)控制誤差引起的軀干質(zhì)心在前進(jìn)方向的抖動(dòng)。再者對(duì)于特殊地形，例如坡度較大的山地，前膝后肘式具有較大的通行能力較優(yōu)，同時(shí)前肘后膝式和前膝手肘式較比雙膝或肘式有效的節(jié)約了腹部空間，對(duì)于大負(fù)重的四足平臺(tái)，現(xiàn)有的較成熟的幾款樣機(jī)大多采用了以上兩種結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人對(duì)不同地形通過(guò)能力的局限性，綜合不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于機(jī)器人本體的穩(wěn)定性、操控能力、負(fù)重能力等優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明提供一種可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人，可以在前肘后膝式和前膝手肘式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自由變換。

該四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，包括軀干單元和腿部單元，軀干單元的底部連接有四條腿部單元；腿部單元包括髖部腿節(jié)、大腿腿節(jié)和小腿腿節(jié)，軀干單元與髖部腿節(jié)之間、髖部腿節(jié)和大腿腿節(jié)之間、大腿腿節(jié)和小腿腿節(jié)之間分別由聯(lián)接半軸連接，髖部腿節(jié)與軀干單元之間連接有髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器，大腿腿節(jié)與髖部腿節(jié)之間連接有大腿俯仰直線液壓作動(dòng)器，小腿腿節(jié)與大腿腿節(jié)之間連接小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器。

所述軀干單元采用焊接框架結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效的降低了結(jié)構(gòu)重量，增加了內(nèi)部安裝空間。

所述軀干單元通過(guò)跨梁與髖部腿節(jié)連接，髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器連接在跨梁與髖部腿節(jié)之間。所述四條腿部單元中，前部?jī)蓷l腿部單元共用一個(gè)跨梁，后部?jī)蓷l腿部單元共用一個(gè)跨梁。

所述髖部腿節(jié)包括髖關(guān)節(jié)外部連接框和內(nèi)板，內(nèi)板連接在髖關(guān)節(jié)外部連接框內(nèi)。

所述髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器的缸體和活塞分別通過(guò)連接軸鉸接在髖部腿節(jié)和軀干單元上。

所述大腿俯仰直線液壓作動(dòng)器的活塞缸和缸體通過(guò)連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)及內(nèi)板上。

所述小腿腿節(jié)包括小腿過(guò)渡腿節(jié)和小腿底端腿節(jié)，小腿底端腿節(jié)固定連接在小腿過(guò)渡腿節(jié)上。

所述小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器通過(guò)連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)及小腿過(guò)渡腿節(jié)上。

本發(fā)明的腿部單元通過(guò)直線液壓作動(dòng)器構(gòu)成完整的運(yùn)動(dòng)鏈，其自身通過(guò)程序控制的節(jié)律運(yùn)動(dòng)和與外界的交互作用，使機(jī)器人產(chǎn)生相對(duì)于地面的移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)前肘后膝式行走方式，前膝后肘行走方式。變換過(guò)程中，機(jī)器人應(yīng)處于停機(jī)或是卸荷狀態(tài)，通過(guò)人工干預(yù)將腿部單元擺至另一側(cè)，此時(shí)小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器作動(dòng)區(qū)間也換至了另一側(cè)，通過(guò)切換控制程序，使機(jī)器人完成不同結(jié)構(gòu)步態(tài)的調(diào)整。由于直線液壓作動(dòng)器的活塞桿作動(dòng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，加之腿部單元的三節(jié)構(gòu)件均采用了分片式設(shè)計(jì)，有效的將桿件的活動(dòng)范圍劃分了兩個(gè)半?yún)^(qū)，從而通過(guò)停機(jī)或是卸荷狀態(tài)下的人工干預(yù)，便可實(shí)現(xiàn)前膝手肘式或是前肘后膝式行走模式切換。而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，為防止油缸的作動(dòng)程序紊亂或其它突發(fā)狀況引起的油缸作動(dòng)突破半?yún)^(qū)界限，造成機(jī)構(gòu)損壞，除了采用兩套控制程序外，還采用對(duì)直線液壓作動(dòng)器上位移傳感器信號(hào)進(jìn)行“硬性限位”，當(dāng)檢測(cè)達(dá)到位移極限時(shí)采用單作動(dòng)器伺服閥卸荷或是整體運(yùn)動(dòng)歸位處理方式，避免直線液壓作動(dòng)器的進(jìn)一步作動(dòng)。

本發(fā)明機(jī)構(gòu)采用12自由度，每條腿采用三個(gè)直線液壓缸控制，有效的降低了腿部運(yùn)動(dòng)慣量，軀干采用焊接式框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可集成液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力源等，在保證強(qiáng)度的前提下能有效的增加部件的安裝空間且有較好的散熱性能。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

(1)腿部單元的腿節(jié)采用了分片式設(shè)計(jì)，有效降低了運(yùn)動(dòng)慣量，保證了運(yùn)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易變性；

(2)腿部單元各腿節(jié)采用了雙半軸連接，將直線液壓作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)空間分為了兩個(gè)半?yún)^(qū)，保證了油缸在兩個(gè)半?yún)^(qū)自由切換的無(wú)障礙通過(guò)；

(3)腿部單元與軀干單元采用螺栓連接，此番設(shè)計(jì)使腿部單元模塊化，有效的增加了結(jié)構(gòu)的易變性并較低維護(hù)難易度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖(前肘后膝式)。

圖2是本發(fā)明中腿部單元的結(jié)構(gòu)分解示意圖。

圖3是本發(fā)明中直線液壓驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明中腿部單元由前膝后肘式變?yōu)榍爸夂笙ナ降臓顟B(tài)示意圖。

圖5是本發(fā)明可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的前膝后肘式狀態(tài)示意圖。

圖6是本發(fā)明的前膝后肘式(左a)和前肘后膝式(右b)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)示意圖。

圖中：1.軀干單元，2.腿部單元，3.髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器，4.大腿俯仰直線液壓作動(dòng)器，5.小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器；

201.跨梁，202.髖關(guān)節(jié)外部連接框，203.內(nèi)板，204.鎖緊扣蓋，205.聯(lián)接半軸，206.大腿腿節(jié)，207.直線液壓作動(dòng)器連接軸，208.鎖緊螺栓，209.小腿過(guò)渡腿節(jié)，210.小腿底端腿節(jié)；

a.前膝后肘式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，b.前肘后膝式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人機(jī)構(gòu)，如圖1所示，包括軀干單元1、腿部單元2、、髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器3、大腿俯仰直線液壓作動(dòng)器4及小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器5。軀干單元1的底部連接有四條腿部單元2。腿部單元2分為三節(jié)，之間由聯(lián)接半軸依次連接。

軀干單元1采用焊接框架結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下有效的降低了結(jié)構(gòu)重量，增加了內(nèi)部安裝空間。軀干單元1內(nèi)部可集成動(dòng)力源、閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等部件。

腿部單元2的結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用高強(qiáng)度航空鋁合金作為設(shè)計(jì)材料，采用力學(xué)及桿件優(yōu)化原理優(yōu)化構(gòu)型，在保證強(qiáng)度的同時(shí)有效的較低了腿部運(yùn)動(dòng)慣量。腿部單元2包括跨梁201、髖關(guān)節(jié)外部連接框202、大腿腿節(jié)206和小腿腿節(jié)。髖關(guān)節(jié)外部連接框202通過(guò)聯(lián)接半軸205連接在跨梁201的一端。髖關(guān)節(jié)外部連接框202與跨梁201之間連接髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器3，髖關(guān)節(jié)橫滾直線液壓作動(dòng)器3的缸體和活塞分別通過(guò)連接軸鉸接在髖關(guān)節(jié)外部連接框202及跨梁201上。髖關(guān)節(jié)外部連接框202中設(shè)置有內(nèi)板203，兩者通過(guò)鎖緊扣蓋204鎖緊連接，使兩者合為一體組成腿部單元2的髖部腿節(jié)。大腿腿節(jié)206與內(nèi)板203通過(guò)聯(lián)接半軸205連接，這種采用聯(lián)接半軸的連接方式保證了腿部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，區(qū)分了直線液壓作動(dòng)器的作動(dòng)空間。大腿腿節(jié)206與內(nèi)板203之間連接有大腿俯仰直線液壓作動(dòng)器4，大腿俯仰直線液壓作動(dòng)器4的活塞缸和缸體通過(guò)連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)206及內(nèi)板203上。小腿過(guò)渡腿節(jié)209通過(guò)聯(lián)接半軸連接在大腿腿節(jié)206上。小腿底端腿節(jié)210與小腿過(guò)渡腿節(jié)209通過(guò)鎖緊螺栓208固定連接在一起，使兩者合為一體組成腿部單元2的小腿腿節(jié)。大腿腿節(jié)206與小腿過(guò)渡腿節(jié)209之間連接小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器5，小腿俯仰直線液壓作動(dòng)器5通過(guò)連接軸分別鉸接在大腿腿節(jié)206及小腿過(guò)渡腿節(jié)209上。通過(guò)三個(gè)直線液壓作動(dòng)器的活塞桿和缸體分別聯(lián)接不同腿節(jié)，組成完整的驅(qū)動(dòng)鏈。因此，該機(jī)器人機(jī)構(gòu)共有12個(gè)自由度，分別為髖關(guān)節(jié)橫滾、四個(gè)大腿俯仰和四個(gè)小腿俯仰。各直線液壓作動(dòng)器均采用如圖3所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

前部?jī)蓚€(gè)腿部單元2可以共用一套跨梁201，后部?jī)蓚€(gè)腿部單元2也可以共用一套跨梁。

軀干單元1與腿部單元2中的跨梁201通過(guò)螺栓連接，此番設(shè)計(jì)將腿部單元2模塊化，有效的增加了結(jié)構(gòu)的易變性。

腿部單元2通過(guò)直線液壓作動(dòng)器構(gòu)成完整的運(yùn)動(dòng)鏈，其自身通過(guò)程序控制的節(jié)律運(yùn)動(dòng)和與外界的交互作用，使機(jī)器人產(chǎn)生相對(duì)于地面的移動(dòng)。由于四足機(jī)器人在同樣自重的情況下采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需求的油缸輸出力有較大的差異(前肘后膝式明顯小于前膝后肘式)，且對(duì)于在非運(yùn)動(dòng)方向的速度擾動(dòng)各有不同，特別是在位置控制時(shí)，這種擾動(dòng)區(qū)別明顯(前肘后膝式擾動(dòng)最小)，但對(duì)于急陡坡度的通過(guò)能力，前膝后肘式明顯的高于前肘后膝式。因此對(duì)于不同坡度較緩或是平地多采用圖5所示的前肘后膝式行走方式(參見圖6)，而對(duì)于坡度較大的地形采用如圖1所示的前膝后肘行走方式(參見圖6)。其變換過(guò)程如圖4所示。

變換過(guò)程中，機(jī)器人應(yīng)處于停機(jī)或是卸荷狀態(tài)，通過(guò)人工干預(yù)將腿部單元2擺至另一側(cè)，此時(shí)直線液壓作動(dòng)器3作動(dòng)區(qū)間也換至了另一側(cè)，通過(guò)切換控制程序，使機(jī)器人完成不同結(jié)構(gòu)步態(tài)的調(diào)整。由于油缸的長(zhǎng)度完全可以達(dá)到結(jié)構(gòu)死區(qū)，為防止機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中由于程序紊亂或是操作失誤，導(dǎo)致出現(xiàn)圖4中的中間腿部單元狀態(tài)，在程序中對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位移傳感器在相應(yīng)運(yùn)動(dòng)半?yún)^(qū)中做位置限位，使機(jī)器人在到達(dá)限定位置時(shí)運(yùn)動(dòng)停止并依據(jù)程序設(shè)定做腿部單元?dú)w位處理。