基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置制造方法
【专利摘要】本发明公布了一种四足机器人的腿部行走系统。该系统位于四足机器人的腿部，从本质来看，这是一种基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，它利用带有弹性阻尼环节的四连杆机构来实现四足机器人的行走功能。因为采用普通四连杆机构作为行走装置的四足机器人在行走过程中容易产生连杆下垂而与地面摩擦的问题，主要原因在于这种机器人的四连杆机构中的摇杆长度不可变。为此，我们特别设计了一种以舵机转臂为曲柄、带有弹性阻尼环节的类活塞机构为摇杆、小腿为连杆、舵机架为机架的四足机器人腿部系统。在该腿部系统中，当曲柄转动时，摇杆可自适应变化长度，避免摩擦地面，实现了四足机器人的稳定行走。
【专利说明】基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置
【技术领域】
[0001]本发明属于四足机器人【技术领域】，特别是涉及一种利用可变长度摇杆四连杆机构作为四足机器人的腿部行走装置。
【背景技术】
[0002]四足行走机器人是一种常见的陆地运动机器人，有很强的环境适应性和运动灵活性，因而被广泛用于抢险救灾、排雷排爆、地质勘探、娱乐及民用等领域。常见的四足机器人每条腿都有3个主动自由度，每条腿需要3个主动件，这样就增加了机器人的制作成本且同时增加了机器人的整体重量。为了克服上述问题，人们发明了利用四连杆机构作为行走装置的四足机器人，这种机器人每条腿可以减少一个自由度，进而可以减少一个主动件，从而减轻了机器人的重量。但是这种机器人存在一个突出问题，就是其足部轨迹不封闭，容易造成足部与地面产生摩擦。为了解决这一问题，急需一种既能使用四连杆机构作为四足机器人的行走装置，以减轻机器人的重量，又能解决机器人足部与地面产生摩擦这一问题的系统。
【发明内容】
[0003]采用四连杆机构作为行走装置的四足机器人在行走过程中容易产生连杆下垂而摩擦地面的问题，主要原因在于这种机器人的四连杆机构中的摇杆长度不可变。为此，我们特别设计了一种以舵机转臂为曲柄、带有弹性阻尼环节的类活塞机构为摇杆、小腿为连杆、舵机架为机架的四足机器人腿部系统。在该腿部系统中，当曲柄转动时，摇杆可自适应变化长度，避免摩擦地面，实现了四足机器人的稳定行走。
[0004]本发明的技术实现方案:
[0005]带有弹性阻尼环节的四连杆式机器人的腿部系统是由大腿驱动单元、带有弹性阻尼环节的类活塞机构、舵机转臂、减震小腿组成的2自由度系统。
[0006]其中，大腿驱动单元由舵盘、舵机、舵机架、拉板组成。2个舵机安装在舵机架中，在四连杆结构中充当机架，为腿部提供动力。
[0007]带有弹性阻尼环节的类活塞机构作为摇杆，由套筒、弹簧、拉杆、凸头连杆组成。拉杆为一段带有大半径圆盘的空心圆柱，弹簧套在拉杆上面，靠近圆盘一端，左右半套筒拼合起来将弹簧包在套筒中，并使弹簧处于压缩状态，同时使圆盘紧贴套筒靠近舵机架一端。当小腿接触到地面冲击时，如果小腿与地面所成的内侧夹角为钝角，摇杆自适应受力使弹簧受压缩，摇杆伸长。由于弹簧的压缩挤压拉杆的圆盘，从而使限制摇杆的伸长长度；如果小腿与地面所成的内侧夹角为锐角，拉杆的圆盘挤压套筒内壁，使摇杆长度不发生变化。此机构能够自适应小腿位置的变化，从而避免了足部摩擦地面的现象，增加了机器人步态的稳定性。
[0008]四连杆中的曲柄，是A形连杆与U形连杆组合而成，U形连杆的一端与舵机输出的轴连接，另一端与A形连杆的A字端连接，A形连杆的另一端连接小腿。该组合长杆在舵机驱动下转动，使小腿抬高或降低。
[0009]减震小腿作为机器人的小腿，其由弹簧、F形连杆、锥形杆、小腿支杆组成。F形连杆上侧杆与摇杆中的拉杆相连，摇杆的长度控制着小腿与地面的夹角疋形连杆的中间杆与A形长杆相连，A形连杆绕舵机输出轴转动使小腿升高或下降。小腿支杆上套有弹簧连接到F形连杆上，可以在F形连杆的中心通孔处上下滑动，另一端连接到锥形杆上。
[0010]该系统的优点:四连杆机构具有很好的稳定性，曲柄使用A形连杆，连杆使用F形连杆保证了机构的刚度与强度；作为摇杆的活塞机构安装方便，使用时完全是其自适应改变长度，无需驱动与控制；大腿驱动单元为双轴输出，保证大腿与连杆连接处受力合理；各种杆件布局在一个竖直平面内，且拥有双减震机构，保证机器人四足行走稳定；多机构多单元融合为一体，集成度高，系统精简，稳定可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1所示为本发明一个实施例中大腿驱动单元轴测图。
[0012]图2所示为本发明一个实施例中带有弹性阻尼环节的类活塞机构细节轴测图。
[0013]图3所示为本发明一个实施例中舵机转臂俯视图。
[0014]图4所示为本发明一个实施例中减震小腿轴测图。
[0015]图5所示为本发明一个实施例中整体结构正视图。
[0016]图6所示为本发明一个实施例中整体结构轴测图。
【具体实施方式】
[0017]如图1-6所示，带有弹性阻尼环节的四连杆式机器人的腿部系统由图1大腿驱动单元、图2带有弹性阻尼环节的类活塞机构、图3组合长杆、图4减震小腿集成为一体的系统。
[0018]如图1，大腿驱动单元:I舵盘，2舵机，3舵机架，4拉板。舵机架承载上下2个舵机，靠上的舵机转动，控制整条腿水平转动，下面的舵机转动控制腿部升降，拉板固定在上侧舵机的耳朵上面，与摇杆连接。
[0019]如图2，带有弹性阻尼环节的类活塞机构:5左半套筒，7拉杆，8凸头连杆，9弹簧。弹簧套在拉杆上，并使拉杆的圆盘端贴近套筒一端，通过研究足部轨迹计算出弹簧的弹性系数。
[0020]如图3，舵机转臂:10U形连杆，IlA形连杆，U形连杆的一端与舵机的双输出轴连接，另一端与A形连杆的A字端连接，A形连杆的另一端连接小腿，保证腿部强度和刚度。
[0021]如图4，减震小腿:12F形连杆，13弹簧，14小腿支杆，15锥形杆，小腿支杆穿过F形连杆的中心孔，弹簧套在支杆上，然后固定在锥形连杆上，起到减震作用。
[0022]如图5-6，根据图1-4，图1大腿驱动单元、图2带有弹性阻尼环节的类活塞机构、图3组合长杆、图4减震小腿集成为一体的系统。
【权利要求】
1.一种基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，其特征在于，机构由基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆系统构成，大腿驱动单元通过舵盘连接在机体上；带有弹性阻尼环节的类活塞机构连接在与大腿驱动单元固连的拉板上；舵机转臂与驱动单元的双轴输出端固连；作为连杆的小腿分别与舵机转臂和带有弹性阻尼环节的类活塞机构连接。
2.根据权利要求1所述的基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，其特征在于，带有弹性阻尼环节的类活塞机构中，拉杆为一段带有大半径圆盘的空心圆柱，弹簧套在拉杆上面，靠近圆盘一端，左右半套筒拼合起来将弹簧包在套筒中，并使弹簧处于压缩状态，同时使圆盘紧贴套筒靠近舵机架一端，该机构安装方便，使用时完全是其自适应改变长度，无需驱动与控制。
3.根据权利要求1所述的基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，其特征在于，1U形连杆的一端与舵机的双输出轴连接，另一端与IlA形连杆的A字端连接，IlA形连杆的另一端连接小腿，保证腿部强度和刚度。
4.根据权利要求1所述的基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，其特征在于，14小腿支杆穿过12F形连杆的中心孔，13弹簧套在支杆上，然后固定在15锥形连杆上，起到减震作用。
5.根据权利要求1，2，3，4所述的基于弹性阻尼作用的变长摇杆的四连杆式四足行走装置，其特征在于，采用四连杆机构作为行走装置的四足机器人在行走过程中容易发生摩擦地面的现象，体现于作为连杆的小腿因足部轨迹不封闭而出现摩擦地面的现象，这种摩擦的现象使得机器人行走不稳定、震颤现象严重，同时降低机器人零件的寿命，该结构保证了当曲柄转动时，摇杆可自适应变化长度，避免摩擦地面，实现了四足机器人的稳定行走。
【文档编号】B62D57/032GK104260800SQ201410546958
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】罗庆生, 高枫, 孙泽源, 刘弘扬, 卢宛萱, 马红涛, 冯雪贝 申请人:北京理工大学