一种具有柔性关节的四足机器人的制作方法
【专利摘要】一种具有柔性关节的四足机器人，其特征在于该机器人包括机架和四条机械腿；机械腿通过外摆关节连接到机架两侧。所述四条机械腿采用内膝肘式的对称结构；每条机械腿由外摆关节、髋关节架、髋关节、大腿、膝关节、小腿和足依次组成。所述髋关节和膝关节均包括相同结构的具有主动柔性的柔性关节主体，膝关节和髋关节分别由髋关节电机和膝关节电机驱动，髋关节架为L型。
【专利说明】一种具有柔性关节的四足机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人技术，具体为一种具有柔性关节的四足机器人。
【背景技术】
[0002]四足机器人凭借其在行走过程中的离散接触特性，在复杂环境中的探索和工作，表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道(如管道、台阶、楼梯、斜坡)上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景。目前四足机器人的研究大多处于试验阶段，特别是机器人在步行过程中的可靠性、稳定性、速度以及与地面接触的柔性等方面仍然具有诸多问题。例如，四足机器人在实际行走过程中，足部着地瞬间会产生巨大的冲力，这个冲力由足部通过机械腿传递至机器人各关节及机身，以至于机器人各关节及机身均会产生剧烈振动，降低传感精度，损坏部分灵敏部件，并影响机器人运动的稳定性。特别是机器人在快步行走过程中，更易产生连续剧烈振荡导致机体损害，使机器人无法工作。
[0003]如何降低机器人行走过程中与地面接触产生的刚性冲力，降低机器人机身、传感器和各灵敏部件的损坏，是当前四足机器人进一步要研究的重要内容。为此，人们从生物界寻找到了灵感，对机器人机械腿关节采用柔性仿生驱动的方式，降低机器人足部着地过程的冲击力，同时又可以完成既定任务，提高机器人的适应性。目前，四足机器人的驱动性能及良好地适应性主要取决于是否具有大功率的驱动装置，紧凑的仿生结构，精确的控制系统等。
[0004]关节柔性仿生驱动已成为目前四足机器人一个重要的研究方向，麻省理工学院的一位学者Pratt,首次将串联弹性驱动器(Series ElasticActuator, SEA)应用到步行机器人的驱动。串联弹性驱动器将弹性元件串联在刚性驱动器之后，使其能够承发刚性驱动器的驱动力和负载反馈过来的力，实现精确地力控制。
[0005]中国专利CN103538079A公开了一种基于旋转弹性驱动器的机器人关节，采用回转油缸与涡簧的组合方式，虽然通过涡旋弹簧的旋紧、放松，可以起到将油缸的驱动力柔性化的作用，但涡旋弹簧对能量的吸收和释放只能分别通过旋紧和放松来实现，因此对关节的实际应用造成了限制，进而也影响了基于柔性关节的四足机器人的性能。
[0006]另外对于四足机器人来说，不仅需要能够前后移动，也需要具备一定的横移动能力，以满足复杂实际情况对其提出的要求，但现有的四足机器人，其用于横向移动的结构都较为复杂。
[0007]因此提供一种串联弹性驱动器，并基于该串联弹性驱动器提供一种能够适应复杂地面环境，且承载力大，耗能低且具备一定横向移动能力的四足机器人成为现有技术中需要解决的问题。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种具有柔性关节的四足机器人。该机器人能满足复杂环境下的工作要求，同时能克服传统的刚性机器人的冲击性，有效提高机器人的使用寿命。在满足上述条件下，本机器人还具有一定的负载能力，耗能低，良好地环境适应性等特点。
[0009]本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种具有柔性关节的四足机器人，其特征在于该机器人包括机架和四条机械腿；机械腿通过外摆关节连接到机架两侧。所述四条机械腿采用内膝肘式的对称结构；每条机械腿由外摆关节、髋关节架、髋关节、大腿、膝关节、小腿和足依次组成。所述髋关节和膝关节均包括相同结构的具有主动柔性的柔性关节主体，膝关节和散关节分别由散关节电机和膝关节电机驱动，散关节架为L型。
[0010]所述机架侧面具有用于安装机械腿的外摆关节的U型凹槽，外摆关节包括外摆轴、外摆套筒，外摆电机，外摆电机固定板，外摆联轴器，外摆轴承，所述外摆套筒一端开口，另一段固定安装在机架U型凹槽内侧面，所述外摆关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，外摆电机由固定板固定在外摆套筒内，外摆电机驱动轴伸向外摆套筒开口端，采用外摆联轴器连接外摆电机的驱动轴与外摆轴的一端，U型槽的另一侧面安装有轴承座，在外摆套筒开口处和轴承座中均安装有外摆轴承用于安装外摆轴。外摆轴通过联轴器，将外摆电机扭矩传递给髋关节，带动机械腿外摆。
[0011]所述柔性关节主体由输出盘和锥齿轮换向器、弹簧安装架、弹簧组成，所述锥齿轮换向器具有单输入轴与二个输出轴，输入轴从锥齿轮换向器侧壁伸出，二输出轴同轴，其中一个输出轴上具有键槽用于安装弹簧安装架，所述弹簧安装架为四枝相同的十字型板状架，所述弹簧安装架中心处有带键槽的圆形安装孔，弹簧安装架通过平键安装在输出轴上；所述弹簧安装架的每枝的末端或接近末端具有向两侧伸出的垂直短齿，所述输出盘为环状圆盘，输出盘内壁均匀分布有四个向盘心平伸出的内凸板，内凸板顶端向两侧伸出弹簧固定齿，当弹簧安装架的四枝分别位于相邻两内凸板的中间位置时，短齿正好与弹簧固定齿相对，且此时位于同一枝上的短齿之间的连线及其与相邻弹簧固定齿的连线及其延长线能够组成正方形；八条弹簧分别安装于弹簧固定齿和短齿之间。当输出轴转动时带动弹簧安装架旋转，对位于同一枝上两侧的弹簧分别进行压缩和拉伸，并通过弹簧的回复力带动输出盘转动，实现转矩的柔性输出。
[0012]所述四足机器人，其特征是所述髋关节架包括连接立柱、髋关节套筒；连接立柱与外摆轴垂直相交固定连接，髋关节套筒与连接立柱垂直，且髋关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，所述髋关节套筒开口端的侧板向前延伸，形成用于夹持固定所述柔性关节主体的锥齿轮换向器的髋关节支架。
[0013]髋关节包括柔性关节体与髋关节主连接板、髋关节副连接板、髋关节电机架、联轴器及髋关节电机，所述髋关节主连接板为L型板，髋关节主连接板的侧板固定安装在输出盘外侧，髋关节主连接板的底板沿髋关节轴向延伸至髋关节对侧，所述髋关节副连接板通过安装在其内壁上的髋关节支撑轴承套筒及髋关节支撑轴承与柔性关节体中锥齿轮换向器的的另一输出轴连接。髋关节副连接板与髋关节主连接板的底板固定连接，髋关节电机架安装在髋关节套筒内部，髋关节电机通过髋关节电机架固定在髋关节套筒内部，髋关节电机的输出轴伸向髋关节套筒开口端，并通过联轴器与柔性关节主体的锥齿轮换向器的输入轴串联连接。
[0014]所述大腿为柱状长方体框架，包括大腿连接板；
[0015]采用大腿连接板将大腿与髋关节主连接板的底板外侧固定连接，所述膝关节电机固定在大腿内部，并通过联轴器与膝关节相连；
[0016]所述膝关节包括柔性关节体与膝关节主连接板、膝关节副连接板、膝关节电机及其联轴器，所述膝关节主连接板为L型板，膝关节副连接板与膝关节主连接板的底板固定连接，所述柔性关节体安装在膝关节副连接板与膝关节主连接板的侧板之间，膝关节电机固定在大腿内部，并通过联轴器与柔性关节主体的锥齿轮换向器的输入轴串联连接。
[0017]所述小腿包括小腿连接板、小腿顶端盖、小腿套筒、小腿支柱、小腿内套筒、小腿末端盖、小腿弹簧、足。小腿通过小腿连接板与膝关节相连；小腿连接板末端与小腿顶端盖相连，小腿顶端盖安装在小腿套筒顶端，小腿套筒内依次安装小腿内套筒和小腿支柱，小腿内套筒固定安装在位于小腿套筒内的中部，小腿支柱中部具有凸起，小腿支柱安装在小腿套筒内，小腿支柱顶端可从小腿内套筒中间的孔伸出，小腿支柱末端，小腿支柱末端伸出小腿套筒末端，通过小腿末端盖和小腿内套筒将小腿支柱的轴向运动范围限制在小腿内套筒安装位置和小腿套筒末端之间，小腿弹簧套装在小腿支柱外且位于小腿内套筒和小腿支柱的凸起之间，小腿弹簧在足不接触地面时可以将小腿支柱顶至从小腿套筒中伸出量最大的状态，；当足底部接触地面受力后小腿支柱上移同时压缩小腿弹簧起到储存能量及缓冲作用，当足抬起时小腿弹簧回弹并释放能量。
[0018]所述足包括脚掌、脚掌连接板；脚掌通过螺栓和脚掌连接板固定在小腿支柱伸出小腿套筒部分的末端；脚掌采用弹性材料制成。
[0019]所述柔性关节主体的锥齿轮换向器的速比优选为1:1。
[0020]与现有技术相比，本发明提供的具有柔性关节的四足机器人，每条腿均只采用三个驱动电机驱动，耗能较低，控制容易，工作效率大为提高；最为关键的机械腿关节通过特殊设计的柔性关节主体，使关节活动范围大，且关节在向各个方向旋转时均能通过弹簧有效吸收地面冲击，实现柔性力输出，可以大大降低地面对机器人的冲击、提高机器人使用寿命。本发明由于特殊的结构设计，整体机构自由度没有损失，具有较高灵活度，可以跨越一定高度的障碍，跨越一定长度的凹坑，具有较强的环境适应能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1提供的四足机器人的整体结构示意图。
[0022]图2为本发明实施例1提供的四足机器人的外摆关节结构示意图。
[0023]图3为本发明实施例1提供的四足机器人的髋关节传动机构原理示意图。
[0024]图4为本发明实施例1提供的四足机器人的髋关节主视示意图。
[0025]图5为本发明实施例1提供的四足机器人的髋关节侧视装配示意图。
[0026]图6为本发明实施例1提供的四足机器人的小腿主视示意图。
[0027]图7为本发明实施例1提供的四足机器人的足主视示意图。
[0028]图中:1-机架，2-髋关节，3-外摆轴，9-髋关节架，91-连接立柱，92-髋关节套筒，4-髋关节主连接板，5-髋关节电机，6-大腿连接板，，10-小腿连接板，11-小腿套筒，12-小腿顶端盖，13-小腿弹黃，14-小腿底端盖，15-小腿支柱，16-脚掌，18-髓关节副连接板，19-支撑轴承，20-髋关节轴承套筒，21-锥齿轮换向器，22-髋关节支架，23-输出盘，231-内凸板，24-弹簧安装架，25-支撑轴承，26-弹簧，27-平键，28-大腿，29-膝关节，30-小腿，31-足，33-髋关节电机架，34-小腿内套筒，37-脚掌连接板，38-机械腿，39-外摆套筒，40-外摆电机，42-外摆电机固定板，44-外摆联轴器，45-外摆轴承。
【具体实施方式】
[0029]下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。
[0030]实施例1
[0031]本发明设计的一种具有柔性关节的四足机器人(简称机器人，参见图1)，其特征在于该机器人包括机架I和四条机械腿38 ;机械腿38通过外摆关节连接到机架两侧。其中，所述四条机械腿38采用内膝肘式的对称结构；每条机械腿38由外摆关节、髋关节架9、髋关节2、大腿28、膝关节29、小腿30和足31依次组成。髋关节2和膝关节29具有主动柔性(传动原理示意参见图3，结构示意参见图4、图5、图6)，所述髋关节2和膝关节29均包括相同结构的具有主动柔性的柔性关节主体，膝关节2和髋关节29分别由髋关节电机5和膝关节电机驱动。
[0032]所述机架侧面具有用于安装机械腿的外摆关节的U型凹槽，外摆关节包括外摆轴3、外摆套筒39，外摆电机40，外摆电机固定板42，外摆联轴器44，外摆轴承45，所述外摆套筒39 —端开口，另一段固定安装在机架U型凹槽内侧面，所述外摆关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，外摆电机40由固定板42固定在外摆套筒内，外摆电机驱动轴伸向外摆套筒开口端，采用外摆联轴器44连接外摆电机的驱动轴与外摆轴的一端，U型槽的另一侧面安装有轴承座，在外摆套筒开口处和轴承座中均安装有外摆轴承45用于安装外摆轴。外摆轴通过外摆联轴器44，将外摆电机扭矩传递给髋关节，带动机械腿外摆。
[0033]所述外摆关节的结构参见图2。
[0034]所述柔性关节主体由输出盘23和锥齿轮换向器21、弹簧安装架24、弹簧26组成，所述锥齿轮换向器21具有单输入轴与二个输出轴,输入轴从锥齿轮换向器侧壁伸出，二输出轴同轴，其中一个输出轴上具有键槽用于安装弹簧安装架，所述弹簧安装架为四枝相同的十字型板状架，所述弹簧安装架中心处有带键槽的圆形安装孔，弹簧安装架通过平键27安装在输出轴上；所述弹簧安装架的每枝的末端具有向两侧伸出的垂直短齿，所述输出盘为环状圆盘，输出盘内壁均匀分布有四个向盘心平伸出的内凸板231，内凸板顶端向两侧伸出弹簧固定齿，当弹簧安装架的四枝分别位于相邻两内凸板的中间位置时，短齿正好与弹簧固定齿相对，且此时位于同一枝上的短齿之间的连线及其与相邻弹簧固定齿的连线及其延长线能够组成正方形；八条弹簧分别安装于弹簧固定齿和短齿之间。当输出轴转动时带动弹簧安装架旋转，对位于同一枝上两侧的弹簧分别进行压缩和拉伸，并通过弹簧的回复力带动输出盘转动，实现转矩的柔性输出；
[0035]所述柔性关节主体的锥齿轮换向器21的速比优选为1:1。
[0036]髋关节架9为L型，包括连接立柱91、髋关节套筒92 ;连接立柱与外摆轴垂直相交固定连接，髋关节套筒与连接立柱垂直，且髋关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，所述髋关节套筒开口端的侧板向前延伸，形成用于夹持固定所述柔性关节主体的锥齿轮换向器的髋关节支架22。
[0037]髋关节包括柔性关节体与髋关节主连接板4、髋关节副连接板18、髋关节电机架33、联轴器及髋关节电机5，所述髋关节主连接板4为L型板，髋关节主连接板的侧板固定安装在输出盘外侧，髋关节主连接板的底板沿髋关节轴向延伸至髋关节对侧，所述髋关节副连接板通过安装在其内壁上的髋关节支撑轴承套筒20及髋关节支撑轴承19与柔性关节体中锥齿轮换向器的的另一输出轴连接。髋关节副连接板与髋关节主连接板的底板固定连接，髋关节电机架33安装在髋关节套筒内部，髋关节电机5通过髋关节电机架33固定在髋关节套筒内部，髋关节电机5的输出轴伸向髋关节套筒开口端，并通过联轴器32与柔性关节主体的锥齿轮换向器的输入轴串联连接。
[0038]所述大腿28为柱状长方体框架，包括大腿连接板6 ；
[0039]采用大腿连接板6将大腿28与髋关节主连接板的底板外侧固定连接，所述膝关节电机固定在大腿内部，并通过联轴器与膝关节相连；
[0040]所述膝关节29包括柔性关节体与膝关节主连接板、膝关节副连接板、膝关节电机及其联轴器，所述膝关节主连接板为L型板，膝关节副连接板与膝关节主连接板的底板固定连接，所述柔性关节体安装在膝关节副连接板与膝关节主连接板的侧板之间，膝关节电机固定在大腿内部，并通过联轴器与柔性关节主体的锥齿轮换向器的输入轴串联连接。
[0041]所述小腿30包括小腿连接板10、小腿顶端盖12、小腿套筒11、小腿支柱15、小腿内套筒34、小腿末端盖14、小腿弹簧13、足31。所述足31包括脚掌16、脚掌连接板37 ;脚掌通过螺栓和脚掌连接板37固定在小腿支柱15伸出小腿套筒部分的末端；脚掌16采用弹性材料制成。
[0042]小腿30通过小腿连接板10与膝关节29相连；小腿连接板末端与小腿顶端盖相连，小腿顶端盖安装在小腿套筒顶端，小腿套筒内依次安装小腿内套筒34和小腿支柱15，小腿内套筒固定安装在位于小腿套筒内的中部，小腿支柱中部具有凸起，小腿支柱安装在小腿套筒内，小腿支柱顶端可从小腿内套筒中间的孔伸出，小腿支柱末端，小腿支柱末端伸出小腿套筒末端，通过小腿支柱中部的凸起及小腿末端盖和小腿内套筒将小腿支柱的轴向运动范围限制在小腿内套筒安装位置和小腿套筒末端之间，小腿弹簧13套装在小腿支柱外且位于小腿内套筒34和小腿支柱15的凸起之间，小腿弹簧在足不接触地面时可以将小腿支柱顶至从小腿套筒中伸出量最大的状态，；当足底部接触地面受力后小腿支柱15上移同时压缩小腿弹簧13起到储存能量及缓冲作用，当足抬起时小腿弹簧13回弹并释放能量。
[0043]所述小腿30的结构如图6所示。所述足31的结构如图7所示。
[0044]本发明机器人的工作原理和过程是:当机器人向前方行进时，以先抬左前腿和右后腿为例，
[0045]步骤1，左前腿膝关节电机和右后腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0046]步骤2，左前腿和右后腿髋关节电机旋转，使左前腿大腿与机架角度增大，右后腿大腿与机架角度减小；左前腿和右后腿膝关节电机旋转使大腿与小腿夹角增大；左前腿和右后腿足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0047]步骤3，右前腿和左后腿膝关节电机旋转使右前腿小腿与大腿夹角增大，左后腿大腿与小腿夹角增大，实现机架向前移动；
[0048]步骤4，右前腿膝关节电机和左后腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0049]步骤5，右前腿和左后腿髋关节电机旋转，使右前腿大腿与机架角度增大，左后腿大腿与机架角度减小；右前腿和左后腿膝关节电机旋转使大腿与小腿夹角增大；右前腿和左后腿足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0050]步骤6，左前腿和右后腿膝关节电机旋转使左前腿小腿与大腿夹角增大，右后腿大腿与小腿夹角增大，实现机架向前移动，完成一个前进步态；
[0051]步骤7，左前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0052]步骤8，机架左前方控制电机旋转一定角度，使得整个机械腿相对于机架向左摆动；
[0053]步骤9，左前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角增大，小腿向下摆动，足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0054]步骤10，右前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0055]步骤11，机架右前方控制电机旋转一定角度，使得整个机械腿相对于机架向左摆动；
[0056]步骤12，右前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角增大，小腿向下摆动，足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0057]步骤13，机架前方两个控制电机同时旋转一定角度，使得两条前腿相对与机架向右摆动，当旋转到机械腿与机架垂直时，可实现整机的向左转动。
[0058]相应的当先抬右前腿和左后腿时，相应的步骤如下
[0059]步骤1，右前腿膝关节电机和左后腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0060]步骤2，右前腿和左后腿髋关节电机旋转，使右前腿大腿与机架角度增大，左后腿大腿与机架角度减小；右前腿和左后腿膝关节电机旋转使大腿与小腿夹角增大；右前腿和左后腿足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0061]步骤3，左前腿和右后腿膝关节电机旋转使左前腿小腿与大腿夹角增大，右后腿大腿与小腿夹角增大，实现机架向前移动；
[0062]步骤4，左前腿膝关节电机和右后腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0063]步骤5，左前腿和右后腿髋关节电机旋转，使左前腿大腿与机架角度增大，右后腿大腿与机架角度减小；左前腿和右后腿膝关节电机旋转使大腿与小腿夹角增大；左前腿和右后腿足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0064]步骤6，右前腿和左后腿膝关节电机旋转使右前腿小腿与大腿夹角增大，左后腿大腿与小腿夹角增大，实现机架向前移动，完成一个前进步态；
[0065]步骤7，右前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0066]步骤8，机架右前方控制电机旋转一定角度，使得整个机械腿相对于机架向右摆动；
[0067]步骤9，右前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角增大，小腿向下摆动，足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0068]步骤10，左前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角减小，小腿向上摆动，足脱离地面，小腿弹簧复位；
[0069]步骤11，机架左前方控制电机旋转一定角度，使得整个机械腿相对于机架向右摆动；
[0070]步骤12，左前腿膝关节电机旋转一定角度使大腿与小腿夹角增大，小腿向下摆动，足接触地面，小腿弹簧受力被压缩；
[0071]步骤13，机架前方两个控制电机同时旋转一定角度，使得两条前腿相对与机架向左摆动，当旋转到机械腿与机架垂直时，可实现整机的向右转动。
[0072]本发明的机器人共有12个主动自由度和4个小腿被动伸缩自由度，共有电机12个，电机同时工作消耗功率最大为1600W ;最大扭矩50N.m ;续航能力8小时；具有较高灵活度，除了能够前进后退以外，还具有一定的侧向移动能力，可以跨越一定高度的障碍，跨越一定长度的凹坑，具有较强的环境适应能力。
[0073]所述步骤中，“前、后、左、右”是相对性的方位词，以机器人行进方向为前，此时四条机械腿分别为左、右前腿，左、右后腿。
[0074]本发明未述及之处适用于现有技术。
【权利要求】
1.一种具有柔性关节的四足机器人，其特征在于该机器人包括机架和四条机械腿；机械腿通过外摆关节连接到机架两侧，所述四条机械腿采用内膝肘式的对称结构；每条机械腿由外摆关节、髋关节架、髋关节、大腿、膝关节、小腿和足依次组成，所述髋关节和膝关节均包括相同结构的具有主动柔性的柔性关节主体，膝关节和髋关节分别由髋关节电机和膝关节电机驱动，髋关节架为I型； 所述机架侧面具有用于安装机械腿的外摆关节的V型凹槽，外摆关节包括外摆轴、夕卜摆套筒，外摆电机，外摆电机固定板，外摆联轴器，外摆轴承，所述外摆套筒一端开口，另一段固定安装在机架[型凹槽内侧面，所述外摆关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，外摆电机由固定板固定在外摆套筒内，外摆电机驱动轴伸向外摆套筒开口端，采用外摆联轴器连接外摆电机的驱动轴与外摆轴的一端4型槽的另一侧面安装有轴承座，在外摆套筒开口处和轴承座中均安装有外摆轴承用于安装外摆轴，外摆轴通过联轴器，将外摆电机扭矩传递给髋关节，带动机械腿外摆； 所述柔性关节主体由输出盘和锥齿轮换向器、弹簧安装架、弹簧组成，所述锥齿轮换向器具有单输入轴与二个输出轴，输入轴从锥齿轮换向器侧壁伸出，二输出轴同轴，其中一个输出轴上具有键槽用于安装弹簧安装架，所述弹簧安装架为四枝相同的十字型板状架，所述弹簧安装架中心处有带键槽的圆形安装孔，弹簧安装架通过平键安装在输出轴上；所述弹簧安装架的每枝的末端或接近末端具有向两侧伸出的垂直短齿，所述输出盘为环状圆盘，输出盘内壁均匀分布有四个向盘心平伸出的内凸板，内凸板顶端向两侧伸出弹簧固定齿，当弹簧安装架的四枝分别位于相邻两内凸板的中间位置时，短齿正好与弹簧固定齿相对，且此时位于同一枝上的短齿之间的连线及其与相邻弹簧固定齿的连线及其延长线能够组成正方形；八条弹簧分别安装于弹簧固定齿和短齿之间，当输出轴转动时带动弹簧安装架旋转，对位于同一枝上两侧的弹簧分别进行压缩和拉伸，并通过弹簧的回复力带动输出盘转动，实现转矩的柔性输出。
2.如权利要求1所述四足机器人，其特征是所述髋关节架，包括连接立柱、髋关节套筒；连接立柱与外摆轴垂直相交固定连接，髋关节套筒与连接立柱垂直，且髋关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，所述髋关节套筒开口端的侧板向前延伸，形成用于夹持固定所述柔性关节主体的锥齿轮换向器的髋关节支架； 所述髋关节包括柔性关节体与髋关节主连接板、髋关节副连接板、髋关节电机架、联轴器及髋关节电机，所述髋关节主连接板为I型板，髋关节主连接板的侧板固定安装在输出盘外侧，髋关节主连接板的底板沿髋关节轴向延伸至髋关节对侧，所述髋关节副连接板通过安装在其内壁上的髋关节支撑轴承套筒及髋关节支撑轴承与柔性关节体中锥齿轮换向器的的另一输出轴连接，髋关节副连接板与髋关节主连接板的底板固定连接，髋关节电机架安装在髋关节套筒内部，髋关节电机通过髋关节电机架固定在髋关节套筒内部，髋关节电机的输出轴伸向髋关节套筒开口端，并通过联轴器与柔性关节主体的锥齿轮换向器的输入轴串联连接； 所述大腿为柱状长方体框架，包括大腿连接板； 采用大腿连接板将大腿与髋关节主连接板的底板外侧固定连接，所述膝关节电机固定在大腿内部，并通过联轴器与膝关节相连； 所述膝关节包括柔性关节体与膝关节主连接板、膝关节副连接板、膝关节电机及其联轴器，所述膝关节主连接板为I型板，膝关节副连接板与膝关节主连接板的底板固定连接，所述柔性关节体安装在膝关节副连接板与膝关节主连接板的侧板之间，膝关节电机固定在大腿内部，并通过联轴器与柔性关节主体的锥齿轮换向器的输入轴串联连接； 所述小腿包括小腿连接板、小腿顶端盖、小腿套筒、小腿支柱、小腿内套筒、小腿末端盖、小腿弹簧、足，小腿通过小腿连接板与膝关节相连；小腿连接板末端与小腿顶端盖相连，小腿顶端盖安装在小腿套筒顶端，小腿套筒内依次安装小腿内套筒和小腿支柱，小腿内套筒固定安装在位于小腿套筒内的中部，小腿支柱中部具有凸起，小腿支柱安装在小腿套筒内，小腿支柱顶端可从小腿内套筒中间的孔伸出，小腿支柱末端，小腿支柱末端伸出小腿套筒末端，通过小腿末端盖和小腿内套筒将小腿支柱的轴向运动范围限制在小腿内套筒安装位置和小腿套筒末端之间，小腿弹簧套装在小腿支柱外且位于小腿内套筒和小腿支柱的凸起之间，小腿弹簧在足不接触地面时可以将小腿支柱顶至从小腿套筒中伸出量最大的状态；当足底部接触地面受力后小腿支柱上移同时压缩小腿弹簧起到储存能量及缓冲作用，当足抬起时小腿弹簧回弹并释放能量； 所述足包括脚掌、脚掌连接板；脚掌通过螺栓和脚掌连接板固定在小腿支柱伸出小腿套筒部分的末端；脚掌采用弹性材料制成。
3.如权利要求1或2所述的四足机器人，其特征是所述柔性关节主体的锥齿轮换向器的速比为1:1。
【文档编号】B62D57/032GK104386157SQ201410652140
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】张小俊, 张建华, 孙凌宇, 张明路 申请人:河北工业大学