一种用于高速奔跑足式机器人并联腿结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种足式机器人并联腿结构，具体涉及一种用于高速奔跑足式机器人并联腿结构。
【背景技术】
[0002]自然界中多数陆地表面是沙丘、山地等非连续地形，而足式动物却能很好的适应这些复杂崎岖、不连续的地形，并且展现出良好的运动能力，多样的运动步态，以及较高的能量利用效率。具有快速移动特性的足式机器人在工业工程，消防营救、军事行动等领域有着极为广阔的研究空间和应用前景。足式机器人自上世纪八十年代第一次实现动步态的MIT的单腿机器人发展到如今可以应对复杂地形的Big Dog机器人，经历了从外形结构到运动机理的不断发展和长足进步。尽管现阶段研究的许多足式机器人已经能够实现稳定的行走等功能，但其研究还远没有达到实现足式动物运动灵活性与快速性的预期。即使是在平坦的路面上，也极少有机器人既能够实现快速奔跑，同时又能够保持稳定性与较高的能量效率。因此如何能够设计出运动速度更快，能量利用效率更高的足式机器人，已经成为当今机器人领域的重点和难点。
[0003]最初由于对动物运动的本质了解有限，研究人员仅仅从奔跑步幅入手，设计了诸多结构形式的足式机器人，从最初的直线腿设计成如Big Dog的关节腿，多个运动关节的引入增加了机器人的灵活性，又提高了机器人的跨步距离，但却仍未在高速上取得突破。这是因为复杂的腿部结构意味着更多的驱动器，更复杂的传动机构。现有的高速运动的足式机器人由于存在周期性的加速减速的运动规律，往往会导致较大的能量消耗。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有的高速运动的足式机器人由于存在周期性的加速减速的运动规律，导致较大的能量消耗的问题，进而提供一种用于高速奔跑足式机器人并联腿结构。
[0005]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0006]本发明的用于高速奔跑足式机器人并联腿结构包括肩胛骨、水平液压缸、平行短连杆、平行长连杆、足底、竖直液压缸、大腿、小腿和两个关节腿负重与起吊钢板；
[0007]肩胛骨为两侧对称的框架体，两个关节腿负重与起吊钢板对称固装在肩胛骨的两侧外壁上，大腿的上端与肩胛骨的下部铰接，大腿的下端与小腿的上端铰接，足底固装在小腿的下端，平行短连杆与大腿的上部铰接，平行短连杆的另一端与平行长连杆的上端铰接，平行长连杆的下端与小腿的上部铰接，平行短连杆、平行长连杆、大腿和小腿构成四连杆机构，水平液压缸安装在肩胛骨上且水平设置，水平液压缸的液压杆与平行短连杆和平行长连杆的铰接点连接，竖直液压缸安装在肩胛骨上且竖直设置，竖直液压缸的液压杆与平行短连杆和平行长连杆的铰接点连接。
[0008]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0009]本发明的用于高速奔跑足式机器人并联腿结构各关节均采用铰链连接，关节处无阻尼或弹性元件，关节腿具有髋关节和膝关节两个自由度，确保关节腿在矢状面运动，髋关节以及膝关节的屈伸运动，保证了关节腿具有足够大的工作空间，实现较大的步长，关节腿由大腿，小腿，平行长连杆，平行短连杆组成四连杆结构，两个液压缸近似垂直并联放置，通过四连杆机构驱动机器人髋关节和膝关节运动，高速奔跑并联关节腿通过平行四边形连杆机构，能够将足端运动轨迹按照结构参数比例映射到液压缸并联铰接点，将足底力按照结构参数比例映射到液压缸的铰接点上，结构紧凑，腿部质量集中到身体端而惯量小，液压缸近似解耦，且控制点轨迹与足尖轨迹呈恒比例缩放，避免了串联腿轨迹规划运算量大、能耗大及传感器过多产生的噪声等对控制的影响；
[0010]本发明各关节以及连接处主要采用销轴链接，销轴安装滚针轴承，滚针轴承具有承载能力高，节约径向空间，方便安装等优点。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的用于高速奔跑足式机器人并联腿结构的整体结构立体图；
[0012]图2是本发明【具体实施方式】二中工作原理示意图；
[0013]图3是本发明【具体实施方式】三、四、五中大腿8连接处结构示意图；
[0014]图4是本发明【具体实施方式】六、七中水平液压缸3的结构示意图；
[0015]图5是本发明【具体实施方式】六、七中竖直液压缸7的结构示意图；
[0016]图6是本发明【具体实施方式】八中平行长连杆5的连接处结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]【具体实施方式】一:如图1?6所示，本实施方式的用于高速奔跑足式机器人并联腿结构包括肩胛骨2、水平液压缸3、平行短连杆4、平行长连杆5、足底6、竖直液压缸7、大腿8、小腿9和两个关节腿负重与起吊钢板1;
[0018]肩胛骨2为两侧对称的框架体，两个关节腿负重与起吊钢板1对称固装在肩胛骨2的两侧外壁上，大腿8的上端与肩胛骨2的下部铰接，大腿8的下端与小腿9的上端铰接，足底6固装在小腿9的下端，平行短连杆4与大腿8的上部铰接，平行短连杆4的另一端与平行长连杆5的上端铰接，平行长连杆5的下端与小腿9的上部铰接，平行短连杆4、平行长连杆5、大腿8和小腿9构成四连杆机构，水平液压缸3安装在肩胛骨2上且水平设置，水平液压缸3的液压杆与平行短连杆4和平行长连杆5的铰接点连接，竖直液压缸7安装在肩胛骨2上且竖直设置，竖直液压缸7的液压杆与平行短连杆4和平行长连杆5的铰接点连接。
[0019]水平液压缸3安装在肩胛骨上且在腿长为设定原长Ιο、足尖处于髋关节正下方时近似水平设置，水平液压缸3的液压杆与平行短连杆4和平行长连杆5的铰接点连接，竖直液压缸7安装在肩胛骨2上且在腿长为设定原长Ιο、足尖处于髋关节正下方时近似竖直设置。
[0020]【具体实施方式】二:如图2所示，本实施方式平行短连杆4和平行长连杆5之间通过第一铰接点10连接，平行短连杆4和大腿8之间通过第二铰接点12连接，大腿8和小腿9之间通过膝关节13连接，大腿8和肩胛骨2通过髋关节11连接，第一铰接点10、第二铰接点12和髋关节11所组成的三角形与髋关节11、膝关节13和足底6所组成的三角形为相似三角形;平行短连杆4与小腿9平行设置，平行长连杆5与大腿8平行设置，髋关节11、第一铰接点10和足底6中心三点同在一条直线上。上述放大尺的结构构成第一铰接点10与足尖6的力、位置和速度的仿形机制。如此设计，能够将足端运动轨迹按照结构参数比例映射到液压缸并联铰接点，将足底力按照结构参数比例映射到液压缸的铰接点上。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0021]【具体实施方式】三:如图3所示，本实施方式髋关节11包括第一销轴14、第一六角法兰面螺母15、第一止推自润滑轴承16和第一滚针轴承17，大腿8和肩胛骨2通过销轴14转动连接，第一滚针轴承17套装在第一销轴14上，第一销轴14通过第一六角法兰面螺母15和第一止推自润滑轴承16锁紧。如此设置，结构简单紧凑，安装方便，且能腾出竖直液压缸活动的中间空间。其它组成及连接关系与【具体实施方式】二相同。
[0022]【具体实施方式】四:如图3所示，本实施方式第二铰接点12包括短连杆连接轴19、第二滚针轴承22、外侧垫圈20、第二止推自润滑轴承18和六角螺母21，平行短连杆4和大腿8之间通过短连杆连接轴19转动连接，第二滚针轴承22套装在短连杆连接轴19上，平行短连杆4通过外侧垫圈20、第二止推自润滑轴承18和六角螺母21锁紧。如此设置，结构简单紧凑，安装方便，且能腾出竖直液压缸活动的中间空间。其它组成及连接关系与【具体实施方式】二相同。
[0023]【具体实施方式】五:如图3所示，本实施方式膝关节13包括第二轴销23、第三滚针轴承26、第三止推自润滑轴承25和第二六角法兰面螺母24，大腿8和小腿9之间通过第二轴销23转动连接，第三滚针轴承26套装在第二轴销23上，第二轴销23通过第三止推自润滑轴承25和第二六角法兰面螺母24锁紧。如此设计，结构简单，安装方便，膝关节承载能力大。其它组成及连接关系与【具体实施方式】二相同。
[0024]【具体实施方式】六:如图4和图5所示，本实施方式水平液压缸3和竖直液压缸7均包括比例流量阀39、阀座40、缸体41、位移传感器外壳42、安装法兰43、管接头44、内六角螺栓45、位移传感器46、活塞杆47、第三止动垫圈48、力传感器49、力传感器连接板50和连接头，比例流量阀39通过阀座40安装在缸体41的上端面上，管接头44位于缸体41上，缸体41的端盖通过内六角螺栓45固接，位移传感器46安装在位移传感器外壳42上，位移传感器外壳42通过安装法兰43固装在缸体41的侧壁上，位移传感器46用于测量液压缸活塞杆的位移，活塞杆47的一端安装在缸体41内，力传感器49通过第三止动垫圈48和力传感器连接板50安装在活塞杆47的另一端上，力传感器49用于测量关节腿运动过程中关节腿与地面的冲击力，连接头固装在力传感器连接板50上。如此设置，位移传感器46用于测量液压缸活塞杆的位移，力传感器49用于测量关节腿运动过程中关节腿与地面的冲击力。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一?五相同。
[0025]【具体实施方式】七:如图4和图5所示，本实施方式连接头为关节轴承29或Y型接头28，水平液压缸3的连接头为关节轴承29，竖直液压缸7的连接头为Y型接头28，关节轴承29和Y型接头28通过轴销连接在第一铰接点10处。水平液压缸3和竖直液压缸7缸头铰接到一起并联驱动腿部连杆机构。水平水平液压缸3和竖直阀控液压缸7也可换为容积伺服式液压缸或者其它直线驱动形