一种四足仿生机器人及其控制方法与流程

本发明属于机器人设计领域，特别是涉及一种四足仿生机器人及其控制方法。

背景技术：

现如今，伴随着科学技术的不断发展成熟，机器人无论在生活中还是在工业中，都有着越来越广泛的应用。其中，四足机器人因其灵活性高、稳定性好、容易实现全方面控制、更易避障且耗能少等特点，得到了迅速的发展。

目前四足机器人在腿部传动上主要有利用连杆结构传动和在关节处直接用电机驱动两种方式。设计连杆机构可以减少驱动电机的数量，并使电机尽可能安装在身体或髋关节处，减小腿部的惯性矩，目前得到了普遍的应用。但其存在结构相对比较复杂，计算难度大，累计误差大，精度不够高，不利于实现精确运动且冲击震动较大等缺点，严重影响了机器人的运动性能；且目前利用电机驱动的机器人还存在着续航能力不足、无法在室外长时间工作等缺点，这些问题都需要改善、解决。

技术实现要素：

针对现有机器人存在的问题，本发明提供了一种四足仿生机器人及其控制方法，本发明四足仿生机器人适用于复杂环境下的巡逻检查、资源勘探、资料搜集等工作，能够以高精度传动、冲击小、结构简单、易于控制，解决了目前电机驱动机器人存在的续航能力差、环境适应能力不强、连杆传动运动精度较低等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种四足仿生机器人，该机器人包括执行机构模块1、支撑驱动模块2和行走机构模块3。

所述的执行机构模块1包括直驱电机a101、电机固定套102、大臂106、肩关节107、直驱电机b108、小臂109、直驱电机c110、夹子片112、直齿轮a114、直驱电机d115、直齿轮b116、水平连杆118、夹子119、机械手连杆、轴、轴承和轴承端盖；所述的肩关节107包括两个肩关节支架、底板和连接轴，两个肩关节支架分别固定在底板两侧，连接轴固定在底板的下表面；所述的直驱电机b108固定在肩关节支架的通孔处；所述的大臂106一端通过轴和轴承连接在两个肩关节支架之间，大臂106通过直驱电机b108的驱动绕肩关节107转动；大臂106的另一端通过轴和轴承与小臂109的一端连接；所述电机固定套102包裹在直驱电机a101外，直驱电机a101固定在大臂106与小臂109的连接处，用于驱动小臂109转动；两个夹子片112通过轴和轴承固定在小臂109的开口端内侧，并通过轴承端盖进行轴向固定；直驱电机c110固定在小臂109的开口端外侧，用于驱动连接两夹子片112的轴实现夹子片112微调；所述的直齿轮a114和直齿轮b116均轴向连接在两夹子片112之间，直齿轮a114与直齿轮b116互相啮合，直齿轮b116两轴端与夹子片112之间分别固定水平连杆118，另一对水平连杆竖直固定在与直齿轮b116连接的水平连杆118下方，并通过轴承端盖固定；每对水平连杆118的两端均通过机械手连杆连接；所述机械手连杆轴向安装在夹子119上，并通过轴承端盖固定；所述直驱电机d115固定在夹子片112的外侧，用于驱动直齿轮a114旋转，从而带动直齿轮b116转动，直齿轮b116的转动带动水平连杆118转动，从而带动夹子119实现敲击岩石、抓取标本、并辅助支撑机器人从侧倒状态站立。

所述的支撑驱动模块2包括支撑柱端盖201、支撑板202、侧摆轴承盖203、电机固定装置204、支撑架205、上套筒206、下套筒207、电机固定套208、侧摆电机209、脊柱电机210、脊柱电机座211、电池组212、联轴器213、丝杠214、拉线板215、箱体216、脊柱固定盖217、柔性体、机械臂电机221、导轨222、滑块223和轴承透盖；所述柔性体包括脊柱柔性小柱218、脊柱柔性块219和脊柱刚性块220；所述脊柱刚性块220等间距均匀设置，脊柱刚性块220之间均匀粘贴脊柱柔性小柱218，所述脊柱柔性小柱218之间均匀粘贴脊柱柔性快219；通过脊柱柔性小柱218、脊柱柔性块219和脊柱刚性块220的重复连接形成仿生机器人所需的柔性体；两个箱体216通过脊柱固定盖217对称固定在柔性体两端；所述箱体216底部固定脊柱电机座211，脊柱电机210固定在脊柱电机座211上；脊柱电机210的输出轴通过联轴器213连接丝杠214的一端；丝杠214的另一端水平固定在箱体216上；所述的拉线板215连接在丝杠214上，拉线板215通过钢丝绳与柔性体实现连接；拉线板215底部连接滑块223，通过丝杠214带动拉线板215上的滑块223沿固定在箱体216底部的导轨222水平移动，从而拉动钢丝绳实现柔性体刚度的改变；所述侧摆电机209固定在箱体216内部；两对支撑板202分别设在两箱体216的外侧，包裹着上套筒206和下套筒207的支撑圆柱穿过支撑架205上、下端的通孔固定在每对支撑板202之间，并通过支撑柱端盖201进行轴向固定；支撑架205的左右两端均固定侧摆轴承盖203，其内侧安装电机固定装置204；所述电机固定套208连接在侧摆电机209的输出轴上，电机固定套208通过轴承透盖固定在支撑架205上；所述的电池组212固定在其中一个箱体216的上表面；所述机械臂电机221固定在另一箱体216内，机械臂电机221的输出轴上设有连接孔，通过过盈配合与肩关节107的连接轴连接，从而实现支撑驱动模块2支撑执行机构模块1并驱动行走机构模块3。

所述的行走机构模块3包括腿部电机a301、大腿302、大腿带轮303、金属带304、腿部电机b305、输出法兰306、小腿带轮307、电机套309、腿部板310、小腿311、减震器圆柱312、减震器弹簧313和前进脚314；所述的电机套309内包裹腿部电机b305，电机套309通过电机固定装置204和电机固定套208固定在支撑架205上，侧摆电机209驱动电机固定装置204和电机固定套208的转动进而带动电机套309和腿部电机b305转动；所述腿部电机b305通过输出法兰306连接在大腿302上端一侧，从而驱动大腿302转动；所述的腿部电机a301与腿部电机b305相对设置，腿部电机a301的输出轴与大腿带轮303、大腿302上端另一侧连接，用于驱动大腿带轮303和大腿302转动；所述大腿302的上、下端分别固定安装大腿带轮303和小腿带轮307；大腿带轮303和小腿带轮307之间安装金属带304；所述腿部板310固定在小腿带轮307和大腿302之间，并通过轴和轴承与小腿311连接，从而带动小腿311转动；小腿311下端连接减震器圆柱312；所述的减震器圆柱312外均匀套装有减震器弹簧313，减震器圆柱312下端连接前进脚314；由减震器圆柱312和减震器弹簧313组成的减震器可以减缓行走机构模块3在崎岖路面上行走时的振动。

进一步地，直齿轮a114和直齿轮b116完全相同，从而保证夹子119开合的同步性。

进一步地，前进脚314的底部为曲面，从而保证前进脚314受力均匀且受力面积大，防止前进脚314损坏。

一种四足仿生机器人的控制方法，其步骤如下：

步骤一：调节四足仿生机器人柔性体的刚度

根据工作环境需求，电池组212向各电机通电，移动拉线板215带动连接在拉线板215和柔性体之间的钢丝绳，从而调节柔性体的刚度，使四足仿生机器人应用于所需的工作环境中。

步骤二：调节腿部电机b305的转速和倾转角

通过调节电池组212的输出电压来调节各个电机的转速；通过调节侧摆电机209的转速和倾斜角控制电机固定装置204和电机固定套208的转动，进而调节电机套309的倾转角，从而改变电机套309内腿部电机b305的倾转角，实现调节四足仿生机器人前进的步幅和步频，满足不同工作环境的动力要求。

步骤三：支撑驱动模块2驱动执行机构模块1工作

支撑驱动模块2中的机械臂电机221驱动执行机构模块1转动；直驱电机b108调节大臂106的位置；直驱电机a101调节小臂109的位置，直驱电机c110调节夹子片112的位置，并通过直驱电机d115进一步调节夹子119的位置；实现机器人重心高度的改变，从而满足不同的工作需求。

本发明的有益效果：本发明提供一种四足仿生机器人及其控制方法，本发明四足仿生机器人采用金属带传动，保证中心距不变，且耐磨损；采用柔性体机构可以根据不同工作环境改变刚度，保证机器人运动时的精度较高；曲面的前进脚和柔性体结构可以有效地减缓冲击震动且环境适应能力强；所采用的电池组容量较大，且能充电重复利用，续航能力较强。本发明四足仿生机器人的执行机构模块可以用来敲击岩石、抓取标本、并可以辅助支撑机器人从侧倒状态站立，执行机构模块可以保证四足仿生机器人在各种恶劣环境下进行正常工作；侧摆电机的转速和倾斜角可调从而实现调节四足仿生机器人的步幅和步频。本发明解决了目前四足机器人存在的精度不够高、不利于实现精确运动且冲击震动较大、续航能力差、环境适应能力不强、连杆传动运动精度较低等问题。

附图说明

图1为本发明四足仿生机器人的整体结构示意图。

图2为本发明四足仿生机器人的执行机构模块示意图。

图3为本发明四足仿生机器人的支撑驱动模块示意图。

图4为本发明四足仿生机器人的行走机构模块示意图。

图中：1执行机构模块；2支撑驱动模块；3行走机构模块；101直驱电机a；102电机固定套；103内六角圆柱头螺钉；104轴承；105轴a；106大臂；107肩关节；108直驱电机b；109小臂；110直驱电机c；111轴b；112夹子片；113轴承端盖a；114直齿轮a；115直驱电机d；116直齿轮b；117轴承端盖b；118水平连杆；119夹子；120机械手连杆a；121轴承端盖c；122机械手连杆b；123轴承端盖d；201支撑柱端盖；202支撑板；203侧摆轴承盖；204电机固定装置；205支撑架；206上套筒；207下套筒；208电机固定套；209侧摆电机；210脊柱电机；211脊柱电机座；212电池组；213联轴器；214丝杠；215拉线板；216箱体；217脊柱固定盖；218脊柱柔性小柱；219脊柱柔性块；220脊柱刚性块；221机械臂电机；222导轨；223滑块；301腿部电机a；302大腿；303大腿带轮；304金属带；305腿部电机b；306输出法兰；307小腿带轮；308轴承端盖；309电机套；310腿部板；311小腿；312减震器圆柱；313减震器弹簧；314前进脚。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种四足仿生机器人，包括执行机构模块1、支撑驱动模块2和行走机构模块3；执行机构模块1用来敲击岩石、抓取标本、并可以辅助支撑机器人从侧倒状态站立；支撑驱动模块2是机器人的躯干部分，用来支撑机器人并驱动行走机构模块3；行走机构模块3用来稳定地移动。

如图2所示，执行机构模块1包括直驱电机a101、电机固定套102、内六角圆柱头螺钉103、轴承104、轴a105、大臂106、肩关节107、直驱电机b108、小臂109、直驱电机c110、轴b111、夹子片112、轴承端盖a113、直齿轮a114、直驱电机d115、直齿轮b116、轴承端盖b117、水平连杆118、夹子119、机械手连杆a120、轴承端盖c121、机械手连杆b122、轴承端盖d123；所述的肩关节107包括两个肩关节支架、底板和连接轴，两个肩关节支架分别固定在底板两侧，连接轴固定在底板的下表面；两个肩关节支架上均设有通孔，所述的直驱电机b108通过内六角圆柱头螺钉103和弹簧垫圈固定在肩关节支架的通孔处；所述的大臂106两端均设有通孔，大臂106的一端通过轴承和轴连接在两个肩关节支架之间，大臂106通过直驱电机b108的驱动绕肩关节107转动；所述大臂106的另一端通过轴承104和轴a105与小臂109的一端连接；直驱电机a101利用电机固定套102和内六角圆柱头螺钉103固定在大臂106与小臂109的连接处；两个夹子片112通过轴b111和轴承固定在小臂109的开口端内侧，并通过轴承端盖a113进行轴向固定；直驱电机c110固定在小臂109的开口端外侧，用于驱动轴b111实现夹子片112微调；所述的直齿轮a114和直齿轮b116均轴向连接在两夹子片112之间，直齿轮a114与直齿轮b116互相啮合，直齿轮b116两轴端与夹子片112之间分别固定水平连杆118，另一对水平连杆竖直固定在与直齿轮b116连接的水平连杆118下方，并通过轴承端盖固定；每对水平连杆118的两端均通过机械手连杆连接；所述机械手连杆轴向安装在夹子119上，并通过轴承端盖c121固定；所述直驱电机d115固定在夹子片112的外侧，用于驱动直齿轮a114旋转，从而带动直齿轮b116的转动；直齿轮b116的转动带动水平连杆118转动，从而带动夹子119实现敲击岩石、抓取标本、并辅助支撑机器人从侧倒状态站立；直齿轮a114和直齿轮b116完全相同，从而保证夹子119开合的同步性，夹子119与水平连杆118构成平行四边形机构，保证夹子119始终保持稳定工作状态。

如图3所示，所述的支撑驱动模块3包括支撑柱端盖201、支撑板202、侧摆轴承盖203、电机固定装置204、支撑架205、上套筒206、下套筒207、电机固定套208、侧摆电机209、脊柱电机210、脊柱电机座211、电池组212、联轴器213、丝杠214、拉线板215、箱体216、脊柱固定盖217、柔性体、机械臂电机221、导轨222、滑块223和轴承透盖；所述柔性体包括脊柱柔性小柱218、脊柱柔性块219和脊柱刚性块220；所述脊柱刚性块220等间距均匀设置，脊柱刚性块220之间均匀粘贴脊柱柔性小柱218，所述脊柱柔性小柱218之间均匀粘贴脊柱柔性快219；通过脊柱柔性小柱218、脊柱柔性块219和脊柱刚性块220的重复连接形成仿生机器人所需的柔性体；两个箱体216通过脊柱固定盖217和螺钉对称固定在柔性体两端；所述箱体216内的底部通过螺钉固定脊柱电机座211，脊柱电机210固定在脊柱电机座211上；脊柱电机210的输出轴通过联轴器213连接丝杠214的一端；丝杠214的另一端水平固定在箱体216上；所述的拉线板215连接在丝杠214上，拉线板215通过钢丝绳与柔性体实现连接；拉线板215底部焊接滑块223，通过丝杠214带动拉线板215上的滑块223沿固定在箱体216底部的导轨222水平移动，从而拉动钢丝绳实现柔性体刚度的改变；所述侧摆电机209通过螺钉固定在箱体216内部；两对支撑板202分别设在两箱体216的外侧，包裹着上套筒206和下套筒207的支撑圆柱穿过支撑架205上、下端的通孔固定在每对支撑板202之间，并通过支撑柱端盖201和螺钉进行轴向固定；支撑架205的左右两端均固定侧摆轴承盖203，其内侧安装电机固定装置204；所述电机固定套208连接在侧摆电机209的输出轴上，电机固定套208通过轴承透盖固定在支撑架205上；所述的电池组212通过螺钉固定在其中一个箱体216的上表面；所述机械臂电机221通过螺钉固定在另一箱体216内的顶部，机械臂电机221的输出轴上设有连接孔，通过过盈配合与肩关节107的连接轴连接，从而实现支撑驱动模块2支撑执行机构模块1并驱动行走机构模块3。支撑驱动模块2通过大量的螺钉连接可以保证支撑模块2的稳定性；柔性体的刚度可调可以最大化地适用于各种工作环境。

如图4所示，所述的行走机构模块3包括腿部电机a301、大腿302、大腿带轮303、金属带304、腿部电机b305、输出法兰306、小腿带轮307、轴承端盖308、电机套309、腿部板310、小腿311、减震器圆柱312、减震器弹簧313和前进脚314；所述的电机套309通过电机固定装置204和电机固定套208固定在支撑架205上，电机固定装置204和电机固定套208的转动带动电机套309转动；电机套309紧紧包裹腿部电机b305；腿部电机b305通过输出法兰306连接在大腿302上端一侧，从而驱动大腿302转动；所述的腿部电机a301与腿部电机b305相对设置，腿部电机a301的输出轴与大腿带轮303、大腿302上端另一侧连接，用于驱动大腿带轮303和大腿302转动；所述大腿302的上、下端分别固定安装大腿带轮303和小腿带轮307；大腿带轮303和小腿带轮307之间安装金属带304；所述腿部板310固定在小腿带轮307和大腿302之间，并通过轴和轴承与小腿311连接，两端用轴承端盖308固定，从而带动小腿311转动；小腿311下端连接减震器圆柱312；所述的减震器圆柱312外均匀套装有减震器弹簧313，减震器圆柱312下端连接前进脚314；由减震器圆柱312和减震器弹簧313组成的减震器可以有效地减缓行走机构模块3在崎岖路面上行走时的振动；前进脚314的曲面设计可以使前进脚314受力均匀，且受力面积大，防止前进脚314损坏。

一种四足仿生机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据不同工作环境及对机器人性能的要求调节柔性体的刚度

根据工作环境需求，电池组212向各电机通电，移动拉线板215带动连接在拉线板215和柔性体之间的钢丝绳，从而调节柔性体的刚度，使四足仿生机器人应用于所需的工作环境中。

步骤二：调节腿部电机b305的转速和倾转角以满足机器人的工作需求

机器人在实际应用时会面对不同的工作环境，不同的工作环境对于机器人前进的步频和步幅有着不同的要求；通过调节电池组212的输出电压来调节各个电机的转速；通过调节侧摆电机209的转速和倾斜角控制电机固定装置204和电机固定套208的转动，进而调节电机套309的倾转角，从而改变电机套309内腿部电机b305的倾转角，实现调节四足仿生机器人前进的步幅和步频，满足不同工作环境的动力要求。

步骤三：调节执行机构模块1的高度与角度

电池组212向机器人内的各个电机通电；通过给直驱电机b108通电可以改变大臂106的位置；通过给直驱电机a101通电可以改变小臂109的位置，通过直驱电机c110通电可以调节夹子片112的位置，通过给驱电机d115通电可以进一步调节夹子119的位置，从而调节执行机构模块1的高度与角度，以此改变机器人的重心从而使机器人适应不同的工作环境。