仿生四足机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿生四足机器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎组成脊椎，腿部包括前后两对腿，两对腿分别通过具有俯仰和侧摆两个自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与后脊椎活动联接，后脊椎固定于后肩梁上；每一条腿都是大腿和小腿一体化结构，大腿是刚性板，膝部和小腿是由有弹性的钢板构成；前脊椎的后端呈稍宽的长方形，该长方形中心处设有一通孔，通孔中设置有橡胶圈，前脊椎的后端通过一穿过橡胶圈的长销轴及螺母与后脊椎相连，且长销轴与橡胶圈之间有间隙；前脊椎后端分别固定有上、下、左、右四个向外自由穿出后脊椎框架的销，每个销上均套有弹簧。
【专利说明】仿生四足机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人，尤其是一种仿生四足机器人。
【背景技术】
[0002]目前，四足机器人大多采用刚性机体结构，存在躯体姿态不平稳和地面冲击力大等问题，无法满足跳跃，奔跑等高速运动，也不能在不平的地面稳定行走，为克服上述不足，提高四足机器人的动态性能，非常需要设计一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人。四足机器人身体需要具有俯仰的自由度，横滚自由度，和偏转自由度。腿部要有弹性。
[0003]中国专利申请:201110196221.7公开了一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人。分为前躯干、脊柱、腰部、后躯干以及四条结构相同的腿几部分；前躯干或后躯干中的轴承与各条腿上的法兰轴构成转动副，前躯干与脊柱用转动副联接，由电机和齿轮组驱动，使机器人身体具有俯仰的自由度，脊柱与腰部用带有扭簧的转动副联接，使机器人身体具有横滚自由度，腰部和后躯干也用带有扭簧的转动副联接，使机器人身体具有偏转自由度，机器人腿部由大腿，小腿构成，都由电机和齿轮组驱动，小腿装有压簧。该专利申请结构较为复杂，制作成本高，驱动多，能耗高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种仿生四足机器人，该机器人的运动稳定性好，减小了机器人的冲击。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种仿生四足机器人，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎组成脊椎，所述腿部包括前后两对腿，两对腿分别通过具有俯仰和侧摆两个自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与后脊椎活动联接，后脊椎固定于后肩梁上，依靠悬臂梁的变形提供脊椎竖直方向的自由度；
每一条腿都是大腿和小腿一体化结构，大腿是刚性板，膝部和小腿是由有弹性的钢板构成；机器人行走时，膝部和小腿可有弯曲变形以缓冲冲击。驱动时，只在大腿处加电机驱动即可。
[0006]所述前脊椎的后端呈比中部稍宽的长方形，该长方形中心处设有一通孔，通孔中设置有橡胶圈，前脊椎的后端通过一穿过橡胶圈的长销轴及螺母与后脊椎相连，且长销轴与橡胶圈之间有间隙；
所述前脊椎后端的长方形部分的相对两个对角处分别固定有一个垂直向下、一个垂直向上均穿出后脊椎的下销和上销，另两个相对对角处分别固定有一个水平向左、一个水平向右均穿出后脊椎的左销和右销，所述上销、下销、左销和右销与后脊椎上的穿出口之间均为间隙配合，所述前、后脊椎之间的上销、下销、左销和右销上均套有一弹簧，依靠弹簧的压缩或伸长，提供脊椎的横滚自由度和偏转自由度。
[0007]所述后脊椎是由后脊椎上板、后脊椎下板和左右挡板通过螺栓、螺母联接组成的长方体框架结构。
[0008]所述髋关节上下水平设置有两个呈十字交叉的孔，髋关节分别经销轴穿过上、下孔与腿部上端及前、后肩梁活动铰接。
[0009]所述前脊椎的俯视图大体呈工字型，即两头宽中间细。
[0010]所述前脊椎是由钢板组成，前脊椎后半部可变形。
[0011]所述膝部和小腿的弹性钢板的厚度小于大腿钢板的厚度。
[0012]所述腿部的前腿和后腿的弯曲方向相对。
[0013]本发明是由四条柔性腿、四个髋关节、前肩梁、后肩梁、前脊椎、后脊椎组成。四条腿分别通过四个髋关节与前肩梁、后肩梁相连。每个髋关节具有两个自由度(俯仰和侧摆)。
[0014]本发明的四条柔性腿都是大腿和小腿一体化。大腿是刚性的，膝部和小腿是由有弹性的薄钢板构成。当机器人行走时，膝部和小腿可有一定的弯曲变形，以缓冲冲击。
[0015]两条前腿通过髋关节与前肩梁联接；前脊椎的前端通过螺栓、螺母联接在前肩梁上，后脊椎是由后脊椎上板和后脊椎下板组成的长方体框架结构，并通过螺栓和螺母与后肩梁联接；两条后腿分别通过髋关节与后肩梁联接。
[0016]本发明的柔性脊椎具有竖直方向的俯仰自由度，水平方向的偏转自由度，以及脊椎的横滚自由度。前脊椎呈悬臂梁状固定在前肩梁上，依靠悬臂梁的变形提供脊椎竖直方向的自由度。前脊椎通过长销轴和螺母与后脊椎相连，长销轴穿过前脊椎后端的中心孔，此中心孔处设有一橡胶圈。长销轴与橡胶圈间有间隙。当前脊椎后半部有横滚或沿脊椎轴线前后有变形时，此橡胶圈可径向变形以缓冲冲击。
[0017]前脊椎的后端对角处固定上销，上销上套有上弹簧，另一对角处固定下销，下销上套有下弹簧，当脊椎横滚时，上弹簧和下弹簧可同时压缩或伸长，提供脊椎的横滚自由度。前脊椎的后端水平面处的对角处固定右销，右销上套有右弹簧，另一对角处固定左销和套在左销上的左弹簧，当前脊椎后部相对于后脊椎水平面方向需要偏转时，右弹簧和左弹簧可同时压缩或伸长，提供脊椎的偏转自由度。
[0018]本发明是具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人。四足机器人身体具有俯仰的自由度，横滚自由度和偏转自由度，腿部有弹性。本发明采用柔性机构替代传统的刚性结构，增加机器人的运动稳定性，减小机器人的冲击。驱动时，只在大腿处加电机驱动即可。驱动减少，能耗降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是图2中A-A向剖视图；
图2是一个实施例的俯视图；
图3是图1中I部分放大图；
图4是图2中II部分放大图；
图5是图2中D-D向即腰部剖视图；
图6是图2中B-B向剖视即后脊椎联接图；
图7是图1中E-E向即髋关节剖视图；
图8是弹簧布置图；
图9是前脊椎俯视图； 图10是后脊椎主视剖面图；
图11是一个实施例的三维图；
其中1.第一螺栓，2.第一螺母，3.上弹簧，4.上销，5.第二螺栓，6.第二螺母，7.下销，8.髋关节，9.下弹簧，10.左弹簧，11.后肩梁，12.后腿，13.第三螺栓，14.第三螺母，15.前腿，16.前肩梁，17.第四螺栓，18第四螺母，19.前脊椎，20.后脊椎下板，21.右挡板，22.右销，23.右弹簧，24.橡胶圈，25.长销轴，26.第五螺母，27.后脊椎上板，28.左挡板，29.左销。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0021]如图1-11所示，仿生四足机器人主要由四条柔性腿、四个髋关节8、前肩梁16、后肩梁11、前脊椎19、后脊椎组成。所述腿部包括前后两对腿，四条腿分别通过四个髋关节8与前肩梁16、后肩梁22相连。每个髋关节8具有两个自由度(俯仰和侧摆)。髋关节8上下水平设置有两个呈十字交叉的孔，髋关节8分别经销轴穿过上、下孔与腿部上端及前、后肩梁16、11活动铰接。后脊椎固定于后肩梁11上。
[0022]四条柔性腿的每一条腿都是大腿和小腿一体化结构，大腿是刚性板，膝部和小腿是由有弹性的钢板构成；机器人行走时，膝部和小腿可有弯曲变形以缓冲冲击。驱动时，只在大腿处加电机驱动即可。前腿15和后腿12的弯曲方向相对。两条前腿15通过髋关节8与前肩梁16联接；两条后腿12通过髋关节8与后肩梁11联接。
[0023]柔性脊椎具有竖直方向的俯仰自由度，水平方向的偏转自由度，以及脊椎的横滚自由度。前脊椎19是由钢板组成，前脊椎后半部可变形。前脊椎19的俯视图大体呈工字型，即两头宽中间细。前脊椎19 (图9)的前端通过第四螺栓17、第四螺母18连接在前肩梁16上。后脊椎由后脊椎上板27、后脊椎下板20和左、右挡板28、21通过第三螺栓13、第三螺母14联接组成的长方体框架结构，并通过第一螺栓I和第一螺母2与后肩梁11联接。
[0024]前脊椎19呈悬臂梁状态，其前端固定在前肩梁16中部，依靠悬臂梁的变形提供脊椎竖直方向的自由度。前脊椎19后端呈比中部稍宽的长方形，该长方形中心处设有一通孔，通过长销轴25穿过该通孔与后脊椎相连，并通过第五螺母26固定，此通孔中设有一橡胶圈24。长销轴25与橡胶圈24间有间隙。当前脊椎后半部有横滚或沿脊椎轴线前后有变形时，此橡胶圈24可径向变形以缓冲冲击。
[0025]前脊椎19的后端长方形的一个对角处通过第二螺栓5和第二螺母6固定垂直向上自由穿出后脊椎的上销4，前脊椎19与后脊椎之间的上销4上套有上弹簧3 ;另一相对的对角处通过第二螺栓5和第二螺母6固定垂直向下自由穿出后脊椎的下销7，前脊椎19与后脊椎之间的下销7上套有下弹簧9。当脊椎横滚时，上弹簧3和下弹簧9可同时压缩或伸长，提供脊椎的横滚自由度。
[0026]前脊椎19的后端水平面处的剩余的两个对角处的其中一个对角处固定水平向右自由穿出后脊椎的右销22，前脊椎19与后脊椎之间的右销22上套有右弹簧23 ;另一对角处固定水平向左自由穿出后脊椎的左销29和套在左销29上的左弹簧10。当前脊椎后部相对于后脊椎水平面方向需要偏转时，右弹簧23和左弹簧10可同时压缩或伸长，提供脊椎的偏转自由度。弹簧布置见图8。上销4、下销7、左销29和右销22与后脊椎上的穿出口之间均为间隙配合。
[0027]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种仿生四足机器人，其特征是，包括腿部、前肩梁、后肩梁、前脊椎和后脊椎，前脊椎和后脊椎组成脊椎，所述腿部包括前后两对腿，两对腿分别通过具有俯仰和侧摆两个自由度的髋关节与前肩梁和后肩梁相连，前脊椎一端呈悬臂梁状水平固定于前肩梁中部，另一端与后脊椎活动联接，后脊椎固定于后肩梁上，依靠悬臂梁的变形提供脊椎竖直方向的自由度； 四条柔性腿的每一条腿都是大腿和小腿一体化结构，大腿是刚性板，膝部和小腿是由有弹性的钢板构成；机器人行走时，膝部和小腿有弯曲变形以缓冲冲击，驱动时，只在大腿处加电机驱动即可； 所述前脊椎的后端呈比中部宽的长方形，该长方形中心处设有一通孔，通孔中设置有橡胶圈，前脊椎的后端通过一穿过橡胶圈的长销轴及螺母与后脊椎相连，且长销轴与橡胶圈之间有间隙； 所述前脊椎后端的长方形部分的相对两个对角处分别固定有一个垂直向下、一个垂直向上均穿出后脊椎的下销和上销，另两个相对对角处分别固定有一个水平向左、一个水平向右均穿出后脊椎的左销和右销，所述上销、下销、左销和右销与后脊椎上的穿出口之间均为间隙配合，所述前、后脊椎之间的上销、下销、左销和右销上均套有一弹簧，依靠弹簧的压缩或伸长，提供脊椎的横滚自由度和偏转自由度。
2.如权利要求1所述的仿生四足机器人，其特征是，所述后脊椎是由后脊椎上板、后脊椎下板和左、右挡板通过螺栓、螺母联接组成的长方体框架结构。
3.如权利要求1所述的仿生四足机器人，其特征是，所述髋关节上下水平设置有两个呈十字交叉的孔，髋关节分别经销轴穿过上、下孔与腿部上端及前、后肩梁活动铰接。
4.如权利要求1所述的仿生四足机器人，其特征是，所述前脊椎的俯视图大体呈工字型，即两头宽中间细。
5.如权利要求1所述的仿生四足机器人，其特征是，所述前脊椎是由钢板组成，前脊椎后半部可变形。
6.如权利要求1所述的仿生四足机器人，其特征是，所述膝部和小腿的弹性钢板的厚度小于大腿钢板的厚度。
7.如权利要求1所述的仿生四足机器人，其特征是，所述腿部的前腿和后腿的弯曲方向相对。
【文档编号】B62D57/032GK104309716SQ201410520580
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】马宗利, 刘永超, 朱彦防, 王建明 申请人:山东大学