一种减少驱动关节的四足仿生机器人的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，特别是涉及一种减少驱动关节的四足仿生机器人。

背景技术：

四足仿生机器人结构简单且灵活，能在较为复杂的路面上行进，可以较为轻易地跨过障碍，相比于双足机器人稳定性更强，相比于更多足的机器人驱动关节更少更节省能源和成本，是足式机器人中综合起来较为兼顾的选择。四足仿生机器人可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球探测、消防营救、建筑业、农林采伐、示教娱乐等领域有着广阔的应用前景。

然而，传统四足仿生机器人在设计时，为保证运动稳定且足尖不发生侧滑，多采用三关节腿和刚性机身的方案，共使用至少十二个驱动关节，且关注点大多集中在腿部结构，对于机身结构与腿部的运动联系通常没有给予太多关注。其缺点在于：1)采用至少十二个驱动关节，成本较高，能耗较大。2)机身结构固定，对机器人的运动和姿势不起任何作用，腰部对仿生机器人的运动和适应性调节不起任何作用。

专利号为cn201010219094.3，专利名称为九自由度四足仿生爬行机器人的中国发明专利，公开了一种九自由度四足仿生爬行机器人，包括前躯体、后躯体和四个结构相同的由平行四连杆机构组成的腿部，该机器人通过简化腿部驱动结构减少了驱动关节数量，但没有简化机器人腿部与机身连接处的驱动关节；简化后的腿部在实际制作时更加复杂，降低了腿部的可靠性；机身所在平面只能与运动平面保持平行，降低了机器人灵活度。

公开号cn105818882a，公开日为2016-08-03，名称为一种在腰部使用平面四杆变胞机构的四足仿生机器人的中国发明专利申请中公开了一种在腰部使用平面四杆变胞机构的四足仿生机器人，该机器人的机身拥有多个自由度，但在每种形态下都有冗余的自由度没有充分利用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种减少驱动关节的四足仿生机器人，本发明在保证机器人灵活度的情况下驱动关节更少、更节省成本、减少能源消耗。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种减少驱动关节的四足仿生机器人，包括两条开链和一个机身，所述开链是由第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆构成的平面连杆机构，所述第一杆和第五杆的长度相同，第二杆和第四杆的长度相同，所述第一杆、第二杆、第三杆、第四杆和第五杆之间依次通过第一转动铰链、第二转动铰链、第三转动铰链和第四转动铰链活动连接，所述开链以第三杆的中点为中心左右对称；

所述机身是由前机身和后机身通过第五转动铰链相连构成的平面连杆机构，所述前机身和后机身的两端分别通过第六转动铰链和第七转动铰链与所述第三杆的中点活动连接；所述五转动铰链、第六转动铰链和第七转动铰链的轴线相互平行；

所述第一转动铰链、第二转动铰链、第三转动铰链和第四转动铰链的轴线相互平行且与所述五转动铰链、第六转动铰链和第七转动铰链的轴线相互垂直。

进一步的，可通过所述前机身和后机身调节所述机身的长度以改变两条开链间的距离。

进一步的，前机身和后机身的长度相同。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明通过合并简化四足仿生机器人左右腿部与机身连接的驱动关节，降低了成本和能量消耗。

2.本发明的机身通过改变两条开链中点处与机身连接的转动铰链的距离，消除了爬行过程中重心前移造成的支撑足水平间距的变化，保证足尖无侧滑。

3.本发明在减少驱动关节的基础上保证了机器人足尖的自由度和机身的灵活度。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2-1和图2-2分别是本发明中开链的正视和俯视结构示意图。

图3是本发明机器人中机身的结构示意图。

图4是本发明机器人弯腰步态变为直腰步态的示意图。

图5是本发明机器人直腰步态变为弯腰步态的示意图。

图6是本发明机器人前进运动的一个完整步态周期分解示意图。

图7-1和图7-2为本发明机器人的机身使用线性电机的具体实施方式示意图。

附图标记：1-第一杆，2-第二杆，3-第三杆，4-第四杆，5-第五杆，6-第一转动铰链，7-第二转动铰链，8-第三转动铰链，9-第四转动铰链，10-前机身，11-后机身，12-第五转动铰链，13-第六转动铰链，14-第七转动铰链，15-第三杆

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，其描述仅是对本发明的解释性说明，并不用以限制本发明。

如图1至图3所示，一种减少驱动关节的四足仿生机器人，包括两条开链和一个机身。两条开链为相同的平面五连杆机构，都包含5条杆和4个转动铰链。以一条开链为例，开链以第三杆3的中点为界左右对称，即第一杆1与第五杆5相同，第二杆2与第四杆4相同。两条开链的第三杆3、15的中点分别通过第六转动铰链13、第七转动铰链14与机身连接。机身可以改变第六转动铰链13与第七转动铰链14之间的距离，进而改变两条开链的第三杆3、15中点之间的距离。机身可采用连杆机构，分为前机身10和后机身11，前机身10和后机身11通过第五转动铰链12连接，第六转动铰链13与第七转动铰链14分别位于前机身10和后机身11的两端，前机身10和后机身11通过第五转动铰链12做相对运动，进而改变第六转动铰链13与第七转动铰链14之间的距离，第五转动铰链12、第六转动铰链13与第七转动铰链14的轴线相互平行。

第三杆3、第三杆15、前机身10、后机身11处在相互平行的平面内，两条开链分别以第三杆3、15的中点(即与第六转动铰链13、第七转动铰链14连接处)为界分为左右两部分，由此两条开链被分为4部分构成了机器人的四条相同的腿：其中一条开链的第一杆1、第二杆2、第三杆3的左半部分组成了机器人的左前腿；第四杆4、第五杆5、第三杆3的右半部分组成了机器人的右前腿；同理另一条开链分别形成有左后腿和右后腿。

以第一杆1、第二杆2、第三杆3的左半部分组成的机器人的左前腿为例，第一杆1与第二杆2通过第一转动铰链6连接，具备了一个在竖直平面内的转动自由度；第二杆2与第三杆3通过第二转动铰链7连接，具备了一个在竖直平面内的转动自由度；第三杆3与机身通过第七转动铰链14连接，具备了一个在水平面内转动自由度。由此，机器人的四条腿都各自具备了一定程度上的3个自由度，左前腿、右前腿共享一个在水平面内转动的自由度，左后腿、右后腿共享一个在水平面内转动的自由度。机身可以在一定范围内实现侧倾等动作，具有三维空间上的灵活度。机器人共包含11个转动铰链，即11个自由度，包括两条开链本身各自的四个自由度、开链与机身连接的两个自由度、前后机身相互之间转动的自由度，比普通的使用3自由度腿的四足机器人减少了一个驱动关节，并最大限度地保证了机器人的灵活度。

如图4所示为机器人弯腰步态变为直腰步态的示意图。机器人弯腰步态变为直腰步态的过程中，左前腿足尖在第一转动铰链6和第二转动铰链7的驱动下抬起，在第五转动铰链12、第六转动铰链13与第七转动铰链14的联合驱动下前移，右前腿、左后腿、右后腿足尖接触地面作为支撑，机身在第五转动铰链12、第六转动铰链13与第七转动铰链14的联合驱动下由弯折变为挺直，机器人的重心始终落在由三条支撑足足尖连线构成的三角形内，并向左前移动。当机身变为挺直状态，机器人重心刚好落在由三条支撑足足尖连线构成的三角形的边线上，此时左前腿移动到位，足尖落下，支撑足变为4个，机器人重心落在四条支撑足足尖连线构成的四边形内。至此，机器人完成弯腰步态变为直腰步态的过程，重心向左前方移动了一段距离，重心在机器人前进方向上移动的距离为左前腿前移距离的四分之一。

如图5所示为机器人直腰步态变为弯腰步态的示意图。机器人直腰步态变为弯腰步态的过程中，右后腿足尖在相应转动铰链的驱动下抬起，在第五转动铰链12、第六转动铰链13与第七转动铰链14的联合驱动下前移，左前腿、右前腿、左后腿足尖接触地面作为支撑，机身在第五转动铰链12、第六转动铰链13与第七转动铰链14的联合驱动下由挺直变为弯折，机器人的重心由刚好落在三条支撑足足尖连线构成的三角形的边线上向三角形内移动，移动方向为左前。当机身变为弯折状态，机器人重心落在由三条支撑足足尖连线构成的三角形内，此时右后腿移动到位，足尖落下，支撑足变为4个，机器人重心落在四条支撑足组建连线构成的四边形内。至此，机器人完成直腰步态变为弯腰步态的过程，重心向左前方移动了一段距离，重心在机器人前进方向上移动的距离为右后腿前移距离的四分之一。

如图6所示是本发明四足仿生机器人前进运动的一个完整步态周期分解示意图，一个完整的步态周期包含两个弯腰步态和两个直腰步态共4个步骤。机器人的四条腿要依次前移以保证机器人时刻保持至少有三条支撑腿，实现运动过程中重心能够平稳移动。由于机器人支撑腿的变化和为了重心的稳定，弯腰步态分为左弯腰步态和右弯腰步态。以机器人的右弯腰步态为运动的初始姿态为例，完整的步态周期为：右弯腰步态(初始姿态)——直腰步态——左弯腰步态——直腰步态——右弯腰步态(初始姿态)。一个完整的步态周期中，机器人四条腿依次前移的距离之和的四分之一即为机器人重心的前移距离。机器人通过循环完成一个个完整的步态周期实现连续的稳定的直线爬行。另外，通过控制四条腿前移的距离差可实现机器人爬行运动中的左转弯爬行和右转弯爬行。

进一步的，可在本发明的四足仿生机器人的机身上使用线性电机代替转动铰链，即机身可进行伸缩，线性电机可通过改变机身的长度以达到改变第六转动铰链13与第七转动铰链14之间的距离的效果。如图7-1所示为线性电机推杆伸出，机身变长，此时机器人步态效果等同于连杆机身下的直腰步态；如图7-2所示为线性电机推杆收缩，机身变短，此时机器人步态效果等同于连杆机身下的弯腰步态。采用线性电机的机身能够改变自身长度，在机器人直线爬行时使得机身重心在一条直线上移动，避免了使用连杆机构的机身在机器人直线爬行时重心斜向移动、移动幅度较大等问题。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。