本发明属于机器人领域，具体涉及一种多自由度四足仿生机器人。
背景技术：
目前，机器人由于其特有的高效率、高精度、高可靠性、低能耗、低污染、低致错率等特点已广泛应用于工业、农业、服务业等行业，既提高了生产效率，又降低了生产成本。机器人依据移动方式分为仿生型腿足式机器人、轮式机器人、履带式机器人。其中，轮式机器人、履带式机器人能够适应高强度作业和恶劣的气候环境，执行载荷较大的任务，然而，轮式机器人、履带式机器人由于与地面为连续式接触(面式或线式接触)，导致其机动性相对较差、灵活性不足，其工作的范围受地形变化的影响较大，对机动性要求较高的场合无法迅速准确完成既定任务，而且自由度较少的机器人同样面临相似的问题。另一方面，传统的腿足式机器人虽能能够实现与地面的单点或多点接触，但机器人整体的承载能力弱，适应地形变化的能力小，运动性能不稳定。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种多自由度四足仿生机器人，克服现有机器人承载能力弱、适应地形变化的能力小、运动性能不稳定的缺陷。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种多自由度四足仿生机器人，包括躯干和四个下肢，四个下肢均匀对称地分布在躯干下方的四角，且四个下肢的结构完全相同；所述躯干包括六自由度并联机构和用于分别驱动每个下肢运动的四个驱动单元；所述六自由度并联机构的一端固定两个所述驱动单元，另一端固定另两个驱动单元；
所述六自由度并联机构包括相互平行设置的动平台和静平台，在动平台上固定有六个杆件电机，在杆件电机和静平台之间连接有六根杆件用于将动平台和静平台连接起来；六根杆件能独立伸缩且能绕连接点自由摆动用以同时协调动作以实现在三维空间内的相应动作，提高机器人的运动性能和灵活性；
所述下肢包括腿部、踝关节和脚掌；腿部上端固定连接驱动单元，腿部下端可转动连接所述踝关节的上端；踝关节的下端可转动连接所述脚掌的上端；
所述踝关节包括与脚掌连接的支撑板、与支撑板前后两端可转动连接的支撑框、与支撑框左右两端可转动连接的支撑架、丝杆传动单元和用于控制踝关节的踝关节控制单元；所述丝杆传动单元上端固定在支撑架上部，丝杆传动单元下端的两个连接端通过两个第一连杆铰接支撑板的左右两端、通过两个第二连杆铰接支撑架的左右两端，用以实现控制支撑板的俯仰运动和翻转运动；
所述脚掌包括与踝关节连接的脚跟、倾斜布设的足弓、设于足弓上表面的脚掌控制单元和位于足弓端部的脚趾；所述足弓的两端通过扭簧分别与脚跟的上部和脚趾连接，扭簧能实现足弓与脚跟、脚趾之间的相对转动，使脚跟底面和脚趾能作为承重点与地面接触。
本发明还具有如下技术特征：
可选地，所述踝关节控制单元包括控制盒和传感器；控制盒安装在支撑架上，控制盒用于接收、处理踝关节上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节执行相应操作；
所述丝杆传动单元包括从下至上依次连接的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机、与丝杆同轴的丝杆运动导轨和连接支座；
所述丝杆一端通过螺纹与连接端实现固定连接，丝杆另一端与配置在电机的输出轴上的自锁主轴螺母机构相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构转动，进而带动丝杆上下运动，并通过踝关节控制单元中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机转动角度、控制电机的正反转，实现踝关节的上下运动和翻转运动；
所述丝杆与自锁主轴螺母机构啮合后引导入丝杆运动导轨内，丝杆运动导轨上端与连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部；所述自锁主轴螺母机构连接所述电机，所述电机为带减速器的线性无刷直流电机，在电机上部设有用于连接配重减振棒的连接口，配重减振棒用于丝杆传动单元运动时为第一连杆和第二连杆提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。
可选地，所述丝杆传动单元的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机和丝杆运动导轨均为平行并列设置的两个，两个丝杆运动导轨上端均与同一个连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部。
可选地，所述支撑板前后两端设有可旋转的第一支撑轴，在支撑板的左右两端设有可旋转的第二支撑轴，在第二支撑轴上开设有贯通的限位孔，支撑板下端设有脚掌连接件；
所述支撑架为倒y形结构，支撑架的上端为腿部连接环，支撑架的倒y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件。
可选地，所述支撑框为方形结构，支撑板通过第一支撑轴安装在支撑框的前后两条边上，第一支撑轴通过过盈配合与支撑框的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架下方的两个端部通过支架连接件连接在支撑框的左右两条边上，支架连接件与支撑架采用螺栓固定连接，支撑框相对于支撑架和支架连接件能够转动。
可选地，所述第一连杆上下两端均设有安装孔，第一连杆的下端安装孔套在第二支撑轴外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔并通过过盈配合与第一连杆实现固定连接；
所述第二连杆为h形结构，第二连杆的上端通过连杆连接轴与支撑架的第二连杆铰接件铰接；
所述第一连杆的上端、第二连杆的下端与丝杆传动单元下端的连接端通过连杆连接轴铰接。
可选地，所述脚掌控制单元通过螺钉与足弓固定连接，脚掌控制单元与足弓的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元不受外界环境的干扰；
在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓与脚跟、脚趾的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元判断脚掌当前状态提供状态参数；
所述脚跟下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；
所述脚趾部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。
可选地，在脚跟与足弓的端部之间设有弹性缆绳，弹性缆绳能够保证脚掌部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。
可选地，在脚跟的上端设有能将脚掌与踝关节可旋转连接的踝关节连接件，使两者有一定角度的偏转自由度，以缓解机器人遇到碰撞或干扰时对机器人稳定性的影响。
可选地，所述踝关节连接件与脚掌连接件可转动连接。
可选地，所述第一连杆与支撑板的左右两端能够采用球铰机构连接用以实现第一连杆与支撑板绕第一支撑轴做翻转运动。
可选地，所述六个杆件电机两个为一组按圆周均匀分布在动平台上，在静平台上按圆周均匀分布有三组杆件铰接件，每组杆件铰接件有两个；
每组杆件电机与杆件铰接件错位设置，在杆件电机与距离最近的杆件铰接件之间铰接有所述杆件，从而通过动平台和静平台之间的六个可活动的杆件实现六自由度并联机构的多自由度运动。
可选地，所述杆件与杆件铰接件铰接；所述杆件与杆件电机之间设有连杆，连杆一端与杆件电机可转动连接，连杆的另一端与杆件通过鱼眼球铰连接；
杆件在鱼眼球铰配合下，可以做空间运动，连杆可绕杆件电机做圆周旋转，在连杆和鱼眼球铰的作用下，杆件的空间运动增大；其中鱼眼球铰使六自由度平台的空间大大增大，提高了整机的运动性能和灵活性。
可选地，所述驱动单元包括驱动电机，驱动电机下端固定连接所述腿部的上端；驱动电机的一端固定在动平台或静平台外侧，驱动电机的另一端固定有竖向的驱动电机固定板，在驱动电机固定板下端连接有横向的驱动电机支撑板，驱动电机支撑板位于驱动电机下方，且驱动电机支撑板的端部垂直连接静平台或动平台的外侧；所述驱动电机固定板和驱动电机支撑板均为t字形结构。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(ⅰ)本发明提供的多自由度四足仿生机器人的并联方式的躯干能够扩大四足仿生机器人的运动空间，增加了机器人整体的刚度，能够有效应对外部干扰，同时，此种方式的六自由度并联机构也有助于机器人姿态的调整和运动路径的合理规划，另一方面，此种设计方式也极大地降低了机器人躯干部位的机械复杂度，提高了四足机器人运动精度；依据仿生学原理设计的下肢系统实现了脚掌与地面的面接触，使机器人对复杂地形的适应能力大幅提高，动态和静态稳定性也有一定程度的改善，同时大幅度地扩充了四足仿生机器人的应用范围。
(ⅱ)本发明的踝关节与脚掌，能够有效提高腿式机器人对复杂地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的可靠性，提高机器人在不规则地形环境下行走稳定性，扩充机器人脚掌与环境的交互能力，并相应降低了脚掌的机械复杂度，提高了踝关节与脚掌的控制精度。
(ⅲ)本发明的踝关节与脚掌，踝关节部分，将支撑板与第一连杆通过连杆连接轴进行连接，且第一连杆能够带动内支撑体做旋转运动，大大降低了机构复杂度，提高了机器人运动平稳性，使机器人踝关节具有一定的柔性；采用左右对称的两个四连杆实现踝关节的俯仰运动和翻转运动，运动稳定性高且易于控制；采用自锁丝杆主轴螺母机构为两个四连杆机构提供动力，在踝关节处于稳定状态时，丝杆传动单元的自锁功能能够保证机器人的动作稳定性，并能够在机器人由稳定态转为运动态时提高系统的响应时间，并且丝杆传动单元与支撑架采用铰接方式连接，因此其能够相对于支撑架转动，大幅增加了机器人在遇到外界撞击或复杂地形时的系统柔性和运动稳定性。
(ⅳ)脚掌部分的脚跟与足弓、足弓与左右脚趾之间采用扭簧连接，并在脚掌部分设置了大量的用于获取机器人与地形环境的传感器，不但能够降低脚掌部分机械机构的复杂度，提高机器人整体控制精度，还能减轻脚掌部分整体质量，降低控制系统难度；另外，在脚跟与足弓之间设置了弹性缆绳，弹性缆绳外部由弹塑性良好的材料包覆，而且脚跟部位设置了弹性良好的橡胶材料用于降低脚掌触地时的振动对机器人本体的影响，并且弹性缆绳还能保证脚掌在遇到凸起障碍物时仍然能与地面有良好的接触，以确保机器人整体的动态稳定性和静态稳定性。
(ⅴ)本发明的躯干的六自由度并联机构有助于机器人姿态的调整和运动路径的合理规划，也极大地降低了机器人躯干部位的机械复杂度，提高了四足机器人运动精度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的整体结构示意图。
图3为本发明的六自由度并联机构的整体结构示意图。
图4为本发明的驱动电机结构示意图。
图5为本发明的驱动电机结构示意图。
图6为本发明的驱动电机固定板结构示意图。
图7为本发明的驱动电机支撑板结构示意图。
图8为本发明的下肢结构示意图。
图9为本发明的踝关节和脚掌整体结构示意图。
图10为本发明的踝关节和脚掌整体结构的侧视图。
图11为本发明的踝关节的整体结构示意图。
图12为本发明的支撑板的结构示意图。
图13为本发明的支撑架的结构示意图。
图14为本发明的第一连杆的结构示意图。
图15为本发明的第二连杆的结构示意图。
图中各标号表示为：1-下肢，2-躯干；
10-踝关节，20-脚掌，30-腿部，40-六自由度并联机构，50-驱动单元；
11-支撑板，12-支撑框，13-支撑架，14-丝杆传动单元，15-踝关节控制单元，16-第一连杆，17-第二连杆；
111-第一支撑轴，112-第二支撑轴，113-限位孔，114-脚掌连接件；
131-腿部连接环，132-第二连杆铰接件，133-支架连接件；
141-连接端，142-丝杆，143-自锁主轴螺母机构，144-电机，145-丝杆运动导轨，146-连接支座，147-配重减振棒；
151-控制盒；
161-安装孔；
21-脚跟，22-足弓，23-脚掌控制单元，24-脚趾，25-弹性缆绳；
211-踝关节连接件；
41-动平台，42-静平台，43-杆件，44-连杆，45-鱼眼球铰；
411-杆件电机，421-杆件铰接件；
51-驱动电机，52-驱动电机固定板，53-驱动电机支撑板。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1：
本实施例给出一种多自由度四足仿生机器人，如图1至图15所示，包括躯干2和四个下肢1，四个下肢1均匀对称地分布在躯干2下方的四角，且四个下肢1的结构完全相同；所述躯干2包括六自由度并联机构40和用于分别驱动每个下肢1运动的四个驱动单元50；所述六自由度并联机构40的一端固定两个所述驱动单元50，另一端固定另两个驱动单元50；
所述六自由度并联机构40包括相互平行设置的动平台41和静平台42，在动平台41上固定有六个杆件电机411，在杆件电机411和静平台42之间连接有六根杆件43用于将动平台和静平台连接起来；六根杆件43能独立伸缩且能绕连接点自由摆动用以同时协调动作以实现在三维空间内的相应动作，提高机器人的运动性能和灵活性；
所述下肢包括腿部30、踝关节10和脚掌20；腿部30上端固定连接驱动单元50，腿部30下端可转动连接所述踝关节10的上端；踝关节10的下端可转动连接所述脚掌20的上端；
踝关节10包括与脚掌20连接的支撑板11、与支撑板11前后两端可转动连接的支撑框12、与支撑框12左右两端可转动连接的支撑架13、丝杆传动单元14和用于控制踝关节10的踝关节控制单元15；所述丝杆传动单元14上端固定在支撑架13上部，丝杆传动单元14下端的两个连接端141通过两个第一连杆16铰接支撑板11的左右两端、通过两个第二连杆17铰接支撑架13的左右两端，用以实现支撑板11的俯仰运动和翻转运动；踝关节部分，将支撑板与第一连杆通过连杆连接轴进行连接，且第一连杆能够带动内支撑体做旋转运动，大大降低了机构复杂度，提高了机器人运动平稳性，使机器人踝关节具有一定的柔性；采用左右对称的两个四连杆实现踝关节的俯仰运动和翻转运动，运动稳定性高且易于控制；采用自锁丝杆主轴螺母机构为两个四连杆机构提供动力，在踝关节处于稳定状态时，丝杆传动单元的自锁功能能够保证机器人的动作稳定性，并能够在机器人由稳定态转为运动态时提高系统的响应时间，并且丝杆传动单元与支撑架采用铰接方式连接，因此其能够相对于支撑架转动，大幅增加了机器人在遇到外界撞击或复杂地形时的系统柔性和运动稳定性。
脚掌20包括与踝关节10连接的脚跟21、倾斜布设的足弓22、设于足弓22上表面的脚掌控制单元23和位于足弓22端部的脚趾24；所述足弓22的两端通过扭簧分别与脚跟21的上部和脚趾24连接，扭簧能实现足弓22与脚跟21、脚趾24之间的相对转动，使脚跟21底面和脚趾24能作为承重点与地面接触。脚掌部分的脚跟与足弓、足弓与左右脚趾之间采用扭簧连接，并在脚掌部分设置了大量的用于获取机器人与地形环境的传感器，不但能够降低脚掌部分机械机构的复杂度，提高机器人整体控制精度，还能减轻脚掌部分整体质量，降低控制系统难度；另外，在脚跟与足弓之间设置了弹性缆绳，弹性缆绳外部由弹塑性良好的材料包覆，而且脚跟部位设置了弹性良好的橡胶材料用于降低脚掌触地时的振动对机器人本体的影响，并且弹性缆绳还能保证脚掌在遇到凸起障碍物时仍然能与地面有良好的接触，以确保机器人整体的动态稳定性和静态稳定性。
通过上述技术方案，本发明提供的多自由度四足仿生机器人，能够有效提高腿式机器人对复杂地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的可靠性，提高机器人在不规则地形环境下行走稳定性，扩充机器人脚掌与环境的交互能力，并相应降低了脚掌的机械复杂度，提高了踝关节与脚掌的控制精度。
本实施例中，踝关节控制单元15包括控制盒151和传感器；控制盒151安装在支撑架13上，控制盒151用于接收、处理踝关节10上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节10执行相应操作。
丝杆传动单元14包括从下至上依次连接的连接端141、丝杆142、自锁主轴螺母机构143、电机144、与丝杆142同轴的丝杆运动导轨145和连接支座146；本实施例中的连接端141为倒u形结构，丝杆142一端通过螺纹与连接端141顶部实现固定连接，丝杆142另一端与配置在电机144的输出轴上的自锁主轴螺母机构143相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构143转动，进而带动丝杆142上下运动，并通过踝关节控制单元15中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机144转动角度、控制电机144的正反转，实现踝关节10的上下运动和翻转运动；丝杆142与自锁主轴螺母机构143啮合后引导入丝杆运动导轨145内，丝杆运动导轨145上端与连接支座146铰接，连接支座146固定在支撑架13上部；所述自锁主轴螺母机构143连接所述电机144，所述电机144为带减速器的线性无刷直流电机，在电机144上部设有用于连接配重减振棒147的连接口，配重减振棒147用于丝杆传动单元14运动时为第一连杆16和第二连杆17提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。
在本实施例中，丝杆传动单元14的连接端141、丝杆142、自锁主轴螺母机构143、电机144和丝杆运动导轨145均为平行并列设置的两个，两个丝杆运动导轨145上端均与同一个连接支座146铰接，连接支座146固定在支撑架13上部。当两电机144接收到踝关节控制单元15发出的同向旋转信号后，自锁主轴螺母机构143会推动丝杆142进而驱动第一连杆16、第二连杆17、支撑框12、支撑板11绕支撑架13做一定角度的俯仰运动；当两电机144接收到踝关节控制单元15发出的异向旋转信号后，自锁主轴螺母机构143会推动丝杆142进而驱动第一连杆16、第二连杆17、支撑框12、支撑板11绕第一支撑轴111做一定角度的翻转运动，进而保持机器人整体的运动稳定性。
本实施例中，支撑板11前后两端设有可旋转的第一支撑轴111，在支撑板11的左右两端设有可旋转的第二支撑轴112，在第二支撑轴112上开设有贯通的限位孔113，支撑板11下端设有脚掌连接件114；优选的，在支撑板11上设有贯通孔，从而减轻踝关节的重量；支撑架13为倒y形结构，支撑架13的上端为腿部连接环131，支撑架13的倒y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件132。
具体的，支撑框12为方形结构，支撑板11通过第一支撑轴111安装在支撑框12的前后两条边上，第一支撑轴111通过过盈配合与支撑框12的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架13下方的两个端部通过支架连接件133连接在支撑框12的左右两条边上，支架连接件133与支撑架13采用螺栓固定连接，支撑框12相对于支撑架13和支架连接件133能够转动。
具体的，第一连杆16上下两端均设有安装孔161，第一连杆16的下端安装孔161套在第二支撑轴112外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔113并通过过盈配合与第一连杆16的下端安装孔161内壁实现固定连接；第二连杆17为h形结构，第二连杆17的上端铰接夹板通过连杆连接轴与支撑架13的第二连杆铰接件132铰接；第一连杆16的上端的安装孔161、第二连杆17的下端的交接夹板与丝杆传动单元14下端的连接端的u形的铰接夹板通过连杆连接轴铰接，其中，第一连杆16的上端的安装孔161位于丝杆传动单元14下端的连接端的u形的铰接夹板之间，丝杆传动单元14下端的连接端的u形的铰接夹板位于第二连杆17的下端的交接夹板之间，从而实现三个部件的铰接。
在本实施例中，脚掌控制单元23通过螺钉与足弓22固定连接，脚掌控制单元23与足弓22的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元23不受外界环境的干扰；在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓22与脚跟21、脚趾24的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元23；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元23判断脚掌20当前状态提供状态参数；脚跟21下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟21与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；脚趾24部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。具体的，在本实施例中，脚趾24设有两个，分别为左脚趾和右脚趾，提高脚掌20的稳定性和灵活性。
优选的，在脚跟21与足弓22的端部之间设有弹性缆绳25，弹性缆绳25能够保证脚掌20部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。
具体的，在脚跟21的上端设有能将脚掌20与踝关节10可旋转连接的踝关节连接件211，使两者有一定角度的偏转自由度，以缓解机器人遇到碰撞或干扰时对机器人稳定性的影响。
更具体的，踝关节连接件211与脚掌连接件114可转动连接。
在其他实施例中，第一连杆16与支撑板11的左右两端能够采用球铰机构连接用以实现第一连杆16与支撑板11绕第一支撑轴111做翻转运动。
在本实施例中，六个杆件电机411两个为一组按圆周均匀分布在动平台41上，在静平台42上按圆周均匀分布有三组杆件铰接件421，每组杆件铰接件421有两个；
每组杆件电机411与杆件铰接件421错位设置，在杆件电机411与距离最近的杆件铰接件421之间铰接有所述杆件43，从而通过动平台41和静平台42之间的六个可活动的杆件43实现六自由度并联机构40的多自由度运动。
具体的，杆件43与杆件铰接件421铰接；所述杆件43与杆件电机411之间设有连杆44，连杆44一端与杆件电机411可转动连接，连杆44的另一端与杆件43通过鱼眼球铰45连接；
杆件43在鱼眼球铰45配合下，可以做空间运动，连杆44可绕杆件电机411做圆周旋转，在连杆44和鱼眼球铰45的作用下，杆件43的空间运动增大；其中鱼眼球铰45使六自由度平台的空间大大增大，提高了整机的运动性能和灵活性。
在本实施例中，驱动单元50包括驱动电机51，驱动电机51下端固定连接所述腿部30的上端；驱动电机51的一端固定在动平台41或静平台42外侧，驱动电机51的另一端固定有竖向的驱动电机固定板52，在驱动电机固定板52下端连接有横向的驱动电机支撑板53，驱动电机支撑板53位于驱动电机51下方，且驱动电机支撑板53的端部垂直连接静平台42或动平台41的外侧；所述驱动电机固定板52和驱动电机支撑板53均为t字形结构。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施例，但是，本发明并不限于上述实施例中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施例之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。