一种四足机器人及腿部关节结构的制作方法

本发明属于机器人领域，涉及一种多足机器人，具体涉及一种四足机器人及腿部关节结构。

背景技术：

在四足机器人领域中，由于对其工作任务的需求不同，从而使得四足机器人的结构设计驱动设计也相应不同。对于负载相应较小的四足机器人，要求其运动性能高的四足机器人通常采用电机驱动其关节转动，优点是关节活动范围相对较大，通过性能更强，能适应更多复杂的环境。而对于高负载的四足机器人，通常采用液压缸驱动，但由于液压缸行程有限，其关节灵活度远不及电机驱动的关节。对于一些需要关节大幅收缩或大幅扩展的环境，液压缸驱动的高负载四足机器人很难完成对其的通过任务。

技术实现要素：

考虑到高负载的四足机器人采用液压缸驱动，其关节活动范围相对较小，难以通过一些十分恶劣的运动环境，本发明的目的是设计了一套连杆机构，使得液压缸能在较短的行程内推动关节，关节能够获得较大的活动范围，从而能实现高负载的四足机器人拥有较高的运动性能，并在足末端安装了液压减震器，实现被动柔顺效果，从而适应更多的环境。

为实现上述目的，本发明所采用的的技术方案是：

一种腿部关节结构，包括大腿和小腿，其特征在于：所述大腿和小腿之间通过大连杆、小连杆和液压缸相连，所述大连杆一端与大腿端部铰接形成第一铰链，另一端与小腿端部铰接相连形成第二铰链，所述小连杆一端与大腿端部铰接形成第四铰链，另一端与小腿端部铰接相连形成第五铰链，所述大连杆和小连杆在大腿和小腿之间交叉分布，所述大连杆还设有与第一铰链和第二铰链呈三角形分布的第三铰链，第三铰链位于大腿和小腿弯曲的内侧，所述液压缸一端与第三铰链相连，另一端通过第六铰链安装在大腿中部。

作为改进，所述大连杆为三角形板，第一铰链、第二铰链和第三铰链分别位于三角形板的三个顶点处。

作为改进，所述三角形板为锐角三角形。

作为改进，所述大连杆有两个，两个三角形板位于大腿和小腿端部的两侧，小连杆位于两个三角形板中间，以获得大腿和小腿稳定结构。

一种利用上述腿部关节结构的四足机器人，其特征在于：包括机器人平台和设于机器人平台下方的四个足，每个足均包括大腿、小腿和侧摆，所述侧摆固定安装在机器人平台四角底部，大腿通过弯曲关节安装在侧摆上，小腿顶部通过腿部关节结构安装在大腿底部，所述小腿底部着地行走。

作为改进，所述大腿和侧摆之间也通过腿部关节结构相连，此时将腿部关节结构中的大腿替换为侧摆，小腿替换为大腿。

作为改进，所述小腿底部设有液压减震器，通过液压减震器减少小腿与行走地面硬接触。

作为改进，所述机器人平台上还设有液压油系统和控制器，通过液压油系统控制所有腿部关节结构的液压缸动作，通过控制器控制四个足按照行走方式弯曲伸缩，完成行走功能。

本发明有益效果是：

本发明提出一种基于交叉四杆机构的回转模型，它具有一个瞬时性的旋转中心，就像人类的膝关节。该机构可将液压缸的直线运动转化为关节的旋转运动，并在液压缸的行程内完成关节的大幅度旋转。该模型主要由四个部分构成，分别是四足机器人的两个足部关节和两个形状不同的连杆。两个连杆分为一组小连杆和连接液压缸活塞的一组大连杆。两个连杆交叉分别连接着两个足部关节处，大连杆在关节最外侧，小连杆则被大连杆所覆盖，由其组成的机构旋转半径较小的原理，可使液压缸推进关节旋转更加高效。

本发明还在小腿末端加装了一套液压减震器，利用液压阻尼器结构紧凑，优秀的寿命，安装空间小且受力合理等优点，使得整个四足机器人的运动更加流畅，减少能量的损失，动态响应时间大幅缩短，相较于弹簧减震器更为优秀，为主动柔顺控制奠定基础。

附图说明

图1为本发明四足机器人整体结构图；

图2为本发明的腿部关节结构示意图；

图3为本发明腿部关节结构伸展时示意图；

图4为本发明腿部关节结构收缩时示意图；

图5为本发明的小腿和液压减震器结构示意图；

图6为本发明的腿部关节结构三维示意图。

附图标记：1-小腿，2-大腿，3-侧摆，4-机器人平台，5-大连杆，6-小连杆，7-活塞杆，8-液压缸，9-第五铰链，10-第二铰链，11-第四铰链，12-第三铰链，13-第一铰链，14-减震活塞杆，15-伸张阀，16-流通阀，17-储油缸体，18-压力筒，19-补偿阀，20-压缩阀，21-第六铰链，22-导向筒，23-脚掌。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

整个四足机器人是由小腿1、大腿2、侧摆3和机器人平台4构成，所述侧摆3固定安装在机器人平台4四角底部，大腿2通过弯曲关节安装在侧摆3上，小腿1顶部通过腿部关节结构安装在大腿2底部，所述小腿1底部着地行走。可完成缓行(walk)、对角小跑(trot)、溜蹄(pace)、跳跃(bound)和转轮疾驰(rotarygallop)这些步态，并且能够跨越或迈过一定高度或一定宽度的障碍。

所述腿部关节结构包括大腿2和小腿1，所述大腿2和小腿1之间通过大连杆5、小连杆6和液压缸8相连，所述大连杆5一端与大腿2端部铰接形成第一铰链13，另一端与小腿1端部铰接相连形成第二铰链10，所述小连杆6一端与大腿2端部铰接形成第四铰链11，另一端与小腿1端部铰接相连形成第五铰链9，所述大连杆5和小连杆6在大腿2和小腿1之间交叉分布，所述大连杆5还设有与第一铰链13和第二铰链10呈三角形分布的第三铰链12，第三铰链12位于大腿2和小腿1弯曲的内侧，所述液压缸8本体通过第六铰链21铰接安装在大腿2中部，液压缸8的活塞杆7与第三铰链12相连。

具体本发明实施例中，所述大连杆5为三角形板，第一铰链13、第二铰链10和第三铰链12分别位于三角形板的三个顶点处，如图6所示，所述大连杆5有两个，两个三角形板位于大腿2和小腿1端部的两侧，小连杆6位于两个三角形板中间，以获得大腿2和小腿1稳定结构。

大腿2和侧摆3之间的腿部关节结构相连，将上述腿部关节结构中的大腿2替换为侧摆3，小腿1替换为大腿2即可，其他结构完全一样。

本实施例中，第一铰链13、第二铰链10、第三铰链12、第四铰链11、第五铰链9和第六铰链21均位于同一个平面内，使得小腿1和大腿2在一个平面内做伸缩运动。

更优的，所述小腿1底部设有液压减震器，通过液压减震器减少小腿1与行走地面硬接触，本实施例中液压减震器采用现有技术中常规的液压减震器，其主要包括减震活塞杆14、伸张阀15、流通阀16、储油缸体17、压力筒18、补偿阀19和压缩阀20，具体储油缸体17底部为着地行走接触端，储油缸体17内内设有压力筒18，压力筒18内设有活塞，压力筒18端部通过补偿阀19和压缩阀20与储油缸体17内液压油连通，供压力筒18与储油缸体17内液压油交换，补偿阀19和压缩阀20为安装方向相反的单向阀，所述减震活塞杆14一端与小腿1固定相连，另一端与活塞固定相连，活塞上设有连通压力筒18内活塞两侧液压油的伸张阀15和流通阀16，伸张阀15和流通阀16也为安装方向相反的单向阀，当然为了增加减震稳定性，小腿1底部设有供活塞伸缩运动的导向筒22，储油缸体17顶部插入导向筒22内，当活塞在压力筒18内滑动时，通过导向筒22的导向作用，使得储油缸体17相对于小腿1具有线性的收缩减震功能，当然更优的还可以在储油缸体17底部设置与地面接触的脚掌23。

以trot步态为例，四足机器人处于对角线上的两个足动作一致，均处于摆动相或支撑相。当处于摆动相时，足末端离开地面，小腿1和大腿2之间的液压缸8以及大腿2和侧摆3之间的液压缸8处于推程状态，如图3所示；而处于支撑相时，足末端接触地面，小腿1和大腿2之间的液压缸8以及大腿2和侧摆3之间的液压缸8处于回程状态，如图4所示。本发明原理在于缩小连杆6之间的旋转半径，使得液压缸8可在较短的推程回程中完成连杆的大范围旋转，在大腿2和小腿1之间加装了大连杆5和小连杆6，以此形成一种新的连杆装置，转动半径不再是液压缸8的长度，而是连杆之间铰链与铰链之间的距离。在液压缸8的推程也就是如图3所示的运动过程中，液压缸8活塞作用在第三铰链12处，推动大连杆5绕着第一铰链13做顺时针的旋转运动，大连杆5上的第二铰链10和小连杆6上的第五铰链9均连接在小腿1上，并使小腿1旋转时形成了一个极小的旋转半径，旋转中心是第二铰链10，长度是第五铰链9到第二铰链10之间的距离，远小于原来以液压缸8推程为长度的旋转半径。故液压缸8活塞只需移动较小的距离便可使小腿1做出较大范围的顺时针旋转。而在液压缸8的回程也就是如图4所示的运动过程中，液压缸8活塞作用在第三铰链12处，拉动大连杆5绕着第一铰链13做逆时针的旋转运动，大连杆5上的第二铰链10和小连杆6上的第五铰链9均链接在小腿1上，并使小腿1旋转时形成了一个极小的旋转半径，旋转中心是第二铰链10，长度是第五铰链9到第二铰链10之间的距离，远小于原来以液压缸8回程为长度的旋转半径。故液压缸8活塞回程时只需移动较小的距离便可使小腿1做出较大范围的逆时针旋转，大腿2同理。

为了使四足机器人运动时更平稳，本发明提出在小腿1末端安装一个液压减震器。压缩时，活塞向下运行，流通阀16开启，油缸下部的油液受到压力通过流通阀16向油缸上部流动，压力筒18下部压力高到一定程度时，压缩阀20开启，压力筒18内下部的油液通过压缩阀20流向压力筒18外部储存空间；伸张时，活塞向上运行，伸张阀15开启，压力筒18上部的油液受到压力通过伸张阀15向压力筒18下部流动，压力筒18下部压力低到一定程度时，补偿阀19开启，压力筒18外部储存空间的油液流回到压力筒18下部。