仿生四足机器人及步态控制方法与流程

本发明涉及四足机器人技术领域，特别是一种仿生四足机器人及步态控制方法。

背景技术：

长久以来，轮子的广泛应用为人类提供了大量便利。然而在不断使用和改进过程中，人们逐渐认识到轮子的局限性。陆地表面有各种崎岖地形，包括山地、丘陵、峭壁等，传统的轮式与履带式车辆难以在这些地形行走，然而许多陆生动物能够在这些崎岖地形灵活奔跑跳跃，这给我们以下启示：腿足移动方式在崎岖地形具有极大优势。

足式机器人是集机械、电子、计算机、传感器、控制技术等多门学科为一体的综合技术，反应了一个国家的智能化和自动化的研究水平，同时也是一个国家高科技技术的综合表现。足式机器人有优于轮式、履带式和蠕动式机器人的出色表现，拥有多种步态，而且具有一定的越障功能，这大大拓展了其应用范围，特别适用于在复杂地形条件下进行探险、勘察，在多个领域都能得到广泛的应用。

目前，足式机器人的结构设计难点就在于其腿部结构设计，腿部的结构是决定其是否能灵活运动、是否能适应复杂地形环境的关键。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种仿生四足机器人及步态控制方法，它基于精巧的腿部结构设计，可实现全方位移动，具有优秀的灵活性和越障性能。

本发明的技术方案是：仿生四足机器人，包括躯干和腿；四条腿两两对称安装在躯干的前端两侧和后端两侧；腿包括壳体、平行四边形机构、步进电机a、深沟球轴承、电机座、水平转轴a、步进电机b及摆动驱动机构；

壳体上部设有用于安装深沟球轴承的上安装腔，壳体下部设有用于安装步进电机a的下安装腔；

平行四边形机构包括杆a、杆b、杆c和杆d，杆a平行于杆b，杆c平行于杆d，杆a前端与杆c上端铰接，杆a后端与杆d上端铰接，杆c下端与杆b前端铰接，杆d下端与杆b中部铰接，而形成一个可变形的平行四边形框架；

步进电机a固定安装在壳体下部的下安装腔内，其机轴与杆a关联，以驱动杆a绕杆a与杆d的铰接点转动，进而驱动平行四边形机构变形；

深沟球轴承安装在壳体上部的上安装腔内，其外圈与壳体固接，其内圈与电机座固接；

电机座固接在水平转轴a上；

水平转轴a两端活动安装在躯干上；

步进电机b固定安装在电机座上，其机轴与壳体固接；

摆动驱动机构设在躯干与水平转轴a之间，其用于驱动水平转轴a转动。

本发明进一步的技术方案是：摆动驱动机构包括连接块a、丝杠、步进电机c、螺母、连接块b、水平转轴b及竖向传递轴；连接块a上设有贯通孔a和安装槽；丝杠水平布置并垂直于水平转轴a；步进电机c固定安装在躯干上，其机轴与丝杠连接，以驱动丝杠转动；螺母固定安装在连接块a的贯通孔a中，并与丝杠螺纹连接；连接块b通过水平转轴b活动安装在连接块a的安装槽内，其上设有供竖向传递轴穿过的贯通孔b；竖向传递轴下端固接在电机座上，上端穿过连接块b的贯通孔b，其与连接块b之间相对滑动配合。

本发明再进一步的技术方案是：其还包括安装在躯干上的摄像头。

本发明的技术方案是：一种步态控制方法，应用于上述的仿生四足机器人，包括慢步步态和慢跑步态；

慢步步态控制方法：1、先控制躯干前端左侧腿向前迈出一步；2、再控制躯干后端右侧腿向前迈出一步；3、接着控制躯干前端右侧腿向前迈出一步，前端右侧腿迈步的同时，带动躯干向前移动一个步距；4、最后控制躯干后端左侧腿向前迈出一步，即完成慢步步态控制的一个循环；

慢跑步态控制方法：1、先控制躯干前端右侧腿和躯干后端左侧腿同时向前迈出一步；2、再控制躯干前端左侧腿和躯干后端右侧腿同时向前迈出一步，前端左侧腿和后端右侧腿迈步的同时，带动躯干向前移动一个步距，即完成慢跑步态控制的一个循环。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、每条腿的落脚点不限于行进方向直线上的点，可以是一片区域内的任意一点，即落足点是离散的，可基于摄像头显示的实时路况人工控制腿的动作，选择一个较优的落足点，以跨越或避开障碍，提高了对崎岖地形的适应能力。

2、腿部运动方式灵活多样，无运动约束，可实现全方向运动。步进电机a可驱动平行四边形机构变形，以模拟小腿摆动，步进电机b可驱动平行四边形机构整体平行于行进方向摆动(即前后方向)，以模拟大腿前后摆动，步进电机c可驱动平行四边形机构整体垂直于行进方向摆动(即左右方向)，以模拟大腿左右摆动。

3、足端运动与躯干质心运动解耦，可实现主动隔振，进而实现在起伏不平的地形运动时躯干保持平稳。

4、相比轮式运动，腿足式运动在不平坦或松散地面上仍能实现较高的移动速度，相比平地上运动能耗不会显著增加。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为摆动驱动机构中的部分零部件连接关系示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-2所示，仿生四足机器人，包括躯干1和腿2。四条腿2两两对称安装在躯干1的前端两侧和后端两侧。

腿2包括壳体21、平行四边形机构、步进电机a23、深沟球轴承、电机座24、水平转轴a25、步进电机b26及摆动驱动机构。

壳体21上部设有用于安装深沟球轴承的上安装腔(图中未示出)，壳体21下部设有用于安装步进电机a23的下安装腔(图中未示出)。

平行四边形机构包括杆a221、杆b222、杆c223和杆d224，杆a221平行于杆b222，杆c223平行于杆d224，杆a221前端与杆c223上端铰接，杆a221后端与杆d224上端铰接，杆c223下端与杆b222前端铰接，杆d224下端与杆b222中部铰接，而形成一个可变形的平行四边形框架。

步进电机a23固定安装在壳体21下部的下安装腔内，其机轴与杆a221关联，以驱动杆a221绕杆a221与杆d224的铰接点转动，进而驱动平行四边形机构变形。

深沟球轴承(图中未示出)安装在壳体21上部的上安装腔内，其外圈与壳体21固接，其内圈与电机座24固接。

电机座24固接在水平转轴a25上。

水平转轴a25两端活动安装在躯干1上。

步进电机b26固定安装在电机座24上，其机轴与壳体21固接。

摆动驱动机构设在躯干1与水平转轴a25之间，其用于驱动水平转轴a25转动。摆动驱动机构包括连接块a271、丝杠272、步进电机c273、螺母274、连接块b275、水平转轴b276及竖向传递轴277。连接块a271上设有贯通孔a和安装槽2711。丝杠272水平布置并垂直于水平转轴a25。步进电机c273固定安装在躯干1上，其机轴与丝杠272连接，以驱动丝杠272转动。螺母274固定安装在连接块a271的贯通孔a中，并与丝杠272螺纹连接。连接块b275通过水平转轴b276活动安装在连接块a271的安装槽2711内，其上设有供竖向传递轴277穿过的贯通孔b。竖向传递轴277下端固接在电机座24上，上端穿过连接块b275的贯通孔b，其与连接块b275之间相对滑动配合。

优选，躯干1上安装有摄像头(图中未示出)，基于摄像头提供的图像可实现远程操控。

简述本发明的工作流程：

本发明可实现慢步步态和慢跑步态，慢步步态适用于崎岖、稳定性较差的地形，慢跑步态适用于平坦、稳定性较好的地形。

慢步步态控制方法：1、先控制躯干前端左侧腿向前迈出一步；2、再控制躯干后端右侧腿向前迈出一步；3、接着控制躯干前端右侧腿向前迈出一步，前端右侧腿迈步的同时，带动躯干向前移动一个步距；4、最后控制躯干后端左侧腿向前迈出一步，即完成慢步步态控制的一个循环。

慢跑步态控制方法：1、先控制躯干前端右侧腿和躯干后端左侧腿同时向前迈出一步；2、再控制躯干前端左侧腿和躯干后端右侧腿同时向前迈出一步，前端左侧腿和后端右侧腿迈步的同时，带动躯干向前移动一个步距，即完成慢跑步态控制的一个循环。

上述2种步态下的转弯仅需控制躯干两侧腿迈出的步距不一致即可实现，即差速转向。