一种用于仿生多足机器人的行走结构的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及于一种仿生多足机器人的行走结构。

背景技术：

目前，国内外多足机器人腿部机构主要采用缩放型机构、四连杆机构、并联机构、多关节串联机构等。现有腿部机构虽然可以实现多方位运动，但结构相对局限、负载能力较弱，稳定性差，控制系统较为复杂，制造成本高。

技术实现要素：

发明目的：

本发明目的是为仿生多足机器人的行走结构提供一种新型的方案。

技术方案：

一种用于仿生多足机器人的行走结构，包括行走机构和躯干板，行走机构包括仿生足结构、抬升机构和旋转机构；所述行走机构为至少两个，优选为四个。

仿生足结构包括足底、仿生腿和型材立杆，型材立杆设置在躯干板上，仿生腿的后端与型材立杆活动连接，仿生腿的前端与足底活动连接，仿生腿为前端能带动足底做上升和下落动作的结构且仿生腿能以型材立杆的轴为轴转动；此处的含义是分为两种情况择其一：1、型材立杆带动仿生腿一起共同转动，此种情况时型材立杆通过轴承与躯干板连接；2、仿生腿通过轴承与型材立杆活动连接，通过轴承实现仿生腿以型材立杆为轴转动，此时，型材立杆不转。

抬升机构为与仿生腿连接且能控制仿生腿前端的足底上升和下落的结构；

旋转机构为控制仿生腿以型材立杆为轴转动的结构。

仿生腿包括下底板和上板；上板的后端与型材立杆活动连接，上板的前端与足底活动连接；下底板的后端与型材立杆活动连接，下底板的前端与足底活动连接，上板位于下底板的上方，下底板、上板、型材立杆和足底形成活动的平行四边形结构，且下底板和上板均能以型材立杆的轴为轴转动。此处的含义是分为两种情况择其一：1、型材立杆带动下底板和上板一起共同转动；2、下底板和上板均通过轴承与型材立杆活动连接，通过轴承实现下底板和上板以型材立杆为轴转动，此时，型材立杆不转。

下底板和上板的前后端均设置有铰链，下底板和上板均通过铰链与型材立杆和足底连接，上板后端通过设置的铰链与型材立杆上设置的第一连接块连接，上板前端通过另一个铰链与足底活动连接，使得上板与足底形成开合的合页式结构；

下底板后端通过一个设置的铰链与型材立杆上设置的第二连接块连接，下底板前端通过另一个铰链与足底活动连接，使得下底板与足底形成开合的合页式结构；

第一连接块和第二连接块与型材立杆的连接方式有两种，第一种情况：第一连接块和第二连接块均与型材立杆固定连接，当型材立杆轴向转动时，带动第一连接块和第二连接块一起转动，以使得第一连接块和第二连接块上连接的下底板和上板能在型材立杆带动下转动，进而使得足底转动。

第二种情况：第一连接块和第二连接块通过轴承活动设置在型材立杆上，也就是说，型材立杆不转，第一连接块和第二连接块能相对于型材立杆以型材立杆的轴线为轴转动，进而带动下底板和上板能在型材立杆带动下转动，此时，第一连接块和第二连接块在轴向上是不动的，具体限制轴向上不动，属于现有技术，例如可以在型材立杆上、第一连接块和第二连接块的上下两端各设置一个限位键，防止其沿着型材立杆的轴向上移动即可。

优选的，下底板、上板、型材立杆和足底形成活动的四边形结构为平行四边形结构。

抬升机构包括第二无刷直流电机、丝杠、丝杆螺母和滑动件；第二无刷直流电机通过丝杆联轴器与丝杠连接，丝杠上设置有与丝杠相匹配的丝杆螺母，丝杆螺母固定连接有滑动件，滑动件伸进下底板上设置的滑槽内且滑动件能沿着滑槽做平行于下底板的移动。即滑槽的方向是平行于下底板的。

使用时第二无刷直流电机驱动丝杠转动，丝杠上的丝杆螺母在丝杠的轴向上做上下移动，带动滑动件能够在下底板的平行方向上设置的滑槽内移动，进而带动下底板的前端做上扬和下落的动作，进而使得足底实现升降动作。即第二无刷直流电机驱动丝杠转动，丝杆螺母与滑动件固定连接，滑动件限制在下底板上设置的滑槽内，即丝杆螺母不能转动，只能轴向移动，即在第二无刷直流电机的驱动下丝杠上的丝杆螺母能够上下移动，进而滑动件能够随着丝杆螺母上下移动，最终带动足底实现升降动作。

如图7所示，滑动件为中间设置有孔，两侧设置有平滑杆和螺栓杆的结构，丝杠能够穿过孔，滑动件能够通过螺栓或其他连接方式与丝杆螺母固定连接，滑动件的平滑杆通过其上设置的第二轴承与滑槽接触，螺栓杆上旋拧有与螺栓杆相匹配的螺母，螺母能够防止第二轴承在平滑杆的轴向方向移动，使第二轴承能在滑槽内滚动。而滑槽固定在下底板上，从而丝杆的转动即可控制平行四边形结构形状的变化，由于平行四边形的运动过程中始终平行的关系，进而转变成足底的上下运动。螺母的直径大于滑槽的槽宽，方便卡住。

旋转机构包括第一无刷直流电机和齿轮，第一无刷直流电机设置在躯干板上，第一无刷直流电机通过齿轮联轴器与齿轮连接，齿轮与不完全齿轮相啮合，不完全齿轮与仿生腿直接或间接的连接，为能够带动仿生腿以型材立杆的轴为轴转动的结构，不完全齿轮套在型材立杆上且能以型材立杆的轴为轴转动。这里也分两种情况，一种情况是：不完全齿轮与型材立杆固定，不完全齿轮带动型材立杆一起转动，此时，仿生腿也是在型材立杆的带动下一起转动；第二种情况，不完全齿轮转，型材立杆不转，不完全齿轮带动仿生腿以型材立杆的轴线为轴转动。上述两种情况中不管是型材立杆转动与否，仿生腿都是以型材立杆的轴线为轴转动，因为即便型材立杆是转动的，其也是以自身的轴线为轴转动，第一无刷直流电机通过齿轮啮合不完全齿轮转动以控制仿生腿以型材立杆的轴为轴转动。

不完全齿轮是由设有齿轮的a侧和不设有齿轮的b侧组成的结构，a侧通过第二连接件连接在型材立杆上，并通过a侧齿轮与齿轮相啮合，a侧齿轮轨迹的末端，如图6所示的，a侧与b侧的过渡位置，设置有凸缘，用于限制齿轮的运动范围。第二无刷直流电机通过螺栓固定在不完全齿轮b侧上。

型材立杆通过轴承活动的设置在躯干板上，型材立杆为能相对于躯干板以自身的轴为轴转动的结构，不完全齿轮、下底板和上板均设置在型材立杆上，不完全齿轮、下底板和上板与型材立杆之间不发生相对旋转，不完全齿轮与型材立杆固定连接，型材立杆为在不完全齿轮带动下旋转的结构，下底板和上板为通过型材立杆的带动与型材立杆共同旋转的结构。

使用时，第一无刷直流电机驱动齿轮转动，齿轮带动不完全齿轮转动，由于不完全齿轮与型材立杆连接，进而使型材立杆轴向转动，带动与型材立杆连接的下底板和上板转动，下底板和上板转动即实现足底的弧线运动，即最终使足底能够实现以型材立杆为轴心，以足底与型材立杆之间的距离为半径的弧线转动，使多个足底交替转动，如图1所示，形成类似于动物的四肢在走路时的交替动作，进而能够实现整体进退的动作。

型材立杆上还设置有第一连接块和第二连接块，第一连接块和第二连接块之间设置有第一连接件、第二连接件和第一轴承，第一连接件和第二连接件通过螺栓连接，第一连接件和第二连接件之间套有第一轴承，第一轴承设置在轴承座内，轴承座与躯干板固定连接，即当型材立杆轴向转动时躯干板仍保持相对静止，第二连接件连接不完全齿轮，第一连接件和第二连接件压紧轴承座，第一连接件和第二连接件通过螺栓连接，其作用是使型材立杆与第一轴承连接，第一轴承能使型材立杆相对于躯干板转动。轴承座与不完全齿轮之间设置有轴承固定座保护板，轴承固定座保护板用于增加轴承座刚度。

型材立杆通过其底部设置的轴承固定板与丝杆连接，轴承固定板与丝杆接触处设置有第三轴承，当丝杆转动时，不会带动轴承固定板运动，型材立杆与轴承固定板连接处设置有轴承固定块，用于固定轴承固定板。这里也分两种情况，一种情况是：轴承固定块是与型材立杆固定连接，此时，轴承固定板在型材立杆的带动下一起转动；第二种情况，轴承固定块与型材立杆轴承连接，型材立杆不转，轴承固定板带动轴承固定块以型材立杆的轴线为轴转动。上述两种情况中不管是型材立杆转动与否，轴承固定板均起到保证丝杆的转动稳定性。

所述的用于仿生多足机器人的行走结构包括两个躯干板，两个躯干板通过连杆相连接，一个躯干板上左右对称连接两个行走机构足底，左右各一个足底，构成四足机器人结构。躯干板上设置有若干通孔，供各构件的连接。

第二无刷直流电机和第一无刷直流电机在运动中始终平行，另外，足底可以包括下足和侧板，此时，仿生腿的前端通过铰链与侧板活动连接。侧板或足底上还可以设置传感器。以便四足机器人的行走更精准。

优点效果：

采用新型腿部机构，丝杆控制腿部的升降可以使腿部运动更加平稳，很大程度增强整体结构平稳性；丝杆具有一定的自锁效果，使仿生多足机器人不会忽然瘫软；本仿生多足机器人的行走结构每条腿有自由度，控制系统简单；同时该新型腿部机构均采用常用零件，制造成本低。

附图说明

图1为仿生四足机器人的行走结构示意图；

图2为两足装配正视图；

图3为一足装配立体图；

图4为一足平面爆炸图；

图5为一足立体爆炸图；

图6为不完全齿轮示意图；

图7为滑动件示意图；

1.下足，2.铰链，3.下底板，4.滑槽，5.滑动件，6.丝杆螺母，7.丝杆，8.第二无刷直流电机，9.第一无刷直流电机，10.躯干板，11.第一固定件，12.第一轴承，13.轴承座，14.齿轮，15.不完全齿轮，16.型材立杆，17.螺母，18.第二轴承，19.上板，20.第一连接块，21.齿轮联轴器，22.轴承固定座保护板，23.第二连接块，24.轴承固定块，25.轴承固定板，26.第三轴承，27.侧板，28.丝杆联轴器，29.第二固定件，30.连杆。

具体实施方式

结合附图详细的说明此发明。

如图1-图5所示，一种用于仿生多足机器人的行走结构，包括行走机构和躯干板10，行走机构包括仿生足结构、抬升机构和旋转机构；所述行走机构为至少两个，优选为四个。

仿生足结构包括足底、仿生腿和型材立杆16，型材立杆16设置在躯干板10上，仿生腿的后端与型材立杆16活动连接，仿生腿的前端与足底活动连接，仿生腿为前端能带动足底做上升和下落动作的结构且仿生腿能以型材立杆16的轴为轴转动；此处的含义是分为两种情况择其一：1、型材立杆16带动仿生腿一起共同转动，此种情况时型材立杆16通过轴承与躯干板10连接；2、仿生腿通过轴承与型材立杆16活动连接，通过轴承实现仿生腿以型材立杆16为轴转动，此时，型材立杆16不转。

抬升机构为与仿生腿连接且能控制仿生腿前端的足底上升和下落的结构；

旋转机构为控制仿生腿以型材立杆16为轴转动的结构。

仿生腿包括下底板3和上板19；上板19的后端与型材立杆16活动连接，上板19的前端与足底活动连接；下底板3的后端与型材立杆16活动连接，下底板3的前端与足底活动连接，上板19位于下底板3的上方，下底板3、上板19、型材立杆16和足底形成活动的平行四边形结构，且下底板3和上板19均能以型材立杆16的轴为轴转动。此处的含义是分为两种情况择其一：1、型材立杆16带动下底板3和上板19一起共同转动；2、下底板3和上板19均通过轴承与型材立杆16活动连接，通过轴承实现下底板3和上板19以型材立杆16为轴转动，此时，型材立杆16不转。

下底板3和上板19的前后端均设置有铰链2，下底板3和上板19均通过铰链与型材立杆16和足底连接，上板19后端通过设置的铰链2与型材立杆16上设置的第一连接块20连接，上板19前端通过另一个铰链2与足底活动连接，使得上板19与足底形成开合的合页式结构；

下底板3后端通过一个设置的铰链2与型材立杆16上设置的第二连接块23连接，下底板3前端通过另一个铰链与足底活动连接，使得下底板3与足底形成开合的合页式结构；

第一连接块20和第二连接块23与型材立杆16的连接方式有两种，第一种情况：第一连接块20和第二连接块23均与型材立杆16固定连接，当型材立杆16轴向转动时，带动第一连接块20和第二连接块23一起转动，以使得第一连接块20和第二连接块23上连接的下底板3和上板19能在型材立杆16带动下转动，进而使得足底转动。

第二种情况：第一连接块20和第二连接块23通过轴承活动设置在型材立杆16上，也就是说，型材立杆16不转，第一连接块20和第二连接块23能相对于型材立杆16以型材立杆16的轴线为轴转动，进而带动下底板3和上板19能在型材立杆16带动下转动，此时，第一连接块20和第二连接块23在轴向上是不动的，具体限制轴向上不动，属于现有技术，例如可以在型材立杆16上、第一连接块20和第二连接块23的上下两端各设置一个限位键，防止其沿着型材立杆16的轴向上移动即可。

优选的，下底板3、上板19、型材立杆16和足底形成活动的四边形结构为平行四边形结构。

抬升机构包括第二无刷直流电机8、丝杠7、丝杆螺母6和滑动件5；第二无刷直流电机8通过丝杆联轴器28与丝杠7连接，丝杠7上设置有与丝杠相匹配的丝杆螺母6，丝杆螺母6固定连接有滑动件5，滑动件5伸进下底板3上设置的滑槽4内且滑动件5能沿着滑槽4做平行于下底板3的移动。即滑槽4的方向是平行于下底板3的。

使用时第二无刷直流电机8驱动丝杠7转动，丝杠7上的丝杆螺母6在丝杠7的轴向上做上下移动，带动滑动件5能够在下底板3的平行方向上设置的滑槽4内移动，进而带动下底板3的前端设置足底的一端做上扬和下落的动作，进而使得足底实现升降动作。即第二无刷直流电机8驱动丝杠7转动，丝杆螺母6与滑动件5固定连接，滑动件5限制在下底板3上设置的滑槽4内，即丝杆螺母6不能转动，只能轴向移动，即在第二无刷直流电机8的驱动下丝杠7上的丝杆螺母6能够上下移动，进而滑动件5能够随着丝杆螺母6上下移动，最终带动足底实现升降动作。

如图7所示，滑动件5为中间设置有孔5-1，两侧设置有平滑杆5-2和螺栓杆5-3的结构，丝杠7能够穿过孔5-1，滑动件5能够通过螺栓或其他连接方式与丝杆螺母6固定连接，滑动件5的平滑杆5-2通过其上设置的第二轴承18与滑槽4接触，螺栓杆5-2上旋拧有与螺栓杆5-3相匹配的螺母17，螺母17能够防止第二轴承18在平滑杆5-2的轴向方向移动，使第二轴承18能在滑槽4内滚动。而滑槽4固定在下底板3上，从而丝杆7的转动即可控制平行四边形结构形状的变化，由于平行四边形的运动过程中始终平行的关系，进而转变成足底的上下运动。螺母17的直径大于滑槽4的槽宽，方便卡住。

旋转机构包括第一无刷直流电机9和齿轮14，第一无刷直流电机9设置在躯干板10上，第一无刷直流电机9通过齿轮联轴器21与齿轮14连接，齿轮14与不完全齿轮15相啮合，不完全齿轮15与仿生腿直接或间接的连接，为能够带动仿生腿以型材立杆16的轴为轴转动的结构，不完全齿轮15套在型材立杆16上且能以型材立杆16的轴为轴转动。这里也分两种情况，一种情况是：不完全齿轮15与型材立杆16固定，不完全齿轮15带动型材立杆16一起转动，此时，仿生腿也是在型材立杆16的带动下一起转动；第二种情况，不完全齿轮15转，型材立杆16不转，不完全齿轮15带动仿生腿以型材立杆16的轴线为轴转动。上述两种情况中不管是型材立杆16转动与否，仿生腿都是以型材立杆16的轴线为轴转动，因为即便型材立杆16是转动的，其也是以自身的轴线为轴转动，第一无刷直流电机9通过齿轮14啮合不完全齿轮15转动以控制仿生腿以型材立杆16的轴为轴转动。

不完全齿轮15是由设有齿轮的a侧和不设有齿轮的b侧组成的结构，a侧通过第二连接件29连接在型材立杆16上，并通过a侧齿轮与齿轮14相啮合，a侧齿轮轨迹的末端，如图6所示的，a侧与b侧的过渡位置，设置有凸缘15-1，用于限制齿轮的运动范围。第二无刷直流电机8通过螺栓固定在不完全齿轮15b侧上。

型材立杆16通过轴承活动的设置在躯干板10上，型材立杆16为能相对于躯干板10以自身的轴为轴转动的结构，不完全齿轮15、下底板3和上板19均设置在型材立杆16上，不完全齿轮15、下底板3和上板19与型材立杆16之间不发生相对旋转，不完全齿轮15与型材立杆16固定连接，型材立杆16为在不完全齿轮15带动下旋转的结构，下底板3和上板19为通过型材立杆16的带动与型材立杆16共同旋转的结构。

使用时，第一无刷直流电机9驱动齿轮14转动，齿轮14带动不完全齿轮15转动，由于不完全齿轮15与型材立杆16连接，进而使型材立杆16轴向转动，带动与型材立杆16连接的下底板3和上板19转动，下底板3和上板19转动即实现足底的弧线运动，即最终使足底能够实现以型材立杆16为轴心，以足底与型材立杆16之间的距离为半径的弧线转动，使多个足底交替转动，如图1所示，形成类似于动物的四肢在走路时的交替动作，进而能够实现整体进退的动作。

型材立杆16上还设置有第一连接块20和第二连接块23，第一连接块20和第二连接块23之间设置有第一连接件11、第二连接件29和第一轴承12，第一连接件11和第二连接件29通过螺栓连接，第一连接件11和第二连接件29之间套有第一轴承12，第一轴承12设置在轴承座13内，轴承座13与躯干板10固定连接，即当型材立杆16轴向转动时躯干板10仍保持相对静止，第二连接件29连接不完全齿轮15，第一连接件11和第二连接件29压紧轴承座13，第一连接件11和第二连接件29通过螺栓连接，其作用是使型材立杆16与第一轴承12连接，第一轴承12能使型材立杆16相对于躯干板10转动。轴承座13与不完全齿轮15之间设置有轴承固定座保护板22，轴承固定座保护板22用于增加轴承座刚度。

型材立杆16通过其底部设置的轴承固定板25与丝杆7连接，轴承固定板25与丝杆7接触处设置有第三轴承26，当丝杆7转动时，不会带动轴承固定板25运动，型材立杆16与轴承固定板25连接处设置有轴承固定块24，用于固定轴承固定板25。这里也分两种情况，一种情况是：轴承固定块24是与型材立杆16固定连接，此时，轴承固定板25在型材立杆16的带动下一起转动；第二种情况，轴承固定块24与型材立杆16轴承连接，型材立杆16不转，轴承固定板25带动轴承固定块24以型材立杆16的轴线为轴转动。上述两种情况中不管是型材立杆16转动与否，轴承固定板25均起到保证丝杆7的转动稳定性。

所述的用于仿生多足机器人的行走结构包括两个躯干板10，两个躯干板10通过连杆30相连接，一个躯干板10上左右对称连接两个行走机构足底，左右各一个足底，构成四足机器人结构。躯干板10上设置有若干通孔，供各构件的连接。

第二无刷直流电机8和第一无刷直流电机9在运动中始终平行轴向平行，另外，足底可以包括下足1和侧板27，此时，仿生腿的前端通过铰链2与侧板27活动连接。侧板27或足底上还可以设置传感器。以便四足机器人的行走更精准。

结合图1-7所示描述足底运动原理，在足部运动控制中，首先第二无刷直流电机8带动丝杆7旋转，丝杆7旋转使丝杠7上的丝杆螺母6在丝杠7的轴向上向上移动，由于丝杆螺母6与滑动件5固定连接，丝杆螺母6带动滑动件5移动，滑动件5两侧连接的第二轴承18能够使滑动件5在下底板3上设置的滑槽4内移动，此时下底板3能够随着螺母6的向上移动而做抬起的动作，即上板和下底板3前端的足底下足1和侧板27构成的结构抬起，由于上板、下底板3、足底和型材立杆16组成的平行四边形结构四角通过铰链连接，此时平行四边形结构发生变化，当螺母6向上移动时，滑动件5连接的第二轴承18在滑槽4内向上移动，平行四边形结构发生变化，平行四边形的型材立杆16和侧板27之间的垂直距离逐渐变大，侧板27相对于型材立杆16，做平行于型材立杆16的、向上的移动，此时足底做抬升运动，离开地面；然后，第一无刷直流电机9控制齿轮14带动不完全齿轮15的旋转，不完全齿轮15转动带动抬升机构转动因为此时，抬升机构是与不完全齿轮15固定的，而抬升机构中的丝杠7是通过丝杆螺母6和滑动件5与下底板3连接的，所以此时，下底板3带动足底、上板等一起转动；

由于不完全齿轮15固定在型材立杆16上，型材立杆16能够随着不完全齿轮15的旋转而转动，由于型材立杆16与躯干板10是通过轴承座13与第一轴承12连接，所以型材立杆16转动而躯干板10不动，型材立杆16转动就能够带动其连接的下底板3和上板19随之转动，进而带动与平行四边形侧板27连接的下足1转动，即实现整个足部向前移动的动作；最后，第二无刷直流电机8驱动丝杆7反方向旋转，此时螺母6向下移动，滑动件5连接的第二轴承18在滑槽4内向下移动，平行四边形结构发生变化，平行四边形的型材立杆16和侧板27之间的垂直距离逐渐变小，此时足底做下降运动，至足底落地，即完成一个完整的足部向前迈步的动作。

其他三足运动原理同上，具体的四足控制行走的方式，具体可控制行走的程序属于现有方法，就是相互交替的控制四足的抬起、迈步，模仿四足动物前进的形式即可，在此不赘述，即可实现四足的行走。