一种机器人腿部结构和机器人的制作方法

本发明属于机械领域，具体地，涉及一种机器人腿部结构和机器人。

背景技术：

在灾难出现展开救援，如地震救援时，或者在进行科学考察，比如洞穴科学考察时，经常会遇到工作者无法穿过狭小缝隙进行救援或探测的情况。由于无法准确地探测到缝隙后面的物体情况，因此只能按照预测方案进行救援或探测，从而大幅增加了救援和科学考察难度，失去最佳救援和探测时机。而机器人凭借其灵活的结构和较小的形体体积可以穿过狭小缝隙，对缝隙后面的物体情况进行探测，比如拍照或录像，从而帮助工作人员准确确定缝隙后面的物体情况，为救援或科学考察赢得时间和更多机会。

目前机器人新技术已经开始出现具有柔性结构的机器人，其特性就是通过改变自身姿态，比如，改变腿部结构的姿态，达到较大幅度提高通过性的目的。例如，授权公告号为cn209175730u的实用新型专利公开了一种用于抗震救灾的狭小缝隙补给机器人，该机器人包括固定在底座四周的四个腿轮，所述腿轮通过一从动轮活动连接到一电推杆，所述电推杆末端连接一主动轮，所述主动轮通过位于所述电推杆上的电机驱动其前进和后退。由于采用了灵活的腿轮式结构，增强了进入狭小缝隙工作的可靠性。

但是，对于目前的具有柔性结构的机器人而言，在凭借改变其柔性腿部结构、材料以及姿态进而通过狭小缝隙的能力方面还需要进一步提高，以提高通过缝隙对缝隙后面的物体情况进行探测、救援的能力。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种机器人腿部结构和机器人，其能够解决现有技术中的机器人通过狭小间隙的能力较低的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种机器人腿部结构，所述机器人腿部结构包括：多个长形腿部主体和相应的多个长形牵拉构件，其中，所述多个长形腿部主体通过其外周壁彼此粘接或捆绑，以形成一体式腿部结构；所述多个长形腿部主体中的每个长形腿部主体沿其中心轴线方向设有长形内孔，所述长形内孔在相应的长形腿部主体的一端部设有开口；所述多个长形牵拉构件中的每个长形牵拉构件设于相应的长形内孔内，用于经由相应的开口外的驱动机构的驱动，牵拉相应的长形腿部主体，以改变所述一体式腿部结构的姿态。

优选地，所述长形牵拉构件也可以是绳状构件，所述驱动机构是舵机驱动机构；所述绳状构件的一端连接所述舵机驱动机构，所述绳状构件的另一端连接在所述长形腿部主体的远离所述开口的一端。

优选地，所述绳状构件由低弹性的、低摩擦力材料制成。绳状构件采用低弹性材料，确保舵机机构牵拉绳状构件时，绳状构件长度变化较小，迅速响应舵机机构的驱动信号。绳状构件采用低摩擦力材料可以确保舵机机构牵拉绳状构件，绳状构件与中心内孔接触时产生较小的摩擦力，也可以起到迅速响应舵机机构的驱动信号的作用。

优选地，所述长形牵拉构件是长形中空囊状构件，所述驱动机构是气动驱动机构；在所述中心轴线方向上，所述长形内孔的内周壁呈皱褶状；所述长形中空囊状构件的外周壁呈皱褶状，与所述长形内孔的内周壁相配合。

优选地，所述长形中空囊状构件由多个中空囊状组件首尾相接组成，其中相邻两个中空囊状组件之间设有通气阀门；对于所述多个中空囊状组件中的相邻的第一中空囊状组件和第二中空囊状组件，当靠近所述开口的所述第一中空囊状组件和远离所述开口的所述第二中空囊状组件之间的压差高于所述第一中空囊状组件和所述第二中空囊状组件之间的通气阀门的气压阈值时，所述通气阀门开启，以降低所述第二中空囊状组件中的气压。

优选地，靠近所述开口的通气阀门的气压阈值pi与远离所述开口的紧邻的通气阀门的气压阈值pi+1满足以下关系：

pi＝k×pi+1

其中，i＝1，2，3...n-1，n是中空囊状组件的数目，n大于等于2，i是通气阀门的序数，pi是通气阀门的气压阈值，k是气压阈值的比例系数，介于1至1.3之间。

优选地，所述长形腿部主体的外周壁设有摩擦材料，所述摩擦材料用于增加所述长形腿部主体的摩擦力。可以根据实际需要，在长形腿部主体的外周壁上设置合适的摩擦材料，以改变腿部主体接触地面时的摩擦力，进而改善机器人在不同的地面上行走通过的能力。

优选地，所述长形腿部主体的横截面是圆形，所述长形腿部主体在所述中心轴线方向上间隔地设有圆形凸缘结构。长形腿部主体周缘上间隔地设置圆形凸缘结构，凸缘结构之间的间隔可以确保机器人在具有石块等物体的路面上的平稳通过能力。

优选地，所述长形腿部主体和所述长形牵拉构件的材料是热塑性弹性体、柔性拖链磨砂高弹聚氯乙烯料、氢化五嵌段苯乙烯类热塑性弹性体、高回弹性星型多嵌段聚合物、形状记忆聚合物合金、橡胶组合物中的任何一种。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种机器人，其包括上面描述的机器人腿部结构。

本发明的机器人包括四个上面描述的机器人腿部结构。

本发明的机器人腿部结构的多个长形腿部主体和多个长形牵拉构件采用柔性材料，多个长形腿部主体经由驱动机构牵拉相应的多个长形牵拉构件而可以容易地改变姿态，实现长形腿部主体的收缩弯曲，长形腿部主体的收缩弯曲和恢复初始形状的过程实现了其向前或向后的动作。因此，包括上述机器人腿部结构的机器人可以通过改变长形腿部主体的姿态，以及改变机器人自身的高度，进而提高机器人通过狭小缝隙的能力，以及对缝隙后的情况进行科学探测以及展开救援的能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的实施例一的机器人腿部结构的示意图；

图2是根据本发明的实施例一的机器人腿部结构的另一个示意图；

图3是根据本发明的实施例一的一体式腿部结构的截面示意图；

图4是根据本发明的实施例一的长形中空囊状构件的示意图；

图5是根据本发明的实施例一的长形内孔的形状的示意图；以及

图6是根据本发明的实施例一的由多个长形中空囊状组件构成的长形中空囊状构件的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

图1是根据本发明的实施例一的机器人腿部结构的示意图，图2是根据本发明的实施例一的机器人腿部结构的另一个示意图，图3是根据本发明的实施例一的一体式腿部结构的截面示意图，图4是根据本发明的实施例一的长形中空囊状构件的示意图；如图1至图4所示，本发明的实施例一提供了一种机器人腿部结构1，所述机器人腿部结构包括多个长形腿部主体2和相应的多个长形牵拉构件，其中所述多个长形腿部主体通过其外周壁彼此粘接，以形成一体式腿部结构。所述多个长形腿部主体中的每个长形腿部主体沿其中心轴线方向设有长形内孔3，所述长形内孔3在相应的长形腿部主体2的一端部设有开口。所述多个长形牵拉构件中的每个长形牵拉构件设于相应的长形内孔3内，用于经由相应的开口外的驱动机构的驱动，牵拉相应的长形腿部主体2，以改变所述一体式腿部结构的姿态。

图3是根据本发明的实施例一的一体式腿部结构的截面示意图，如图3所示，所述机器人腿部结构包括三个长形腿部主体2和相应的三个长形牵拉构件。可以设想的是，机器人腿部结构可以包括不同于三个的长形腿部主体和相应的不同于三个的长形牵拉构件，比如可以是两个、四个或其他数值等。

图3中，长形腿部主体呈圆柱形，圆柱形的圆形截面的半径相同。并且当长形腿部主体是圆柱形时，三个长形腿部主体的圆形截面的直径也可以不相同。可以理解的是，长形腿部主体的形状可以是其他形状，比如棱柱形，例如三棱柱形状、四棱柱形状等。

所述三个长形腿部主体通过其外周壁彼此粘接，以形成一体式腿部结构，在该实施例中，通过3d打印一体成型方式使三个长形腿部主体外周壁连接在一起而形成一体式结构，该一体式结构垂直于长形腿部主体的轴线的截面形状如图1和图2所示。可以理解，也可以采用其他连接方式，比如捆绑方式等，使三个长形腿部主体外周壁连接在一起而形成一体式结构。

所述三个长形腿部主体中的每个长形腿部主体沿其中心轴线方向设有长形内孔3，所述长形内孔3在相应的长形腿部主体2的一端部设有开口。所述三个长形牵拉构件中的每个长形牵拉构件设于相应的长形内孔3内，用于经由相应的开口外的驱动机构(附图中没有示出)的驱动，牵拉相应的长形腿部主体2，以改变所述一体式腿部结构的姿态。

具体地，机器人腿部结构的设有开口的一端与机器人的支架连接，驱动机构设于开口外，具体地，可以设于支架上，并且驱动机构经由开口与长形腿部主体2连接，用于通过牵拉与腿部主体配合的长形牵拉构件，改变一体式腿部结构的姿态。

图4是根据本发明的实施例一的长形中空囊状构件的示意图，如图4所示，所述长形牵拉构件可以采用长形中空囊状构件，相应地，所述驱动机构可以采用气动驱动机构。图5是根据本发明的实施例一的长形内孔的形状的示意图，如图5所示，在所述中心轴线方向上，所述长形内孔的内周壁呈皱褶状。所述长形中空囊状构件的外周壁也相应呈皱褶状，与所述长形内孔的内周壁相配合。

需要说明的是，褶皱的形状可以是多种形状，例如，褶皱的轮廓可以是附图3中示出的连续折线的形状，也可以是其他形状，例如，可以是矩形波的形状。显然，本领域的技术人员在本发明给出的启示下，还可以设想出长形中空囊状构件与长形内孔彼此相互配合的其他形状，这些形状也在本发明的保护范围内。

气动驱动机构牵拉长形中空囊状构件是通过改变长形中空囊状构件内的气压结合长形中空囊状构件的外周壁的皱褶状形状来实现的。具体地，气动驱动机构减小中空囊状构件内的气压可以使中空囊状构件在长度方向上收缩，中空囊状组件内的气压恢复初始气压状态或者通过气动驱动机构增大中空囊状构件内的气压可以使中空囊状构件恢复初始形状。由于中空囊状构件和长形腿部主体的长形内孔配合在一起，当中空囊状构件在长度上收缩和恢复初始形状时，长形腿部主体也相应地在长度方向上收缩和恢复初始形状。

三个长形腿部主体是一体式结构，作为示例，在驱动时，在驱动其中一个长形腿部主体时，不驱动另外两个长形腿部主体。这样，被驱动的长形腿部主体在长度上收缩时，由于另外两个长形腿部主体未被驱动，长度不改变，又因为三个长形腿部主体是一体式结构，长度方向上收缩的长形腿部主体将带动另外两个长形腿部主体改变姿态，使该一体式结构弯曲，进而完成向前或向后迈动的动作。

可以理解的是，当长形牵拉构件采用长形中空囊状结构时，驱动结构也可以采用舵机驱动机构，在这种情形下，长形中空囊状结构的外周壁也仍然呈皱褶状，与所述长形内孔的内周壁的皱褶状结构相配合。

在长形牵拉构件采用长形中空囊状结构的情况下，长形腿部主体和长形牵拉构件可以使用相同的柔性材料，也可以使用不同的柔性材料。在长形腿部主体和长形牵拉构件采用相同材料的情况下，可以增强上述两者在收缩以及恢复初始形状时的运动的一致性。

图6是根据本发明的实施例一的由多个长形中空囊状组件4构成的长形中空囊状构件的示意图，如图6所示，所述长形中空囊状构件由多个中空囊状组件4首尾相接组成，其中相邻两个中空囊状组件之间设有通气阀门5；对于所述多个中空囊状组件4中的相邻的第一中空囊状组件和第二中空囊状组件，当靠近所述开口的所述第一中空囊状组件和远离所述开口的所述第二中空囊状组件之间的压差高于所述第一中空囊状组件和所述第二中空囊状组件之间的通气阀门的气压阈值时，所述通气阀门开启，以降低所述第二中空囊状组件中的气压。

其中，靠近所述开口的通气阀门的气压阈值pi与远离所述开口的紧邻的通气阀门的气压阈值pi+1满足以下关系：

pi＝k×pi+1

其中，i＝1，2，3...n-1，n是中空囊状组件的数目，n大于等于2，i是通气阀门的序数，pi是通气阀门的气压阈值，k是气压阈值的比例系数，介于1至1.3之间。

长形中空囊状构件包括首尾相接的多个中空囊状构件，在相接位置设置通气阀门5，并且使相邻通气阀门5的气压阈值满足上述关系式描述的关系。设置在开口外的气动驱动机构用于改变中空囊状构件中的气压。以抽吸过程为例，当气动驱动机构对靠近开口的中空囊状组件抽气时，该中空囊状组件内的气压降低，与和其紧邻的中空囊状组件内的气压形成气压差，当该气压差大于上述两个中空囊状组件的相接位置处设置的通气阀门5的气压阈值时，该通气阀门打开。气动驱动机构接着对该紧邻的中空囊状组件抽气。类似地，其余通气阀门5顺序打开，由于各相应相接位置上的通气阀门的气压阈值设置成满足上述关系式描述的关系，可以实现中空囊状组件从靠近开口的位置向远离开口的方向先后顺序地在长度方向上收缩，由于中空囊状构件与中心内孔依靠褶皱形状配合在一起，因此实现腿部结构在长度方向上的收缩。

这样，由于中空囊状组件从靠近开口的位置向远离开口的方向先后顺序地在长度方向上收缩，从而可以确保机器人腿部结构的迈动动作更柔和平缓，进一步地，实现机器人更平顺地稳定地行走通过路面，减少机器人本身结构的抖动以及摇摆等。并且，在机器人安装有摄像装置的情况下，可以确保获得更稳定清晰的图像，便于更清晰地探测机器人周围的事物情况。

在该实施例中，所述长形腿部主体的横截面是圆形，所述长形腿部主体在所述中心轴线方向上间隔地设有圆形凸缘结构。长形腿部主体周缘上间隔地设置圆形凸缘结构，凸缘结构之间的间隔可以确保机器人在具有石块等物体的路面上的平稳通过能力。

所述长形腿部主体的外周壁设有摩擦材料，所述摩擦材料用于增加所述长形腿部主体的摩擦力。可以根据实际需要，在长形腿部主体的外周壁上设置合适的摩擦材料，以改变腿部主体接触地面时的摩擦力，进而改善机器人在不同的地面上行走通过的能力。

在本发明的实施例一中，所述长形腿部主体和所述长形牵拉构件的材料是热塑性弹性体、柔性拖链磨砂高弹聚氯乙烯料、氢化五嵌段苯乙烯类热塑性弹性体、高回弹性星型多嵌段聚合物、形状记忆聚合物合金、橡胶组合物中的任一种。

具体地，上述柔性拖链磨砂高弹聚氯乙烯料及其制备方法如下，其组成原料的重量份为：聚氯乙烯50份～55份；增塑剂25份～30份；填充剂10份～15份；改质剂5份～10份；丁腈橡胶2份～4份；氯化聚乙烯2份～4份；稳定剂2份～4份；阻燃剂2份～4份；润滑剂0.5份～2份；加工助剂0.5份～2份；制备步骤包括：s1、配料，根据配方获取相应份量的物料；s2、将聚氯乙烯粉及与丁腈橡胶粉混合；s3、往s2步骤中得到的混合物中添加其余物料，并在125℃～135℃的条件下混炼；s4、s3步骤中混合后的物料投入螺杆挤出机，进行塑化、挤出造粒；采用该材料可有效提高长形腿部主体和所述长形牵拉构件的韧性及弹性性能，防止轻易破裂或断裂，可替代热塑性弹性体，降低产品成本。

上述氢化五嵌段苯乙烯类热塑性弹性体及其制备方法如下，氢化五嵌段苯乙烯类热塑性弹性体由苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯五嵌段共聚物氢化得到，其制备方法是采用阴离子聚合方法通过分段聚合得到苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯五嵌段共聚物溶胶，再通过氢化工艺得到。该氢化五嵌段苯乙烯类热塑性弹性体的流动性高及永久变形较小，长形腿部主体和所述长形牵拉构件采用该材料时，易于制作，同时机械性能良好。

上述高回弹性星型多嵌段聚合物及其制备方法如下，由下列组份按重量份制备而成：常规sebs36％-50％；星型sebs6％-30％；白油40％；流动性改性剂3％；爽滑剂0.5％；抗氧剂0.5％。在体系中产生了除物理交联点以外的化学交联点，稳定性大大地高于物理交联点，在拉伸/压缩过程中，应力不易对其结构造成破坏，从而降低了产生永久变形的几率。并且由于交联密度的提高，各交联点之间不但有长分子链的橡胶相的存在，而且也产生由短分子链组成的橡胶相和长短链组成的混合橡胶相；长分子链和段分子链相互作用，提高了在应力作用下产生形变位移后快速回复的能力。因此，长形腿部主体和所述长形牵拉构件采用该材料，可以确保在牵拉动作结束后，快速回复初始形状的能力。

上述热塑性弹性体组合物包括两种类型，第一种类型的热塑性弹性体是含有″硬″聚合物链段和″软″聚合物链段的嵌段共聚物热塑性弹性体。第二种类型的热塑性弹性体是称为简单共混物(物理共混物)的热塑性弹性体。热塑性弹性体具有高强度，高回弹性，适合注塑加工，同时还具有耐候性，抗疲劳性和耐温性，加工性能优越。热塑性弹性体材料既可以二次注塑成型，也可以单独成型。

上述橡胶组合物包含：(a)弹性体基质，其包含：60-95phr的至少一种二烯弹性体，和5-40phr的极性热塑性弹性体tpe，所述极性热塑性弹性体包含至少一种弹性体嵌段和一种极性热塑性嵌段，所述极性热塑性嵌段选自烷基丙烯酸酯的均聚物和共聚物，所述烷基包含1-4个碳原子，和(b)补强性填料，其包含补强性无机填料，(c)偶联剂。所述极性热塑性弹性体的存在能够改善胎面在湿地抓地性能和干地抓地性能上的折衷。因此，由该材料制作而成长的形腿部主体将具有在湿地以及干地上的较佳的抓地性能，便于提高在各种路面上的通过能力。

上述形状记忆聚合物合金及其制备方法如下。按重量百分比计，该聚合物合金的原料组成为：聚烯烃塑料30-50％、尼龙树脂10-40％、热塑性弹性体接枝物20-40％、过氧化物交联剂0.1-1％、助交联剂0-5％、纳米填料1-5％。将通过高速混合机混合好的原料经过熔融挤出成型，即可得到适用于熔融沉积3d打印的聚合物合金。该聚合物合金不仅具备优异的3d打印性能，使得打印制品具有翘曲度低，尺寸稳定性高，表面光洁无缺陷，力学性能和耐热性能均较好等特点，而且还具有优异的热致形状记忆功能，打印制品的形状固定率和形状回复率均较高，可满足形状记忆制品的应用要求。因此，长形腿部主体和长形牵拉构件采用该材料将具有优异的3d打印成型性能，同时牵拉动作结束时，还具有良好的回复其初始形状的能力，进而提高腿部结构的快速行走能力。

实施例二

本发明的实施例二提供了另一种机器人腿部结构，与实施例一相比不同的是，实施例二中的机器人腿部结构中的所述长形牵拉构件是绳状构件，相应地，所述驱动机构是舵机驱动机构。所述绳状构件的一端连接所述舵机驱动机构，所述绳状构件的另一端连接在所述长形腿部主体的远离所述开口的一端。

在该实施例中，舵机驱动机构旋转一定角度，牵拉与其连接的绳状构件，绳状构件拉动长形腿部主体使其在长度方向上收缩。

三个长形腿部主体是一体式结构，作为示例，舵机驱动机构驱动该一体式结构时，在驱动其中一个长形腿部主体时，不驱动另外两个长形腿部主体。这样，被驱动的长形腿部主体在长度上收缩时，另外两个长形腿部主体未被驱动，长度不改变，由于三个长形腿部主体是一体式结构，长度方向上收缩的长形腿部主体将带动另外两个长形腿部主体改变姿态，使该一体式结构弯曲，进而完成向前或向后迈动的动作。

在该实施例中，所述绳状构件由低弹性的、低摩擦力材料制成。绳状构件采用低弹性材料，确保舵机机构牵拉绳状构件时，绳状构件长度变化较小，迅速响应舵机机构的驱动信号。

绳状构件采用低摩擦力材料，在绳状构件牵拉长形腿部主体时，可以减小绳状构件与长形腿部主体的长形内孔接触时产生的摩擦力，确保舵机驱动机构在驱动长形腿部主体收缩而改变姿态时，长形腿部主体的收缩更迅速，减少驱动信号与长形腿部主体的动作之间的迟滞，起到迅速响应舵机机构的驱动信号的作用。

本发明的实施例还提供了一种机器人，所述机器人包括上面描述的机器人腿部结构。

在该实施例中，本发明的机器人包括四个上面描述的机器人腿部结构以及驱动机构、支架等结构。该四个机器人腿部结构在设有开口的一端连接至该支架，四个腿部结构大致上以支架为中心，相隔90度均匀布置。可以理解的是，四个机器人腿部结构也可以相隔其他角度来布置。

还可以理解的是，机器人可以包括不同于四个的机器人腿部结构，例如，机器人可以包括二个、三个、五个、六个或其他数量的机器人腿部结构。

驱动机构设置在支架上，驱动机构与每个腿部结构的设有开口的端部相连接，用于通过牵拉相应的长形牵拉构件，驱动相应的机器人腿部结构进行动作，实现机器人的移动。

本实施例提供的机器人，由于腿部结构采用了柔性材料，结合驱动程序，可以实现x、y、z三轴方向上的运动，可以实现各种动作和功能。例如，同步驱动相对的两个腿部主体，可以直行或后退；同步协调驱动两个以上的腿部主体，可以左或右转向；同步协调驱动四个腿部主体，可以进行原地360度画圆运动；同步协调驱动四个腿部主体，还可以直立行走，升高机器人的高度，又可以伏地爬行，以降低机器人自身高度，通过较小缝隙。

另外，根据实际需要，本发明的机器人还可以包括各种摄像头、各种传感器、避障装置等结构，以赋予本发明的机器人更多功能，满足各种功能需要。

本发明的机器人腿部结构的多个长形腿部主体和多个长形牵拉构件采用柔性材料，多个长形腿部主体经由驱动机构牵拉相应的多个长形牵拉构件而可以容易地改变姿态，实现长形腿部主体的收缩弯曲，长形腿部主体的收缩弯曲和恢复初始形状实现其向前或向后的迈动动作。因此，包括上述机器人腿部结构的机器人可以通过改变长形腿部主体的姿态，以及改变机器人自身的高度，进而提高机器人通过狭小缝隙的能力，以及对缝隙后的情况进行科学探测以及展开救援的能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。