[发明专利]具有并联腰结构的四足机器人

说明书

技术领域

本发明涉及步行机器人技术领域，具体是一种具有并联腰结构的快速四足机器人。

背景技术

足式机器人被广泛用于复杂地面环境下的作业任务，如：核电站灾害之后的探查工作、地震或塌方之后的救援任务等。与轮式及履带式机器人不同，足式机器人能够灵活选取独立的落脚点来完成运动过程。足式机器人将机身与地面复杂环境通过机械腿隔离，使机身能够穿越或避开各种障碍物，在其他机器人难以运动的环境下完成既定任务。

根据仿生研究显示，动物在运动过程中，由于腰部的运动与变形，可以增大腿部的运动空间，加强蓄力能力从而提供瞬间加速和跳跃的爆发力，并利用弹性节省能量的消耗以及降低触地时对身体的冲击。灵巧的腰结构还可以帮助动物在狭屈曲的多障碍环境下扭曲身体，具有更好的通过性。在工程实际中，步行器往往需要快速通过障碍环境，因此，运动速度和越障能力是衡量其实际意义的重要指标之一。随着速度的增大，要求足部的迈步步长和摆腿爆发力增大；复杂的障碍环境下，要求机器人能够控制身体的姿态来躲避障碍物的阻挡。因此，步行器的腰部构造设计就显得尤为重要。目前公布的足式机器人通常缺乏腰部结构或者腰部自由度极少，不能达到快速运动和灵活越障的要求。因此，提供一种带有多自由度腰结构的足式机器人，成为目前行业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种具有并联腰结构的四足机器人，该机器人运动快速灵巧，地形适应性好，越障能力强，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种具有并联腰结构的四足机器人，包括机架、并联腰结构和四条并联机械腿；其中，所述机架包括前部机架和后部机架，所述前部机架和后部机架之间通过并联腰结构连接，所述并联腰结构具有四个自由度；所述四条并联机械腿平均安装在前部机架和后部机架的两侧，其中每一条并联机械腿均相对于机架具有三个自由度，所述前部机架和后部机架在并联腰结构和四条并联机械腿的配合下，分别具有三维平移和三维转动六个自由度。

优选地，所述并联腰结构包括一条辅支链和均布在辅支链周围的四条具有相同结构、尺寸的主支链。

优选地，所述辅支链包括：两根连架杆和一根输出杆；其中，两根连架杆的一端均铰接在后部机架上，两根连架杆的另一端均铰接在输出杆的一端上；所述输出杆的另一端通过一个等效球铰a活动连接在前部机架上。

优选地，所述辅支链的输出杆与前部机架的连接点受到两根连架杆的限制，仅存在前后方向的直线运动自由度。

优选地，每一条主支链均包括：腰部驱动电机、丝杠滑块机构、腰部连杆；其中，所述丝杠滑块机构固定在后部机架上，丝杠滑块机构的一端通过皮带连接腰部驱动电机，丝杠滑块机构的另一端通过一个虎克铰a推动腰部连杆；所述腰部连杆的末端通过球铰连接到前部机架上。

优选地，四条主支链驱动前部机架进行前后移动和三维空间转动。

优选地，每一条并联机械腿均包括：三个驱动电机、三根驱动摇杆、三根驱动连杆、连接平台和若干腿部杆件；其中，三个驱动电机分别固定在机架上，并分别直接驱动相对应的三根驱动摇杆的一端，三根驱动摇杆的另一端均通过虎克铰b分别连接三根驱动连杆的一端，三根驱动连杆的另一端均连接到连接平台上；所述连接平台通过一个等效球铰b带动腿部杆件做空间运动；所述腿部杆件的末端相对于机架具有三个自由度。

优选地，所述并联腰结构的四个自由度包括：前后移动自由度和三维空间转动自由度。

优选地，所述并联机械腿的三个自由度包括：腿部矢状面上的二维移动自由度和绕机架前后轴的侧摆运动自由度。

本发明提供的具有并联腰结构的四足机器人，前部机架在辅支链的限制下，通过四条主支链并联驱动，相对后部机架存在一个直线运动自由度和三个转动自由度。四条并联机械腿分别活动连接在前部机架和后部机架的两侧，由各自独立的驱动系统控制运动。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、机器人的机身(机架)分为前后两个部分，两部分中间通过一个四自由度的并联腰结构连接。两部分机身相对存在一个移动自由度和三个空间转动(三维转动)自由度，能模仿自然界动物结构，实现许多复杂的身体变形运动。相对于缺乏灵活腰结构的机器人，本发明对于窄门、洞穴、楼梯等运动空间扭曲的障碍环境的通过能力大大提升。