[实用新型]一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢

说明书

技术领域

本实用新型涉及机械仿生工程技术领域，具体涉及一种应用于四足机器人的基于张拉整体结构的仿生四足机器人后肢。

背景技术

由于四足行走具有稳定性好、适应能力强的优点，近年来在世界范围内有关四足机器人的研究得到广泛开展。但是出于简化设计与控制的目的，目前多数四足机器人的关节(膝关节与踝关节等)均被设计为铰连接。由于四足机器人的作业环境通常十分复杂，下肢腿部构件和关节往往承受拉压、剪切、弯曲和扭转等多种类型载荷的作用，尤其处于高速动态运动模式时，现有的四足机器人经常因为腿部构件和关节失效而导致机体运动失败，而目前尚无较好的解决方法。

近年来，随着学科之间的深入交叉与融合，张拉整体思想引起了世界范围内生物力学与仿生机器人领域研究者的重视。张拉整体结构的概念最初由美国结构工程师Fuller首次提出，是指由非连续受压构件包含于连续受拉构件而形成的一种自平衡空间稳定结构。经过多年发展，其设计思想已经成功应用在机器人领域之中，如美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)Mirletz研究组设计了具有多自由度张拉柔性脊柱的机器人。在张拉整体结构中，受压构件之间不存在刚性接触，从而为解决四足机器人腿部关节失效问题提供了新思路。

同时，生物力学研究表明，在四足哺乳动物的下肢中，并不存在传统四足机器人下肢中的铰链关节，而是肌肉骨骼系统，其中，肌肉主动收缩产生肌肉力并通过肌腱将力传递至连接骨骼，从而产生骨骼的关节性运动。从生物力学角度出发可知，骨骼-肌肉系统中的骨骼主要承受压载荷，而韧带、肌肉等组织则主要承受拉载荷。由此，动物的腿部骨骼-肌肉系统可视为是由具有空间拓扑结构特征的受拉的韧带、肌肉、肌腱组织与受压骨骼构成的一种存在于生物体的特殊“张拉整体结构”。这种特殊的结构中柔性的拉索(肌肉、韧带)可使得四足动物腿部关节和腿部骨骼在高速动态运动中能够从容应对足-地冲击载荷，同时柔性连接代替刚性连接可消除形成关节的刚性骨骼间的摩擦，进而降低了能耗。

综观上述四足机器人腿部关节、张拉整体结构的研究现状及四足动物腿部的优异生物力学结构特征，急需一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有的四足机器人所使用的下肢在多种类型载荷的作用下使腿部构件和腿部关节失效，导致机器人运动失败的问题，而提供一种具有张拉整体结构的仿生四足机器人后肢。研究表明，该机器人后肢可以在机体运动过程中避免因地面冲击力作用而导致的腿部构件剪应力集中破坏，以及膝关节和踝关节的冲击损坏。

本实用新型包含膝关节、踝关节、第一腿部构件、第二腿部构件、第三腿部构件。

所述的膝关节由第一紧定螺钉、第一拉索、第一销、第一拉杆、第一弹簧支架、第一螺钉、第一压簧、第一垫片、第一螺母、第一弹簧挂件、第一拉簧、第一滑轮、第一吊环螺钉组成。其中，一对第一拉索穿过第一腿部构件的底部，由一对第一紧定螺钉保证第一拉索与第一腿部构件的相对位置，两对第一滑轮通过四个第一销对称布置在第二腿部构件的顶部，对第一拉索起导向与支撑作用。第一拉索两端跨过第一滑轮并与第一拉杆固连，第一拉杆将第一压簧作用于第一弹簧支架与第一垫片之间的弹力转化为第一拉杆对第一拉索的拉力，这里，第一垫片的位置由旋紧在第一拉杆上的第一螺母确定，第一弹簧支架通过第一螺钉固定在第二腿部构件上。第一弹簧挂件穿过第一腿部构件并与第一腿部构件固连，一对第一拉簧对称布置在第一弹簧挂件与第一吊环螺钉之间，这里，一对第一吊环螺钉通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件上。

所述的踝关节由第二螺母、第二垫片、第二压簧、第二螺钉、第二弹簧支架、第二拉杆、第二拉索、第二销、第二拉簧、第二弹簧挂件、第二吊环螺钉、第二紧定螺钉、第二滑轮组成。其中，一对第二拉索穿过第三腿部构件的上部，由一对第二紧定螺钉保证第二拉索与第三腿部构件的相对位置，两对第二滑轮通过四个第二销对称布置在第二腿部构件的底部，对第二拉索起导向与支撑作用。第二拉索两端跨过第二滑轮并与第二拉杆固连，第二拉杆将第二压簧作用于第二弹簧支架与第二垫片之间的弹力转化为第二拉杆对第二拉索的拉力，这里，第二垫片的位置由旋紧在第二拉杆上的第二螺母确定，第二弹簧支架通过第二螺钉固定在第二腿部构件上。第二弹簧挂件穿过第三腿部构件并与第三腿部构件固连，一对第二拉簧对称布置在第二弹簧挂件与第二吊环螺钉之间，这里，一对第二吊环螺钉通过螺纹连接的方式固连在第二腿部构件上。