[实用新型]一种可变拓扑结构的四足机器人机构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种可变拓扑结构的四足机器人机构，目的在于突破单一拓扑结构的四足机器人对不同地形通过能力的局限，属于仿生机器人领域。

背景技术

足式机器人从上世纪60年代出现，到现在已有半百年的历史。随着控制元件、控制方法、新型材料等的发展，足式机器人的可靠性及智能程度得到了飞跃式的提升。从2008年波士顿动力首次公开的BigDog，到2011年出现的负重比更多的LS3，再到后期的Cheetah 及spot系列等等，一次次的冲击着四足机器人各类指标的极限。

在已公布的、技术较为成熟的四足样机中，其腿部采用的拓扑结构大致可以分为四类：双膝式、双肘式、前肘后膝式和前膝后肘式。从稳定性和操控能力上讲，四种类型并没有太大的差异，但由于前肘后膝式和前膝后肘式这两种拓扑结构采用了全对称布置方式，能有效抑制关节控制误差引起的躯干质心在前进方向的抖动。再者对于特殊地形，例如坡度较大的山地，前膝后肘式具有较大的通行能力较优，同时前肘后膝式和前膝手肘式较比双膝或肘式有效的节约了腹部空间，对于大负重的四足平台，现有的较成熟的几款样机大多采用了以上两种结构。

实用新型内容

针对单一拓扑结构的四足机器人对不同地形通过能力的局限性，综合不同拓扑结构对于机器人本体的稳定性、操控能力、负重能力等优势，本实用新型提供一种可变拓扑结构的四足机器人，可以在前肘后膝式和前膝手肘式拓扑结构自由变换。

该四足机器人机构，包括躯干单元和腿部单元，躯干单元的底部连接有四条腿部单元；腿部单元包括髋部腿节、大腿腿节和小腿腿节，躯干单元与髋部腿节之间、髋部腿节和大腿腿节之间、大腿腿节和小腿腿节之间分别由联接半轴连接，髋部腿节与躯干单元之间连接有髋关节横滚直线液压作动器，大腿腿节与髋部腿节之间连接有大腿俯仰直线液压作动器，小腿腿节与大腿腿节之间连接小腿俯仰直线液压作动器。

所述躯干单元采用焊接框架结构，保证结构强度的前提下有效的降低了结构重量，增加了内部安装空间。

所述躯干单元通过跨梁与髋部腿节连接，髋关节横滚直线液压作动器连接在跨梁与髋部腿节之间。所述四条腿部单元中，前部两条腿部单元共用一个跨梁，后部两条腿部单元共用一个跨梁。

所述髋部腿节包括髋关节外部连接框和内板，内板连接在髋关节外部连接框内。

所述髋关节横滚直线液压作动器的缸体和活塞分别通过连接轴铰接在髋部腿节和躯干单元上。

所述大腿俯仰直线液压作动器的活塞缸和缸体通过连接轴分别铰接在大腿腿节及内板上。

所述小腿腿节包括小腿过渡腿节和小腿底端腿节，小腿底端腿节固定连接在小腿过渡腿节上。

所述小腿俯仰直线液压作动器通过连接轴分别铰接在大腿腿节及小腿过渡腿节上。

本实用新型的腿部单元通过直线液压作动器构成完整的运动链，其自身通过程序控制的节律运动和与外界的交互作用，使机器人产生相对于地面的移动，能够实现前肘后膝式行走方式，前膝后肘行走方式。变换过程中，机器人应处于停机或是卸荷状态，通过人工干预将腿部单元摆至另一侧，此时小腿俯仰直线液压作动器作动区间也换至了另一侧，通过切换控制程序，使机器人完成不同结构步态的调整。由于直线液压作动器的活塞杆作动长度较长，加之腿部单元的三节构件均采用了分片式设计，有效的将杆件的活动范围划分了两个半区，从而通过停机或是卸荷状态下的人工干预，便可实现前膝手肘式或是前肘后膝式行走模式切换。而在运动过程中，为防止油缸的作动程序紊乱或其它突发状况引起的油缸作动突破半区界限，造成机构损坏，除了采用两套控制程序外，还采用对直线液压作动器上位移传感器信号进行“硬性限位”，当检测达到位移极限时采用单作动器伺服阀卸荷或是整体运动归位处理方式，避免直线液压作动器的进一步作动。

本实用新型机构采用12自由度，每条腿采用三个直线液压缸控制，有效的降低了腿部运动惯量，躯干采用焊接式框架结构，内部可集成液压系统、控制系统、动力源等，在保证强度的前提下能有效的增加部件的安装空间且有较好的散热性能。本实用新型具有以下特点：

(1)腿部单元的腿节采用了分片式设计，有效降低了运动惯量，保证了运动拓扑结构的易变性；

(2)腿部单元各腿节采用了双半轴连接，将直线液压作动器的驱动空间分为了两个半区，保证了油缸在两个半区自由切换的无障碍通过；

(3)腿部单元与躯干单元采用螺栓连接，此番设计使腿部单元模块化，有效的增加了结构的易变性并较低维护难易度。

附图说明