[發明專利]一種具有柔性關節的四足機器人

有效

• 申請號: 201410652140.7
• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號: CN104386157A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 張小俊;張建華;孫凌宇;張明路
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 李濟群

技術領域

本發明涉及機器人技術，具體為一種具有柔性關節的四足機器人。

背景技術

四足機器人憑借其在行走過程中的離散接觸特性，在復雜環境中的探索和工作，表現出了很強的適應性，尤其在有障礙物的通道(如管道、臺階、樓梯、斜坡)上或很難接近的工作場地上具有更廣闊的發展前景。目前四足機器人的研究大多處于試驗階段，特別是機器人在步行過程中的可靠性、穩定性、速度以及與地面接觸的柔性等方面仍然具有諸多問題。例如，四足機器人在實際行走過程中，足部著地瞬間會產生巨大的沖力，這個沖力由足部通過機械腿傳遞至機器人各關節及機身，以至于機器人各關節及機身均會產生劇烈振動，降低傳感精度，損壞部分靈敏部件，并影響機器人運動的穩定性。特別是機器人在快步行走過程中，更易產生連續劇烈振蕩導致機體損害，使機器人無法工作。

如何降低機器人行走過程中與地面接觸產生的剛性沖力，降低機器人機身、傳感器和各靈敏部件的損壞，是當前四足機器人進一步要研究的重要內容。為此，人們從生物界尋找到了靈感，對機器人機械腿關節采用柔性仿生驅動的方式，降低機器人足部著地過程的沖擊力，同時又可以完成既定任務，提高機器人的適應性。目前，四足機器人的驅動性能及良好地適應性主要取決于是否具有大功率的驅動裝置，緊湊的仿生結構，精確的控制系統等。

關節柔性仿生驅動已成為目前四足機器人一個重要的研究方向，麻省理工學院的一位學者Pratt，首次將串聯彈性驅動器(Series?ElasticActuator，SEA)應用到步行機器人的驅動。串聯彈性驅動器將彈性元件串聯在剛性驅動器之后，使其能夠承發剛性驅動器的驅動力和負載反饋過來的力，實現精確地力控制。

中國專利CN103538079A公開了一種基于旋轉彈性驅動器的機器人關節，采用回轉油缸與渦簧的組合方式，雖然通過渦旋彈簧的旋緊、放松，可以起到將油缸的驅動力柔性化的作用，但渦旋彈簧對能量的吸收和釋放只能分別通過旋緊和放松來實現，因此對關節的實際應用造成了限制，進而也影響了基于柔性關節的四足機器人的性能。

另外對于四足機器人來說，不僅需要能夠前后移動，也需要具備一定的橫移動能力，以滿足復雜實際情況對其提出的要求，但現有的四足機器人，其用于橫向移動的結構都較為復雜。

因此提供一種串聯彈性驅動器，并基于該串聯彈性驅動器提供一種能夠適應復雜地面環境，且承載力大，耗能低且具備一定橫向移動能力的四足機器人成為現有技術中需要解決的問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種具有柔性關節的四足機器人。該機器人能滿足復雜環境下的工作要求，同時能克服傳統的剛性機器人的沖擊性，有效提高機器人的使用壽命。在滿足上述條件下，本機器人還具有一定的負載能力，耗能低，良好地環境適應性等特點。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，提供一種具有柔性關節的四足機器人，其特征在于該機器人包括機架和四條機械腿；機械腿通過外擺關節連接到機架兩側。所述四條機械腿采用內膝肘式的對稱結構；每條機械腿由外擺關節、髖關節架、髖關節、大腿、膝關節、小腿和足依次組成。所述髖關節和膝關節均包括相同結構的具有主動柔性的柔性關節主體，膝關節和髖關節分別由髖關節電機和膝關節電機驅動，髖關節架為L型。

所述機架側面具有用于安裝機械腿的外擺關節的U型凹槽，外擺關節包括外擺軸、外擺套筒，外擺電機，外擺電機固定板，外擺聯軸器，外擺軸承，所述外擺套筒一端開口，另一段固定安裝在機架U型凹槽內側面，所述外擺關節套筒軸線與四足機器人前進方向平行，外擺電機由固定板固定在外擺套筒內，外擺電機驅動軸伸向外擺套筒開口端，采用外擺聯軸器連接外擺電機的驅動軸與外擺軸的一端，U型槽的另一側面安裝有軸承座，在外擺套筒開口處和軸承座中均安裝有外擺軸承用于安裝外擺軸。外擺軸通過聯軸器，將外擺電機扭矩傳遞給髖關節，帶動機械腿外擺。