一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构

摘要

本发明的目的在于提供一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构，其特征是：包括机架、驱动装置、角度输出杆、后足、两侧连杆、前足，前足通过两侧连杆连接后足，驱动装置连接角度输出杆，角度输出杆连接后足，驱动装置和前足均安装在机架上。本发明通过机械结构的优化设计，减少了大量的控制环节，减少能耗且能够更加协调的实现自适应地面及行走、转弯功能，且可靠性、稳定性更高；且由于控制装置可以模块化，故可以大大降低机器人的成本。可以较好的应用于足形机器人，自适应地面机器人；也可以用于科学探测、工业、考古勘探、医疗设备等领域；还可以用于玩具开发等领域或作为收藏装饰品，具有较高的实用价值。

权利要求

1.一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构，其特征是：包括机架、驱动装置、角度输出杆、后足、两侧连杆、前足，前足通过两侧连杆连接后足，驱动装置连接角度输出杆，角度输出杆连接后足，驱动装置和前足均安装在机架上；所述的后足为工字型后足；所述的驱动装置往复驱动角度输出杆并带动后足与机架使后足与机架形成角度；角度输出杆与工字形后足铰接在重力的作用下随动而实现自适应地面，四足同时着地，使机架的重心在前足与工字形后足的四边形范围内。

2.根据权利要求1所述的一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构，其特征是：所述的驱动装置仅驱动整体机构两个自由度的其中一个，所述的两个自由度包括机架与角度输出杆之间的转动自由度和角度输出杆与后足间的转动自由度。

3.根据权利要求2所述的一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构，其特征是：两前足相互平行时所形成的平面垂直于前足和工字形后足着地点所形成的平面，驱动装置输出轴与两前足相互平行时所形成的平面垂直。

4.根据权利要求3所述的一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构，其特征是：所述的后足与两侧连杆的连接为万向连接，两侧连杆与前足的连接为万向连接。

说明书

一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构

技术领域

[0001] 本发明涉及的是机器人领域，具体地说是一种用于行走的机器人。

背景技术

[0002] 目前，国内外学者已经研究了许多足型及多足机器人试验模型。

[0003] 这些机器人大都可以实现行走前进功能，但有的受到机构设计的限制，无法实现转向以及自适应地面行走，如上海交通大学开发的六足步行机器人。

[0004] 能够实现足型机器人尤其是多足机器人的转向运动一般有两种情况：若机器人的躯体是刚性的，则其转向一般通过腿部动作来完成，那么每条腿至少应该有髋关节大腿和小腿3个自由度，只就直接导致了结构复杂且需要的驱动马达过多。若多足机器人的躯体采用分段式连接，为实现转向，各段躯体之间就需要有俯仰和摇摆两个自由度，这仍然导致结构复杂。

[0005] 上海交大于2002年研发出了形状记忆合金驱动的微型双三足步行机器人，利用形状记忆合金在通电加热后能够伸缩的特性来驱动身体转动关节，从而达到转向的目的。但是，此发明受到材料的限制，只适用于体重较轻的微型机器人，不具备广泛的适用性；而且，其控制系统仍然较为复杂。

[0006] 同时自适应地面的步行机器人也是国内外研发的重点项目之一，同样的情况是无法实现转弯功能，若是可实现转弯功能的机器人在结构上相当复杂，体积也比较大。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供利用欠驱动机械学与重力学等原理，将机器人的自适应地面和行走、转向功能在一个统一的机构来实现的一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：

[0009] 本发明一种自适应地面行走及转向的足型机器人机构，其特征是：包括机架、驱动装置、角度输出杆、后足、两侧连杆、前足，前足通过两侧连杆连接后足，驱动装置连接角度输出杆，角度输出杆连接后足，驱动装置和前足均安装在机架上。

[0010] 本发明还可以包括：

[0011] 1、所述的后足为工字型后足。

[0012] 2、所述的驱动装置往复驱动角度输出杆并带动后足与机架使后足与机架形成角度。

[0013] 3、角度输出杆与工字形后足铰接在重力的作用下随动而实现自适应地面，四足同时着地，使机架的重心在前足与工字形后足的四边形范围内。

[0014] 4、所述的驱动装置仅驱动整体机构两个自由度的其中一个。

[0015] 5、两前足相互平行时所形成的平面垂直于前足和工字形后足着地点所形成的平面，驱动装置输出轴与两前足相互平行时所形成的平面垂直。

[0016] 6、所述的后足与连杆的连接为万向连接，连杆与前足的连接为万向连接。

[0017] 本发明的优势在于：本发明通过机械结构的优化设计，减少了大量的控制环节，减少能耗且能够更加协调的实现自适应地面及行走、转弯功能，且可靠性、稳定性更高；且由于本发明控制装置可以模块化，故通过使用本发明可以大大降低机器人的成本。由于以上所述的特点，本发明可以较好的应用于足形机器人，自适应地面机器人；也可以用于科学探测、工业、考古勘探、医疗设备等领域；还可以用于玩具开发等领域或作为收藏装饰品，具有较高的实用价值。

附图说明

[0018] 图1为本发明的运动原理示意图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0020] 结合图1，可以假设多足仿生机器人的脚运动一周为一个周期，由仿生学的发现可知：多足生物对称足之间相位差等于180度，且在转弯时运动方向为相反，另由重力学与惯性定律可知其在不平地面放置时可自动控制重心使其四足同时着地，并通过驱动装置带动角度输出杆摆动形成再次的不平衡，通过重力的二次作用达到平衡即是因此原理而设计。

[0021] 本发明的技术方案如下：一种可自适应地面行走及转向的足型机器人机构，主要包括驱动部分、输出部分和机架构成。

[0022] 其具体特征如下：

[0023] 驱动部分构成：动力驱动装置2固定在机架1上，由一个马达控制角度输出杆3的摆动，使分布在机架1两边的连杆5带动前腿6运动。当工字形后腿4达到一侧时，分布在机架1两边的连杆5形成一推一拉的结构。使前腿6的相位差为180度。

[0024] 输出部分构成：输出部分主要由马达输出端与中心成角度的自由旋转轴组成。与机器人的工字形后足4相连接，即可构成一个完整的机器人。

[0025] 欠驱动部分构成：欠驱动部分主要由工字形后足4、前足6和与它们相互连接的连杆5。

[0026] 机器人自适应地面功能的实现是通过欠驱动结构，在重力的作用下使其四足同时着地。

[0027] 机器人的前进功能的实现是通过动力驱动装置2进行正向摆动时，带动角度输出杆3摆动；继而带动两边的连杆5。此时，连杆5作用于前腿6。通过重力的作用使前腿6抬起并迈出，而达到再次的平稳状态；动力驱动装置2进行反向摆动时，带动角度输出杆3摆动；继而带动两边的连杆5。此时，连杆5作用于另一侧前腿6。通过重力的作用使前腿6抬起并迈出，而达到再次的平稳状态。正向与反向交替摆动即可使机器人向前运动。

[0028] 机器人的转弯功能的实现是通过动力驱动装置2进行由垂直位置正向摆动时，带动角度输出杆3摆动；继而带动两边的连杆5。此时，连杆5作用于前腿6。通过重力的作用使前腿6抬起并迈出，而达到再次的平稳状态；动力驱动装置2进行反向摆动而达到垂直位置时，带动角度输出杆3摆动；继而带动两边的连杆5。此时，连杆5作用于另一侧前腿6。通过重力的作用使前腿6抬起并迈出，而达到再次的平稳状态。正向与反向交替摆动即可使机器人转弯。

[0029] 本发明应用到足型及多足机器人时应有以下三点需要注意：一、保证其自身的重心略偏后一些。这样前腿6才能在重心的作用下而抬起。二、安装角度输出轴3时，设角度输出轴3摆到其中心的位置，四足均为与地面垂直时，其驱动轴与两前腿所在平面垂直，角度输出轴3所在平面与侧面平行。

[0030] 一种可自适应行走及转向的足型机器人机构，主要包括：机架1、驱动装置2、角度输出杆3、工字形后足4、两侧连杆5和前足6，其特征在于：驱动装置2固定在机架1上，角度输出杆3与工字形后足4铰接，使足型机器人由于重力自适应地面，工字形后足4通过连杆5与前足6相连，前足6与机架1铰接，驱动装置2双向往复驱动角度输出杆3并带动工字形后足4与机架1成一定角度。由于惯性作用使两侧前足6依次抬起，在重力的作用下使工字形后足4向前迈进，通过连杆5作用于前足6并向前行走。驱动装置2单向往复驱动角度输出杆3并带动工字形后足4与机架1成一定角度。在重力的作用下通过连杆5使同侧前足6重复抬起而转向。

[0031] 角度输出杆3与工字形后足4铰接在重力的作用下随动而实现自适应地面，四足同时着地，保证机架1的重心在前足6与工字形后足4的四边形范围内。

[0032] 驱动装置2与角度输出杆3、工字形后足4之间形成一套可控的欠驱动结构系统。

[0033] 驱动装置2仅驱动机构的两个自由度其中的一个。

[0034] 工字形后足4通过连杆5与前足6相连，工字形后足4与连杆5的连接为万向铰接，连杆5与前足6的连接为万向铰接。

[0035] 两前足6相互平行时所形成的平面垂直于前足6和工字形后足4着地点所形成的平面，驱动装置2输出轴与两前足6相互平行时所形成的平面垂直时，运动状态为最佳。

[0036] 自适应地面足型机器人机构通过驱动装置2使其实现向前行走或转弯的运动。

[0037] 驱动装置2固定在机架1上。当驱动装置2带动角度输出杆3进行摆动时，动角度输出杆3通过工字形后足4即可带动机架两侧连杆5。此时，连杆5作用于前足6。通过重力的作用使前足6抬起并迈出，而达到再次的平稳状态；驱动装置2进行反向摆动时，带动角度输出杆3摆动；通过工字形后足4的作用，继而带动两边的连杆5。此时，连杆5作用于另一侧前腿前足6。通过重力的作用使前足6抬起并迈出，而达到再次的平稳状态。正向与反向交替摆动即可使机器人向前运动。