一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人

摘要

本发明提出基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，包括：方形框架机身，包括方形框架和固定件，四个固定件布置在框架的四角；支撑腿，由大腿和小腿组成，大腿与小腿之间通过旋转副连接，大腿的内部为空心，大腿的一端通过连接机构与固定件连接；传动机构，布置在固定件内，第一转轴与第二转轴为同心轴，同心轴穿过固定件设置，第三转轴与同心轴相互垂直并穿过固定件设置。本发明提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，当三台电机同时工作的时候，支撑腿同时进行前后摆动和侧向摆动，有效增强了支撑腿的灵活性。通过减少腿部重量和利用拉杆牵引驱动可以减少对电机的转动惯量的要求，使得机器人的腿部运动的惯性较小，便于避免过冲现象。

权利要求

1.一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，其特征在于，包括：方形框架机身，包括方形框架和固定件，四个所述固定件布置在所述方形框架的四角；

支撑腿，由大腿和小腿组成，所述大腿与所述小腿之间通过旋转副连接，所述大腿的内部为空心，所述大腿的一端通过连接机构与所述固定件连接；

传动机构，布置在所述固定件内，所述传动机构包括：第一电机；

第一曲柄摇杆元件，通过第一减速器与所述第一电机连接；

第一凸轮，与第一曲柄摇杆元件通过第一转轴连接；

第一拉杆，一端固定在所述第一凸轮的边沿上，另一端固定在所述小腿上；

第二电机；

第二曲柄摇杆元件，通过第二减速器与所述第二电机连接；

第二凸轮，与所述第二曲柄摇杆元件通过第二转轴连接；

第二拉杆，一端固定在所述第二凸轮的边沿上，另一端固定在所述大腿上；

第三电机；

第三曲柄摇杆元件，通过第三减速器与所述第三电机连接；

第三凸轮，与所述第三曲柄摇杆元件通过第三转轴连接；

第三拉杆，一端固定在所述第三凸轮的边沿上，另一端固定在所述连接机构上；

其中，所述第一转轴与所述第二转轴为同心轴，所述同心轴两端通过所述固定件设置，所述第三转轴与所述同心轴相互垂直并通过所述固定件设置。

2.如权利要求1所述的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，其特征在于，所述大腿结构内部为空心且呈圆锥台状。

3.如权利要求1所述的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，其特征在于，所述连接机构具有凸出件，所述凸出件设置在所述固定件的孔洞中，用来实现腿部和机身的连接。

4.如权利要求1所述的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，其特征在于，所述第一拉杆的另一端固定在小腿靠近大腿一侧的顶端，在所述第一拉杆作业时以所述旋转副为支点。

说明书

一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及一种四足步行机器人的控制结构技术领域，特别涉及一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人。

背景技术

[0002] 有能力在未知环境下完成探索任务的移动机器人正在被世界各地的学者研究，其中主要的移动方式有轮式、履带式和足式等几种类型。轮式机器人在连续平整的地面中，可以很好的完成任务，但是在斜坡或凹凸的地面上，不能正常的工作；履带机器人有一定的越障能力，但是在转弯时需要很大的转弯半径，这就造成了它的转向不够灵活，尤其是在狭小的地形中，这会变得十分致命；足式机器人从仿生学发展来看，具有很高的灵活性和跨越障碍的能力，对地形的适应性强，大大提高了它的应用领域。足式机器人的灵活性和越障能力和它本身的结构是分不开的，但是这种结构使得控制系统变得复杂，这是需要解决的一大难点。现在足式机器人大多数只能前后摆动大小腿，在转弯和避障时采用差速原理来工作，使运动变得缓慢和笨重，失去了足式机器人原有的优势。足式机器人有二、四、六和八足的形式，其中两足机器人的稳定性和负载能力很差，六足和八足机器人的机构冗余和控制复杂程度又很高。

[0003] 公告号为105856250B的中国专利公开了“一种四足步行机器人”，它可以通过第一驱动支链和第二驱动支链的同步运动实现前后摆动和支撑腿伸缩，通过第一驱动支链和第二驱动支链的异步运动实现侧摆和支撑腿伸缩，但是不能同时实现支撑腿的前后摆动和侧向摆动运动，而且支撑腿的旋转副过多，难以精确的控制摆动的幅度。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，以解决如何提高支撑腿的控制精确性、增强转弯灵活性以及避障快速性的问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，包括：方形框架机身，包括方形框架和固定件，四个固定件布置在方形框架的四角；支撑腿，由大腿和小腿组成，所述大腿与所述小腿之间通过旋转副连接，所述大腿的内部为空心，所述大腿的一端通过连接机构与所述固定件连接；传动机构，布置在所述固定件内，所述传动机构包括：第一电机；第一曲柄摇杆元件，通过第一减速器与所述第一电机连接；第一凸轮，与第一曲柄摇杆元件通过第一转轴连接；第一拉杆，一端固定在所述第一凸轮的边沿上，另一端固定在所述小腿上；第二电机；第二曲柄摇杆元件，通过第二减速器与所述第二电机连接；第二凸轮，与所述第二曲柄摇杆元件通过第二转轴连接；第二拉杆，一端固定在所述第二凸轮的边沿上，另一端固定在所述大腿上；第三电机；第三曲柄摇杆元件，通过第三减速器与所述第三电机连接；第三凸轮，与所述第三曲柄摇杆元件通过第三转轴连接；第三拉杆，一端固定在所述第三凸轮的边沿上，另一端固定在所述连接机构上；其中，所述第一转轴与所述第二转轴为同心轴，所述同心轴两端通过所述固定件设置，所述第三转轴与所述同心轴相互垂直并通过所述固定件设置。

[0006] 进一步地，所述大腿结构内部为空心且呈圆锥台状。

[0007] 进一步地，所述连接机构具有凸出件，所述凸出件设置在所述固定件的孔洞中。

[0008] 进一步地，所述第一拉杆的另一端固定在小腿靠近大腿一侧的顶端，在所述第一拉杆作业时以所述旋转副为支点。

[0009] 本发明提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，是基于曲柄摇杆机构运动原理的三轴联动的控制结构 。通过同侧设置的第一电机以及第二电机分别控制小腿、大腿的弯曲，从而实现支撑腿的前后摆动，另一侧的第三电机控制支撑腿的侧向摆动。当三台电机同时工作的时候，支撑腿同时进行前后摆动和侧向摆动，有效增强了支撑腿的灵活性。通过减少腿部重量和利用拉杆牵引驱动可以减少对电机的转动惯量的要求，使得机器人的腿部运动的惯性较小，便于避免过冲现象。通过曲柄摇杆机构改变运动的方式，使得控制更加精确。基于三轴联动控制结构的四足步行机器人整个结构的布置使重量集中在支撑腿的上方，而且同时还很好地利用了三角稳定原理，使得机器人在运动时有更好的稳定性。

附图说明

[0010] 下面结合附图对发明作进一步说明：

[0011] 图1为本发明实施例提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人的结构示意图；

[0012] 图2为本发明实施例提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人支撑腿控制结构的结构示意图；

[0013] 图3为本发明实施例提供的传动机构中第一电机至第一拉杆以及第二电机至第二拉杆的传动装置的结构示意图；

[0014] 图4为本发明实施例提供的固定件的结构示意图；

[0015] 图5为本发明实施例提供的方形框架的结构示意图。

具体实施方式

[0016] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0017] 本发明的核心思想在于，本发明提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，是基于曲柄摇杆机构运动原理的三轴联动的控制结构 。通过同侧设置的第一电机以及第二电机分别控制小腿、大腿的弯曲，从而实现支撑腿的前后摆动，另一侧的第三电机控制支撑腿的侧向摆动。当三台电机同时工作的时候，支撑腿同时进行前后摆动和侧向摆动，有效增强了支撑腿的灵活性。通过减少腿部重量和利用拉杆牵引驱动可以减少对电机的转动惯量的要求，使得机器人的腿部运动的惯性较小，便于避免过冲现象。通过曲柄摇杆机构改变运动的方式，使得控制更加精确。基于三轴联动控制结构的四足步行机器人整个结构的布置使重量集中在支撑腿的上方，而且同时还很好地利用了三角稳定原理，使得机器人在运动时有更好的稳定性。

[0018] 图1为本发明实施例提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人的结构示意图；图2为本发明实施例提供的基于三轴联动控制结构的四足步行机器人支撑腿控制结构的结构示意图。参照图1以及图2，提供一种基于三轴联动控制结构的四足步行机器人，包括：方形框架机身，包括方形框架101和固定件102，四个固定件102布置在方形框架101的四角；支撑腿，由大腿103和小腿104组成，所述大腿103与所述小腿104之间通过旋转副连接，所述大腿的内部为空心，所述大腿的一端通过连接机构330与所述固定件102连接；传动机构，布置在所述固定件102内，所述传动机构包括：第一电机210；第一曲柄摇杆元件，通过第一减速器211与所述第一电机210连接；第一凸轮215，与第一曲柄摇杆元件通过第一转轴214连接；第一拉杆216，一端固定在所述第一凸轮215的边沿上，另一端固定在所述小腿104上；其中，第一曲柄摇杆元件包括第一曲柄摇杆主机213和第一曲柄摇杆手柄212；第二电机
220；第二曲柄摇杆元件，通过第二减速器221与所述第二电机220连接；第二凸轮225，与所述第二曲柄摇杆元件通过第二转轴224连接；第二拉杆226，一端固定在所述第二凸轮225的边沿上，另一端固定在所述大腿103上；其中，第二曲柄摇杆元件包括第二曲柄摇杆主机223和第二曲柄摇杆手柄222；第三电机230；第三曲柄摇杆元件，通过第三减速器231与所述第三电机230连接；第三凸轮235，与所述第三曲柄摇杆元件通过第三转轴234连接；第三拉杆
236，一端固定在所述第三凸轮235的边沿上，另一端固定在所述连接机构330上；其中，第三曲柄摇杆元件包括第三曲柄摇杆主机233和第三曲柄摇杆手柄232。

[0019] 大腿的空心设计减轻了机器人本身的质量，允许机器人在运动中有更大的负载，连接机构330连接在大腿的上端，通过作用在其上的力来控制大腿的前后摆动，所述大腿103与所述小腿104之间通过旋转副连接，构成支撑腿的膝关节，在旋转副的上方设置小孔，用来连接第一拉杆216，通过大腿的内部，第一拉杆216可以直接连接到小腿，使得传力更加有效率，同时减小转动惯量，小腿的下端的结构由圆柱体和圆台构成，圆台稍有弹性，这样在接触地面行走时可以增加行走的稳定性。

[0020] 参照图1以及图2，每条支撑腿都是由三台电机控制的，其中，第一电机210以及第二电机220布置在同一个连接杆上，分别控制小腿以及大腿的运动，完成支撑腿的前后摆动，而第三电机230布置在另一个连接杆上，控制支撑腿的侧向摆动，控制支撑腿运动的十二台电机布置在方形框架机身的同一个平面内。基于曲柄摇杆运动原理的三轴联动的控制结构可以使机器人在转弯、避障时，通过前后摆动和侧向摆动，获得更好的通过权。

[0021] 图5为本发明实施例提供的方形框架的结构示意图。参照图5，方形框架101和固定件102共同构成方形框架机身。

[0022] 图4为本发明实施例提供的固定件的结构示意图。参照图2以及图4，其中，所述第一转轴214与所述第二转轴224为同心轴，所述同心轴通过所述固定件102设置，具体地，同心轴通过第一孔洞42设置，所述第三转轴234与所述同心轴相互垂直并通过所述固定件102设置，具体地，第三转轴234通过第二孔洞41设置。所述连接机构330具有凸出件，所述凸出件设置在所述固定件102的第三孔洞43中。机器人步行时，会形成三角形支撑，更加有利于机器人在运动中保持稳定性。

[0023] 图3为本发明实施例提供的传动机构中第一电机至第一拉杆以及第二电机至第二拉杆的传动装置的结构示意图。参照图1至图3，在整个结构的控制中，每三台电机控制一条支撑腿的运动，第一电机210通过减速器211的降速增扭作用输出到第一曲柄摇杆元件上，第一曲柄摇杆手柄212施加作用力在第一转轴214上，第一转轴214带动第一凸轮215转动，从而带动与第一凸轮215连接的第一拉杆216做钟摆运动，最终控制小腿的运动；第二电机220通过第二减速器221的降速增扭作用输出到第二曲柄摇杆元件上，第二曲柄摇杆手柄
222施加作用力在第二转轴224上，第二转轴224带动第二凸轮225转动，从而带动与第二凸轮225连接的第二拉杆226做钟摆运动，最终控制大腿的运动；当腿弯曲抬起时，作用在大腿上的力的方向沿斜向下方向，而作用在小腿上的力的方向沿斜向上方向，因此，在同侧的两台电机分别布置在同心轴的两侧。

[0024] 第三电机230通过第三减速器231的降速增扭作用输出到第三曲柄摇杆元件上，第三曲柄摇杆手柄232施加作用力在第三转轴234上，第三转轴234带动第三凸轮235转动，从而带动与第三凸轮235连接的第三拉杆236做钟摆运动，最终控制整个支撑腿的侧向摆动。

[0025] 设置的电机和转轴之间的曲柄摇杆元件可以使机器人的步态实现预期的结果，同时利用后期的反馈调节和深度学习可以达到更加精确的控制。

[0026] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。