九自由度四足仿生爬行机器人

摘要

一种九自由度四足仿生爬行机器人，它包括前躯体、后躯体和四个结构相同的由平行四连杆机构组成的腿部，其特征是所述的前躯体和后躯体通过躯体伺服电机相连，所述的组成腿部的平行四连杆机构由长连杆和短连杆以及上水平连杆及下水平连杆组成，所述的短连杆的上端通过腿部伺服电机与前躯体或后躯体相连，短连杆的上端同时与上水平连杆的一端通过抬足伺服电机相连，上水平连杆的另一端与长连杆的上端铰接相连，下水平连杆的一端与短连杆的下端铰接相连，下水平连杆的另一端与长连杆的下部铰接相连。本发明结构简单，驱动电机数量少，且足部始终垂直于地面，能在各种复杂地表爬行而不会侧滑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是一种四足爬行机器人，具体地说是一种具有仿生爬行特征，通过躯干的扭转和各腿部的回转及抬起放下动作实现各种爬行运动的九自由度四足仿生爬行机器人。

背景技术

[0002]众所周知，为了实现四足爬行机器人的运动，机器人的一个腿部一般需要三个关节自由度，每个关节配备一个电机，四个腿部共需十二个电机。因此，制造成本高，体积笨重。如果减少腿部自由度和驱动部件的个数，仍想实现前进运动，那么爬行时足尖会与地面之间产生侧滑。

  四足爬行机器人具有较好的稳定性和地形适应性，在野外科学探索和外星球探测中得到越来越多的应用，然而随着这些探索的深入，要求所要探索的地形和地表环境越来越复杂。当机器人遇到倾斜度较大的坡面，如火山坑和陨石坑等，以往的爬行机器人因无法附着在斜面上，易发生打滑甚至翻车；在充满乱石和沙土的极度粗糙地表，采用足部真空吸附的机器人也不能有效的前进。如果爬行机器人的足部配备插入地表的钻头，就可使机器人牢牢地附着在上述地表环境中，并进行有效攀爬，这就要求爬行机器人的足部最好能始终垂直于地表。

发明内容

本发明的目的是针对现有的四足爬行机器人存在的驱动电机数量多，在躯体扭动前行过程中无法保证足部始终与地表面垂直的问题，设计一种所需驱动电机数量少且能保证足部始终与地表垂直的九自由度四足仿生爬行机器人。

本发明的技术方案是：

一种九自由度四足仿生爬行机器人，它包括前躯体、后躯体和四个结构相同的由平行四连杆机构组成的腿部，前躯体和后躯体的两侧各连接有一个腿部，其特征是所述的前躯体和后躯体通过一个使它们能作相对转动的躯体伺服电机相连，所述的组成腿部的平行四连杆机构由垂直于前躯体或后躯体的长连杆和短连杆以及平行于前躯体或后躯体的上水平连杆及下水平连杆组成，所述的短连杆的上端通过使腿部旋转的腿部伺服电机与前躯体或后躯体相连，短连杆的上端同时与上水平连杆的一端通过能使上水平连杆在垂直面内转动从而实现腿部抬起的抬足伺服电机相连，上水平连杆的另一端与长连杆的上端铰接相连，下水平连杆的一端与短连杆的下端铰接相连，下水平连杆的另一端与长连杆的下部铰接相连，且下水平连杆与长连杆的铰接后与上水平连杆平行，长连杆与下水平连杆铰接点处向下延伸部分构成了爬行机器人的足部，该足部始终垂直于所处位置的地表面。

所述的九自由分别为前躯体和后躯体的相对转动自由度，四个腿部在水平面内的四个水平转动自由度以及四个腿部在垂直面内的四个垂直转动自由度。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过控制伺服电机驱动前躯体和后躯体的相对运动可实现爬行过程中的身躯扭动，以消除爬行过程中重心前移所造成的支撑足水平方向间距的变化，实现爬行过程的足尖无侧滑。

（2）本发明的腿部平行四连杆机构一方面削减了腿部的自由度，减少了驱动电机的数量，简化了腿部结构，另一方面，平行四连杆机构的引入可实现足部在与地面接触的任何时间始终保持垂直。这样可以大大提高腿部支撑的稳定性。

（3）本发明的一个腿部由两个电机驱动，与三自由度腿部机构相比，减少了驱动电机的数量，减轻了重量并降低了制造成本。

（4）本发明为外星球探索提供了一种重量轻，同时足部能与爬行地表相垂直的四足爬行机器人，从而在足部配备钻头的情况下，能有效的在大倾斜度和充满乱石、沙土的极度粗糙外星球地表进行攀爬。

（5）本发明以四足爬行动物的爬行步态参考设计，利用最小数量的伺服电机形成了九个自由度，它们分别是前躯体与后躯体相对摆动自由度；腿部绕垂直于前躯体或后躯体的轴线的水平摆动自由度；以及足部在垂直面内的上下平动自由度。

附图说明

图1是本发明的四足仿生爬行机器人的主体结构示意图。

图2是本发明的腿部平行四杆机构的正视图。

图3是本发明的四足仿生爬行机器人单个爬行步态示意图。

图4（a）是本发明的四足仿生爬行机器人的初始态。

图4（b）是本发明的四足仿生爬行机器人左爬行步态。

图4（c）是本发明的四足仿生爬行机器人右爬行步态。

图4（d）是本发明的四足仿生爬行机器人左爬行步态。

图中：1.前左腿  2.伺服电机  3.伺服电机  4.前躯体  5.伺服电机  6.伺服电机  7.前右腿  8.伺服电机   9.后右腿  10.伺服电机  11.伺服电机  12.后躯体  13.伺服电机  14.伺服电机  15.后左腿  17.腿部短连杆 18.腿部上水平连杆  19.腿部铰接处  20.腿部（足部）长连杆  21.腿部铰接处  22.腿部下水平连杆  23.腿部铰接处。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

   如图1-4所示。

一种九自由度四足仿生爬行机器人，它包括前躯体4、后躯体12和四个结构相同的由平行四连杆机构组成的腿部1、7、9、15，前躯体4的两侧分别连接有前左腿1、前右腿7，后躯体12的两侧分别连接有后左腿15和后右腿9，所述的前躯体4和后躯体12通过一个使它们能作相对转动的躯体伺服电机8相连，如图1所示，前躯体4和后躯体12搭接相连，躯体伺服电机8的壳体可固定在前躯体4上，也可固定在后躯体12上，而驱动轴则与相对的后躯体12或前躯体4固定相连，这样，当电机转动时，由于壳体固定，迫使驱动轴带动所固定连接的后躯体或前躯体作相对转动，从而实现前躯体4和后躯体12之间的扭动，这是第一个自由度。组成腿部的平行四连杆机构（如图2所示）由垂直于前躯体4或后躯体12的足部长连杆20和腿部短连杆17以及平行于前躯体4或后躯体12的上水平连杆18及下水平连杆22组成，所述的短连杆17的上端通过使腿部旋转的腿部伺服电机2、5、10或13与前躯体4或后躯体12相连（此处电机壳可固定在前躯体或后躯体上，电机轴与短连杆17固定相连），此处形成了四个水平面的水平旋转自由度，短连杆17的上端同时与上水平连杆18的一端通过能使上水平连杆18在垂直面内转动从而实现腿部抬起的抬足伺服电机6相连（可将电机壳固定在短连杆17上，电机轴固定在水平连杆18的一端上），此处又形成了最后四个垂直平面内的旋转自由度；上水平连杆18的另一端与长连杆20的上端铰接相连（铰接点为19），下水平连杆22的一端与短连杆17的下端铰接相连（铰接点为23），下水平连杆22的另一端与长连杆20的下部铰接相连，且下水平连杆22与长连杆20的铰接后与上水平连杆18平行，长连杆20与下水平连杆22铰接点21处向下延伸部分构成了爬行机器人的足部，该足部始终垂直于所处位置的地表面。

图1是四足仿生爬行机器人主体结构示意图，前躯体4和后躯体12通过伺服电机8联接构成四足爬行机器人的躯体部分，并由固定在后躯体12上的伺服电机8驱动前躯体4和后躯体12的相对运动，躯体部分与四条腿部分别连接并由壳体部分固定在前躯体4和后躯体12上的伺服电机2，5，10，13驱动，伺服电机2，5，10，13的驱动轴与对应的腿部的短连杆17的上部固定相连。前躯体4、后躯体12在伺服电机8的驱动下实现一个扭动的自由度，腿部在相应伺服电机2，5，10，13的驱动下实现水平旋转的自由度。

图2是腿部结构的正视图，四条腿部的结构均相同，因此，这里只以腿7为例进行说明。19为上水平连杆18杆和长连杆20的铰接副；21为长连杆20和下水平连杆22的铰接副；23为短连杆17和下水平连杆22的铰接副，长连杆20的下部形成本发明机器人的足部，在其下端可安装钻头以满足外星球和难以立足区域的探索定位需要；腿部伺服电机固定在短连杆17上，用以驱动上水平连杆18杆相对于短连杆17杆转动（即垂直面内的旋转运动），在平行四杆机构作用下，长连杆（即足部杆，下同）20可实现抬起和放下的动作，在身躯保持水平的情况下，足部杆20作为支撑接触地面保持静止或足部杆离开地面进行运动的时候能够始终保持垂直地面，具有较好的稳定性。

如图3所示，虚线为前一步态，实线为当前步态，四足仿生机器人爬行过程中，腿7、腿15足部接触地面，腿7、腿15、前躯体和后躯体组成一个并联连杆机构，为了控制腿7、腿15足部在地面的相对位置不发生变化（即无侧滑），基于运动学求解，由控制系统驱动伺服电机5，8，13转动，推动重心向前移，同时保证支撑足与地面无侧滑。

下面参照图1、图2和图4对本发明的四足仿生爬行机器人的爬行步态作进一步有说明。

首先说明腿部动作，腿部共有两个自由度，一是水平旋转运动，另一个是垂直面的上下运动（通过垂直面内的绕点旋转实现）。在爬行过程中，通过“抬腿-旋转-放腿”实现腿部的前进运动。

图4中，虚线为爬行机器人的前一步态。图4（a）为初始状态；图4（b）相对于图4（a）前躯体4向左扭转，定义为左爬行步态，图4（c）前躯体4向右扭转，定义为右爬行步态。如图4（a）、（b）所示，腿1、腿9抬起并向前旋转摆动，腿7、腿15足部接触地面作为支撑足，伺服电机5、8、13驱动腿7、腿15、前躯体4和后躯体12的相对运动，带动机器人重心前移，动作到位后，腿1、腿9放下作为支撑足，全部动作在短时间内完成，保持重心稳定，到此完成一个左爬行步态。如图4（c）所示，腿7、腿15抬起并向前旋转摆动，腿1、腿9足部接触地面作为支撑足，伺服电机2、8、10驱动腿1、腿9、前躯体4和后躯体12作相对运动，带动机器人重心前移，动作到位后，腿7、腿15放下作为支撑足，保持重心稳定，完成一个右爬行步态。如图4（d）所示，虚线的前一步态与初始状态完全相同，如此循环进行左爬行和右爬行，机器人即可完成连续的稳定的快步直线爬行。

另外，通过控制左爬行和右爬行腿部迈进以及躯体扭动的相对角度差可实现左转弯爬行和右转弯爬行。

如上所述，本发明是一个四足仿生爬行机器人，通过控制腿部，躯体角位移幅度可提高爬行的稳定性，同时控制相对步距可实现转弯爬行，此仿生爬行机器人相对于其他四足机器人减少了驱动部件和自由度，同时降低了制造成本并可达到一定的爬行稳定性。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。