[发明专利]一种具有柔性关节的四足机器人

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种具有柔性关节的四足机器人。

背景技术

四足机器人凭借其在行走过程中的离散接触特性，在复杂环境中的探索和工作，表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道(如管道、台阶、楼梯、斜坡)上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景。目前四足机器人的研究大多处于试验阶段，特别是机器人在步行过程中的可靠性、稳定性、速度以及与地面接触的柔性等方面仍然具有诸多问题。例如，四足机器人在实际行走过程中，足部着地瞬间会产生巨大的冲力，这个冲力由足部通过机械腿传递至机器人各关节及机身，以至于机器人各关节及机身均会产生剧烈振动，降低传感精度，损坏部分灵敏部件，并影响机器人运动的稳定性。特别是机器人在快步行走过程中，更易产生连续剧烈振荡导致机体损害，使机器人无法工作。

如何降低机器人行走过程中与地面接触产生的刚性冲力，降低机器人机身、传感器和各灵敏部件的损坏，是当前四足机器人进一步要研究的重要内容。为此，人们从生物界寻找到了灵感，对机器人机械腿关节采用柔性仿生驱动的方式，降低机器人足部着地过程的冲击力，同时又可以完成既定任务，提高机器人的适应性。目前，四足机器人的驱动性能及良好地适应性主要取决于是否具有大功率的驱动装置，紧凑的仿生结构，精确的控制系统等。

关节柔性仿生驱动已成为目前四足机器人一个重要的研究方向，麻省理工学院的一位学者Pratt，首次将串联弹性驱动器(Series ElasticActuator，SEA)应用到步行机器人的驱动。串联弹性驱动器将弹性元件串联在刚性驱动器之后，使其能够承发刚性驱动器的驱动力和负载反馈过来的力，实现精确地力控制。

中国专利CN103538079A公开了一种基于旋转弹性驱动器的机器人关节，采用回转油缸与涡簧的组合方式，虽然通过涡旋弹簧的旋紧、放松，可以起到将油缸的驱动力柔性化的作用，但涡旋弹簧对能量的吸收和释放只能分别通过旋紧和放松来实现，因此对关节的实际应用造成了限制，进而也影响了基于柔性关节的四足机器人的性能。

另外对于四足机器人来说，不仅需要能够前后移动，也需要具备一定的横移动能力，以满足复杂实际情况对其提出的要求，但现有的四足机器人，其用于横向移动的结构都较为复杂。

因此提供一种串联弹性驱动器，并基于该串联弹性驱动器提供一种能够适应复杂地面环境，且承载力大，耗能低且具备一定横向移动能力的四足机器人成为现有技术中需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种具有柔性关节的四足机器人。该机器人能满足复杂环境下的工作要求，同时能克服传统的刚性机器人的冲击性，有效提高机器人的使用寿命。在满足上述条件下，本机器人还具有一定的负载能力，耗能低，良好地环境适应性等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种具有柔性关节的四足机器人，其特征在于该机器人包括机架和四条机械腿；机械腿通过外摆关节连接到机架两侧。所述四条机械腿采用内膝肘式的对称结构；每条机械腿由外摆关节、髋关节架、髋关节、大腿、膝关节、小腿和足依次组成。所述髋关节和膝关节均包括相同结构的具有主动柔性的柔性关节主体，膝关节和髋关节分别由髋关节电机和膝关节电机驱动，髋关节架为L型。

所述机架侧面具有用于安装机械腿的外摆关节的U型凹槽，外摆关节包括外摆轴、外摆套筒，外摆电机，外摆电机固定板，外摆联轴器，外摆轴承，所述外摆套筒一端开口，另一段固定安装在机架U型凹槽内侧面，所述外摆关节套筒轴线与四足机器人前进方向平行，外摆电机由固定板固定在外摆套筒内，外摆电机驱动轴伸向外摆套筒开口端，采用外摆联轴器连接外摆电机的驱动轴与外摆轴的一端，U型槽的另一侧面安装有轴承座，在外摆套筒开口处和轴承座中均安装有外摆轴承用于安装外摆轴。外摆轴通过联轴器，将外摆电机扭矩传递给髋关节，带动机械腿外摆。