一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人

1.本发明属于爬行机器人领域，涉及一种多足爬行机器人。


背景技术：

2.足式爬行机器人结构简单且灵活，能在较为复杂的路面上行进，可以较为轻易地跨过障碍完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球探测、消防营救、建筑业、农林采伐、示教娱乐等领域有着广阔的应用前景。
3.然而，传统多足爬行机器人在结构设计时，关注点大多集中在腿部结构，而对于腰部结构常常没有给予太多关注。传统多足爬行机器人腰部多采用刚性结构。其缺点在于：1)腰部不可动，仅起支撑和载物平台的作用，对机器人的运动和姿势不起任何作用。2)多足爬行机器人刚性结构的腰部，无法改变其形状，机器人各条腿的相对位置保持不变，机器人只能通过改变腿部姿态来实现行走、奔跑、避障和转弯等动作，腰部对爬行机器人的运动和适应性调节不起任何作用，而且刚性的腰部结构极大地限制了机器人整体工作空间和灵活度。
4.现有技术中，针对腰部可动的爬行机器人进行研究较少，中国专利文献cn105818882a公开了一种在腰部使用平面四杆变胞机构的四足仿生机器人。其提供的腰部结构中具有一种并联的双平面四杆结构，虽然采用该结构后，机器人的腰部可动，可以调节机器人的宽度，有效地增加了机器人的灵活性，但该机器人的腰部扭动范围由于结构限制无法获得更小的转弯半径，且并联的双平面四连杆机构稳定性不高，负载能力不强，操控复杂，实际应用性不理想。因此提供一种能够改进腰部结构，能更好的模仿爬行动物行进步态，运动耗能小，通过能力强，具有较高承载力和稳定性的多足爬行机器人成为现有技术中亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种结构简单可靠的在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人。
6.为解决的前述问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，包括作为闭链机构的机身，和四条作为开链机构的爬行足，所述闭链机构为由前机身4、第一杆1、第二杆2、第三杆3和后机身5构成的反平行四边形机构，以反平行四边形机构的运动平面为水平面，第一杆和第三杆在水平面上的投影重合并共同构成反平行四边形机构的一条连杆，第二杆作为反平行四边形机构的另一条连杆，前机身和后机身作为反平行四边形机构的两条曲柄，第二杆2的两端分别通过第四铰链9和第二铰链7与前机身4和后机身5的中部铰链座连接，第一杆1的两端分别通过第一绞链6和第三绞链8与前机身和后机身的上部铰链座相连；第三杆3的两端分别通过第五铰链10和第六铰链11与前机身4和后机身5的下部铰链座相连，所述第一铰链6、第二铰链7、第三铰链8、第四铰链9、第五铰链10、第六铰链11的轴线均与水平面正
交；
8.前机身前侧面和后机身的后侧面均安装用于安装爬行足的y型架18，所述y型架具两条沿机身轴线对称的安装臂，安装臂的轴线平行于水平面，安装臂的端部与爬行足铰接。
9.所述的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，进一步的，每条作为开链机构的爬行足从根部到端部依次包括铰接的第四杆12、第五杆13和第六杆14，第四杆的根部通过第七转动铰链15和安装臂的端部铰接，第七转动铰链的轴线垂直于水平面，第五杆13的根部分别通过第八铰链16与第四杆12相连，第五杆13的端部通过和第九铰链17与第六杆14相连，第八铰链16和第九铰链17的轴线与水平面平行。
10.所述的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，进一步的，任一爬行足抬起时，整个机体的重心刚好落在其余三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上。
11.所述的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，进一步的安装臂和机身的轴线具有70
°
～85
°
的夹角。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.(1)本发明将反平行四边形机构应用于多足爬行机器人的躯干，随着机器人运动，通过控制驱动反平行四边形机构的有节奏的扭动，模仿爬行动物扭动频率，耗能更小。
14.(2)本发明较以往的多足爬行机器人在进行转弯时，腰部扭动范围大，转弯半径小，缩短转弯时间，提高转弯和狭窄地形的通过能力。
15.(3)本发明所提供的多足爬行机器人，机身腰部采用多层连杆结构，增加机身的稳定性和可靠性，提高负载能力。
16.(4)本发明所提供的多足爬行机器人，腿部结构对称布置，前机身和后机身中部镂空，便于电源控制板和传感器的安装。
附图说明
17.图1是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人的总体结构示意图；
18.图2是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人的腰部的俯视示意图；
19.图3是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人的爬行足结构主视示意图；
20.图4是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人的爬行足结构俯视示意图；
21.图5是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人第一直腰步态至第一弯腰步态变化示意图；
22.图6是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人第一弯腰步态至第二直腰步态变化示意图；
23.图7是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人第二直腰步态至第二弯腰步态变化示意图；
24.图8是本发明实施例提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人
第二弯初始步态至第一直腰步态变化示意图；
25.图中：1-第一杆；2-第二杆；3-第三杆；4-前机身；5-后机身；6-第一铰链；7-第二铰链；8-第三铰链；9-第四铰链；10-第五铰链；11-第六铰链；12-第四杆；13-第五杆；14-第六杆；15-第七铰链；16-第八铰链；17-第九铰链；18-y型架
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，其描述仅是对本发明的解释性说明，并不用以限制本发明。
27.如图1～图2所示，本发明提供的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，包括作为闭链机构的机身，和四条作为开链机构的爬行足，所述闭链机构为由前机身4、第一杆1、第二杆2、第三杆3和后机身5构成的反平行四边形机构，以反平行四边形机构的运动平面为水平面，第一杆和第三杆在水平面上的投影重合并共同构成反平行四边形机构的一条连杆，第二杆作为反平行四边形机构的另一条连杆，前机身和后机身作为反平行四边形机构的两条曲柄，第二杆2的两端分别通过第四铰链9和第二铰链7与前机身4和后机身5的中部铰链座连接，第一杆1的两端分别通过第一绞链6和第三绞链8与前机身和后机身的上部铰链座相连；第三杆3的两端分别通过第五铰链10和第六铰链11与前机身4和后机身5的下部铰链座相连，所述第一铰链链6、第二铰链7、第三铰链8、第四铰链9、第五铰链10、第六铰链11的轴线均与水平面正交；
28.前机身前侧面和后机身的后侧面均安装用于安装爬行足的y型架18，所述y型架具两条沿机身轴线对称的安装臂，安装臂的轴线平行于水平面，安装臂和机身的轴线具有70
°
～85
°
的夹角，安装臂的端部与爬行足铰接；
29.每条作为爬行足的开链从根部到端部依次包括铰接的第四杆12、第五杆13和第六杆14，第四杆的根部通过第七转动铰链15和安装臂的端部铰接，第七转动铰链的轴线垂直于水平面，第五杆13的根部分别通过第八铰链16与第四杆12相连，第五杆13的端部通过和第九铰链17与第六杆14相连，第八铰链16和第九铰链17的轴线与水平面平行；
30.所述的多足爬行机器人，一个爬行足抬起，整个机体的重心刚好落在其余三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上。
31.所述一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，整体结构如图1所示，腰部结构如图2所示，爬行足结构如图3～图4所示。
32.本发明中，作为腰部结构的闭链结构共包第一铰链6、第二铰链7、第三铰链8、第四铰链9、第五铰链10、第六铰链11六个转动铰链，作为反平行四边形机构，对这六个铰链中的任一个加上驱动即可完全驱动该闭链结构。本发明中，依据闭链中驱动位置的不同选择，可以具有多种不同的驱动形式，实际应用中可以择优选用，其择优的原则是：保证在各种构态下都能实现完全驱动，以及驱动过程中压力角较小，避免运动干涉，以保证整个闭链达到最大的运动效率和工作空间。
33.本发明提供的多足爬行机器人在行进中，一个完整的步态周期包含两个直腰步态和两个弯腰步态共4个步骤。机器人的四条爬行足以左前、左后、右前、右后的顺序依次抬起后，机身在闭链机构驱动下前移。以机器人的直腰步态且机头朝向正前方时为运动的初始姿态，完整的步态周期包括：第一直腰步态(初始姿态)——第一弯腰步态——第二直腰步
态——第二弯腰步态——第一直腰步态(初始姿态)。所述步态变化具体过程如下：
34.如图5所示为机器人第一直腰步态(初始步态)变为第一弯腰步态的示意图；
35.初始步态下，机器人为直腰步态且机头朝向正前方，从第一直腰步态变为第一弯腰步态的过程中，驱动第八铰链和第九铰链使左前爬行足尖抬起，再驱动闭链结构中的任一铰链的使左前爬行足前移，同时其余三条爬行足的足尖接触地面作为支撑，机身由挺直变为弯折，机器人的重心由刚好落在三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上向三角形内部移动，当机身弯折至左前爬行足移动到位时，足尖落下，支撑足变为4个，机器人重心落在四条支撑爬行足组建连线构成的四边形内，重心在机器人前进方向上移动的距离为左前爬行足前移距离的四分之一。
36.如图6所示为机器人第一弯腰步态变为第二直腰步态的示意图；
37.第一弯腰步态下，驱动第八铰链和第九铰链使左后爬行足足尖抬起，再驱动闭链结构中的任一铰链的使左后爬行足前移，其余三条爬行足的足尖接触地面作为支撑，机身由弯折变为挺直，机器人的重心由刚好落在三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上向三角形内移动，当机身变为机头朝向右前方的第二直腰步态时，机器人重心落在由三条支撑足足尖连线构成的三角形内，此时左后爬行足移动到位，足尖落下，支撑足变为4个，机器人重心落在四条支撑爬行足组建连线构成的四边形内。重心在机器人前进方向上移动的距离为左后爬行足前移距离的四分之一
38.如图7所示为机器人第二直腰步态变为第二弯腰步态的示意图。
39.第二直腰步态下，驱动第八铰链和第九铰链使右前爬行足足尖抬起，再驱动闭链结构中的任一铰链的使右前爬行足前移，其余三条爬行足的足尖接触地面作为支撑，机身由挺直变为弯折，机器人的重心由刚好落在三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上向三角形内移动，当机身弯折至右前爬行足移动到位时(此时前机身朝向正前方)，足尖落下，支撑足变为4个，机器人重心落在四条支撑爬行足组建连线构成的四边形内。重心在机器人前进方向上移动的距离为右前爬行足前移距离的四分之一
40.如图8所示为机器人第二弯腰步态变为第一直腰步态的示意图。
41.第二弯腰步态下，驱动第八铰链和第九铰链使右后爬行足足尖抬起，再驱动闭链结构中的任一铰链的使右后爬行足前移，其余三条爬行足的足尖接触地面作为支撑，机身由弯折变为挺直，机器人的重心由刚好落在三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上向三角形内移动，当机身变为机头朝向正前方的第一直腰状态时，机器人重心落在由三条支撑足足尖连线构成的三角形内，此时左后爬行足移动到位，足尖落下，支撑足变为4个，机器人重心落在四条支撑爬行足组建连线构成的四边形内。重心在机器人前进方向上移动的距离为右后爬行足前移距离的四分之一。
42.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，其特征是包括作为闭链机构的机身，和四条作为开链机构的爬行足，所述闭链机构为由前机身、第一杆、第二杆、第三杆和后机身构成的反平行四边形机构，以反平行四边形机构的运动平面为水平面，第一杆和第三杆在水平面上的投影重合并共同构成反平行四边形机构的一条连杆，第二杆作为反平行四边形机构的另一条连杆，前机身和后机身作为反平行四边形机构的两条曲柄，第二杆的两端分别通过第四铰链和第二铰链与前机身和后机身的中部铰链座连接，第一杆的两端分别通过第一绞链和第三绞链与前机身和后机身的上部铰链座相连；第三杆的两端分别通过第五铰链和第六铰链与前机身和后机身的下部铰链座相连，所述第一铰链、第二铰链、第三铰链、第四铰链、第五铰链、第六铰链的轴线均与水平面正交；前机身前侧面和后机身的后侧面均安装用于安装爬行足的y型架，所述y型架具两条沿机身轴线对称的安装臂，安装臂的轴线平行于水平面，安装臂的端部与爬行足铰接。2.如权利要求1所述的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，其特征是，每条作为开链机构的爬行足从根部到端部依次包括铰接的第四杆、第五杆和第六杆，第四杆的根部通过第七转动铰链和安装臂的端部铰接，第七转动铰链的轴线垂直于水平面，第五杆的根部通过第八铰链和第四杆相连，第五杆的端部通过第九铰链与第六杆相连，第八铰链和第九铰链的轴线与水平面平行。3.如权利要求1或2所述的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，其特征是任一爬行足抬起时，整个机体的重心刚好落在其余三条支撑的爬行足足尖连线构成的三角形的边线上。4.如权利要求3所述的一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，其特征是安装臂和机身的轴线具有70
°
～85
°
的夹角。

技术总结
一种在腰部使用反平行四边形机构的多足爬行机器人，包括作为闭链机构的机身，和四条作为开链机构的爬行足，所述闭链机构为由前机身、第一杆、第二杆、第三杆和后机身构成的反平行四边形机构，以反平行四边形机构的运动平面为水平面，第一杆和第三杆在水平面上的投影重合并共同构成反平行四边形机构的一条连杆，第二杆作为反平行四边形机构的另一条连杆，前机身和后机身作为反平行四边形机构的两条曲柄，前机身前侧面和后机身的后侧面均安装用于安装爬行足的Y型架，所述Y型架具两条沿机身轴线对称的安装臂，安装臂的轴线平行于水平面，安装臂的端部与爬行足铰接。装臂的端部与爬行足铰接。装臂的端部与爬行足铰接。


技术研发人员：王瑞钦 吴昊 戴士杰 田鑫涛
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/1