一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构

本发明涉及仿生机器人领域，具体是一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构。

背景技术：

1、机器人作为目前快速发展的一门技术，能够帮助或代替人类在危险环境中进行作业。常见的机器人可分为固定式机器人和移动式机器人两类，移动式机器人能够到达指定目标位置，实现既定的动作，其中又可以分为轮式机器人、腿式机器人、轮式与腿式相结合的轮腿式机器人，除此之外还有轮履式、履腿式等多结构复合的机器人，在不规则的地形上腿式机器人适应性更好。

2、大多数腿式机器人是由电机驱动的，体积小、控制精准、操作方便，在崎岖地形中具有很强的运动适应能力，可运用在灾难应急救援的场景中。然而，腿式机器人由于尺寸小，导致其传感器空间有限、障碍物间隙有限以及行走速度较低，限制了其路径规划的精确度，作业环境会对腿式机器人有着许多约束，尤其是腿式机器人在未知复杂环境下作业时，经常会有从高处跌落的风险，对机器人的各关节和电机造成严重损伤。

3、气动肌肉是一种基于气压控制模仿人类肌肉舒张的柔性驱动机构，其输出特性与生物肌肉接近，主要由橡胶管和编织网组成，橡胶管通过端头的紧固组成一个封闭的容腔，并通过一个气管和供气管路相连。橡胶管在充气后膨胀，并作用于编织网，编织网的网线编织角增加，引起气动肌肉收缩，从而拉动负载运动。

4、气动肌肉具有以下几个优点：动作平滑，响应快，可以实现极慢速运动；安装维护简便，高度灵活，柔性，甚至可以沿弯角安装；输出力/自重比高，节能、高效；无滑动部件，无摩擦，能使机构运动更接近于自然生物运动。将气动肌肉应用在机器人上可以充分发挥气动肌肉具有的结构紧凑、成本低、运动平滑等诸多优点，为扩大气动肌肉系统的应用提供了一种有益的探索。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构，克服现有腿式机器人的不足。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

3、一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构，包括髋连接块、腰连接块、上腿、气动肌肉、中腿、仿人膝关节、下腿、趾部，其特征在于：

4、所述髋连接块与上腿固定连接，上腿与中腿通过仿人膝关节进行连接，中腿与下腿转动连接，下腿与趾部固定连接，髋连接块与所需装配的机器人的躯体部分转动连接，腰连接块与所需装配的机器人的躯体部分固定连接；

5、所述髋连接块第一接头与髋连接块转动连接，髋连接块第二接头与髋连接块转动连接，腰连接块第一接头与腰连接块转动连接，腰连接块第二接头与腰连接块转动连接，上腿第一接头与上腿转动连接，上腿第二接头与上腿转动连接，中腿第一接头与中腿转动连接，中腿第二接头与中腿转动连接，中腿第三接头与中腿转动连接，中腿第四接头与中腿转动连接，下腿第一接头与下腿转动连接，下腿第二接头与下腿转动连接，腿减震器两端锁扣分别与中腿和下腿固定连接，大液压缓冲器与趾部固定连接，小液压缓冲器与趾部固定连接；

6、所述髋连接块第一接头与腰连接块第一接头同轴心相对，第一气动肌肉与髋连接块第一接头和腰连接块第一接头同轴心连接；髋连接块第二接头与腰连接块第二接头同轴心相对，第二气动肌肉与髋连接块第二接头和腰连接块第二接头同轴心连接；上腿第一接头与中腿第一接头同轴心相对，第三气动肌肉与上腿第一接头和中腿第一接头同轴心连接；上腿第二接头与中腿第二接头同轴心相对，第四气动肌肉与上腿第二接头与中腿第二接头同轴心连接；中腿第三接头与下腿第一接头同轴心相对，第五气动肌肉与中腿第三接头和下腿第一接头同轴心连接；中腿第四接头与下腿第二接头同轴心相对，第六气动肌肉与中腿第四接头和下腿第二接头同轴心连接。气动肌肉与其两端关节的同轴心相对连接可以保证气动肌肉充气收缩时仅受轴向力而不受弯矩作用，始终处于安全的工作状态。

7、所述髋连接块与所需装配的机器人的躯体部分转动连接，腰连接块与所需装配的机器人的躯体部分固定连接，第一气动肌肉和第二气动肌肉构成类似人体肌肉的拮抗形式，通过对拉带动髋连接块转动，进一步带动上腿实现转动；第三气动肌肉和第四气动肌肉位于上腿左右两侧并构成类似人体肌肉的拮抗形式，通过对拉带动中腿相对于上腿实现转动；第五气动肌肉和第六气动肌肉位于中腿上下两侧并构成类似人体肌肉的拮抗形式，通过对拉带动下腿相对于中腿实现转动。

8、所述气动肌肉均处于充气后的收缩状态，处于收缩状态的气动肌肉拥有很好的力控制，可以为机器人腿部落地时提供缓冲作用。

9、所述仿人膝关节包括转动体、限位球、缓冲弹簧、转动板、转动垫片，转动体与上腿固定连接，缓冲弹簧底部与转动板固定连接，顶部穿过转动体的滑槽空隙后，将限位球与缓冲弹簧的顶部固定连接，转动板与转动垫片固定连接，转动垫片与中腿固定连接，限位球在转动体的滑槽内滚动，从而保证转动体和转动板在相切滚动的同时不会脱离。

10、所述腿减震器可将机器人腿部落地时产生的竖直向上的冲击传递至与中腿平行的方向，平行的冲击会导致仿人膝关节的内部产生相对滑移(和偏转)。

11、所述仿人膝关节为垂直方向的组合结构，受冲击时可通过转动体相对于转动板的滑移将冲击传递至滑移方向的气动肌肉，即第五气动肌肉和第六气动肌肉，通过第五气动肌肉和第六气动肌肉吸收冲击从而实现缓冲。

12、所述趾部包括大液压缓冲器和小液压缓冲器，一种可选的形式为大液压缓冲器的圆柱表面具有螺纹，可以与趾部底部中心进行螺纹连接；小液压缓冲器的圆柱表面具有螺纹，可以与趾部底部进行固定连接，并成正六边形蜂窝状阵列。

13、所述趾部可以增大机器人腿部与地面的接触面积，使机器人腿部在落地时的姿态更加平稳；所述大液压缓冲器位于趾部底部中心，小液压缓冲器围绕趾部底部中心成正六边形蜂窝状阵列；当机器人腿部正面落下时，大液压缓冲器离地面稍近，其先受到冲击开始进行缓冲并提供主要支撑，在大液压缓冲器缓冲后，小液压缓冲器因其成正六边形蜂窝状阵列，其可以灵活调整每一个的缓冲程度，从而保证机器人腿部能够平稳落地。

14、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

15、1.本发明提供的一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构，其采用气动肌肉驱动代替电机驱动，通过气动肌肉的充气收缩带动髋连接块、上腿、中腿、下腿等主要杆件相对转动；在上腿的左右空间以及中腿的上下空间中，气动肌肉构成了类似于人体肌肉的拮抗形式，通过气动肌肉的拮抗运动可以保证机器人能够灵活调整姿态，实现轻便移动，且能一定程度上提供缓冲，保护机器人的机械结构；

16、2.本发明提供的一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构，转动体、限位球、缓冲弹簧、转动板、转动垫片五部分构成仿人膝关节，转动体与上腿固定连接，缓冲弹簧底部与转动板固定连接，顶部穿过转动体的滑槽空隙后，将限位球与缓冲弹簧的顶部固定连接，转动板与转动垫片固定连接，转动垫片与中腿固定连接，限位球在转动体的滑槽内滚动，从而保证转动体和转动板在相切滚动的同时不会脱离，转动板由弹性耐磨材料组成，机器人腿部在受到冲击时，转动板被转动体挤压变形，限位球被上腿推动从而挤压缓冲弹簧，通过转动板和缓冲弹簧的压缩可以将一部分冲击的能量转化为弹性势能，在着陆达到平稳状态后，储存的弹性势能可以将腿部恢复至正常姿态；转动体和转动板相对分离时，缓冲弹簧被拉伸，限位球被转动体的滑槽阻挡，保证转动体与转动垫片不会脱离，并在缓冲弹簧被拉伸产生的弹性势能的作用下重新接触；转动体和转动板相对偏转时，缓冲弹簧产生抗扭作用从而阻碍偏转，使转动体和转动板相对偏转后仍能恢复原来的稳定状态。

17、3.本发明提供的一种基于气动肌肉的四足机器人腿部结构，其在趾部采用液压缓冲器以实现落地缓冲效果，液压缓冲器依靠液压阻尼对作用在其上的物体进行缓冲减速至停止，起到一定程度的保护作用；大液压缓冲器安装在趾部底面中心，小液压缓冲器绕趾部底面中心成正六边形蜂窝状阵列，在腿部未与地面接触时，大液压缓冲器和小液压缓冲器均处于未压缩状态，大液压缓冲器比小液压缓冲器的伸出端长度稍长一些，以保证腿部机构在落地瞬间，大液压缓冲器能最先与地面接触并开始被压缩，先较大程度减缓冲击；在大液压缓冲器被压缩后，四足机器人的腿部由于冲击角度可能会发生倾斜，当腿部倾斜至倾斜侧的小液压缓冲器开始与地面接触时，由于小液压缓冲器的阻尼作用会阻碍腿部向原倾斜侧继续倾斜的趋势并缓解倾斜的冲击，当小液压缓冲器被压缩至平衡状态时，四足机器人的落地冲击已被缓解，小液压缓冲器和大液压缓冲器均会慢慢恢复至未被压缩时的原状态，从而使四足机器人腿部调整到最平稳的姿态；小液压缓冲器的阵列形状为正六边形蜂窝状，正六边形节省材料、结构简单且性能好，因此正六边形蜂窝状的阵列能够为机器人腿部提供缓冲作用和平稳的落地姿态。

18、4.本发明充分考虑四足机器人整体结构的大小和重量尽可能小，所采用的杆件在保证结构强度的前提下会去除多余的材料，使四足机器人腿部轻量化、小型化。本发明结构简单、设计精巧，可以保证四足机器人落地平稳，姿态调整灵活，对复杂的地面状况适应性好，适合应用于进行紧急救援工作的四足机器人，有利于四足机器人完成空中翻转、跳跃、行走等功能。