(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN102211627A (43)申请公布日2011.10.12 (21)申请号201110106481.0 (22)申请日2011.04.27 (71)申请人浙江大学 地址310027浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人严华朱秋国熊蓉褚健 (74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公 司33200 代理人张法高 (51)1nt.cl. B62057032(2006.01) 权利要求书1页说明书3页附图2页 (54)发明名称 一种基于仿生设计的四腿机器人机构 (57)摘要 本发明涉及一种基于仿生设计的四腿机器人 机构。由身体框架和四条腿部组成。身体框架由 前板和后板组成,两侧有柔性手柄,方便搬运:每 条腿部包含髋部、大腿部、膝部和小腿部,髋部采 用差动锥齿轮实现两个自由度:髋部和大腿部采 用胀紧套联接,实现快速方便的拆装:膝部采用 锥齿轮传动运动:小腿包括大圆筒、小圆筒、锥形 弹簧和力传感器,小圆筒和大圆筒通过锥形弹簧 连接,能够减缓机器人行走过程中外部冲击力,足 底力传感器采集地面作用力,便于实时感知外部 环境以及对机器人进行平衡控制。本发明通过仿 生的设计思想,模拟设计了机器人的脊髓和柔性 足部机构,提高了机器人运动的灵活性,减轻了地 面对机器人的冲击力,结构紧凑,安装方便。 A3912201
CN102211627A 权利要求书 1/1页 1.一种基于仿生设计的四腿机器人机构,其特征在于包括身体框架(1)和四条腿部 (2):四条腿部(2)固定在身体框架(1)上:四条腿部(2)包括髋部(9)、大腿部(10)、膝部 (11)和小腿部(12):髋部(9)连接大腿部(10),大腿部(10)连接膝部(11),膝部(11)连接 小腿部(12):身体框架(1)包括身体前板(3)、身体后板(4)、前转动法兰(5)、后转动法兰 (6)、第一电机(7)和柔性手柄(8):前转动法兰(5)固定在身体前板(3)上,后转动法兰(6) 固定在身体后板(4)上,前转动法兰(5)和后转动法兰(6)构成转动副,第一电机(7)固定 在前转动法兰(5)上,第一电机(7)输出轴连接到后转动法兰(6),柔性手柄(8)的两端分别 固定在身体前板(3)和身体后板(4)上:髋部(9)包括第二电机(13)、第一正齿轮组(14)、 第一驱动固定架(15)、第一太阳锥齿轮(16)、行星锥齿轮(17)、行星支架(18)、第二太阳锥 齿轮(19)、第二驱动固定架(20)、第二正齿轮组(21)’和第三电机(22):第二电机(13)输 出轴连接第一正齿轮组(14)的输入轮,第三电机(22)输出轴连接第二正齿轮组(21)的输 入轮,第一正齿轮组(14)的输出轮连接第一太阳锥齿轮(16),第二正齿轮组(21)的输出轮 连接第二太阳锥齿轮(19),第一太阳锥齿轮(16)、第二太阳锥齿轮(19)和行星锥齿轮(17) 与行星支架(18)构成旋转运动副,第一驱动固定架(15)和第二驱动固定架(20)固定在身 体前板(3)上,同时支撑第一太阳锥齿轮(16)和第二太阳锥齿轮(19)和行星锥齿轮(17): 大腿部(10)包括胀紧套(23)、大腿杆(24)、第四电机(25)和电机座(26),大腿杆(24)与行 星锥齿轮(17)输出轴通过胀紧套(23)固定,第四电机(25)通过电机座(26)固定在大腿杆 (24)内:膝部(11)包括膝关节锥齿轮组(27)、齿轮外壳(28)和锥齿轮轴(29):第四电机 (25)输出轴上安装有膝关节锥齿轮组(27)的输入锥齿轮,与膝关节轴(29)上的膝关节锥 齿轮组(27)的输出锥齿轮相互啮合,齿轮外壳(28)固定在大腿杆(24)上,同时支撑膝关节 轴(29):小腿部(12)包括左小腿板(30)、右小腿板(31)、大圆筒(32)、锥形弹簧(33)、小圆 筒(34)和力传感器(35):左小腿板(30)和右小腿板(31)连接膝部(11)中的锥齿轮轴(29) 两端,并与大圆筒(32)上端固定,大圆简(32)下端中空,小圆筒(34)一端套在大圆筒(32) 内,两者通过锥形弹簧(33)连接,销子插在大圆筒(32)和小圆筒(34)相互配合的槽内,小 圆筒(34)另一端安装有力传感器(35)
CN102211627A 说明书 1/3页 一种基于仿生设计的四腿机器人机构 技术领域 [0001]本发明属于机器人领域,涉及一种基于仿生设计的四腿机器人机构。 背景技术 [0002]随着人类对自然界认识的加深,越来越多的智能仿生器械被开发出来。智能仿生 机器人以自然界中的生物作为研究对象,用机械结构模拟生物组织的运动,进而探索其运 动机理。开发小型化、轻便化和适应性强的仿生四腿机器人对促进机器人学的发展具有重 要意义,这类仿生机器人在科学研究、示范教学以及益智娱乐等方面具有广阔的应用和发 展前景。 [0003]中国专利号CN101927793A公开了一种“匍匐与直立运动互变的变结构四足机器 人结构”,该四足机器人有机体和固定在上面的四条肢体,每条肢体采用三个舵机控制,舵 机间为串联结构,这种结构连接杆件多,结构复杂,不适用于要求小型、轻便的仿生机器人。 同时该结构中机体是一个整体,限制了运动的灵活性。 [0004]中国专利号CN101811525A公开了一种“具有质心调整装置的液压驱动四足机器 人移动机构”,该机器人机构的在躯干下面布置四条腿,均采用液压驱动,每条腿有具有冗 余自由度,增加了机构控制的复杂性。另外液压驱动提高了整套机构的体积和重量,不方便 携带运输和拆装。 [0005]中国专利号CN101791994A公开了“一种凸轮驱动控制式四足机器人的行走机 构”,机构分为前后腿组件和连接前后腿组件的万向连接组件。其中万向节连接组件仅仅是 提供一个被动的运动形式,不能对人为的对其控制,不利于机构的运动和平衡控制。 发明内容 [0006]本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种结构更加紧凑、安装和搬运更加 方便,更有利于提高机器人运动灵活性、更好地吸收足部冲击力、具有感知外部环境作用的 基于仿生设计的四腿机器人机构。 [0007]基于仿生设计的四腿机器人机构包括身体框架和四条腿部:四条腿部固定在身体 框架上:四条腿部包括髋部、大腿部、膝部和小腿部:髋部连接大腿部,大腿部连接膝部,膝 部连接小腿部:身体框架包括身体前板、身体后板、前转动法兰、后转动法兰、第一电机和柔 性手柄;前转动法兰固定在身体前板上,后转动法兰固定在身体后板上,前转动法兰和后转 动法兰构成转动副,第一电机固定在前转动法兰上,第一电机输出轴连接到后转动法兰,柔 性手柄的两端分别固定在身体前板和身体后板上:髋部包括第二电机、第一正齿轮组、第一 驱动固定架、第一太阳锥齿轮、行星锥齿轮、行星支架、第二太阳锥齿轮、第二驱动固定架、 第二正齿轮组和第三电机:第二电机输出轴连接第一正齿轮组的输入轮,第三电机输出轴 连接第二正齿轮组的输入轮,第一正齿轮组的输出轮连接第一太阳锥齿轮,第二正齿轮组 的输出轮连接第二太阳锥齿轮,第一太阳锥齿轮、第二太阳锥齿轮和行星锥齿轮与行星支 架构成旋转运动副,第一驱动固定架和第二驱动固定架固定在身体前板上,同时支撑第一
CN102211627A 说明书 2/3页 太阳锥齿轮和第二太阳锥齿轮和行星锥齿轮;大腿部包括胀紧套、大腿杆、第四电机和电机 座,大腿杆与行星锥齿轮输出轴通过胀紧套固定,第四电机通过电机座固定在大腿杆内:膝 部包括膝关节锥齿轮组、齿轮外壳和锥齿轮轴:第四电机输出轴上安装有膝关节锥齿轮组 的输入锥齿轮,与膝关节轴上的膝关节锥齿轮组的输出锥齿轮相互啮合,齿轮外壳固定在 大腿杆上,同时支撑膝关节轴:小腿部包括左小腿板、右小腿板、大圆筒、锥形弹簧、小圆筒 和力传感器:左小腿板和右小腿板连接膝部中的锥齿轮轴两端,并与大圆筒上端固定,大圆 筒下端中空,小圆筒一端套在大圆筒内,两者通过锥形弹簧连接,销子插在大圆筒和小圆筒 相互配合的槽内,小圆筒另一端安装有力传感器。 [000]本发明与现有技术相比具有整体结构简单紧凑,安装拆卸方便的特点,加入的身 体关节令机器人更加适合高速运动场合,腿部的缓冲装置和力传感器使运动控制可靠性容 易得到保证。 附图说明 [0009]图1是四腿机器人机构整体实物图; 图2是四腿机器人身体框架实物图; 图3是四腿机器人单腿实物图: 图4是四腿机器人髋部装配图; 图5是四腿机器人大腿部、膝部和小腿部装配图: 图中:身体框架1、腿部2、身体前板3、身体后板4、前转动法兰5、后转动法兰6、第一 电机7、柔性绑带8、髋部9、大腿部10、膝部11、小腿部12、第二电机13、第一正齿轮组14、 第一驱动固定架15、第一太阳锥齿轮16、行星锥齿轮17、行星支架18、第二太阳锥齿轮19、 第二驱动固定架20、第二正齿轮组21、第三电机22、胀紧套23、大腿杆24、第四电机25、电 机座26、膝关节锥齿轮组27、齿轮外壳28、锥齿轮轴29、左小腿板30、右小腿板31、大圆筒 32、锥形弹簧33、小圆筒34、力传感器35。 具体实施方式 [0010]以下结合附图进一步说明本发明。 [0011]如图1,2,3,4,5所示,基于仿生设计的四腿机器人机构包括身体框架1和四条腿 部2;四条腿部2固定在身体框架1上;四条腿部2包括髋部9、大腿部10、膝部11和小腿 部12:髋部9连接大腿部10,大腿部10连接膝部11,膝部11连接小腿部12:身体框架1包 括身体前板3、身体后板4、前转动法兰5、后转动法兰6、第一电机7和柔性手柄8:前转动 法兰5固定在身体前板3上,后转动法兰6固定在身体后板4上,前转动法兰5和后转动法 兰6构成转动副,第一电机7固定在前转动法兰5上,第一电机7输出轴连接到后转动法兰 6,柔性手柄8的两端分别固定在身体前板3和身体后板4上:髋部9包括第二电机13、第 一正齿轮组14、第一驱动固定架15、第一太阳锥齿轮16、行星锥齿轮17、行星支架18、第二 太阳锥齿轮19、第二驱动固定架20、第二正齿轮组21和第三电机22:第二电机13输出轴 连接第一正齿轮组14的输入轮,第三电机22输出轴连接第二正齿轮组21的输入轮,第一 正齿轮组14的输出轮连接第一太阳锥齿轮16,第二正齿轮组21的输出轮连接第二太阳锥 齿轮19,第一太阳锥齿轮16、第二太阳锥齿轮19和行星锥齿轮17与行星支架18构成旋转
CN102211627A 说明书 3/3页 运动副,第一驱动固定架15和第二驱动固定架20固定在身体前板3上,同时支撑第一太阳 锥齿轮16和第二太阳锥齿轮19和行星锥齿轮17;大腿部10包括胀紧套23、大腿杆24、第 四电机25和电机座26,大腿杆24与行星锥齿轮17输出轴通过胀紧套23固定,第四电机 25通过电机座26固定在大腿杆24内:膝部11包括膝关节锥齿轮组27、齿轮外壳28和锥 齿轮轴29:第四电机25输出轴上安装有膝关节锥齿轮组27的输入锥齿轮,与膝关节轴29 上的膝关节锥齿轮组27的输出锥齿轮相互啮合,齿轮外壳28固定在大腿杆24上,同时支 撑膝关节轴29;小腿部12包括左小腿板30、右小腿板31、大圆筒32、锥形弹簧33、小圆筒 34和力传感器35;左小腿板30和右小腿板31连接膝部11中的锥齿轮轴29两端,并与大 圆筒32上端固定,大圆筒32下端中空,小圆筒34一端套在大圆简32内,两者通过锥形弹 簧33连接,销子插在大圆筒32和小圆筒34相互配合的槽内,小圆筒34另一端安装有力传 感器35。 [0012]本发明的工作过程如下:身体框架1上的第一电机7的输出轴带动后转动法兰6 转动,可以实现身体前板3和身体后板4的相对运动,增强了机器人在高速运动场合的灵活 性,机器人的搬运通过柔性手柄8能够很方便的实现,髋部9的第一太阳锥齿轮16、第二太 阳锥齿轮19和行星锥齿轮17组成差动锥齿轮组合,第二电机13和第三电机22分别驱动 第一太阳锥齿轮16和第二太阳锥齿轮19,两者运动传递到行星锥齿轮17,行星锥齿轮17 的公转和自转实现屈/伸、内收/外展两个自由度的运动,结构紧凑,传动力矩增大,提高了 机器人运动过程中的鲁棒性。大腿杆24与行星锥齿轮17输出轴通过胀紧套23固定,采用 这种方式方便了对机器人腿部的安装和拆卸,大腿杆24中固定第四电机25,合理分配腿部 重心,更有利于机器人的平衡控制,通过第四电机25输出轴的转动,将动力传递到锥齿轮 轴29,左小腿板30和右小腿板31固定在锥齿轮轴29两端,这样就实现了大腿部10和小腿 部12的相对运动。大圆筒32中空,小圆筒34套在大圆筒32内,两者通过锥形弹簧33连 接,销子插在大圆筒32和小圆筒34相互配合的槽内,可以防止小圆筒34从大圆筒32中脱 落,小圆筒34另一端安装有力传感器35,在足底受到冲击时,小圆筒34通过压缩锥形弹簧 33与大圆筒32之间产生相对移动,减缓了冲力对身体运动的影响,以适应崎岖的地面。同 时,足底的力传感器35用于采集地面的作用力,便于实时感知外部环境以及对机器人进行 平衡控制。 te
CN102211627A 说明书附图 1/2页 2 图1 图2 6
CN102211627A 说明书附图 2/2页 9 10 23 12 图3 14 15 16 17 13 21 ☒18 19 523830 3 匪ID 32 33 20 21 22 34 35 图4 图5