一種具有張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機器人后肢的制作方法

本發(fā)明涉及機械仿生工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于四足機器人的基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機器人后肢。

背景技術(shù)：

由于四足行走具有穩(wěn)定性好、適應(yīng)能力強的優(yōu)點，近年來在世界范圍內(nèi)有關(guān)四足機器人的研究得到廣泛開展。但是出于簡化設(shè)計與控制的目的，目前多數(shù)四足機器人的關(guān)節(jié)(膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)等)均被設(shè)計為鉸連接。由于四足機器人的作業(yè)環(huán)境通常十分復雜，下肢腿部構(gòu)件和關(guān)節(jié)往往承受拉壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等多種類型載荷的作用，尤其處于高速動態(tài)運動模式時，現(xiàn)有的四足機器人經(jīng)常因為腿部構(gòu)件和關(guān)節(jié)失效而導致機體運動失敗，而目前尚無較好的解決方法。

近年來，隨著學科之間的深入交叉與融合，張拉整體思想引起了世界范圍內(nèi)生物力學與仿生機器人領(lǐng)域研究者的重視。張拉整體結(jié)構(gòu)的概念最初由美國結(jié)構(gòu)工程師Fuller首次提出，是指由非連續(xù)受壓構(gòu)件包含于連續(xù)受拉構(gòu)件而形成的一種自平衡空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年發(fā)展，其設(shè)計思想已經(jīng)成功應(yīng)用在機器人領(lǐng)域之中，如美國凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)Mirletz研究組設(shè)計了具有多自由度張拉柔性脊柱的機器人。在張拉整體結(jié)構(gòu)中，受壓構(gòu)件之間不存在剛性接觸，從而為解決四足機器人腿部關(guān)節(jié)失效問題提供了新思路。

同時，生物力學研究表明，在四足哺乳動物的下肢中，并不存在傳統(tǒng)四足機器人下肢中的鉸鏈關(guān)節(jié)，而是肌肉骨骼系統(tǒng)，其中，肌肉主動收縮產(chǎn)生肌肉力并通過肌腱將力傳遞至連接骨骼，從而產(chǎn)生骨骼的關(guān)節(jié)性運動。從生物力學角度出發(fā)可知，骨骼-肌肉系統(tǒng)中的骨骼主要承受壓載荷，而韌帶、肌肉等組織則主要承受拉載荷。由此，動物的腿部骨骼-肌肉系統(tǒng)可視為是由具有空間拓撲結(jié)構(gòu)特征的受拉的韌帶、肌肉、肌腱組織與受壓骨骼構(gòu)成的一種存在于生物體的特殊“張拉整體結(jié)構(gòu)”。這種特殊的結(jié)構(gòu)中柔性的拉索(肌肉、韌帶)可使得四足動物腿部關(guān)節(jié)和腿部骨骼在高速動態(tài)運動中能夠從容應(yīng)對足-地沖擊載荷，同時柔性連接代替剛性連接可消除形成關(guān)節(jié)的剛性骨骼間的摩擦，進而降低了能耗。

綜觀上述四足機器人腿部關(guān)節(jié)、張拉整體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及四足動物腿部的優(yōu)異生物力學結(jié)構(gòu)特征，急需一種具有張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機器人后肢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的四足機器人所使用的下肢在多種類型載荷的作用下使腿部構(gòu)件和腿部關(guān)節(jié)失效，導致機器人運動失敗的問題，而提供一種具有張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生四足機器人后肢。研究表明，該機器人后肢可以在機體運動過程中避免因地面沖擊力作用而導致的腿部構(gòu)件剪應(yīng)力集中破壞，以及膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的沖擊損壞。

本發(fā)明包含膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、第一腿部構(gòu)件、第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件。

所述的膝關(guān)節(jié)由第一緊定螺釘、第一拉索、第一銷、第一拉桿、第一彈簧支架、第一螺釘、第一壓簧、第一墊片、第一螺母、第一彈簧掛件、第一拉簧、第一滑輪、第一吊環(huán)螺釘組成。其中，一對第一拉索穿過第一腿部構(gòu)件的底部，由一對第一緊定螺釘保證第一拉索與第一腿部構(gòu)件的相對位置，兩對第一滑輪通過四個第一銷對稱布置在第二腿部構(gòu)件的頂部，對第一拉索起導向與支撐作用。第一拉索兩端跨過第一滑輪并與第一拉桿固連，第一拉桿將第一壓簧作用于第一彈簧支架與第一墊片之間的彈力轉(zhuǎn)化為第一拉桿對第一拉索的拉力，這里，第一墊片的位置由旋緊在第一拉桿上的第一螺母確定，第一彈簧支架通過第一螺釘固定在第二腿部構(gòu)件上。第一彈簧掛件穿過第一腿部構(gòu)件并與第一腿部構(gòu)件固連，一對第一拉簧對稱布置在第一彈簧掛件與第一吊環(huán)螺釘之間，這里，一對第一吊環(huán)螺釘通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件上。

所述的踝關(guān)節(jié)由第二螺母、第二墊片、第二壓簧、第二螺釘、第二彈簧支架、第二拉桿、第二拉索、第二銷、第二拉簧、第二彈簧掛件、第二吊環(huán)螺釘、第二緊定螺釘、第二滑輪組成。其中，一對第二拉索穿過第三腿部構(gòu)件的上部，由一對第二緊定螺釘保證第二拉索與第三腿部構(gòu)件的相對位置，兩對第二滑輪通過四個第二銷對稱布置在第二腿部構(gòu)件的底部，對第二拉索起導向與支撐作用。第二拉索兩端跨過第二滑輪并與第二拉桿固連，第二拉桿將第二壓簧作用于第二彈簧支架與第二墊片之間的彈力轉(zhuǎn)化為第二拉桿對第二拉索的拉力，這里，第二墊片的位置由旋緊在第二拉桿上的第二螺母確定，第二彈簧支架通過第二螺釘固定在第二腿部構(gòu)件上。第二彈簧掛件穿過第三腿部構(gòu)件并與第三腿部構(gòu)件固連，一對第二拉簧對稱布置在第二彈簧掛件與第二吊環(huán)螺釘之間，這里，一對第二吊環(huán)螺釘通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件上。

所述的第三拉索、第四拉索跨越膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)，其中，第三拉索頂部與第三拉桿固連，第三拉索底部通過第一壓塊、第二壓塊、第五螺釘固定在第三腿部構(gòu)件上。第四拉索頂部通過螺栓、第四螺母固定在拉索夾頭上，拉索夾頭以螺紋連接的方式與氣缸固連，第四拉索底部通過第七螺釘固定在第三腿部構(gòu)件底部。這里，第一滑輪組、第二滑輪組、第三滑輪組分別通過第四螺釘固定在第二腿部構(gòu)件的左側(cè)并對第三拉索起到支撐與導向的作用。第四滑輪組、第五滑輪組、第六滑輪組分別通過第四螺釘固定在第二腿部構(gòu)件的右側(cè)并對第四拉索起到支撐與導向的作用。第三拉索與第四拉索的拉力分別由第三壓簧、氣缸提供，第三壓簧的彈力作用于第三墊片進而推動第三螺母帶動與第三螺母固連的第三拉桿為第三拉索提供拉力，這里，第三彈簧支架通過第三螺釘固定在第一腿部構(gòu)件上并對第三壓簧起到支撐與限位作用，氣缸支架通過第六螺釘固定在第一腿部構(gòu)件上，氣缸以螺紋連接的方式與氣缸支架固連。

本發(fā)明的工作過程和原理：

在具體的實施過程中，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)為基于張拉整體的構(gòu)型，可以實現(xiàn)腿部各個關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動，由于膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)并不是傳統(tǒng)鉸接式關(guān)節(jié)故可以避免剛體之間的摩擦。第一拉簧、第二拉簧成對使用，限制第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件在冠狀面內(nèi)的運動。這里，第一拉索、第二拉索、第一拉簧、第二拉簧、第三拉索、第四拉索共同組成機器人下肢張拉整體結(jié)構(gòu)中的受拉部件，與第一腿部構(gòu)件、第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件等受壓部件一起完成機器人后肢的運動。第三拉索、第四拉索分別跨越膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)，其中第四拉索由氣缸提供拉力同時帶動第二腿部構(gòu)件、第三腿部構(gòu)件運動使機器人后肢主動蹬離地面，第三拉索由第三壓簧提供拉力用于機器人后肢在蹬離地面后的復位，氣缸與第三壓簧交替作用完成機器人后肢的完整動作。同時，由于第三拉索、第四拉索模擬四足哺乳動物的后肢利用肌腱、韌帶的傳動方式，可以解決機器人后肢應(yīng)力集中分布的問題，這有利于保護機器人后肢，提高其使用壽命。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明使用跨越兩個關(guān)節(jié)的拉索模仿四足哺乳動物后肢肌肉-肌腱的工作方式，拉索的存在可有效避免觸地沖擊過程中機器人后肢腿部構(gòu)件的剪應(yīng)力集中分布，進而保護后肢腿部構(gòu)件免于剪切破壞。

2、本發(fā)明通過使用張拉整體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在矢狀平面內(nèi)的運動，由于本發(fā)明中的關(guān)節(jié)不存在傳統(tǒng)鉸鏈式關(guān)節(jié)中的關(guān)節(jié)軸，同時在運動中消除了構(gòu)成關(guān)節(jié)的剛性體間的磨損與沖擊作用，從而顯著提高關(guān)節(jié)穩(wěn)定性與使用壽命。

3、本發(fā)明利用氣缸與彈簧配合跨越兩個關(guān)節(jié)的拉索實現(xiàn)機器人后肢完整的運動，只有一個主動元件，從而可以提高機器人的運動能效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的主視圖。

圖3為圖2的左視局部視圖。

圖4為圖2的A向視圖。

其中：1-膝關(guān)節(jié)；101-第一緊定螺釘；102-第一拉索；103-第一銷；104-第一拉桿；105-第一彈簧支架；106-第一螺釘；107-第一壓簧；108-第一墊片；109-第一螺母；110-第一彈簧掛件；111-第一拉簧；112-第一滑輪；113-第一吊環(huán)螺釘；2-踝關(guān)節(jié)；201-第二螺母；202-第二墊片；203-第二壓簧；204-第二螺釘；205-第二彈簧支架；206-第二拉桿；207-第二拉索；208-第二銷；209-第二拉簧；210-第二彈簧掛件；211-第二吊環(huán)螺釘；212-第二緊定螺釘；213-第二滑輪；3-第一腿部構(gòu)件；4-氣缸；5-第三螺母；6-第三墊片；7-第三壓簧；8-第三彈簧支架；9-第三螺釘；10-第三拉桿；11-第三拉索；12-第一滑輪組；13-第四螺釘；14-第二滑輪組；15-第二腿部構(gòu)件；16-第三滑輪組；17-第一壓塊；18-第二壓塊；19-第五螺釘；20-第三腿部構(gòu)件；21-氣缸支架；22-第六螺釘；23-拉索夾頭；24-螺栓；25-第四螺母；26-第四滑輪組；27-第四拉索；28-第五滑輪組；29-第六滑輪組；30-第七螺釘。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3及圖4所示，本實施例包含膝關(guān)節(jié)1、踝關(guān)節(jié)2、第一腿部構(gòu)件3、第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20。

所述的膝關(guān)節(jié)1由第一緊定螺釘101、第一拉索102、第一銷103、第一拉桿104、第一彈簧支架105、第一螺釘106、第一壓簧107、第一墊片108、第一螺母109、第一彈簧掛件110、第一拉簧111、第一滑輪112、第一吊環(huán)螺釘113組成。其中，一對第一拉索102穿過第一腿部構(gòu)件3的底部，由一對第一緊定螺釘101保證第一拉索102與第一腿部構(gòu)件3的相對位置，兩對第一滑輪112通過四個第一銷103對稱布置在第二腿部構(gòu)件15的頂部，對第一拉索102起導向與支撐作用。第一拉索102兩端跨過第一滑輪112并與第一拉桿104固連，第一拉桿104將第一壓簧107作用于第一彈簧支架105與第一墊片108之間的彈力轉(zhuǎn)化為第一拉桿104對第一拉索102的拉力，這里，第一墊片108的位置由旋緊在第一拉桿104上的第一螺母109確定，第一彈簧支架105通過第一螺釘106固定在第二腿部構(gòu)件15上。第一彈簧掛件110穿過第一腿部構(gòu)件3并與第一腿部構(gòu)件3固連，一對第一拉簧111對稱布置在第一彈簧掛件110與第一吊環(huán)螺釘113之間，這里，一對第一吊環(huán)螺釘113通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件15上。

所述的踝關(guān)節(jié)2由第二螺母201、第二墊片202、第二壓簧203、第二螺釘204、第二彈簧支架205、第二拉桿206、第二拉索207、第二銷208、第二拉簧209、第二彈簧掛件210、第二吊環(huán)螺釘211、第二緊定螺釘212、第二滑輪213組成。其中，一對第二拉索207穿過第三腿部構(gòu)件20的上部，由一對第二緊定螺釘212保證第二拉索207與第三腿部構(gòu)件20的相對位置，兩對第二滑輪213通過四個第二銷208對稱布置在第二腿部構(gòu)件15的底部，對第二拉索207起導向與支撐作用。第二拉索207兩端跨過第二滑輪213并與第二拉桿206固連，第二拉桿206將第二壓簧203作用于第二彈簧支架205與第二墊片202之間的彈力轉(zhuǎn)化為第二拉桿206對第二拉索207的拉力，這里，第二墊片202的位置由旋緊在第二拉桿206上的第二螺母201確定，第二彈簧支架205通過第二螺釘204固定在第二腿部構(gòu)件15上。第二彈簧掛件210穿過第三腿部構(gòu)件20并與第三腿部構(gòu)件20固連，一對第二拉簧209對稱布置在第二彈簧掛件210與第二吊環(huán)螺釘211之間，這里，一對第二吊環(huán)螺釘211通過螺紋連接的方式固連在第二腿部構(gòu)件15上。

所述的第三拉索11、第四拉索27跨越膝關(guān)節(jié)1與踝關(guān)節(jié)2，其中，第三拉索11頂部與第三拉桿10固連，第三拉索11底部通過第一壓塊17、第二壓塊18、第五螺釘19固定在第三腿部構(gòu)件20上。第四拉索27頂部通過螺栓24、第四螺母25固定在拉索夾頭23上，拉索夾頭23以螺紋連接的方式與氣缸4固連，第四拉索27底部通過第七螺釘30固定在第三腿部構(gòu)件20底部。這里，第一滑輪組12、第二滑輪組14、第三滑輪組16分別通過第四螺釘13固定在第二腿部構(gòu)件15的左側(cè)并對第三拉索11起到支撐與導向的作用。第四滑輪組26、第五滑輪組28、第六滑輪組29分別通過第四螺釘13固定在第二腿部構(gòu)件15的右側(cè)并對第四拉索27起到支撐與導向的作用。第三拉索11與第四拉索27的拉力分別由第三壓簧7、氣缸4提供，第三壓簧7的彈力作用于第三墊片6進而推動第三螺母5帶動與第三螺母5固連的第三拉桿10為第三拉索11提供拉力，這里，第三彈簧支架8通過第三螺釘9固定在第一腿部構(gòu)件3上并對第三壓簧7起到支撐與限位作用，氣缸支架21通過第六螺釘22固定在第一腿部構(gòu)件3上，氣缸4以螺紋連接的方式與氣缸支架21固連。

在具體的實施過程中，膝關(guān)節(jié)1、踝關(guān)節(jié)2為基于張拉整體的構(gòu)型，可以實現(xiàn)腿部各個關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動，由于膝關(guān)節(jié)1、踝關(guān)節(jié)2并不是傳統(tǒng)鉸接式關(guān)節(jié)故可以避免剛體之間的摩擦。第一拉簧111、第二拉簧209成對使用，限制第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20在冠狀面內(nèi)的運動。這里，第一拉索102、第二拉索207、第一拉簧111、第二拉簧209、第三拉索11、第四拉索27共同組成機器人下肢張拉整體結(jié)構(gòu)中的受拉部件，與第一腿部構(gòu)件3、第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20等受壓部件一起完成機器人后肢的運動。第三拉索11、第四拉索27分別跨越膝關(guān)節(jié)1與踝關(guān)節(jié)2，其中第四拉索27由氣缸4提供拉力同時帶動第二腿部構(gòu)件15、第三腿部構(gòu)件20運動使機器人后肢主動蹬離地面，第三拉索11由第三壓簧7提供拉力用于機器人后肢在蹬離地面后的復位，氣缸4與第三壓簧7交替作用完成機器人后肢的完整動作。同時，由于第三拉索11、第四拉索27模擬四足哺乳動物的后肢利用肌腱、韌帶的工作方式，可以解決機器人后肢應(yīng)力集中分布的問題，這有利于保護機器人后肢，提高其使用壽命。