本實用新型涉及多足機器人平臺技術領域，具體為一種四足機器人平臺。該平臺基于改進的平面五桿機構柔性腿。

背景技術：

在現有的多足機器人平臺機構研究中，機械結構的設計需要兼顧多個方面，一方面機器人負載能力和抗沖擊能力需要機器人具有高強度的支撐結構以及巧妙的柔性緩沖環節；另一方面機器人高速高機動高適應性的特點又要求機器人具有較低的運動慣性以及較高的剛性傳動來保證快速精確的運動響應能力。

目前四足機器人機身設計相對簡單，主要為簡單桁架結構。這些簡單的結構在進行機身附件的安裝中存在布置困難，且相對雜亂，零件布置沒有層次感，容易導致機身重心靠上等問題，不利于機器人行走過程中的穩定性。

現有多數四足機器人腿部結構主要以串聯機構為主，串聯機構結構簡單，控制方便，但是當驅動系統安裝在機器人腿部時，會導致機器人腿部運動慣性較大；同時由于串聯機構承載能力較差。并聯機構承載能力較強，運動響應速度快，能夠實現機器人足端的多方位移動，但是存在運動范圍較小等問題。同時，目前四足機器人腿一般為剛性結構或具有一定被動柔性的結構，這使得機器人在行進過程當中的足端沖擊無法有效減弱，這會對機器人的行走穩定性構成非常不利的影響，且過大的足端沖擊容易對四足機器人零部件造成損傷，降低零部件的可靠性和耐用性，同時這種結構形式使四足機器人在行走過程當中的能量損耗嚴重，且目前四足機器人一般為針對性的設計結構，缺少一款較通用的平臺，導致四足機器人各個零部件再采用其它形式的結構時形成了不必要的麻煩。另外，目前四足機器人的設計基本沒有成熟的平臺化，模塊化設計產品，四足機器人的各組成模塊在更換為不同形式模塊的過程當中存在困難。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本實用新型擬解決的技術問題是：提供一種四足機器人平臺，該四足機器人平臺基于平面五桿機構柔性腿或腿部結構，采用模塊化設計，具有腿部剛度控制能力，有效減弱機器人足端沖擊，極大的提高了機器人的能量利用效率；同時，機器人腿模塊改進的平面五桿機構設計方案，使整個腿機構具有較大的剛度質量比，有效提高了機器人的承載能力，并有效的減輕了腿質量，減輕了機器人行進過程當中的運動慣量，腿模塊足尖可以更換不同的形式，變剛度主動柔性關節也可以選用不同形式，甚至，整個機器人平臺的腿模塊都可以更換為不同形式。

本實用新型解決所述技術問題采用的技術方案是：設計一種四足機器人平臺，該平臺包括機身模塊和腿模塊，其特征在于所述的腿模塊為平面五桿機構柔性腿，該柔性腿包括俯仰驅動關節模塊、連桿機構模塊和足尖模塊；所述連桿機構一端連接俯仰驅動關節模塊，另一端連接足尖模塊；

所述俯仰驅動關節模塊包括變剛度主動柔性關節、驅動電機、諧波減速器、同步帶、諧波減速器及其驅動電機安裝在同一支撐架上，其中一個諧波減速器集成了變剛度主動柔性關節作為輸出；支撐架左側上部安裝兩個驅動電機，這兩個驅動電機的輸出軸穿過支撐架上對應得軸孔，驅動電機輸出軸在穿過對應軸孔后安裝著同步帶輪；在驅動電機的下方，有兩個諧波減速器對應的安裝在支撐架左側，諧波減速器的輸入軸穿過支撐架上對應的軸孔，諧波減速器輸入軸在穿過對應軸孔以后，安裝有同步帶輪；同步帶安裝在諧波減速器和對應驅動電機的同步帶輪上；在諧波減速器的右側，其中一個安裝著變剛度主動柔性關節；以上支撐架可以視作一個方形的框架結構，左右前后為四塊板材，上下部位為鏤空的，沒有板材之類的覆蓋，以上驅動電機，諧波減速器，變剛度主動柔性關節均安裝在支撐架構成的框架結構內；

所述足尖包括三維力學傳感器，三維力學傳感器支架和足弓；三維力學傳感器下面與三維力學傳感器支架連接，三維力學傳感器支架下面與足弓連接，足弓為對稱結構，足弓系數為0.33，采用彈簧鋼制成；

所述連桿機構具有(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(R)和(I)共10個鉸接點，利用所述的10個鉸接點，把各連桿鉸接為一個常規的四桿機構、一個帶有彈簧桿的四桿機構和一個平面五邊形五桿機構；其中，連桿AB、BG、GR和AR構成一個常規的平行四邊形四桿機構；連桿BC、CD、DE和EB構成另一個帶有彈簧桿的平行四邊形四桿機構，其中連桿CD是所述的彈簧桿；依次連接鉸接點(A)、(B)、(F)、(H)和(I)的各連桿構成一個平面五邊形五桿機構；鉸接點(A)、(R)、(I)用于把所述連桿機構固定在俯仰驅動關節上；

所述腿模塊采用順向對稱布置于機身模塊的下底板，其中，機身模塊左側兩個腿模塊的結構形式完全相同，右側兩個腿模塊的結構形式也完全相同，左右兩側的腿模塊在結構形式上呈鏡像對稱結構形式。

與現有技術相比，本實用新型平臺有益效果是：

現有四足機器人平臺技術，一般腿部不具有主動調節剛度能力，且許多平臺腿部帶有電機等較大質量體，且連桿結構簡單，承重能力較差，橫擺運動關節存在于腿部，其和機身沒有集成在一起，導致腿模塊結構過于復雜，且現有平臺機身結構和腿部結構不是模塊設計，在更換時存在困難。

1.相比現有四足機器人平臺，本實用新型平臺采用經過改進的平面五桿機構作為腿部結構構，該平面五桿機構為平面閉鏈機構，在保持開鏈機構的良好柔性基礎上，兼具了閉鏈機構剛性好的優點，具有運動慣性低、運動響應速度快以及承載能力強等優點。同時由于將俯仰驅動關節作為一個獨立單元，降低了機器人腿進行俯仰動作過程中的運動慣性，使該機構具有優越的動態性能；同時改進平面五桿機構這一并聯機構的引入，使整個腿機構具有較大的剛度質量比，有效提高了機器人的承載能力。

2.本實用新型平臺的足端基于人體足弓結構設計，采用彈簧鋼材料制成，從而起到良好的緩沖作用，降低了地面對機器人的沖擊力。

3.本實用新型平臺的腿結構驅動關節為一體化結構，且其中一個關節集成了變剛度主動柔性關節作為輸出，采用這種一體化關節支架結構保證了支架的剛度以及俯仰關節的運動精度。

4.本實用新型平臺的腿結構由連桿機構，俯仰驅動關節，足尖構成，且連桿機構，含有彈簧桿的平行四邊形機構和變剛度主動柔性關節，使機器人單腿具有很高的柔性，充分的提高了機器人在行走過程當中的能量利用效率，且由于變剛度主動柔性關節的采用，使機器人具有了一定的腿部剛度主動控制能力，使控制機器人行走過程當中足端接觸力更加方便可靠，可極大的緩減足端沖擊，進而增加了零部件壽命以及可靠性，同時也增加了機器人行走過程中的穩定性。

5.本實用新型平臺各個模塊由于采用模塊化設計，更換不同形式的模塊式方便快捷。腿模塊部分足尖可以更換為不同形式，主動變剛度柔性關節也可以更換為不同形式。

6.本實用新型平臺足尖具有柔性緩沖能力，腿模塊具有主動變剛度柔性關節和彈簧桿，機身模塊的橫擺運動驅動關節可以集成主動變剛度柔性關節，從而從下到上具有多級緩沖能力。

7.本實用新型平臺機身模塊的“保護籠”結構，極大的降低了機器人整體的重心位置，有利于機器人行走過程中的穩定性。

8.本實用新型機身模塊集成橫擺運動驅動關節，進一步簡化了腿模塊的設計難度，從而減輕了腿模塊的質量，提高了機器人的能量利用率。

附圖說明

圖1為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的立體結構示意圖；

圖2為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的柔性腿結構示意圖；

圖3為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的俯仰驅動關節立體結構示意圖；

圖4為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的俯仰驅動關節零部件爆炸結構示意圖；

圖5為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的柔性腿連桿機構結構示意圖；

圖6為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的柔性腿連桿機構各連桿連接位置圖；

圖7為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的柔性腿連桿機構彈簧桿立體結構示意圖；

圖8為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的柔性腿連桿機構彈簧桿剖視圖；

圖9為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的足尖爆炸結構示意圖；

圖10為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的機身模塊立體結構示意圖；

圖11為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的橫擺運動驅動關節諧波減速器組件，橫擺運動驅動關節驅動電機組件，橫擺運動驅動關節軸承支座組件在機身底板上配裝示意圖；

圖12為本實用新型四足機器人平臺一種實施例的俯仰驅動關節以及橫擺運動驅動關節在機身上底板安裝結構示意圖；

圖中，1-俯仰驅動關節，2-連桿機構，3-機器人足尖，4-機身；101-關節支架，102-1號同步帶輪，103-2號同步帶輪，104-3號同步帶輪，105-4號同步帶輪，106-1號關節驅動電機，107-2號關節驅動電機，108-1號諧波減速器，109-2號諧波減速器，110-變剛度主動柔性關節，111-關節墊板，112-連接架；201-柔性關節輸出桿，202-三角桿，203-彈簧桿，204-足尖連接架，205-小腿桿，206-關節三孔長桿，207-光桿，208-從動連桿，209-平行桿連接架，210-輸出桿；301-三維力學傳感器，302-三維力學傳感器支架，303-足弓；401-桁架，402-機身上底板，403-機身支撐桿，404-機身下底板，405-橫擺運動驅動關節；2031-桿端關節軸承，2032-關節軸承支架，2033-導桿，2034-彈簧支座，2035-直線軸承，2036-彈簧桿連接架，2037-聚氨酯塊，2038-連接板，2039-超級彈簧。4051-橫擺運動驅動關節諧波減速器組件及其安裝支架，4052-橫擺運動驅動關節驅動電機組件及其安裝支架，4053-橫擺運動驅動關節軸承及其支座組件。

具體實施方式

下面結合實施例及其附圖對本實用新型做進一步描述。實施例是以本實用新型所述技術方案為前提進行的具體實施，給出了詳細的實施方式和過程，但并不以此作為對本申請權利要求保護范圍的限定。

本實用新型設計的一種四足機器人平臺(簡稱平臺，參見圖1-12)包括機身模和腿模塊，其特征在于所述的腿模塊為平面五桿機構柔性腿，該柔性腿或腿結構采用模塊設計，包括俯仰驅動關節(模塊)1、連桿機構(模塊)2和足尖(模塊)3；所述連桿機構模塊2一端連接俯仰驅動關節模塊1，另一端連接足尖模塊3；俯仰運動關節模塊1位于連桿機構模塊2上方，足尖模塊3位于連桿機構模塊2下方(參見圖2)；

所述俯仰運動關節1(參見圖3，圖4)包括關節支架101、1號同步帶輪102，2號同步帶輪103，3號同步帶輪104、4號同步帶輪105；1號關節驅動電機106，2號關節驅動電機107，1號諧波減速器108，2號諧波減速器109、變剛度主動柔性關節110，關節墊板111，連接架112以及連接螺栓和組成外殼的零件(因為是非核心零件，圖中未標號)。1號關節驅動電機106與2號關節驅動電機107安裝在關節支架101右側上方，1號諧波減速器108與2號諧波減速器109安裝在關節支架101右側下方，1號關節驅動電機106與2號關節驅動電機107輸出軸穿過關節支架101上方兩孔，1號關節驅動電機106輸出軸連接1號同步帶輪102，2號關節驅動電機107輸出軸連接3號同步帶輪104，1號諧波減速器108與2號諧波減速器109的輸入軸穿過關節支架101下方兩孔，1號諧波減速器108輸入軸與2號同步帶輪103連接，2號諧波減速器109輸入軸與4號同步帶輪105連接；1號同步帶輪102與2號同步帶輪103通過同步帶連接，3號同步帶輪104與4號同步帶輪105通過同步帶連接；1號諧波減速器108右側與變剛度主動柔性關節110連接，2號諧波減速器109右側連接關節墊板111；關節支架101右側與連接架112連接，連接架112與外殼相連，圖中剩余未進行標注的零件也是構成俯仰運動關節1的重要組成部分，其作用是和關節支架101一起構成俯仰運動關節1的外殼。

所述連桿機構2(參見圖5，圖6)包括柔性關節輸出桿201，三角桿202，彈簧桿203，足尖連接架204，小腿桿205，關節三孔長桿206，光桿207，從動連桿208，平行桿連接架209和輸出桿210。所述連桿機構2為改進的平面五桿機構，是傳統的兩自由度5R型平面五桿機構的一種新改進，其中俯仰驅動關節視作機架，俯仰驅動關節上有兩個處在同一水平高度的1號鉸接點(A)和10號鉸接點(I)，分別鉸接有兩個連桿(AB)和(IH)；連桿(AB)的2號鉸接點(B)處連接有連桿(BFE)，2號鉸接點(B)、6號鉸接點(F)、5號鉸接點(E)為鉸接點，6號鉸接點(F)在中間,連桿(IH)下連接有連桿(HF)，這樣就組成了一個傳統的兩自由度5R型平面五桿機構，由于俯仰運動關節為機架，這個五桿機構是一個雙曲柄機構；在連桿(AB)的2號鉸接點(B)處，連接有三角桿(CBG)，此三腳桿呈正三角放置，3號鉸接點(C)、2號鉸接點(B)、7號鉸接點(G)三個鉸接點在三腳桿的三個頂點處；在俯仰運動關節上還有一個鉸接點9號鉸接點(R)，9號鉸接點(R)位于1號鉸接點(A)和10號鉸接點(I)中間偏下的位置，9號鉸接點(R)連接連桿(RG)，(RG)和三角桿(CBG)連接于7號鉸接點(G)，這樣在主動桿(AB)上就形成了一個平行四邊形結構；連桿(BFE)的5號鉸接點(E)處連接有連桿(ED)，在三角桿(CBG)的3號鉸接點(C)出和連桿(ED)的5號鉸接點(E)中間是一個彈簧桿，這樣就構成了一個帶有彈簧桿的平行四邊形結構。

具體看，柔性關節輸出桿201的一端與變剛度主動柔性關節110連接，另一端與三角桿202鉸接于2號鉸接點(B)；三角桿202與從動連桿208鉸接于7號鉸接點(G)，從連動桿208與平行桿連接架209鉸接于9號鉸接點(R)，平行桿連接架209與連接架112連接，ABGR構成一個常規的平行四邊形結構(參見圖6)；三角桿202與彈簧桿203連接于3號鉸接點(C)，彈簧桿203與小腿桿205連接于4號鉸接點(D)，小腿桿205與關節三孔長桿206鉸接于5號鉸接點(E)，關節三孔長桿206與三角桿202以及柔性關節輸出桿201同時鉸接于2號鉸接點(B)；BCDE構成一個帶有彈簧桿的平行四邊形結構(參見圖6)；關節三孔長桿206與光桿207鉸接于6號鉸接點(F)，光桿207與輸出桿210鉸接于8號鉸接點(H)，輸出桿210與關節墊板連接；ABFHI構成一個平面五桿機構(參見圖6)；

所述連桿機構2中的彈簧桿203(參見圖7，圖8)左半部分由桿端關節軸承2031，關節軸承支架2032，導桿2033，彈簧支座2034，直線軸承2035，彈簧桿連接架2036，聚氨酯塊2037，連接板2038和超級彈簧2039組成，直線軸承2035的軸承支座未標出。左端為桿端關節軸承2031，桿端關節軸承2031右邊連接關節軸承支架2032，關節軸承支架2032連接著導桿2033，導桿2033左側套著彈簧支座2034，右側安裝直線軸承2035軸承支座，直線軸承2035軸承支座右側連接彈簧桿連接架2036，導桿2033另一端與聚氨酯塊2037連接。彈簧桿203右半部份與左半部分結構完全對稱，不贅述。

所述機器人足尖3(參見圖10)由三維力學傳感器301，三維力學傳感器支架302，足弓303組成。三維力學傳感器301通過足尖連接架204連接到連桿機構上，三維力學傳感器301下面與三維力學傳感器支架302連接，三維力學傳感器支架302下面與足弓303連接。

本實用新型的進一步特征在于所述機身模塊包括機器人橫擺運動驅動關節、桁架、機身上底板、機身支撐桿以及機身下底板組成，機身模塊中機器人橫擺運動驅動關節數量為四個，每個機器人橫擺運動驅動關節由一個驅動電機，一個諧波減速器，以及連接二者的同步帶組成，機器人四肢的橫擺運動驅動關節對稱布置在機身上底板的底面，諧波減速器上均可安裝變剛度主動柔性關節，從而使四足機器人腿部的橫擺運動具有主動可控的剛度控制能力；機身模塊各零部件連接方式為：機身下底板上間隔均布著二十根機身支撐桿，機身支撐桿上連接著機身上底板，這樣機身上底板，機身下底板以及機身支撐桿便構成了“保護籠”結構，用于安裝機器人的橫擺運動驅動關節以及其他零部件，機身上底板上又連接著桁架，橫擺運動驅動關節對稱安裝在機身上底板，呈左右前后對稱分布。

所述機身模塊4(參見圖11，圖12)由機器人橫擺運動驅動關節405、桁架401、機身上底板402、機身支撐桿403以及機身下底板404組成，桁架401在最上方，為焊接結構，通過螺栓與機身上底板402固連，機身上底板402與計生下底板404通過機身支撐桿連接在一起，橫擺運動驅動關節405對稱安裝在機身上底板402上，呈左右前后對稱分布。

所述橫擺運動驅動關節405通過橫擺運動驅動關節諧波減速器組件4051與俯仰運動驅動關節1一端的外殼連接，俯仰運動驅動關節1另一端上突出的短軸與所述橫擺運動驅動關節軸承支座4053套裝在一起，這樣的安裝方式保證了俯仰運動驅動關節1可以繞著橫擺運動驅動關節諧波減速器組件4051與橫擺運動驅動關節軸承支座4053的軸線旋轉(參見圖12)。

所述機身模塊包括機器人橫擺運動驅動關節、桁架、機身上底板、機身支撐桿以及機身下底板組成，每個機器人橫擺運動驅動關節由一個驅動電機，一個諧波減速器以及連接二者的同步帶組成；

所述機身模塊中橫擺運動驅動關節對稱布置在機身上底板的底面，且橫擺運動驅動關節可以安裝變剛度主動柔性關節，具體安裝位置是橫擺運動驅動關節內部的各個諧波減速器上，從而使四足機器人腿部的橫擺運動具有主動可控的剛度控制能力；

所述機身模塊各零部件連接方式為：機身下底板上間隔均布著機身支撐桿，機身支撐桿上連接著機身上底板，這樣機身上底板，機身下底板以及機身支撐桿便構成了“保護籠”結構，“保護籠”上部為機身上底板，機身上底板上又連接著桁架，機身上底板和桁架視為機身模塊的上層，“保護籠”視為機身模塊的下層，從而構成上下分層結構，橫擺運動驅動關節對稱安裝在機身模塊的下層，連接在機身上底板，呈左右前后對稱分布。

本實用新型平臺的動力傳動路線如下：橫擺運動驅動關節驅動電機組件4052通過同步帶(未標出)將動力傳遞到橫擺運動驅動關節諧波減速器組件4051，橫擺運動驅動關節諧波減速器組件4051帶動俯仰運動驅動關節1旋轉，從而將動力傳遞到了機器人腿上，此動力傳遞的結果可以使機器人腿產生橫擺運動。1號關節驅動電機106將輸出動力經過1號同步帶輪102，同步帶，2號同步帶輪103，將動力傳送到1號諧波減速器108，1號諧波減速器108將傳送過來的動力傳送到變剛度主動柔性關節110，變剛度主動柔性關節110將動力傳送至連桿機構2；2號關節驅動電機107將動力經過3號同步帶輪104、同步帶、4號同步帶輪105將動力傳送到2號諧波減速器109，2號諧波減速器109將動力傳送至關節墊板111，關節墊板111和連桿機構2相連；連桿機構2和機器人足尖3相連，最終，動力被傳送到機器人足尖3末端。此動力傳遞的結果可以使機器人腿產生俯仰運動。

本實用新型平臺的柔性腿的工作原理及工作過程如下：本實用新型平臺的腿結構是創新設計。連桿機構2為改進的平面五桿機構，在不同的工況下通過匹配1號關節驅動電機106和2號關節驅動電機107以及橫擺運動驅動關節驅動電機組件4052中電機的轉速與轉矩，驅動連桿機構中各桿的相對位置發生改變，連桿機構又帶動足尖發生位置改變，從而，獲得不同的腿步態，將此柔性腿安裝與四足機器人上，進而可以獲得不同的四足機器人步態。

本實用新型平臺腿結構安裝在四足機器人機身上以后，當四足機器人行走時，各腿的足端和地面的接觸力會因為機器人承載質量、行走加速度以及速度、路面狀況、機身姿態的不同而不同，足端與地面接觸力由三維力學傳感器301測得，測得量傳送到機器人控制單元，經過控制單元計算足端與地面實際接觸力與理論接觸力的差距，進而控制單元控制變剛度主動柔性關節改變關節剛度值，最終使機器人足端與地面接觸力達到理想狀態。

本實用新型未述及之處適用于現有技術。