一种双四连杆机构的机械腿和仿生宠物狗
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体涉及一种双四连杆机构的机械腿和仿生宠物狗。
背景技术
常见的机械狗根据电机驱动源分为舵机型和无刷电机型。无刷电机型机械狗采用无刷电机驱动机械腿，具有驱动力大、负载能力强的特点，并且制作成本比较高，而舵机型机械狗采用舵机作为机械腿的驱动源，具有成本低，负载能力较强，电池供电即可，常应用于娱乐性陪伴机器人领域，如仿生宠物狗，因而多自由度、具有仿生功能且结构简化、安全、成本低和重量轻巧是娱乐性陪伴机械狗的关键技术之一。
设计紧凑的双四连杆机构机械腿能够更好的实现娱乐性陪伴机械狗仿生、结构简化、安全、成本低和重量轻的目标。
然而，现有的舵机型机械狗，其腿部机构采用串联设计，即控制腿部大腿运动的舵机安装在大腿上，控制小腿运动的舵机也安装在大腿上，这样造成大腿的舵机需要承受较大的负载，整个腿部机构臃肿。
另外有机械狗的腿部机构采用齿轮传动设计，由于齿轮间隙，经过腿长的放大，机械狗腿部间隙更大，即使通过软件算法也很难修正因齿轮间隙造成的机械误差。
还有的机械狗的腿部虽采用四边形连杆机构设计，如论文”Design and Controlof a Novel Single Leg Structure of Electrically Driven Quadruped Robot”,Mingfang Chen,Hao Chen,Xuejun Wang,JiangXuan Yu,YongXia Zhang,Hindawi,Hindawi,Mathematical Problems in Engineering,Volume 2020, Article ID 3943867,该装置的大腿直接采用电机驱动，小腿采用双四边形连杆驱动，小腿结构复杂，控制小腿的角度是非线性变化，电机在某个角度会出现无力的现象，增加了控制算法的难度；
此外装置的四连杆机构在运行时，连杆机构缺乏保护外壳等安全考虑，容易被其它物品卡住。
发明内容
本发明为了克服上述技术的不足，设计腿部机构采用双四连杆机构，即一组四连杆机构驱动大腿，另一组连杆机构驱动小腿，实现了一种双四连杆机构的机械腿和仿生宠物狗。
本发明通过以下技术方案实现：
一种双四连杆机构的机械腿，主要包括侧摆组件、大腿四连杆组件、小腿四连杆组件、足底；
所述大腿驱动单元的电机输出轴与大腿驱动轴连杆的前转副固接，所述大腿驱动轴连杆的后转副和所述大腿的前转副通过大腿连杆铰接，所述大腿的转轴和大腿支撑轴通过滚轴连接，所述大腿支撑轴固接在支架上；
所述小腿四连杆组件的小腿驱动单元的电机输出轴与所述小腿驱动轴连杆的前转副固接，所述小腿驱动轴连杆的后转副和所述小腿的前转副通过小腿连杆铰接，所述小腿的转轴铰接在大腿的后转副上，所述的足底固接在所述小腿的后转副上；
所述的大腿的转轴和所述小腿驱动轴连杆的前转副同轴于滚轴，所述滚轴和小腿驱动单元的电机输出轴同轴；
所述的侧摆组件固接在支架上。
进一步的，所述小腿驱动单元、所述大腿驱动单元上下依次并行排列并设置于所述支架内，所述支架和所述支架盖板固接，所述的大腿驱动单元和所述小腿驱动单元的电机输出轴均贯穿所述支架盖板。
进一步的，所述小腿驱动单元、所述大腿驱动单元和侧摆组件均包括电机。
进一步的，所述小腿包括小腿前转副、小腿后转副和小腿轴，所述的小腿前转副和小腿后转副通过小腿轴进行固接，所述小腿轴采用空心薄壁管，所述小腿前转副上设有小腿转轴。
进一步的，所述小腿连杆包括小腿连杆前转副、小腿连杆后转副和小腿连杆轴，所述的小腿连杆前转副和小腿连杆后转副通过小腿连杆轴进行固接，小腿连杆轴采用空心薄壁管。
进一步的，所述小腿的前转副、所述大腿保护壳和所述大腿的转轴同轴铰接，所述大腿保护壳设有安装孔同所述大腿固接。
进一步的，所述大腿的转轴中镶套有滚轴，所述滚轴镶套在大腿支撑轴上，所述的滚轴包括轴承。
进一步的，所述足底设有小缝隙触碰开关，所述足底同地面接触位置设有触地，所述触地采用弹性材料。
本发明还提供一种仿生宠物狗，其特征在于：该仿生宠物狗包括所述机械腿。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明的大小腿部的结构均采用四连杆机构，大小腿具有同轴效果，将大小腿的角度变化转换成线性变化，减小了角度解算的工作量，进一步达到简化算法的效果；并且小腿和小腿连杆部件采用了空心管件，具有重量轻的特点；双四连杆机构设计，结构简化，使整个机械腿惯性小；足底采用弹性材料和小缝隙触碰开关设计，结合控制算法使机械腿更动作敏捷；连杆机构的保护外壳，保证了宠物狗的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的结构示意图。
图2是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的大腿四连杆组件局部剖视图。
图3是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的小腿四连杆组件结构示意图。
图4是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的爆炸立体图。
图5是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的小腿连杆结构示意图。
图6是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的小腿结构示意图。
图7是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿的足底结构示意图。
图8是本申请一个示例性实施例提供的一种双四连杆机构机械腿和仿生宠物狗的结构示意图。
附图中的各个标号说明如下：
1-大腿四连杆组件、 11-大腿驱动单元、110-大腿驱动单元电机输出轴、12-大腿驱动轴连杆、121-大腿驱动轴连杆前转副、122-大腿驱动轴连杆后转副、13-大腿连杆、131-大腿连杆前转副、132-大腿连杆后转副、14-大腿、140-大腿转轴、141-大腿前转副、142-大腿后转副、15-滚轴、16-大腿支撑轴、101-支架、102-支架盖；
2-小腿四连杆组件、 21-小腿驱动单元、210-小腿驱动单元电机输出轴、22-小腿驱动轴连杆、221-小腿驱动轴连杆前转副、222-小腿驱动轴连杆前转副、23-小腿连杆、231-小腿连杆前转副、232-小腿连杆后转副、233-小腿连杆轴、24-小腿、240-小腿转轴、241-小腿前转副、242-小腿后转副、243-小腿轴；
3-足底、 31-小缝隙触碰开关、32-触地；
4-侧摆组件；
5-大腿保护壳。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请实施例提供了一种双四连杆机构机械腿，即一组四连杆机构驱动大腿，另一组连杆机构驱动小腿，实现了一种双四连杆机构的机械腿和宠物狗。
实施例1：
如图1 所示， 一种双四连杆机构的机械腿，主要包括：
主要包括侧摆组件4、大腿四连杆组件1、小腿四连杆组件2、足底3；
如图2 所示，大腿驱动单元11的电机输出轴110与大腿驱动轴连杆12的前转副121固接，大腿驱动轴连杆12的后转副122和大腿14的前转副141通过大腿连杆13铰接，大腿14的转轴140和大腿支撑轴16通过滚轴15连接，大腿支撑轴16固接在支架101上；大腿连杆13可以是弧线形也可以直线性，本实施例采用弧线形设计，为了尽量增大大腿四连杆组件的运动范围；
如图3 所示，小腿四连杆组件2的小腿驱动单元21的电机输出轴210与小腿驱动轴连杆22的前转副221固接，小腿驱动轴连杆22的后转副222和所述小腿24的前转副241通过小腿连杆23铰接，小腿24的转轴240铰接在大腿14的后转副142上，足底3固接在所述小腿24的后转副242上；
如图1-3 所示，大腿14的转轴140和小腿驱动轴连杆22的前转副221同轴于滚轴15，滚轴15和小腿驱动单元21的电机输出轴210同轴。使得装置的大腿14的转轴140和小腿驱动单元21的电机输出轴210同轴心，保证了小腿角度的线性变化，降低了算法的难度。
如图1 所示，侧摆组件4固接在支架101上。本实施例中，侧摆组件和支架通过螺钉配合（图中未示出）；
上述机械腿的工作原理：大腿驱动单元11驱动由大腿驱动轴连杆12、大腿连杆13和大腿14组成的平行四连杆机构，通过改变大腿驱动单元11的电机角度线性驱动大腿14的角度转动，实现提腿动作，同时小腿驱动单元21驱动由小腿驱动轴连杆22、小腿连杆23和小腿24组成的平行四连杆机构，改变小腿驱动单元21的电机角度线性驱动小腿24的角度转动，带动小腿向后转动，同时侧摆组件4的电机转动，带动整个机械腿实现侧摆动作，重复执行上述动作，通过调节电机不同的运行频率，实现行走、快走、跳跃的运动，如图8所示，一个示意性实施例提供的12自由度仿生宠物狗。
综上所述，本实施例提供的双四连杆机构机械腿，通过对大小腿分别采用平行四连杆结构，简化了机械腿的结构，大小腿同轴效果，将大小腿的角度变化转换成线性变化，减小了角度解算的工作量。
实施例2：
本实施例基于实施例1，如图4所示，小腿驱动单元21、大腿驱动单元11上下依次并行排列并设置于所述支架101内，支架101和支架盖板102固接，大腿驱动单元11的电机输出轴110和小腿驱动单元21的电机输出轴210均贯穿支架盖板102。
图4以支架101和支架盖板102通过螺钉紧固来示例（图中未示出）。
如图4所示，小腿24的前转副231、大腿保护壳5和大腿14的转轴140同轴铰接，大腿保护壳5设有安装孔同大腿14固接。本实施例的大腿保护壳5出于安全设计考虑，对连杆的运动保护。
如图4所示，大腿14的转轴140中镶套有滚轴15，滚轴15镶套在大腿支撑轴16上，滚轴15包括轴承。滚轴15为薄壁金属轴承或工程塑料轴承，本实施例采用薄壁金属轴承来举例说明。
如图4所示，小腿驱动单元21、大腿驱动单元11和侧摆组件4均包括电机。小腿驱动单元21、大腿驱动单元11和侧摆组件4的电机可以是舵机或无刷电机，本实施例采用舵机，进一步控制机械腿成本。
实施例3：
本实施例基于实施例2，如图5，小腿连杆23包括小腿连杆前转副231、小腿连杆后转副232和小腿连杆轴233，小腿连杆前转副231和小腿连杆后转副232通过小腿连杆轴233进行固接，小腿连杆轴采用空心薄壁管。小腿轴243的空心薄壁管可以采用空心铝管或空心塑料管，为了降低机械腿重量，本实施例采用6mm空心铝管来举例说明。
如图6，小腿24包括小腿前转副241、小腿后转副242和小腿轴243，小腿前转副241和小腿后转副242通过小腿轴243进行固接，小腿前转副241上设有小腿转轴240，小腿轴243采用空心薄壁管。小腿轴243的空心薄壁管可以采用空心铝管或空心塑料管，为了降低机械腿重量，本实施例采用4mm空心铝管来举例说明。
实施例4：
本实施例基于实施例1，如图7，足底3设有小缝隙触碰开关31，足底3同地面接触位置设有触地32，所述触地32采用弹性材料。触地32的弹性材料可以采用橡胶、柔性PVC等材料。
综上所述，足底采用弹性材料，机械腿接地时有弹性，设计了小缝隙触碰开关结构，可以实现静态与动态的触地检测的功能，使用足底的弹性材料和小缝隙触碰开关结构更便于机械腿识别复杂地形。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
