本發(fā)明涉及行走機器人領域，具體涉及一種四足被動行走機器人。

背景技術：

1、被動行走機器人是一種簡單的機械裝置，由固體桿件通過關節(jié)聯(lián)結組成，能夠在一個向下的傾斜面上僅依靠重力實現(xiàn)穩(wěn)定行走。它們沒有電機和控制器，僅依靠重力勢能補償行走過程中由碰撞和摩擦產(chǎn)生的能量損耗，由自身的機械結構及質量分布等來實現(xiàn)周期性行走。其單位重量移動單位距離所消耗的能量值與人類行走時的數(shù)值大小相當，這讓它們的行走效率超過以往任何行走機械。

2、純被動行走機器人是指用完全的被動動力學法，機器人的所有關節(jié)無須驅動，只依靠機器人和環(huán)境二者之間交互的動力學特性就可以實現(xiàn)自發(fā)行走。由于沒有能量輸入，為了克服摩擦和腳觸地時的能量損失，通常要在斜坡上下行時才能實現(xiàn)自發(fā)行走，此時重力勢能補償了能量損失。

3、目前已有的純被動機器人主要是二足“梯子”形的結構，此結構對斜面要求較高，為使支撐腿與擺動腿轉換，只有在高低交替排列的斜面上才滿足理論行走的條件，且二足穩(wěn)定性極差，無法實現(xiàn)持續(xù)行走。中國專利cn118419171a公開了一種斜面被動行走器，此裝置以橫向的圓弧面作為足部，裝置有明顯的缺陷。其一，只能在斜面上行走四、五步，極不穩(wěn)定，無法持續(xù)行走，原因是縱向“單擺式”的擺動與橫向“不倒翁式”的晃動無法有效結合，重力勢能無法為橫向的晃動提供能量，本質原因在于橫向圓弧足的設計缺陷，此種設計必然會使橫向晃動在摩擦與碰撞的損耗下停止。其二，裝置質量分布不合理，導致其行走時極不穩(wěn)定，行走的步態(tài)不對稱會快速摔倒。其三，足部摩擦力不足，其行走時此裝置的足部與斜面間存在滑動，支撐腿與擺動腿轉換時，支撐腿仍在進行既滑動又滾動的運動，造成步態(tài)轉換時裝置失去平衡等問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述弊端提供一種四足被動行走機器人，該機器人無需驅動，僅依靠自身重力與結構設計，可實現(xiàn)在斜面上穩(wěn)定的周期性的持續(xù)行走，且可自調節(jié)初始狀態(tài)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：包括方形的軀干以及轉動連接在軀干四角處的左前腿、右前腿、左后腿及右后腿，所述左前腿與右前腿、左后腿與右后腿均分別沿軀干的垂直中線對稱設置，所述的左前腿與左后腿、右前腿與右后腿均分別沿軀干的水平中線對稱設置，所述的左前腿、右前腿、左后腿及右后腿結構相同，均分別包括腿單元及足單元；

3、所述的腿單元與軀干轉動連接形成髖關節(jié)，且左前腿與左后腿的腿單元之間設有與兩者轉動連接的左約束桿，右前腿與右后腿的腿單元之間設有與兩者轉動連接的右約束桿；

4、所述的足單元與腿單元固定連接，所述足單元的底面為由內側弧面和外側弧面組成的階梯弧面，所述的內側弧面低于外側弧面，所述內側弧面的圓心及外側弧面的圓心均位于腿單元的中軸線上，且內側弧面與外側弧面的曲率半徑相等，該曲率半徑應大于內側弧面的最低點至髖關節(jié)的距離。

5、所述的左前腿與右前腿之間通過第一關節(jié)軸連接，所述的左后腿與右后腿之間通過第二關節(jié)軸連接，所述的第一關節(jié)軸及第二關節(jié)軸均平行于軀干的水平中線，且第一關節(jié)軸與第二關節(jié)軸均貫穿軀干設置。

6、所述的左前腿及右前腿分別通過左連接組件及右連接組件與第一關節(jié)軸連接，所述的左連接組件及右連接組件對稱設置，均分別包括依次設置在第一關節(jié)軸上的第一防滑套、第一軸承和第二防滑套，所述的第一防滑套及第二防滑套與第一關節(jié)軸之間均為緊配合，所述的左連接組件與右連接組件中的第一防滑套相配合用于對第一關節(jié)軸的軸向移動進行限定，所述的第二防滑套與第一防滑套相配合用于對第一軸承的軸向移動進行限定。

7、所述的第一軸承設置兩組，兩組第一軸承之間通過第三防滑套定位，所述的第三防滑套與第一關節(jié)軸緊配合。

8、所述的軀干在四角處分別設有直角缺口用以連接腿單元并對腿單元的前后擺角進行限位，所述腿單元向前及向后運動的最大擺角相同，均為15°～35°。

9、所述軀干的中心位置設有通孔，所述軀干的質心與軀干的中心相吻合。

10、所述的左約束桿及右約束桿上分別設有與腿單元相連接的連接桿，所述的連接桿通過固定帽實現(xiàn)約束桿與腿單元的連接。

11、所述的腿單元包括截面呈方形的第一桿體以及截面呈圓形的第二桿體，所述的第一桿體自上向下設有第一連接孔與第二連接孔，其中：第一連接孔與相對應的左約束桿或右約束桿連接，第二連接孔與相對應的第一關節(jié)軸或第二關節(jié)軸連接，且第二連接孔等距間隔布置多組。

12、所述足單元的底面粘貼有硅膠膜。

13、所述的第一防滑套、第二防滑套和第三防滑套均為軟塑料制成，且第一防滑套、第二防滑套和第三防滑套的外徑均小于第一軸承的外徑。

14、本發(fā)明的有益效果在于：

15、1、本發(fā)明的足單元采用雙層圓弧足的設計，內側足底高于外側足底的設計增加了碰撞緩沖時間，提高了機器人行走的穩(wěn)定性，同時避免了滑動摩擦帶來的能量損失，使得重力勢能高效轉化為運動能量。

16、2、本發(fā)明中髖關節(jié)軸承組件的設計降低了摩擦，減少能量消耗，實現(xiàn)了機器人行走過程中重力勢能的最大化利用，進一步提升了裝置的運行效率。

17、3、本發(fā)明中雙層圓弧足的最佳曲率設計，使足部滾動時能有效抬高質心，增加行走的動力學平衡。

18、4、本發(fā)明足單元的底部粘附有硅膠膜，可以增大接觸面的摩擦力，避免支撐腿滑動導致的不穩(wěn)定步態(tài)轉換。

19、5、本發(fā)明中各腿部與軀干的對稱設計使軀干的質心精確位于其中心，質心調整的靈活性進一步優(yōu)化了步態(tài)穩(wěn)定性。

20、6、本發(fā)明中髖關節(jié)的高度可調節(jié)，使機器人能適應不同的斜面條件。使用者還可以通過調整髖關節(jié)位置研究不同高度對步態(tài)影響，為進一步優(yōu)化設計提供實驗依據(jù)。

21、7、本發(fā)明中無論初始釋放狀態(tài)如何（如姿態(tài)、方向等），機器人都能在數(shù)個周期內調整步態(tài)，最終達到穩(wěn)定的運動狀態(tài)。步長、周期、平均速度在穩(wěn)定運動狀態(tài)下趨于一致，體現(xiàn)了設計的自適應性。

22、8、本發(fā)明髖關節(jié)處的防滑套與軸承組合設計便于拆卸和組裝，簡化維護流程，降低使用和維修成本。

23、9、本發(fā)明采用簡單的機械結構，沒有電機和控制器，結構簡單，制造成本低，減少設備復雜性，適合大規(guī)模推廣。

24、10、本發(fā)明雙層圓弧足的創(chuàng)新設計解決了傳統(tǒng)被動行走器無法持續(xù)行走的問題，實現(xiàn)了穩(wěn)定且長時間的周期性行走。

25、11、本發(fā)明中各腿部與軀干的連接結構使各腿部的最大擺角保持一致性，步態(tài)更為規(guī)則，進一步提高了行走的持續(xù)性和美觀性。

26、12、本發(fā)明完全依靠重力勢能驅動，避免傳統(tǒng)機器人依賴電能或燃料造成的資源浪費和污染。

27、13、本發(fā)明的被動行走方式實現(xiàn)了超高的能量效率，與人類步行能耗相當，是對自然動力學的深度仿生應用。

技術特征：

1.一種四足被動行走機器人，其特征在于：包括方形的軀干（1）以及轉動連接在軀干（1）四角處的左前腿（2）、右前腿（3）、左后腿（4）及右后腿（5），所述左前腿（2）與右前腿（3）、左后腿（4）與右后腿（5）均分別沿軀干（1）的垂直中線對稱設置，所述的左前腿（2）與左后腿（4）、右前腿（3）與右后腿（5）均分別沿軀干（1）的水平中線對稱設置，所述的左前腿（2）、右前腿（3）、左后腿（4）及右后腿（5）結構相同，均分別包括腿單元（21）及足單元（22）；

2.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的左前腿（2）與右前腿（3）之間通過第一關節(jié)軸（8）連接，所述的左后腿（4）與右后腿（5）之間通過第二關節(jié)軸（9）連接，所述的第一關節(jié)軸（8）及第二關節(jié)軸（9）均平行于軀干（1）的水平中線，且第一關節(jié)軸（8）與第二關節(jié)軸（9）均貫穿軀干（1）設置。

3.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的左前腿（2）及右前腿（3）分別通過左連接組件及右連接組件與第一關節(jié)軸（8）連接，所述的左連接組件及右連接組件對稱設置，均分別包括依次設置在第一關節(jié)軸（8）上的第一防滑套（81）、第一軸承（82）和第二防滑套（83），所述的第一防滑套（81）及第二防滑套（83）與第一關節(jié)軸（8）之間均為緊配合，所述的左連接組件與右連接組件中的第一防滑套（81）相配合用于對第一關節(jié)軸（8）的軸向移動進行限定，所述的第二防滑套（83）與第一防滑套（81）相配合用于對第一軸承（82）的軸向移動進行限定。

4.根據(jù)權利要求3所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的第一軸承（82）設置兩組，兩組第一軸承（82）之間通過第三防滑套（84）定位，所述的第三防滑套（84）與第一關節(jié)軸（8）緊配合。

5.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的軀干（1）在四角處分別設有直角缺口用以連接腿單元（21）并對腿單元（21）的前后擺角進行限位，所述腿單元（21）向前及向后運動的最大擺角相同，均為15°～35°。

6.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述軀干（1）的中心位置設有通孔（11），所述軀干（1）的質心與軀干（1）的中心相吻合。

7.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的左約束桿（6）及右約束桿（7）上分別設有與腿單元（21）相連接的連接桿（61），所述的連接桿（61）通過固定帽（62）實現(xiàn)約束桿與腿單元（21）的連接。

8.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的腿單元（21）包括截面呈方形的第一桿體（211）以及截面呈圓形的第二桿體（212），所述的第一桿體（211）自上向下設有第一連接孔（213）與第二連接孔（214），其中：第一連接孔（213）與相對應的左約束桿（6）或右約束桿（7）連接，第二連接孔（214）與相對應的第一關節(jié)軸（8）或第二關節(jié)軸（9）連接，且第二連接孔（214）等距間隔布置多組。

9.根據(jù)權利要求1所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述足單元（22）的底面粘貼有硅膠膜。

10.根據(jù)權利要求4所述的四足被動行走機器人，其特征在于：所述的第一防滑套（81）、第二防滑套（83）和第三防滑套（84）均為軟塑料制成，且第一防滑套（81）、第二防滑套（83）和第三防滑套（84）的外徑均小于第一軸承（82）的外徑。

技術總結
本發(fā)明涉及一種四足被動行走機器人，包括方形的軀干以及轉動連接在軀干四角處的左前腿、右前腿、左后腿及右后腿，所述的左前腿、右前腿、左后腿及右后腿結構相同，均分別包括腿單元及足單元；所述的腿單元與軀干轉動連接形成髖關節(jié)，所述的足單元與腿單元固定連接，所述足單元的底面為由內側弧面和外側弧面組成的階梯弧面，所述的內側弧面低于外側弧面。由上述技術方案可知，本發(fā)明行走的持續(xù)性好、周期性好，步態(tài)的穩(wěn)定性好。

技術研發(fā)人員：蘇鳳賢,葉回春,關樂楷
受保護的技術使用者：中國科學技術大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15