本发明涉及机器人，尤其涉及一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人。
背景技术：
1、近年来，机器人技术的研究与应用在全球范围内得到了各大国家的空前重视，从美国的“国家机器人计划”、日本的“机器人新战略”、欧盟的“sparc机器人研发计划”，再到提到机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。
2、四足移动机器人对于未来军事和民用都极具重要性，与双足机器人相比，四足机器人易于控制稳定；而与六足、八足等机器人相比，四足机器人运动步速性能更加突出，成为山地侦查、消防救援、星面探测、军事作战及核辐射检测等高危环境中作业的理想选择，如机械狗“spot”在切尔诺贝利核电站进行数据采集、美国使用四足机械狗“go1”进行军事化作战测试等。当前四足机器人的研究工作主要集中于四足仿生移动系统的腿部驱动设计及多种运动步态模式下四足移动系统的步态稳定性等方面，通过设计优异的机器人关节致动器以及机器人运动控制算法来提高机器人的运动性能。
3、但现有四足机器人多为开链串联式机械腿，单腿需要多个致动器进行驱动，驱动原件均为周期性往复运动，电机或液压缸需要不断的重复加速与制动过程，此过程不仅会浪费大量能量，还会导致驱动元器件快速升温，影响其寿命。同时机身上负载重量会直接或间接作用在机械腿所有关节，因此整机的负载能力对关节驱动的性能具有较强的依赖性。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，尤其针对现有四足机器人电机数量过多导致的机器人能耗高、负载低的问题。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其具有较好的动态特性、致动器数量较少、具有较大的整机刚度、致动器仅单向运动、能耗低。
2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
3、提供一种四足机器人，包括：
4、一种四足机器人机身,包括机身上盖、机身下盖和机身侧板，所述机身上盖、机身下盖和机身侧板上设计有多个连接孔位，用以安装机器人控制器、机器人腿部无刷直流电机、编码器和机器人机械腿等装置。
5、所述控制器分别与所述机器人腿部无刷直流电机和编码器通信连接，所述控制器用于改变所述无刷直流电机的转向和转速，以使机器人机械腿运动从而改变机器人的运动姿态、运动方向和运动速度。
6、四条单自由度闭链连杆机械腿(简称机械腿)，包括前腿部机构、后腿部机构和连接板，所述前腿部机构和后腿部机构通过镜像的形式安装在所述的机器人机身上。所述前腿部机构包括左前腿部机构和右前腿部机构，所述后腿部机构包括左后腿部机构和右后腿部机构，所述左前腿部结构和所述右前腿部机构通过对称的形式安装在机器人机身上，所述左后腿部机构和所述右后腿部机构通过对称的形式安装在机器人机身上。所述前腿部机构和所述后腿部机构与机身的连接方式相同，具体为闭链机构原动件(曲柄)与直流无刷电机转子固定连接，直流无刷电机定子与机身侧板固定连接，所述连接板一侧与机身侧板固定连接，另一侧与机械腿支撑板固定连接。
7、所述机械腿利用闭链连杆机构综合学、最优化方法等将自然界四足哺乳生物腿部膝关节和踝关节进行耦合，降低了机器人腿部自由度。主动曲柄杆l1仅需匀速单向转动，机械腿足末端点可形成卵形足端轨迹，在单足运行周期内腾空相与触地相时间比值为1，即单足占空比为0.5。
8、所述机械腿包括支撑板、直流无刷电机、主动曲柄杆l1、大腿杆l2、小腿杆l3、辅助杆l4、辅助杆l5、辅助杆l6、辅助杆l7和机械足。所述主动曲柄杆l1与所述直流无刷电机8转子固定连接；所述主动曲柄l1与大腿杆l2铰接，形成转动副b；所述大腿杆l2与所述小腿杆l3铰接，形成转动副e；所述辅助连杆l5一端与支撑板铰接，形成转动副d，所述辅助连杆l5另一端与辅助连杆l4铰接，形成转动副c；所述辅助连杆l7一端与支撑板铰接，形成转动副g，所述辅助连杆l7另一端与大腿杆l2和小腿杆l3铰接，形成转动副e；辅助连杆l6与小腿杆l3铰接，形成转动副f。
9、进一步地，所述主动曲柄杆l1、大腿杆l2、小腿杆l3、辅助杆l4、辅助杆l5、辅助杆l6、辅助杆l7铰接空处均安装有滑动轴承。
10、进一步地，以所述主动曲柄l1的长度为单位长度，则大腿杆l2、小腿杆l3、辅助杆l4、辅助杆l5、辅助杆l6、辅助杆l7与主动曲柄杆l1存在固定长度比例关系，具体比例关系为：l2＝3.9*l1，l3＝5.7*l1，l4＝3.9*l1，l5＝2.3*l1，l6＝3.9*l1，l7＝3.8*l1。
11、进一步地，为了满足所述连杆长度比例关系，并避免机械腿在装配和运动过程中的干涉问题，所述辅助连杆l4设计成弧形连杆。
12、进一步地，所述支撑板一端通过连接板与机身侧板固定连接，另一端通过双头螺柱a、双头螺柱b和双头螺柱c与机身侧板固定连接，其中双头螺柱a与双头螺柱b与支撑板连接处螺母上施加的预紧力为0，以确保转动副d和转动副e能够顺利转动。
13、进一步地，为了能够提高机器人的移动效率，所述小腿连杆l3的下端设计有机械足，机械足与小腿连杆l3通过螺钉固定连接。
14、进一步地，为降低机器人在运动过程中机械腿的腿部惯量，大腿杆l1、小腿杆l3上特别设计有减重槽口。
15、进一步地，为了提高四足机器人的运动稳定性，所述四足机器人前腿部机构、后腿部机构采用镜像布置，使得重量占比最大的电机位置尽可能处于机身几何中心处，此策略可以降低机器人在运动过程中系统质心位置的变化。
16、进一步地，机器人左、右腿部机构关于机身对称布置同样使得重量占比最大的电机位置尽可能处于机身几何中心处，降低机器人在运动过程中系统质心位置的变化。
17、所述一种基于单自由度连杆机构的四足机器人可以实现多种运动步态，如静态爬行步态、动态小跑步态和奔跑步态。
18、本发明的技术效果和优点：本发明提供了一种基于单自由度连杆机构的四足机器人，包括上述机身机构和腿部机构。本发明利用机构耦合思想，将传统多自由度机械腿耦合成单自由度闭链机构，减少了机器人系统的电机数量，提高了机器人的能效；本发明通过最优化理论，优化设计出具有固定连杆长度比例的闭链机构，保证了机械腿在运动过程中主动件仅需匀速单向运转便能够实现机器人平稳行走，提高了机器人的负载能力和能耗效率。
1.一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于，包括：机身1、右前腿部机构2、右后腿部机构3、左后腿部机构4、左前腿部机构5、连接板6、控制器7、直流无刷电机8、电池9和编码器10等零部件。所述控制器7分别与四个所述机器人腿部无刷直流电机8和编码器10通信连接，所述控制器7用于改变所述无刷直流电机8的转向和转速，以改变机器人的运动姿态、运动方向和运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于：所述机身1包括机身侧板1.1、机身下盖1.2、角码1.3、机身上盖1.4、螺栓1.5和螺母1.6，所述机身侧板1.1通过所述角马1.3、螺栓1.5、螺母1.6与所述机身下盖1.2固定连接，所述机身侧板1.1通过所述角马1.3、螺栓1.5、螺母1.6与所述机身上盖1.4固定连接，所述机身侧板1.1、机身下盖1.2、机身上盖1.4上分别设计有连接孔，用以安装所述控制板7、无刷直流电机8和机械腿等装置，同时所述机身侧板1.1、机身下盖1.2、机身上盖1.3上设计有减重槽和减重孔，以减轻机器人系统的整体质量。
3.根据权利要求2所述的一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于：所述机器人机身1两侧分别对称布置两个机械腿，共计4个机械腿，包括右前腿部机构2、右后腿部机构3、左后腿部机构4、左前腿部机构5，所述右前腿部机构2和所述右后腿部机构3关于所述机身1前后镜像布置，所述左前腿部机构4和所述左后腿部机构5关于所述机身1前后镜像布置，所述右前腿部机构2和所述左前腿部机构4关于所述机身1左右对称，所述右后腿部机构3和所述左后腿部机构5关于所述机身1左右对称。
4.根据权利要求3所述的一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于：所述腿部机构由曲柄杆(l1)4.1、大腿杆(l2)4.2、双头螺柱4.3、辅助杆(l7)4.4、小腿杆(l3)4.5、机械足4.6、辅助杆(l6)4.7、辅助杆(l5)4.8、辅助杆(l4)4.9、支撑板4.10、螺栓4.11、螺母4.12、垫片ⅰ4.13、垫片ⅱ4.14和滑动轴承4.15组成。所述主动曲柄杆(l1)4.1与所述直流无刷电机8转子固定连接；所述主动曲柄(l1)4.1与大腿杆(l2)4.2铰接，形成转动副b；所述大腿杆(l2)4.2与所述小腿杆(l3)4.5铰接，形成转动副e；所述辅助连杆(l5)4.8一端与支撑板铰接，形成转动副d，所述辅助连杆(l5)4.8另一端与辅助连杆(l4)4.9铰接，形成转动副c；所述辅助连杆(l7)4.4一端与所述支撑板4.10铰接，形成转动副g，所述辅助连杆(l7)4.4另一端与大腿杆(l2)4.2和小腿杆(l3)4.5铰接，形成转动副e；所述辅助连杆(l6)4.7与所述小腿杆(l3)4.5铰接，形成转动副f。所述曲柄杆(l1)4.1、大腿杆(l2)4.2、辅助杆(l7)4.4、小腿杆(l3)4.5、辅助杆(l6)4.7、辅助杆(l5)4.8、辅助杆(l4)4.9均为二连杆，杆两端设计有安装通孔，通孔内安装与连杆厚度相同的滑动轴承4.15，所述滑动轴承4.15外圈与连杆安装通孔紧配合，所述滑动轴承4.15内圈与螺栓间隙配合，螺栓装配过程中施加预紧力为0，保证各连杆之间能够发生相对运动。
5.根据权利要求4所述的一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于：所述曲柄杆(l1)4.1仅需匀速单向转动，机械腿足末端点可形成卵形足端轨迹，在单足运行周期内腾空相与触地相时间比值为1，即单足占空比为0.5。
6.根据权利要求5所述的一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于：以所述主动曲柄(l1)4.1的长度为单位长度，则所述大腿杆(l2)4.2、小腿杆(l3)4.5、辅助杆(l4)4.9、辅助杆(l5)4.8、辅助杆(l6)4.7、辅助杆(l7)4.4与主动曲柄杆(l1)4.1存在固定长度比例关系，具体比例关系为：l2＝3.9*l1，l3＝5.7*l1，l4＝3.9*l1，l5＝2.3*l1，l6＝3.9*l1，l7＝3.8*l1。
7.根据权利要求6所述的一种基于单自由度闭链连杆机构的四足机器人，其特征在于：所述辅助连杆(l4)4.9设计成弧形连杆，所述大腿杆(l1)4.1、小腿杆(l3)4.5上特别设计有减重槽口。所述小腿连杆(l3)4.5的下端设计有所述机械足4.6，所述机械足4.6与所述小腿连杆(l3)4.5通过螺钉固定连接。
