CN104875814B - 步行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种步行机器人，包括机架、第一混联腿组以及第二混联腿组；其中，第一混联腿组和第二混联腿组均包括多个混联腿；第一混联腿组中的混联腿分别连接机架的一侧端；第二混联腿组中的混联腿分别连接机架的另一侧端。混联腿包括四连杆直线机构、驱动部以及腿部；其中，四连杆直线机构设置在机架上，四连杆直线机构的下端通过驱动部铰接腿部的上端。本发明中机六条混联腿在机架两侧平均分布，本发明能够向任意方向行走，适应各种环境。本发明中采用三个四连杆直线机构替换成直线往返运动的滑块，一方面可以减轻混联腿的重量，一方面也可以避免滑块导轨机构在安装过程中难以避免的误差问题。

Description

步行机器人

技术领域

本发明涉及机械工程中的机器人，具体地，涉及一种步行机器人。

背景技术

足式机器人被广泛应用在复杂崎岖的地形环境中，模仿四足哺乳动物和爬行动物或者六足昆虫的特种机器人。该类机器人能共在复杂的非结构环境中稳定行走，具有良好的移动性，其离散的移动轨迹可以适应大多数的不规则不平坦地形；其足式结构使得机器人身体的运动与足部的运动相分离，因此机器人可以在跨越障碍物的同时保持身体的平稳运动。

长期以来，足式机器人在军事准备、矿山开采、核电救援、地震营救、试教娱乐等行业有着许多潜在的应用前景，一直是国内外机器人领域研究的热点之一。在足式机器人腿部结构设计方面，串联腿结构简单，控制模型容易，但驱动器多安装在腿部和足部，使得下级驱动器成为上级驱动器的负载，驱动能力要求高；串联腿刚度小，难承受重复性的高承载任务。并联式腿结构具有较大的刚度，可提高机器人的载重自重比，但机构本身工作空间小，较难完成高速度的行走越障作业。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种步行机器人，具体为，一种具有直线导引四杆机构的并联六足机器人结合了串联机构和并联机构的优点，在提高机器人载重/自重比的同时，满足快速稳定响应的需求，从而实现高速、低能耗、高承载的运动；并且由于驱动系统相对独立，可以很好进行防护。

根据本发明提供的步行机器人，包括机架、第一混联腿组以及第二混联腿组；

其中，所述第一混联腿组和所述第二混联腿组均包括多个混联腿；

所述第一混联腿组中的混联腿分别连接所述机架的一侧端部；所述第二混联腿组中的混联腿分别连接所述机架的另一侧端部。

优选地，所述混联腿包括四连杆直线机构、驱动部以及腿部；

其中，所述四连杆直线机构设置在所述机架上，所述四连杆直线机构的下端通过所述驱动部铰接所述腿部的上端。

优选地，所述四连杆直线机构包括电机、曲柄、固定杆、连杆以及摇杆；

其中，所述电机的电机轴的连接所述曲柄和所述固定杆的一端；所述曲柄的另一端连接所述连杆；所述固定杆的另一端通过所述摇杆连接连杆的一端；所述连杆的另一端铰接所述驱动部；

所述电机用于驱动所述曲柄进行整周回转运动；所述曲柄用于带动连杆做平面运动。

优选地，所述驱动部包括第一支链、第二支链、第三支链以及第四支链；

其中，所述第一支链的下端和所述第四支链的上端铰接；第二支链的一端和第三支链的一端铰接所述第一支链的下端；

所述四连杆直线机构的数量为三个，三个所述四连杆直线机构中连杆的另一端分别铰接所述第一支链的上端、所述第二支链的另一端、所述第三支链的另一端；

所述第四支链的下端连接所述腿部。

优选地，所述腿部包括腿部支架、腿部第一连杆、腿部第三连杆、腿部第四连杆、腿部第五连杆、腿部第二连杆以及腿部第六连杆；

其中，所述腿部支架通过第一转动副连接所述机架且通过第二转动副连接所述腿部第一连杆的上端；所述腿部第一连杆的下端部分别通过第三转动副、第四转动副连接所述腿部第三连杆的一端、所述腿部第二连杆的一端；

所述腿部第四连杆的两端分别通过第五转动副、第六转动副分别连接所述第三连杆的另一端、所述腿部第五连杆的一端；所述腿部第五连杆的另一端、所述腿部第二连杆的另一端分别通过第七转动副、第八转动副连接所述腿部第六连杆的上端；

所述腿部第四连杆通过第九转动副连接第四支链的下端。

优选地，所述第一支链的下端和所述第四支链的上端通过铰链铰接；

第二支链的一端和第三支链的一端通过球铰连接第一支链的下端。

优选地，所述第二转动副、所述第三转动副、所述第四转动副、所述第七转动副、所述第八转动副以及所述第九转动副的轴线方向相互平行且分别与第一转动副轴线、所述混联腿的矢状平面垂直；

所述第五转动副和第六转动副的轴线与所述混联腿的矢状平面重合。

优选地，连接所述第一支链和第四支链铰链的轴线、腿部第五转动副的轴线、腿部第六转动副的轴线和腿部第九转动副的轴线两两垂直且相交于一点Con。

优选地，所述第一混联腿组和所述第二混联腿组均包括3个混联腿；

所述第一混联腿组与所述第二混联腿呈轴对称。

优选地，所述电机采用直流伺服电机。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明设置有第一支链、第二支链和第三支链，通过一个三支链并联机构驱动腿部空间三维运动，能够进行精确的位置控制，驱动部是固定的，不但便于防护，而且也可以最大程度的降低腿部的转动惯量；

2、本发明中腿部由四连杆直线机构的平行四边形机构进行相应的运动传动，能够满足速度和承载两方面的要求；

3、本发明中采用三个四连杆直线机构替换成直线往返运动的滑块，一方面可以减轻混联腿的重量，一方面也可以避免滑块导轨机构在安装过程中难以避免的误差问题；

4、本发明中驱动部采用一个三支链并联机构，驱动部中的第四支链具有空间三个移动自由度；

5、本发明中机六条混联腿在机架两侧平均分布，本发明能够向任意方向行走，适应各种环境；

6、本发明为具有十八驱动自由度冗余驱动集行走、操作一体的移动平台，承载能力强，行走稳定，能耗小，控制系统简单，易操作。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中四连杆直线机构和驱动部的结构示意图；

图3为本发明中腿部的结构示意图；

图4为本发明中驱动组防护罩示意图。

图中：

1 为电机；

2 为曲柄；

3 为固定杆；

4 为连杆；

5 为摇杆；

6 为腿部第一连杆；

7 为腿部第四连杆；

8 为腿部第五连杆；

9 为腿部第二连杆；

10 为腿部第六连杆；

11 为第二支链；

12 为第一支链；

13 为第四支链；

14 为腿部第三连杆；

15 为机架；

16 为驱动支架；

17 为第三支链；

18 为腿部支架；

19 为驱动组防护罩。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的步行机器人，包括机架15、第一混联腿组以及第二混联腿组；其中，所述第一混联腿组和所述第二混联腿组均包括多个混联腿；所述第一混联腿组中的混联腿分别连接所述机架15的一侧端部；所述第二混联腿组中的混联腿分别连接所述机架15的另一侧端部。在本实施例中，所述第一混联腿组和所述第二混联腿组均包括3个混联腿；所述第一混联腿组与所述第二混联腿呈轴对称。所述电机1采用直流伺服电机。

所述混联腿包括四连杆直线机构、驱动部以及腿部；其中，所述四连杆直线机构设置在所述机架15上，所述四连杆直线机构的下端通过所述驱动部铰接所述腿部的上端。所述四连杆直线机构包括电机1、曲柄2、固定杆3、连杆4以及摇杆5；其中，所述电机1的电机轴的连接所述曲柄2和所述固定杆3的一端；所述曲柄2的另一端连接所述连杆4；所述固定杆3的另一端通过所述摇杆5连接连杆4的一端；所述连杆4的另一端铰接所述驱动部。所述电机1用于驱动所述曲柄2进行整周回转运动；所述曲柄2用于带动连杆4做平面运动。

所述驱动部包括第一支链12、第二支链11、第三支链17以及第四支链13；其中，所述第一支链12的下端和所述第四支链13的上端铰接；第二支链11的一端和第三支链17的一端铰接所述第一支链12的下端；所述四连杆直线机构的数量为三个，三个所述四连杆直线机构中连杆4的另一端分别铰接所述第一支链12的上端、所述第二支链11的另一端、所述第三支链17的另一端；所述第四支链13的下端连接所述腿部。在本实施例中，所述第一支链12的下端和所述第四支链13的上端通过铰链铰接，铰链的轴线与第一支链12和第四支链13的中心线重合；第二支链11的一端和第三支链17的一端通过球铰连接第一支链12的下端。第一个四连杆直线机构中的连杆4和第一支链12通过虎克铰相连；第二个四连杆直线机构和第二支链11通过虎克铰相连；第三个四连杆直线机构中的连杆4分别通过虎克铰和第三支链17通过虎克铰相连。三组四连杆直线机构对称分布。

所述腿部包括腿部支架18、腿部第一连杆6、腿部第三连杆14、腿部第四连杆7、腿部第五连杆8、腿部第二连杆9以及腿部第六连杆10；其中，所述腿部支架18通过第一转动副连接所述机架15且通过第二转动副连接所述腿部第一连杆6的上端；所述腿部第一连杆6的下端部分别通过第三转动副、第四转动副连接所述腿部第三连杆14的一端、所述腿部第二连杆9的一端；所述腿部第四连杆7的两端分别通过第五转动副、第六转动副分别连接所述第三连杆14的另一端、所述腿部第五连杆8的一端；所述腿部第五连杆8的另一端、所述腿部第二连杆9的另一端分别通过第七转动副、第八转动副连接所述腿部第六连杆10的上端；所述腿部第四连杆7通过第九转动副连接第四支链13的下端。

所述第二转动副、所述第三转动副、所述第四转动副、所述第七转动副、所述第八转动副以及所述第九转动副的轴线方向相互平行且分别与第一转动副轴线、所述混联腿的矢状平面垂直；腿部第三连杆14、腿部第四连杆7和腿部第五连杆8位于一条直线上，所述第五转动副和第六转动副的轴线与所述混联腿的矢状平面重合。

所述第三转动副、所述第四转动副的轴线相互平行；所述第五转动副和所述第六转动副的轴线重合，即为腿部第五连杆8的中心线；所述第七转动副、所述第八转动副的轴线相互平行；

连接所述第一支链12和第四支链13铰链的轴线、腿部第五转动副的轴线、腿部第六转动副的轴线和腿部第九转动副的轴线两两垂直且相交于一点Con。等价于驱动部和腿部通过一个球铰相连，这个球铰的中心即点Con。

固定杆3固定在驱动组防护罩19中的横梁杆上。驱动支架16和固定杆3的另一端焊接在一起。机架15穿过驱动组护罩19上预留的孔，并与驱动组护罩19固连在一起。驱动支架16设置在所述驱动组护罩19的内侧其固定连接所述驱动组护罩19。

在实际作业时，三支链并联机构驱动腿部空间三维运动，驱动部在身体中是固定的，不但便于防护，而且也可以最大程度的降低腿部的转动惯量。驱动部，由于腿部末端距离身体较远，故而首先应将运动等效传递到距离机身较近的地方。这样腿部相对于机身的运动，就等效成了驱动部的支链相对于身体的运动；此时腿部的运动特性并未减少。只需对该杆件上的某个点添加球铰并进行精确的位置控制即可使得本发明被完全约束。本发明提供的步行机器人整体具有十八个驱动自由度，通过一定的步态输出可实现本发明的全方位运动。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种步行机器人，其特征在于，包括机架(15)、第一混联腿组以及第二混联腿组；

其中，所述第一混联腿组和所述第二混联腿组均包括多个混联腿；

所述第一混联腿组中的混联腿分别连接所述机架(15)的一侧端部；所述第二混联腿组中的混联腿分别连接所述机架(15)的另一侧端部；

所述混联腿包括四连杆直线机构、驱动部以及腿部；

其中，所述四连杆直线机构设置在所述机架(15)上，所述四连杆直线机构的下端通过所述驱动部铰接所述腿部的上端；

所述四连杆直线机构包括电机(1)、曲柄(2)、固定杆(3)、连杆(4)以及摇杆(5)；

其中，所述电机(1)的电机轴的连接所述曲柄(2)和所述固定杆(3)的一端；所述曲柄(2)的另一端连接所述连杆(4)；所述固定杆(3)的另一端通过所述摇杆(5)连接连杆(4)的一端；所述连杆(4)的另一端铰接所述驱动部；

所述电机(1)用于驱动所述曲柄(2)进行整周回转运动；所述曲柄(2)用于带动连杆(4)做平面运动；

所述驱动部包括第一支链(12)、第二支链(11)、第三支链(17)以及第四支链(13)；

其中，所述第一支链(12)的下端和所述第四支链(13)的上端铰接；第二支链(11)的一端和第三支链(17)的一端铰接所述第一支链(12)的下端；

所述四连杆直线机构的数量为三个，三个所述四连杆直线机构中连杆(4)的另一端分别铰接所述第一支链(12)的上端、所述第二支链(11)的另一端、所述第三支链(17)的另一端；

所述第四支链(13)的下端连接所述腿部。

2.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述腿部包括腿部支架(18)、腿部第一连杆(6)、腿部第三连杆(14)、腿部第四连杆(7)、腿部第五连杆(8)、腿部第二连杆(9)以及腿部第六连杆(10)；

其中，所述腿部支架(18)通过第一转动副连接所述机架(15)且通过第二转动副连接所述腿部第一连杆(6)的上端；所述腿部第一连杆(6)的下端部分别通过第三转动副、第四转动副连接所述腿部第三连杆(14)的一端、所述腿部第二连杆(9)的一端；

所述腿部第四连杆(7)的两端分别通过第五转动副、第六转动副分别连接所述第三连杆(14)的另一端、所述腿部第五连杆(8)的一端；所述腿部第五连杆(8)的另一端、所述腿部第二连杆(9)的另一端分别通过第七转动副、第八转动副连接所述腿部第六连杆(10)的上端；

所述腿部第四连杆(7)通过第九转动副连接第四支链(13)的下端。

3.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述第一支链(12)的下端和所述第四支链(13)的上端通过铰链铰接；

第二支链(11)的一端和第三支链(17)的一端通过球铰连接第一支链(12)的下端。

4.根据权利要求2所述的步行机器人，其特征在于，所述第二转动副、所述第三转动副、所述第四转动副、所述第七转动副、所述第八转动副以及所述第九转动副的轴线方向相互平行且分别与第一转动副轴线、所述混联腿的矢状平面垂直；

所述第五转动副和第六转动副的轴线与所述混联腿的矢状平面重合。

5.根据权利要求2所述的步行机器人，其特征在于，连接所述第一支链(12)和第四支链(13)铰链的轴线、腿部第五转动副的轴线、腿部第六转动副的轴线和腿部第九转动副的轴线两两垂直且相交于一点Con。

6.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述第一混联腿组和所述第二混联腿组均包括3个混联腿；

所述第一混联腿组与所述第二混联腿呈轴对称。

7.根据权利要求1所述的步行机器人，其特征在于，所述电机(1)采用直流伺服电机。