CN101811525A - 具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，包括躯干、移动架、质心调整装置和四条机器人腿，躯干下部设有四条机器人腿，躯干上部通过质心调整装置与移动架连接。本发明具有以下特点：(1)采用液压驱动，使机器人具有更大的负重能力；(2)每条腿有四个主动关节，具有冗余自由度，使机器人具有更强的复杂地形环境适应能力和越障能力；(3)具有质心调整装置，且不需要额外的配重，使机器人稳定性更好；(4)机器人16个主动关节采用完全相同的液压伺服油缸驱动，使机器人结构更加简单，易于维护。本发明适用于复杂地形环境下军事和民用物质的运输、反恐装备、野外勘探和探险、星球探测以及农业生产等方面。

Description

具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构

 

技术领域

本发明涉及一种四足机器人移动机构，尤其是一种具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构。

背景技术

目前，地面移动机器人常用的移动方式主要是轮式、履带式、蠕动式、爬行式和步行式。轮式移动机构具有摩擦阻力小、速度快等优点，但只适应于相对平坦的地面环境，越障能力差。履带式移动机构对地形环境的适应能力强，可翻越障碍、攀爬楼梯、跨越壕沟等，但传动效率低。蠕动、爬行和步行式均是模仿动物的仿生运动方式，对地形环境的适应能力极强，可以在绝大部分地面环境上行走，且以步行方式运动速度最快。步行四足机器人在复杂地形环境下的军事物质运输、反恐装备底盘、野外勘探和探险、星球探测以及农业生产等方面具有广阔的应用前景。

美国在1968年由通用电气公司的Mosher研制出了世界上第一台现代意义上的、具有控制功能的四足步行机器人。1977年，美国俄亥俄州立大学的RobertMcGhee研制了世界上第一台数字计算机控制的步行仿生机器人。从20世纪80年代起，美国、日本、加拿大、瑞士、德国等国家的研究机构均开始研究仿哺乳类动物的步行四足移动机器人，另有很多机构研究仿爬行类动物多足移动机器人。

中国专利文献ZL200820157956.2公开了“一种四足步行机器人的行走机构”，该机器人在机架的前、后、左、右分别对称设置一套两足驱动组件和行走腿，每条腿具有一个在水平面内摆动的自由度和一个在竖直面摆动的自由度。该四足机器人移动机构只能实现静态步行，运动速度慢；每条腿只有两个自由度，运动空间小，越障能力差。

中国专利文献CN101602382A公开了“一种单驱动四足步行机器人”，该机器人前、后安装有两根平行配置的转轴，由一个电机通过传动元件驱动，每根转轴的左右两端分别固定连接曲柄。机器人安装有四条单腿，每条腿由一个曲柄摆杆机构与交叉平行四边形串联铰接而成，由每根轴端的连接曲柄驱动。该机器人由一个电机驱动即可实现行走，但四条腿之间全部由连杆机械连接，腿之间的运动规律固定，只能在平地面上步行，不具有越障能力，并且只能直行，不能转向。

中国专利文献ZL03153505.4公开了“一种可调整的四足仿生机器人运动结构”，主要包括顶部基准平板、四条腿、四只足、驱动装置和传感装置。顶部基准平板上对称开有四个分别可供四条腿前后移动的调整槽，四条腿与顶部基准板之间采用吊装式结构；大腿和小腿分别由各自的驱动装置带动沿各自关节轴摆动。该机器人可实现自由行走、对角行走、侧步、奔跑等典型步态，能够转弯，具有爬坡、越障能力。该机器人每条腿有两个关节，腿长动态变化范围小，适应复杂地形环境和越障能力有限；采用电机驱动，其动态响应能力和负重能力差。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种构造简单、具有越障能力、能够转向、负重能力强、易于维护、动态响应能力强的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其包括躯干、移动架、质心调整装置和四条机器人腿，所述躯干下部设有四条机器人腿，躯干上部通过质心调整装置与移动架连接。

所述每条机器人腿均由三段依次连接的腿节和小腿组成，小腿设置于三段腿节的下部，三段腿节之间以及腿节与小腿之间均通过轴线沿躯干横向的转动副和伺服油缸连接，最上部的腿节通过轴线沿躯干纵向的转动副与躯干连接，前述四个转动副为每条腿的四个主动关节；所述小腿下部设有一个被动的伸缩关节。

所述小腿包括小腿外筒，小腿外筒内部上端装有一高压气囊，下端装有两个直线轴承，直线轴承内孔安装有小腿伸缩杆，小腿伸缩杆的下端安装有橡胶套，橡胶套内设有六维力传感器。

所述伺服油缸包括液压油缸、伺服阀、位移传感器和力传感器，力传感器安装在液压油缸的缸杆上，位移传感器安装液压油缸的一侧。

所述质心调整装置包括双向螺母支架，双向螺母支架下部设有与躯干连接的横向移动装置，上部设有与移动架连接的纵向移动装置。

所述横向移动装置包括与双向螺母支架下部通过螺旋副连接的横向丝杠，横向丝杠一端设有连接板Ⅰ，另一端通过齿轮机构Ⅰ与直流电机Ⅰ连接，齿轮机构Ⅰ的外部设有连接板Ⅱ。

所述纵向移动装置包括平行设置的纵向丝杠和光轴，纵向丝杠和光轴分别通过双向螺母支架上部两侧的螺旋副和直线轴承设置于其上；纵向丝杠的一端设有连接板Ⅲ，另一端通过齿轮机构Ⅱ与直流电机Ⅱ连接，齿轮机构Ⅱ的外部设有连接板Ⅳ；光轴的两端分别设有连接板Ⅲ。

所述的躯干为一长方形框架。

所述移动架为一横截面为梯形的框架。

本发明的机器人每条腿有四个主动关节，使机器人足工作空间更大，具有更强的复杂地形适应能力和越障能力。

躯干下部四角分别对称安装四条完全相同的机器人腿，前后两条腿可以按膝关节同向安装或反向安装，躯干上部通过质心调整装置与移动架连接。

移动架为一横截面为梯形的框架结构，其上用来安装、固定各种传感器、控制系统模块、液压系统模块等，并可搭载货物。

当机器人快速行走时，地面对机器人足部有较大冲击力，使小腿伸缩杆相对小腿外筒向上运动，高压气囊被压缩，同时吸收地面对足部的冲击，起到缓冲和减振的作用。六维力传感器用来测量地面对足部的作用力。橡胶套用来增加足与地面间的摩擦力，保护六维力传感器、并起部分缓冲减振作用。

当直流电机通过齿轮机构驱动横向丝杠时，双向螺母支架通过纵向丝杠带动移动架可沿躯干横向移动。当直流电机通过齿轮机构驱动纵向丝杠时，移动架相对躯干可沿纵向移动。

四足机器人在快速动态步行时，常用某种对称步态。当机器人质心在地面的投影位于4条腿支撑面积的形心时，有两条对称腿的运动学和动力学参数是相同的；当机器人质心在地面的投影不位于4条腿支撑面积的形心时，两条对称腿的动力学参数就不同，这样就会增加机器人稳定性控制的难度。质心调整方法是：在平坦地面，机器人4条腿直立，根据4条腿足部的六维力传感器测量的垂向分力对足支撑面积形心的合力矩确定调整方向，由质心调整装置调整移动架及固定在其上的所有质量，直到合力矩为零。

本发明具有以下特点：

(1)采用液压驱动，使机器人具有更大的负重能力；

(2)每条腿有四个主动关节，具有冗余自由度，使机器人具有更强的复杂地形环境适应能力和越障能力；

(3)具有质心调整装置，且不需要额外的配重，使机器人稳定性更好；

(4)机器人16个主动关节采用完全相同的液压伺服油缸驱动，使机器人结构更加简单，易于维护。

本发明适用于在复杂地形环境下军事和民用物质的运输、反恐装备、野外勘探和探险、星球探测以及农业生产等方面。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是机器人一条腿的构成示意图；

图3是机器人腿与躯干连接的前视图；

图4是液压伺服油缸的构成示意图；

图5是机器人小腿结构示意图；

图6是机器人躯干、质心调整装置和移动架装配的爆炸图；

图7是质心调整装置构成示意图；

图中：1.移动架，2.质心调整装置，3.躯干，4.机器人腿，5.腿节Ⅰ，6.伺服油缸，7.转动副Ⅰ，8.腿节Ⅱ，9.转动副Ⅱ，10.腿节Ⅲ，11.转动副Ⅲ，12.小腿，13.移动副，14.转动副Ⅳ，15.液压油缸，16.电液伺服阀，17.位移传感器，18.力传感器，19.小腿外筒，20.气囊，21.直线轴承，22.小腿伸缩杆，23.六维力传感器，24.橡胶套，25.连接板Ⅳ，26.齿轮机构Ⅱ，27.直流电机Ⅱ，28.纵向丝杠，29.双向螺母支架，30.连接板Ⅲ，31.连接板Ⅱ，32.齿轮机构Ⅰ，33.直流电机Ⅰ，34.光轴，35.横向丝杠，36.连接板Ⅰ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括躯干3、移动架1、质心调整装置2和四条机器人腿4。躯干3下部设有四条机器人腿4，躯干3上部通过质心调整装置2与移动架1连接。

其中每条机器人腿由三段腿节（腿节Ⅰ5、腿节Ⅱ8和腿节Ⅲ10）和小腿12组成（见图2），小腿12设置于三段腿节的下部，腿节Ⅰ5通过轴线沿躯干纵向的转动副Ⅳ14与躯干3连接（见图3），腿节Ⅰ5与腿节Ⅱ8、腿节Ⅱ8与腿节Ⅲ10、腿节Ⅲ10与小腿12之间均通过轴线沿躯干横向的转动副（转动副Ⅰ7、转动副Ⅱ9和转动副Ⅲ11，见图2）连接，以上四个关节（即前述的四个转动副）均通过伺服油缸6驱动，小腿12有一个被动伸缩关节。机器人每条腿有四个主动关节（转动副Ⅰ7、转动副Ⅱ9、转动副Ⅲ11和转动副Ⅳ14），使机器人足部的工作空间大，具有更强的复杂地形适应能力和越障能力。

如图5所示，机器人小腿12由小腿外筒19、气囊20、直线轴承21、小腿伸缩杆22、六维力传感器23和橡胶套24组成。小腿外筒19内部上端装有一高压气囊20，下端装有两个直线轴承21，直线轴承内孔安装有小腿伸缩杆22，小腿伸缩杆22的下端安装有橡胶套24，橡胶套24内设有六维力传感器23。

当机器人快速行走时，地面对机器人足部有较大冲击力，使小腿伸缩杆22相对小腿外筒19向上运动，高压气囊20被压缩，同时吸收地面对足部的冲击，起到缓冲和减振的作用。六维力传感器23用来测量地面对足部的作用力。橡胶套24用来增加足与地面间的摩擦力，保护六维力传感器23、并起部分缓冲减振作用。

如图4所示，伺服油缸6由液压油缸15、电液伺服阀16、位移传感器17和力传感器18组成，力传感器18安装在液压油缸15的缸杆上，位移传感器17安装液压油缸15的一侧。

质心调整装置2如图7所示，包括双向螺母支架29，双向螺母支架29下部设有与躯干3连接的横向移动装置，上部设有与移动架1连接的纵向移动装置。

横向移动装置包括与双向螺母支架29下部通过螺旋副连接的横向丝杠35，横向丝杠35一端设有连接板Ⅰ36，另一端通过齿轮机构Ⅰ32与直流电机Ⅰ33连接，齿轮机构Ⅰ32的外部设有连接板Ⅱ31。

纵向移动装置包括平行设置的纵向丝杠28和光轴34，纵向丝杠28和光轴34分别通过双向螺母支架29上部两侧的螺旋副和直线轴承设置于其上；纵向丝杠28的一端设有连接板Ⅲ30，另一端通过齿轮机构Ⅱ26与直流电机Ⅱ27连接，齿轮机构Ⅱ26的外部设有连接板Ⅳ25；光轴的两端分别设有连接板Ⅲ30。

横向丝杠35通过连接板Ⅱ31和连接板Ⅰ36与躯干3固定连接，横向丝杠35与双向螺母支架29下部通过螺旋副连接。双向螺母支架29上部通过螺旋副与纵向丝杠28连接，通过直线轴承与光轴34连接，纵向丝杠28和光轴34通过连接板Ⅳ25、连接板Ⅲ30与移动架1固定连接。

当直流电机Ⅰ33通过齿轮机构Ⅰ32驱动横向丝杠35时，双向螺母支架29通过纵向丝杠28和光轴34带动移动架1可沿躯干3横向移动。当直流电机Ⅱ27通过齿轮机构Ⅱ26驱动纵向丝杠28时，移动架1相对躯干3可沿纵向移动。

四足机器人在快速动态步行时，常用某种对称步态。当机器人质心在地面的投影位于四条腿支撑面积的形心时，有两条对称腿的运动学和动力学参数是相同的；当机器人质心在地面的投影不位于四条腿支撑面积的形心时，两条对称腿的动力学参数就不同，这样就会增加机器人稳定性控制的难度。质心调整方法是：在平坦地面，机器人四条腿直立，根据四条腿足部的六维力传感器23测量的垂向分力对足支撑面积形心的合力矩确定调整方向，由质心调整装置2调整移动架1及固定在其上的所有质量，直到合力矩为零。

躯干3为一长方形框架（见图6），躯干3下部四角分别对称安装4条完全相同的机器人腿4，前后两条腿可以按膝关节（即转动副Ⅱ9）同向安装或反向安装，躯干3上部通过质心调整装置2与移动架1连接。

移动架1为一横截面为梯形的框架结构（见图6），用来安装、固定各种传感器、控制系统模块、液压系统模块等，并可搭载货物。

Claims (9)

1.一种具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：其包括躯干、移动架、质心调整装置和四条机器人腿，所述躯干下部设有四条机器人腿，躯干上部通过质心调整装置与移动架连接。

2.根据权利要求1所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述每条机器人腿均由三段依次连接的腿节和小腿组成，小腿设置于三段腿节的下部，三段腿节之间以及腿节与小腿之间均通过轴线沿躯干横向的转动副和伺服油缸连接，最上部的腿节通过轴线沿躯干纵向的转动副与躯干连接，前述四个转动副为每条腿的四个主动关节；所述小腿下部设有一个被动的伸缩关节。

3.根据权利要求2所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述小腿包括小腿外筒，小腿外筒内部上端装有一高压气囊，下端装有两个直线轴承，直线轴承内孔安装有小腿伸缩杆，小腿伸缩杆的下端安装有橡胶套，橡胶套内设有六维力传感器。

4.根据权利要求2所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述伺服油缸包括液压油缸、伺服阀、位移传感器和力传感器，力传感器安装在液压油缸的缸杆上，位移传感器安装液压油缸的一侧。

5.根据权利要求1所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述质心调整装置包括双向螺母支架，双向螺母支架下部设有与躯干连接的横向移动装置，上部设有与移动架连接的纵向移动装置。

6.根据权利要求5所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述横向移动装置包括与双向螺母支架下部通过螺旋副连接的横向丝杠，横向丝杠一端设有连接板Ⅰ，另一端通过齿轮机构Ⅰ与直流电机Ⅰ连接，齿轮机构Ⅰ的外部设有连接板Ⅱ。

7.根据权利要求5所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述纵向移动装置包括平行设置的纵向丝杠和光轴，纵向丝杠和光轴分别通过双向螺母支架上部两侧的螺旋副和直线轴承设置于其上；纵向丝杠的一端设有连接板Ⅲ，另一端通过齿轮机构Ⅱ与直流电机Ⅱ连接，齿轮机构Ⅱ的外部设有连接板Ⅳ；光轴的两端分别设有连接板Ⅲ。

8.根据权利要求1所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述的躯干为一长方形框架。

9.根据权利要求1所述的具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构，其特征在于：所述移动架为一横截面为梯形的框架。

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