CN101947983A - 基于混联机构的全方位四足步行移动装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于废墟等复杂地形及狭窄空间条件下搜索目标和运输作业的四足步行移动装置。本发明要解决的问题是设计一种适合恶劣环境的四足步行机器人，由一个中心对称的机架，四个和机架连接的串、并混联三自由度腿部机构构成。每一个腿部机构组件由连杆、转动关节、驱动电机和联轴器组成；电机输出轴通过联轴器与主动连杆相连接，所有的主动连杆在一个平面内，和机架垂直的连杆与机架之间形成转动副；转动连杆上固定的两个电机驱动平面五杆机构的两个主动连杆，把电机的周转运动转化为足端的平面运动，三个电机输入实现了每个足端的3个自由度运动输出。四个腿部机构协调运动，实现四足步行移动装置的实际全方位步行输出。本装置将四足步行移动的应用场合进行整合，是一种新型室外无人作业的通用移动平台机械。
Description
技术领域
本发明为一种全方位四足步行移动平台，涉及用于突发灾害中在废墟等复杂地形探险、搜索目标和运输作业的一种移动装置。
背景技术
近年来各种地质灾害的频频发生，正如突如其来的汶川地震等，救援工作需要立刻展开，然而如何能够迅速发现废墟下的被困人员，如何快速进行物资定点投递，是实施救援最先面临的问题，因此急需一种能够在这种复杂环境中便于携带和便于实施的移动设备。
目前，常见的灾害后搜索目标方法有两种：一、救援人员或利用警犬搜寻被困人员；二、用搜寻机器人搜索。其中第一种搜寻措施最为常见，费用低，但警犬需要经过专门培训，数量有限，在救灾同时，危险环境有时会造成救援人员和警犬伤亡。第二种措施利用搜救机器人，能够远程的搜寻生命气息，无需救援人员亲自到达危险地域，从而确保救援人员的安全，对于救援人员无法到达的空间，更能够发挥其体积小，便于操作的优点。在确认受灾人员位置但暂时无法转移时，救援物资通常通过直升机或者人力进行投递。但受灾区域能见度低，直升机投送救援物资由于投递点不精确造成损失较大，人力投送救援物资又受限于救援人员紧张而且可能带来更多额外的人员伤亡。因此，有必要设计一种便于携带和便于实施的移动装置，可以用于突发灾害中在废墟等复杂地形探险、搜索目标和运输作业，以满足灾后救援工作中对救援设备的迫切需求。
在突发灾害中的废墟等复杂环境中，步行移动相比其他移动方式具有明显的优势。传统的四足步行机构腿部都是由一组运动链串联而成，每个关节都需要驱动，外露的关节驱动器和传感器在四足步行移动的应用环境中极易损坏，从而影响整个机构的正常工作，甚至发生危险。通常，对于外露驱动器和传感器易损坏这种情况采用包装密封的手段进行优化。不过在实际的恶劣环境中，关节的密封本来就是一个非常困难的课题，因此这种方法不能彻底解决问题，而且带来了另外的难题。本装置能够避免现有四足机器人的缺陷，地形适应能力强，能够远程的搜寻生命气息，无需救援人员亲自到达危险地域，从而却保救援人员的安全，对于救援人员无法到达的空间，更能够发挥体积小，便于操作的优点。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种适合恶劣环境的四足步行机器人，将所有的驱动器都尽量安装在机体上，实现全方位的四足步行。这样，四足步行装置在室外环境中工作时，除了可以很好的实现常规四足步行机器人的步行功能，腿部关节受外界影响的可能性还将大大减小，从而减少驱动器和传感器在恶劣环境中的故障率，提高四足步行装置的可靠性和环境适应能力。本装置利用并联机构的多自由度运动特性和驱动关节的可选择特性，设计了一种串、并混联的，能够实现足端三自由度运动的新型四足步行腿部机构。将该腿部机构按照中心对称和轴对称进行安装，实现步行移动方式的全方位四足步行。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：
一个中心对称的机架，四个和机架连接的串、并混联三自由度腿部机构。构成该装置的零部件之间的连接为：
四个腿部机构完全相同，通过螺栓螺母或者焊接与机架连接在一起，对称安装在机架上。
每一个腿部机构组件由连杆、转动关节、驱动电机和联轴器组成；电机输出轴通过联轴器与主动连杆相连接，所有的主动连杆在一个平面内，和机架垂直的连杆与机架之间形成转动副；转动连杆上固定的两个电机驱动平面五杆机构的两个主动连杆，把电机的周转运动转化为足端的平面运动，三个电机输入实现了每个足端的3个自由度运动输出。四个腿部机构协调运动，实现四足步行移动装置的实际全方位步行输出。
本发明所具有的有益效果：利用串、并联混联机构的运动特性和大的工作空间，设计了一种适用于恶劣室外环境的四足步行腿部机构，提供了一种可用于探险环境的四足全方位步行移动装置，能够实现任意方向的移动和任意角度的转动。利用并联机构输入关节的可选择特性，该步行装置的所有驱动电机都安装在机架上，腿部关节受外界影响的可能性将大大减小，从而减少驱动器在恶劣环境中的故障率，提高四足步行装置的可靠性和环境适应能力。本装置将四足步行移动的应用场合进行整合，是一种新型室外无人作业的通用移动平台机械。
附图说明
图1全方位四足步行移动装置总装配示意图；
图2腿部机构简图；
图3直线步行腿部机构运动序列；
图4转弯步行腿部机构运动序列；
图中标号分别为：1为机架、2为驱动电机、3为驱动电机、4为驱动电机、5，6，7，8，9为连杆，连杆之间通过转动副铰链连接。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明。
全方位四足步行移动装置，如图1所示，包括：机架、驱动电机和四个结构对称的腿部机构。
如图1、2所示，本发明利用独特的结构设计，解决了常规四足步行装置外露关节驱动器在应用环境中极易损坏和四足步行装置难以实现全方位步行的问题。
本发明的技术方案：
每个腿部机构由5个连杆组成，装有3个驱动电机，见图1；驱动电机2驱动连杆5转动，带动整个腿部机构平面作转动运动；驱动电机3和驱动电机4共同带动腿部机构末端点在腿部机构平面内移动，实现平面并联机构的运动输出。整个腿部机构有3个自由度，满足步行移动装置对腿部机构的要求。
四个对称安装的腿部机构按照一定的序列运动，实现本装置的全方位四足步行移动。如图3为直线步行运动序列，图4为转弯步行运动序列。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改造，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于混联机构的全方位四足步行移动装置，其特征在于：它包括机架，驱动系统，对称安装的腿部机构。四个腿部机构完全相同，通过螺栓螺母或者焊接与机架连接在一起，每一个腿部机构组件由连杆、转动关节、驱动电机和联轴器组成；电机输出轴通过联轴器与主动连杆相连接，所有的主动连杆在一个平面内，和机架垂直的连杆与机架之间形成转动副；转动连杆上固定的两个电机驱动平面五杆机构的两个主动连杆，把电机的周转运动转化为足端的平面运动。
2.一种适应废墟等复杂环境的混联腿部机构，其特征在于：平面并联5杆机构和一个转动关节串联，可以实现个足端的3自由度运动输出。
3.适用于本装置的四足步行运动控制序列，其特征在于：可以实现前进、后退、原地转向和定半径转弯的运动序列。
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