CN102060059B - 基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构 - Google Patents
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Abstract
一种基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，属机器人技术领域。包括：第一刚体（1）、第二刚体（2）、第三杆（3）、第四杆（4）。其中第一刚体（1）一端与第二刚体（2）一端铰连；第三杆（3）一端与第一刚体（1）中间铰接；第三杆（3）另一端与第四杆（4）一端铰接；第四杆（4）另一端与第二刚体（2）中间通过铰链连接；上述四个铰接点构成平行四边形。在第一刚体（1）上设有第五铰接点（9）；在第三铰接点（7）和第五铰接点（9）之间通过铰接方式安装有直线移动副。该机构比单纯的伸缩四连杆具有运动输出更为稳定特点，提高了足式机器人关节的运动性能，为机构轻巧、运动高效的足式机器人关节设计提供机构创新和优化方式。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，主要应用于液压等直线驱动的足式机器人转动关节设计。
背景技术
足式机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。
具有高承载能力的液压驱动足式机器人具有优越的移动能力的同时又具备良好的负载能力，将在军事、山地救援、林地勘测等特殊复杂环境下有巨大的需求背景。
液压缸直线驱动实现足式机器人关节转动方式，通常采用伸缩四连杆机构实现，（如美国军方的Bigdog四足机器人、山东大学荣学文发明的《具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构》（申请号：201010153672.8））。由于传统的伸缩四连杆机构运动时会出现运动关节转速与液压缸移动速度之间速比k随不同运动位置而明显不同。由于足式机器人关节受力的复杂性及其特殊性，即在关节运动速度和驱动力矩大小这两者的均衡性上有特殊要求，对关节运动机构设计具有较高的设计要求。一般在关节运动到往返两个极限位置时关节通常需要较大的驱动力矩，而此时的伸缩四连杆机构的速比k较大使得必须选择更大驱动功率的液压缸才能满足，选择更大功率的液压缸更不利于足式机器人机构轻巧的客观要求；而处于中间状态时所需的驱动力矩有可能较小，选择大功率的液压缸又不必要。这种传统的伸缩四连杆机构在同等功率的液压驱动时足式机器人关节凸显输出力矩和转动速度的不均衡缺点，使得关节运动控制难度增加，不利于足式机器人运动实现，也阻碍了液压驱动足式机器人关节设计思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，该机构使运动关节转速与液压缸移动速度之间速比k在不同运动位置时基本保持相同，在同等功率的液压驱动的足式机器人关节运动不同位置时输出力矩和转速均较为均衡，降低了足式机器人关节运动控制的难度，优化了足式机器人机构关节传动设计。
一种平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，其特征在于：
包括：第一刚体、第二刚体、第三杆、第四杆。其中第一刚体一端与第二刚体一端铰连，铰接点称为第一铰接点；第三杆一端与第一刚体中间铰接，铰接点称为第二铰接点；第三杆另一端与第四杆一端铰接，铰接点称为第三铰接点；第四杆另一端与第二刚体中间通过铰链连接，铰接点称为第四铰接点； 其中第一铰接点到第二铰接点的距离与第三铰接点到第四铰接点的距离相等，第二铰接点到第三铰接点的距离与第四铰接点到第一铰接点的距离相等.在第一刚体上还设有第五铰接点；在第三铰接点和第五铰接点之间通过铰接方式安装有直线移动副，具有往返直线移动能力。实际常用的主要为液压缸或气压缸或或丝杠直线移动装置。
本发明的工作原理为：现有的液压驱动足式机器人中均采用伸缩四连杆机构实现液压直线驱动带动关节转动，因此本发明注重提出基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，使运动关节转速与液压缸移动速度之间速比k在不同运动位置时基本保持相同。基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动时，通过直线移动装置带动平行四边形杆件转动，最终实现第一刚体和第二刚体之间转角变化，完成了液压缸或气压缸等装置的这种直线运动到关节转动的运动传动。由于平行四边形的运动特点，使得驱动伸缩四连杆运动的力与转动关节点之间力臂变化较小，比单纯的伸缩四连杆具有运动输出更为稳定特点，提高了足式机器人关节的运动性能，为机构轻巧、运动高效的足式机器人关节设计提供机构创新和优化方式。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、 本发明能够实现直线运动到关节转动的运动传动，结合平行四边形的运动特点，比单纯的伸缩四连杆具有运动输出更为稳定特点，为机构轻巧、运动高效的足式机器人关节设计提供机构创新和优化方式。
2、 本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足足式机器人在不同条件下关节特殊运动的性能要求。
3、 本发明在增加一个平行四边形机构的条件下，改善了原有伸缩四连杆机构性能，提高了足式机器人关节运动性能，降低了液压等直线驱动的足式机器人关节的控制难度。
附图说明
图1是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构示意图；
图2是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构实例图；
图3是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动示意图；
图4-1是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态1示意图；
图4-2是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态2示意图；
图4-3是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态3示意图；
图5-1是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构某尺寸下的运动仿真图；
图5-2是本发明基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构该尺寸下输入量与输出量数据比较图；
上述图中标号名称：1、第一刚体； 2、第二刚体； 3、第三杆； 4、第四杆；5、第一铰接点；6、第二铰接点；7、第三铰接点；8、第四铰接点；9、第五铰接点。
图中F为直线驱动力； 
为关节所需关节驱动力矩。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
结合图1、2、3、4-1、4-2、4-3、5-1、5-2，本实施例为一种基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，包括：第一刚体1、第二刚体2、第三杆3、第四杆4。
如图2所示为基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构的实例图，其中第一刚体1一端与第二刚体2一端铰连，铰接点称为第一铰接点5；第三杆3一端与第一刚体1中间铰接，铰接点称为第二铰接点6；第三杆3另一端与第四杆4一端铰接，铰接点称为第三铰接点7；第四杆4另一端与第二刚体2中间通过铰链连接，铰接点称为第四铰接点8； 其中第一铰接点5到第二铰接点的距离6与第三铰接点7到第四铰接点8的距离相等，第二铰接点6到第三铰接点的距离7与第四铰接点8到第一铰接点5的距离相等.在第一刚体1上还设有第五铰接点9；在第三铰接点7和第五铰接点9之间通过铰接方式安装有直线移动副。该直线移动副为液压缸驱动装置，具有往返直线移动能力。
如图3所示为基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动示意图，上述直线移动副的驱动力F实现直线移动，驱动基于平行四边形的伸缩四连杆，完成关节力矩
输出，实现关节转动。本实例实施方式不限定于如图2的机构所示，而更广泛地衍生到与本机构运动简图相同运动原理的机构。
如图4-1所示，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态1，直线移动副处于最长值时的机构运动状态；如图4-2所示，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态2，直线移动副处于中间值时的机构运动状态；如图4-3所示，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构运动状态3，直线移动副处于最短值时的机构运动状态。同理，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构中直线移动副的直线移动实现关节的往返转动，保证了直线驱动实现关节转动的运动传动方式，可应用于液压等直线驱动的足式机器人关节运动的机构设计。
如图5-1所示，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，在第三杆3和第四杆4的长度尺寸均为0.1m时，当第一刚体1与第二刚体2成直角时设为中间状态（零状态），此时的第五铰接点9与第一铰接点5（坐标位置为（0,0.5m））的相对坐标位置为（0.3m，-0.05m）。在该尺寸下进行运动仿真，结果如图5-2所示，当直线移动副在1秒内匀速伸缩直线移动0.1m时，相应转动关节较为匀速的转动了60°（-30°_30°），表明运动关节转速与直线移动速度之间速比k在不同运动位置时均较为恒定，此特性能够减小关节运动控制难度，基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构比传统的伸缩四连杆具有更好特性，可进一步为优化直线驱动实现关节传动的足式机器人关节设计提供新的途径和方式。其中第五铰接点9与第一铰接点5相对位置、第三杆3和第四杆4长度尺寸进行不同组合，能够得到关节的不同运动性能，实际应用中可调整优化上述尺寸大小，满足实际工况下关节运动性能要求。
Claims (1)
1.一种基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，其特征在于：
包括：第一刚体（1）、第二刚体（2）、第三杆（3）、第四杆（4）；
其中第一刚体（1）一端与第二刚体（2）一端铰连，铰接点称为第一铰接点（5）；第三杆（3）一端与第一刚体（1）中间铰接，铰接点称为第二铰接点（6）；第三杆（3）另一端与第四杆（4）一端铰接，铰接点称为第三铰接点（7）；第四杆（4）另一端与第二刚体（2）中间通过铰链连接，铰接点称为第四铰接点（8）； 其中第一铰接点（5）到第二铰接点的距离（6）与第三铰接点（7）到第四铰接点（8）的距离相等，第二铰接点（6）到第三铰接点的距离（7）与第四铰接点（8）到第一铰接点（5）的距离相等；
在第一刚体（1）上还设有第五铰接点（9）；
在第三铰接点（7）和第五铰接点（9）之间通过铰接方式安装有直线移动副；
上述第三杆（3）和第四杆（4）的长度尺寸均为0.1m，且第五铰接点（9）和第一铰接点（5）的位置关系满足：当第一刚体（1）与第二刚体（2）成直角时此时的第五铰接点（9）相对第一铰接点（5）的相对坐标为（0.3m，-0.05m）。
2．根据权利要求1所述的基于平行四边形的伸缩四连杆关节传动机构，其特征在于：上述直线移动副为液压缸驱动装置或气压缸驱动装置或丝杠直线移动装置。
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