CN103264735B - 一种欠驱动混联行走机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种欠驱动混联行走机构，包括对称安装于机身下方的四条混联行走腿机构，每条所述腿机构均由一个主动四边形机构、一个随动四边形机构、一个三角架及随动足部机构构成，其中，随动四边形机构和三角架均位于主动四边形机构一侧，三角架位于随动四边形机构上部，随动足部机构位于随动四边形机构的下部，且所有相邻机构之间均有共用组成部件；两组相对应的前腿机构和后腿机构分别安装于两个不同偏心轮上，三角架的一个节点通过回转副与机身相连。其结构较传统机构得到了较大的简化、控制难度降低、响应速度快，适用于复杂地形结构下的快速行走与作业。

Description

一种欠驱动混联行走机构
技术领域
本发明涉及一种机器人行走机构，尤其是一种欠驱动混联行走机构。
背景技术
目前，代替人类在复杂和危险环境中工作的地面移动机器人越来越引起人们的关注，目前该类型机器人主要分为两类：轮式（履带式）和腿式机器人。腿式机器人可适应更为广泛的地形，在近些年引起更多的关注。四足腿式机器人比轮式或履带式机器人更为灵活，构建和控制性能上比六足更为简单，而在运动上比双足更为稳定，这些特点使其在军事、航空航天、抗险救灾以及示教娱乐上有着广阔的应用前景。从腿部机构构型角度考虑，串联构型腿部运动空间更大，整体更为灵活，并联构型稳定性和承载能力更好。通常四足机器人单个腿部设计为2～4个自由度，四足机构多达8～16个自由度，多自由度的设计虽然增加了腿部动作的灵活性，但要实现四足行走与步态控制的难度和复杂度大大提升了。目前的常见的四足机器人的行走实际上一种多自由度的步态协调与控制方法，其设计难度、时间复杂度以及动态响应要求都是影响该技术实际应用的障碍。利用机构设计有效降低其腿部机构的自由度，并同时能实现要求的步态，便可有效改善该类型机器人的技术难度，降低其应用门槛。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种欠驱动混联行走机构，该机构兼具串联与并联机构的混联结构，在保证运动灵活性的同时，具有较好的稳定性和承载能力。通过机构设计有效实现了前后腿的步态控制，只通过单个或少量驱动便实现了前后腿的行走步态，大大减少了驱动部件的数目，从而降低控制的难度与复杂度，由于步态行走大部分是由机构实现，也在一定程度上提高了响应的及时性。其结构较传统机构得到了较大的简化、控制难度降低、响应速度快，适用于复杂地形结构下的快速行走与作业。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种欠驱动混联行走机构，包括对称安装于机身下方的四条混联行走腿机构，每条所述腿机构均由一个主动四边形机构、一个随动四边形机构、一个三角架及随动足部机构构成，其中，随动四边形机构和三角架均位于主动四边形机构一侧，三角架位于随动四边形机构上部，随动足部机构位于随动四边形机构的下部，且所有相邻机构之间均有共用组成部件；两组相对应的前腿机构和后腿机构分别安装于两个不同偏心轮上，三角架的一个节点通过回转副与机身相连。
每一组前后相对应的前腿机构和后腿机构的主动四边形机构的相同位置的一个节点安装于一个偏心轮上。
所述两个偏心轮分别安装在两个不同的驱动轴上，两个偏心轮均通过回转副安装于机身上，两个偏心轮上均设有一个偏心轴。
所述两个偏心轮安装在同一个驱动轴上，两个偏心轮均通过回转副安装于机身上，两个偏心轮上均设有一个偏心轴，且两个偏心轴相位差为180°。
所述主动四边形机构是由第一至第四连杆首尾依次相连组成，且第一和第四连杆相连节点连接于偏心轮的偏心轴上。
所述三角架由第五连杆、第六连杆与主动四边形机构的第二连杆首尾依次相连组成；第二连杆和第六连杆铰接节点通过回转副安装于机身上。
所述随动四边形机构由第七连杆、足部关节、主动四边形机构的第三连杆、三角架的第六连杆首尾依次相连组成。
所述各连杆连接节点均为铰接并能回转。
所述随动足部机构底部，以及与随动足部机构相连的随动四边形机构的第七连杆、主动四边形机构的第三连杆底部均设有减震机构。
本发明包括4条混联构型的腿机构，对称安装于机身下方，并通过偏心轮控制前后腿的步态协调，每个偏心轮控制前后2条腿。
欠驱动的说明：通常的四足行走机构的自由度要求多达8～16个，从理论上说，要实现整个机构的四足步态行走，要求的驱动部件也应该具有8～16个驱动部件。本发明从机构角度出发，将偏心轮与混联机构结合，只通过单个驱动或最多2个驱动部件，就能实现多个自由度的四足直线行走步态控制，故称之为欠驱动。
每个混联腿构型由两个四边形机构（主动四边形机构和随动四边形机构）、一个三角架以及随动足部机构构成。腿部动作主要由偏心轮带动该主动四边形机构完成运动；三角架与机身通过回转副相连，并在主动四边形驱动下绕回转副旋转；足部机构在主动四边形机构和随动四边形带动下随动。
通过偏心轮与主动四边形驱动前后腿机构，进而实现四足直线步态运动，通过1个转动驱动以及混联机构实现多自由度两足行走步态，偏心轮每转动360°，则完成一次步态循环。
对称两侧的前后腿足行走机构完全相同，通过两侧偏心轮位置差动，可实现四足步态变换，两偏心轮相位差相差180°。
实现四足步态行走，两个偏心轮可独立分别控制，也可通过单个驱动控制。单驱动控制可令两偏心轮同轴，通过驱动轴驱动，同时保证两偏心轴相位差为180°，适用于直线步态行走。独立控制二者相位差可调，适用于腰部有回转关节的转弯步态行走。
本发明的回转驱动部件又称之为旋转驱动部件，主要用于驱动机身两侧的偏心轮进行旋转运动，驱动部件安装在图5所示的驱动轴的位置，两个偏心轮用2个旋转驱动件单独分别驱动。
本发明的有益效果是，该机构包括机身与混联行走机构，每条腿机构由2个四边形机构、三角架以及随动足部机构构成，设计为兼具串联与并联机构的混联结构，在保证运动灵活性的同时，具有较好的稳定性和承载能力。腿部机构在机身上对称分布，由偏心轮驱动前后腿机构的协调运动。该机构主要涉及四足行走机构的直线步态，而转弯行走可通过调整偏心轮机构以及机架腰部关节来实现。通过机构设计有效实现了前后腿的步态控制，只通过单个或少量驱动便实现了前后腿的行走步态，大大减少了驱动部件的数目，从而降低控制的难度与复杂度，由于步态行走大部分是由机构实现，也在一定程度上提高了响应的及时性。该发明结构较传统机构得到了较大的简化、控制难度降低、响应速度快，适用于复杂地形结构下的快速行走与作业。
附图说明
图1是本发明结构原理示意图；
图2是本发明结构示意图；
图3（a）-图3（d）是本发明一次直线步态运行循环示意图；
图4是本发明偏心轮控制随动足部机构图；
图5是安装于同一驱动轴上的两个偏心轮结构示意图；
其中1.主动四边形机构，2.三角架，3.随动四边形机构，4.随动足部机构，5.偏心轮，6.表示与机身固定并回转，7.回转，8.第一连杆，9.第二连杆，10.第三连杆，11.第四连杆，12.第五连杆，13.第六连杆，14.第七连杆，15.减震机构，16.驱动轴，17.偏心轴，18.机身。
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-图5所示，欠驱动混联四足行走机构，包括对称安装于机身18下方的四条混联行走腿机构，每条所述腿机构均由一个主动四边形机构1、一个随动四边形机构3、一个三角架2及随动足部机构4构成，其中，随动四边形机构3和三角架2均位于主动四边形机构1一侧，三角架2位于随动四边形机构3上部，随动足部机构4位于随动四边形机构3的下部，且所有相邻机构之间均有共用组成部件；两组相对应的前腿机构和后腿机构分别安装于两个不同偏心轮5上，三角架2的一个节点通过回转副与机身相连。
图1中的标号6表示与机身18固定并回转，7表示回转。图1中为对称的前后腿机构分别连接于偏心轮5。
每一组前后相对应的前腿机构和后腿机构的主动四边形机构1的相同位置的一个节点安装于一个偏心轮5上。
两个偏心轮5分别安装在两个不同的驱动轴16上，两个偏心轮5均通过回转副安装于机身上，两个偏心轮5上均设有一个偏心轴17。
两个偏心轮5安装在同一个驱动轴16上，两个偏心轮5均通过回转副安装于机身上，两个偏心轮5上均设有一个偏心轴17，且两个偏心轴相位差为180°。
主动四边形机构1是由第一至第四连杆8、9、10、11首尾依次相连组成，且第一和第四连杆8、11相连节点连接于偏心轮5的偏心轴17上。
三角架2由第五连杆12、第六连杆13与主动四边形机构1的第二连杆9首尾依次相连组成；第二连杆9和第六连杆13铰接节点通过回转副安装于机身上。
随动四边形机构3由第七连杆14、足部关节、主动四边形机构1的第三连杆10、三角架2的第六连杆13首尾依次相连组成。
各连杆连接节点均为铰接并能回转。
随动足部机构4底部，以及与随动足部机构4相连的随动四边形机构3的第七连杆14、主动四边形机构1的第三连杆10底部均设有减震机构15。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种欠驱动混联行走机构，其特征是，包括对称安装于机身下方的四条混联行走腿机构，每条所述腿机构均由一个主动四边形机构、一个随动四边形机构、一个三角架及随动足部机构构成，其中，随动四边形机构和三角架均位于主动四边形机构一侧，三角架位于随动四边形机构上部，随动足部机构位于随动四边形机构的下部，且所有相邻机构之间均有共用组成部件；两组相对应的前腿机构和后腿机构分别安装于两个不同偏心轮上，三角架的一个节点通过回转副与机身相连；每一组前后相对应的前腿机构和后腿机构的主动四边形机构的相同位置的一个节点安装于一个偏心轮上；
通过偏心轮与主动四边形驱动前后腿机构，进而实现四足直线步态运动，通过1个转动驱动以及混联机构实现多自由度两足行走步态，偏心轮每转动360°，则完成一次步态循环；对称两侧的前后腿足行走机构完全相同，通过两侧偏心轮位置差动，可实现四足步态变换。
2.如权利要求1所述的机构，其特征是，所述两个偏心轮分别安装在两个不同的驱动轴上，两个偏心轮均通过回转副安装于机身上，两个偏心轮上均设有一个偏心轴。
3.如权利要求1所述的机构，其特征是，所述两个偏心轮安装在同一个驱动轴上，两个偏心轮均通过回转副安装于机身上，两个偏心轮上均设有一个偏心轴，且两个偏心轴相位差为180°。
4.如权利要求1所述的机构，其特征是，所述主动四边形机构是由第一至第四连杆首尾依次相连组成，且第一和第四连杆相连节点连接于偏心轮的偏心轴上。
5.如权利要求4所述的机构，其特征是，所述三角架由第五连杆、第六连杆与主动四边形机构的第二连杆首尾依次相连组成；第二连杆和第六连杆铰接节点通过回转副安装于机身上。
6.如权利要求5所述的机构，其特征是，所述随动四边形机构由第七连杆、足部关节、主动四边形机构的第三连杆、三角架的第六连杆首尾依次相连组成。
7.如权利要求6所述的机构，其特征是，所述随动足部机构底部，以及与随动足部机构相连的随动四边形机构的第七连杆、主动四边形机构的第三连杆底部均设有减震机构。
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