CN103318290A - 类双a字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种四足机器人的胯部侧偏减震系统。该系统位于连接机器人大腿和躯干的胯部，可同时实现减震和支持机器人腿部侧偏运动的功能。本发明从生物运动功能仿生原理出发，模仿四足动物肩部和胯部的结构特点和运动功能实现多足机器人的腿部侧偏运动，同时保证机器人具有足够的缓冲吸振能力。为了圆满实现上述目标，我们设计了类双A字臂悬挂式多足机器人胯部侧偏减震系统。该系统依托四连杆机构骨架，拉伸弹簧和侧偏驱动装置等部件，可以完成多足机器人胯部的侧偏运动和减震功能。四连杆机构骨架具有很好的稳定性，配合丝杆传动可以完成侧偏运动，提高了多足机器人全系统的稳定性，取得较好的仿生效果，也极大提高了机器人的灵活性。

Description

类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统
技术领域
本发明属于仿生四足机器人技术领域，尤其涉及跑跳四足机器人的胯部减震。
背景技术
足式机器人，尤其多足机器人，其研制目的在于实现机器人腿部多自由度灵活运动。然而为了保证控制的稳定性，大多数足式机器人没有为腿部设置侧偏运动关节。这样就大大降低了机器人抵御侧向干扰的能力。目前，美国的Bigdog使用了液压驱动的侧偏关节，但是液压系统难以应用于小型机器人。此外，仅仅实现侧偏还是不够的，对于受到地面一定频率冲击的机器人，腿与躯干连接的肩部或者胯部需要一套缓冲减震系统。因此，对于电控多足机器人来说，急需一种既能保证稳定性，又能实现侧偏，同时还能实现类似于动物肩部和胯部缓冲减震功能的系统。
发明内容
从功能仿生原理出发，模仿四足动物肩部和胯部的结构特点和运动功能实现多足机器人的腿部侧偏运动，同时保证具有足够的缓冲吸振能力。为了圆满实现上述目标，我们设计了类双A字臂悬挂式多足机器人胯部侧偏减震系统。该系统依托四连杆机构骨架，拉伸弹簧和侧偏驱动装置等部件，可以完成多足机器人胯部的侧偏运动和减震功能。四连杆机构骨架具有很好的稳定性，丝杆传动可以将电机的圆周转动转换为直线运动，从而完成侧偏运动，提高了多足机器人全系统的稳定性，取得较好的仿生效果，也极大提高了机器人的灵活性。
本发明的技术实现方案：
类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统是由四连杆机构、丝杆滑台驱动单元、大腿驱动单元、拉伸弹簧减震机构集成为一体的3自由度系统。
其中，四连杆机构的机架由躯干和滑块确定，为了保证系统在完成侧偏运动的同时也能够减震，四连杆的机架可以随丝杆滑台中滑块的位置变动而变动，上侧连架杆、下侧连架杆、与连杆的长度均不变，下侧连架杆随滑块推动大腿侧偏运动。为保证稳定性，抵御腿部传递的扭矩，上侧连架杆形状为A字臂，利用了三角形稳定性；兼顾稳定性和左右腿相向运动不干涉，下侧连架杆保留A字臂的单边。连杆设计为对合式结构，保证双轴输出驱动单元的安装，连杆与驱动单元的输出轴固连，驱动单元机身则与大腿固连，这样就将大腿和四连杆机构稳定的集成在一起。
上侧连架杆A字臂横梁同时作为拉伸弹簧的上侧固定端，拉伸弹簧的下侧固定端位于一个与躯干固连的弹簧钢片的内嵌轴上。这样，在收到地面冲击时，四连杆机构中上侧和下侧连架杆向上转动，拉伸弹簧被拉伸，起到吸振功能。每一个转动副均设有机械限位部分，防止冲击过大影响驱动单元的稳定性。这就将四连杆机构和拉伸弹簧减震机构集成在一起。
下侧连架杆的一端与滑块铰接，滑块固定在丝杆的螺母上，丝杆有减速电机驱动，这样就将侧偏驱动单元与四连杆机构集成在一起。由于左右两侧的腿呈对称分布，为了不让丝杆滑块和下侧连架杆在运动过程中干涉，分别驱动左右两侧腿的丝杆滑台机构并排布局，且省略了下侧连架杆A字臂的一侧臂。
该系统的优点：四连杆机构具有很好的稳定性，双A字臂式的上下侧连杆保证了机构的抗扭强度；大腿驱动单元为双轴输出，保证大腿与连杆连接处受力合理；丝杆滑台水平布局，可以为侧偏运动提供高效率动力源；多机构多单元融合为一体，集成度高，系统精简，稳定可靠。
附图说明
图1所示为本发明一个实施例中四连杆机构轴测图。
图2所示为本发明一个实施例中丝杆滑台驱动单元轴测图。
图3所示为本发明一个实施例中大腿驱动单元轴测图。
图4所示为本发明一个实施例中拉伸弹簧减震机构轴测图。
图5所示为本发明一个实施例中整体结构轴测图。
图6所示为本发明一个实施例中整体结构正视图。
具体实施方式
如图1-6所示，类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统由图1四连杆机构、图2丝杆滑台驱动单元、图3大腿驱动单元、图4拉伸弹簧减震机构集成为一体的系统。
如图1，为四连杆机构：1上侧连架杆，2下侧连架杆，对合式3连杆，6躯干，9滑块。四连杆的机架为6躯干和9滑块确定的连线，可以随9滑块的位置变动而变动，2下侧连架杆随滑块推动大腿侧偏运动。
如图2，为丝杆滑台驱动单元：2下侧连架杆，9滑块，10螺母，11丝杆，12减速电机，13支撑架，14联轴器，通过计算侧偏运动规律可以得到滑块运动函数，以此作为丝杆设计和电机选型的参考数据。左右腿各具有一套该机构，两套机构并排水平放置。
如图3，为大腿驱动单元：3连杆，4大腿，7驱动单元,16连接轴。3连杆设计为对合式结构，7驱动单元选择双轴输出舵机，3连杆与7驱动单元的输出轴固连并且承接了四连杆机构，4大腿与7驱动单元的机身固连。
如图4，为拉伸弹簧减震机构：1上侧连架杆，5拉伸弹簧，6躯干，8弹簧钢片，15支撑轴。1上侧连架杆A字臂横梁同时作为5拉伸弹簧的上侧固定端，5拉伸弹簧的下侧固定端位于一个与6躯干固连的弹簧钢片的内嵌轴上。
如图5-6，根据图1-4，将图1四连杆机构、图2丝杆滑台驱动单元、图3大腿驱动单元、图4拉伸弹簧减震机构集成为一体的系统。

Claims (5)

1.一种类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统，其特征在于，机构由可变机架四连杆系统构成，躯干外伸于两根连杆之间并与上侧连架杆间用拉伸弹簧连接；连杆与腿部固连，并承载大腿胯部驱动单元；下连架杆与可控侧偏机构连接。
2.根据权利要求1所述的类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统，其特征在于，上连架杆为A字型，长度短于下连架杆，A字横梁为拉簧上支撑端。有效保证抗弯刚度，提高抗扭转能力。
3.根据权利要求1所述的类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统，其特征在于，3连杆与4大腿固连并承载7驱动单元，可免去传动装置。
4.根据权利要求1所述的类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统，其特征在于，2下连架杆长于1上连架杆，为保证精简机构和避免左右腿相向运动发生干涉，形状为单侧边A字臂，保证系统稳定性和集成度。
5.根据权利要求1,2,4所述的类双A字臂悬挂式机器人胯部侧偏减震系统，其特征在于，连杆减震系统在变形时都会引起内缩现象，体现于脚部较大的左右位移趋势，在大冲击作用下脚部由于大正压力作用下，摩擦力较大，不能左右位移，意味着要对腿部结构产生扭转，进而降低膝关节寿命。该机构保证了再任意一个侧偏角度和任意腿部有效长度时均能够减震，并且由于减震引发的体现于脚部沿左右方向的位移最小。
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