CN103465255B - 一种液压驱动并联移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液压驱动并联移动机器人，所述的并联移动机器人包括球铰三角形平台（A），转铰三角形平台（B），驱动臂（C、D、E），长轴（1、2、3）。三根驱动臂分别以球副和转动副与球铰、转铰三角形平台连接，且各驱动臂是由液压缸驱动的反平行四边形机构。机器人通过调节驱动臂上三个运动彼此独立的液压缸的伸缩变化而实现自身变形和移动。采用反平行四边形机构作为放大机构，使得整个机构的工作空间和变形量大大增加；利用液压系统自身优点，具备重载能力；本发明采用三支链的并联机构且自由度为3，稳定性好、刚性高、承载能力强，具有较强的灵活性和变形能力，能够适应多种复杂的环境。

Description

一种液压驱动并联移动机器人

技术领域

本发明涉及一种特种机器人领域，特别是涉及一种液压驱动并联移动机器人。

技术背景

中国专利申请CN3112512A公开了一种滚动变形机构。该机构是一种具有三条支链的并联机构，每条支链上安装有一个驱动电机，且驱动电机安装在支链的中部以保证机构的对称性，滚动变形机构具有较强的灵活性和变形能力，通过控制三个电机有序的正反转可以实现滚动变形机构向前移动和实现转向运动。由于机构电机的驱动力有限，不利于重载和承受大的冲击，同时，支链两端为两半球块，机构无法如常规并联平台分离出静平台和动平台。

发明内容

为了克服重载、承受大冲击、驱动力大以及完成撞击清障动作等难题，本发明提供一种液压驱动并联移动机器人。该发明采用液压驱动能提供大功率输出，同时反平行四边形机构作为放大机构大大的放大了液压缸小的伸缩行程，利用并联平台自身的变形，并联移动机器人可以实现多个方向的移动。并联移动机器人通过在其三角形平台上安装清障装置，利用自身变形实现撞击动作破坏障碍，实现越障。

一种液压驱动并联移动机器人，包括球铰三角形平台、转铰三角形平台、第一驱动臂、第二驱动臂、第三驱动臂、第一长轴、第二长轴和第三长轴；

所述的球铰三角形平台包括第一三角架、第一球槽、第二球槽和第三球槽；

第一球槽、第二球槽和第三球槽上的U型槽口分别卡入第一三角架的舌形凸台，并分别通过螺栓固定连接；

所述的转铰三角形平台包括第二三角架、第一U型转铰、第二U型转铰和第三U型转铰；

第一U型转铰、第二U型转铰和第三U型转铰上的开有通孔与沉孔的U型槽口分别卡入第二三角架的舌形凸台，并分别通过螺栓固定连接；

所述的第一驱动臂包括转铰臂、迷你液压缸、轴端关节轴承、第一侧支撑杆、第二侧支撑杆、三叉杆、球铰臂、配重块、球头、驱动臂第一长轴、驱动臂第二长轴、第一短轴、第二短轴、第三短轴、第四短轴、第五短轴、第六短轴和中长轴；

所述的转铰臂的末端通孔与三叉杆的末端通孔分别由第三短轴和第四短轴进行转动连接；

所述的转铰臂的中间通孔与第一侧支撑杆的末端通孔和第二侧支撑杆的末端通孔分别由第一短轴和第二短轴进行转动连接；

所述的转铰臂的液压缸配合通孔与迷你液压缸的液压缸末端通孔由驱动臂第一长轴进行转动连接；

迷你液压缸与轴端关节轴承通过螺纹固定连接，同时轴端关节轴承的鱼眼孔与三叉杆的中间通孔由中长轴进行转动连接；

第一侧支撑杆的首端通孔和第二侧支撑杆的首端通孔与球铰臂的末端通孔由第六短轴和第五短轴进行转动连接；

三叉杆的末端通孔与球铰臂的中间通孔由驱动臂第二长轴进行转动连接；

球铰臂与配重块用螺栓进行固定连接，球铰臂上的球头固定孔与球头上长方体侧端通孔安装螺栓进行固定连接。

所述的第一驱动臂、第二驱动臂和第三驱动臂的结构、尺寸和装配关系完全相同；

球铰三角形平台的第一球槽与第一驱动臂的球头连接构成球副，同理，第二驱动臂和第三驱动臂的球头和分别与第二球槽和第三球槽构成球副；

转铰三角形平台的第一U型转铰与第一驱动臂的转铰臂的首端通孔由第一长轴进行转动连接，同理，第二驱动臂和第三驱动臂分别由第二长轴和第三长轴与第二U型转铰和第三U型转铰连接构成转动副；

本发明的有益效果是：并联移动机器人驱动臂采用反平行四边形机构作为放大机构，将液压缸小的伸缩变化量放大成与平台连接的驱动臂两端的球铰与转铰之间大的距离变化量，使得整个机构的工作空间大大增加，其对应的变形量也更加大。本发明以液压系统作为驱动单元，利用液压系统输出功率大、负载特性好和工作稳定的优点，使并联移动机器人具有承担重载的能力，面对一般机器人碰到障碍先回避的固定思维，并联移动机器人可通过在三角形平台可安装清障装置，利用自身的变形和液压缸较大的输出力完成撞击清障的动作，且并联移动机器人的三角形平台可安装其他探测装置，使具备更多功能。本发明采用三支链的并联机构，该并联移动机器人运行平稳、控制简单，稳定性、刚性、承载能力强，且机构的自由度为3，具有较强的灵活性和变形能力，能够适应多种复杂的环境。

附图说明

图1  整体机构图

图2  球铰三角形平台装配示意图

图3  转铰三角形平台装配示意图

图4  第一驱动臂结构示意图

图5  转铰臂结构示意图

图6  迷你液压缸和轴端关节轴承装配示意图

图7  第一侧支撑杆结构示意图

图8  三叉杆结构示意图

图9  球铰臂、配重块和球头装配示意图

图10 球铰三角形平台着地翻滚步态示意图

图11 转铰三角形平台着地翻滚步态示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

一种液压驱动并联移动机器人，如图1所示，液压驱动并联移动机器人包括球铰三角形平台A、转铰三角形平台B、第一驱动臂C、第二驱动臂D、第三驱动臂E、第一长轴1、第二长轴2和第三长轴3；

如图2所示，所述的球铰三角形平台A包括第一三角架A1、第一球槽A2、第二球槽A3和第三球槽A4；

所述的第一三角架A1的三个顶端均开有舌形凸台且凸台上开有通孔，所述的第一球槽A2、第二球槽A3和第三球槽A4结构尺寸完全相同，包含球槽部分和U型槽部分，其中，U型槽的侧面开有通孔，且其中一侧通孔处开有沉孔；

第一球槽A2、第二球槽A3和第三球槽A4上的U型槽口分别卡入第一三角架A1的舌形凸台，同时保证开有沉孔的一端面朝向一致，并通过螺栓连接将各球槽与第一三角架A1进行固定；

如图3所示，所述的转铰三角形平台B包括第二三角架B1、第一U型转铰B2、第二U型转铰B3和第三U型转铰B4；

所述的第二三角架B1与第一三角架A1的结构尺寸完全相同，所述的第一U型转铰B2、第二U型转铰B3和第三U型转铰B4结构尺寸完全相同，包括两开口方向相互垂直的两个U型槽口，其中带圆弧端的U型槽口侧端面开有通孔用于转动连接，侧端面开有通孔且仅一侧开有沉孔的另一U型端口用以固定连接；

第一U型转铰B2、第二U型转铰B3和第三U型转铰B4上的开有通孔与沉孔的U型槽口分别卡入第二三角架B1的舌形凸台，同时保证开有沉孔的一端面朝向一致，并通过螺栓连接将各U型转铰与第二三角架B1进行固定；

如图4所示，所述的第一驱动臂C包括转铰臂C1、迷你液压缸C3、轴端关节轴承C7、第一侧支撑杆C5、第二侧支撑杆C12、三叉杆C11、球铰臂C17、配重块C15、球头C16、第一长轴C2、第二长轴C18、第一短轴C4、第二短轴C6、第三短轴C8、第四短轴C9、第五短轴C13、第六短轴C14和中长轴C10；

所述的第二驱动臂D和第三驱动臂E与第一驱动臂C的结构、尺寸和装配关系完全相同；

如图5所示，所述的转铰臂C1上包括末端通孔C1a、中间通孔C1b、U型槽C1c、液压缸配合通孔C1d和首端通孔C1e；

如图6所示，所述的迷你液压缸C3包括液压缸末端通孔C3a，所述的轴端关节轴承C7包括鱼眼孔C7a；

如图7所示，所述的第一侧支撑杆C5包括首端通孔C5a、U型槽面C5b和末端通孔C5c；

所述的第二侧支撑杆C12的结构尺寸与第一侧支撑C5杆完全相同；

如图8所示，所述的三叉杆C11包括首端通孔C11a、中间通孔C11b和末端通孔C11c；

如图9所示，所述的配重块C15包括配重块上表面C15a，所述的球铰臂C17包括末端通孔C17a、上侧表面C17b、中间通孔C17c、配重块固定孔C17d、球头固定孔C17e和U型槽C17f；

如图4、5、8所示，所述的转铰臂C1的末端通孔C1a与三叉杆C11的末端通孔C11c分别由第三短轴C8和第四短轴C9进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证三叉杆C11卡于转铰臂C1两侧壁内；

如图4、5、7所示，所述的转铰臂C1的中间通孔C1b与第一侧支撑杆C5的末端通孔C5c和第二侧支撑杆C12的末端通孔分别由第一短轴C4和第二短轴C6进行转动连接，且转铰臂C1的外侧表面与第一侧支撑杆C5带U型槽面C5b的一侧表面贴合，并安装卡簧进行轴向定位，转铰臂C1的另一侧中间通孔C1b与第二侧支撑杆C12的配合方式与第一侧支撑杆C5相同；

如图4、5、6所示，所述的转铰臂C1的液压缸配合通孔C1d与迷你液压缸C3的液压缸末端通孔C3a由第一长轴C2进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，且液压缸末端的凸台与转铰臂C1的U型槽C1c配合，同时保证液压缸的两径向油孔背对转铰臂C1；

如图4、6、8所示，迷你液压缸C3的活塞杆输出端设有螺纹，与轴端关节轴承C7的螺纹孔连接进行固定，同时轴端关节轴承C7的鱼眼孔C7a与三叉杆C11的中间通孔C11b由中长轴C10进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证轴端关节轴承C7的圆弧端卡于三叉杆C11的U型槽内；

如图4、7、9所示，第一侧支撑杆C5的首端通孔C5a和第二侧支撑杆C12的首端通孔与球铰臂C17的末端通孔C17a由第六短轴C14和第五短轴C13进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证球铰臂C17的两外壁卡于第一侧支撑杆C5和第二侧支撑杆C12之间；

如图4、8、9所示，三叉杆C11的末端通孔C11c与球铰臂C17的中间通孔C17c由第二长轴C18进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证三叉杆C11的末端杆端卡于球铰臂C17的U型槽C17f内；

如图4、9所示，球铰臂C17上的配重块固定孔C17d与配重块C15上的通孔安装螺栓进行固定连接，同时配重块上表面C15a与球铰臂C17的上侧表面C17b平行，球铰臂C17上的球头固定孔C17e与球头C16上长方体侧端通孔安装螺栓进行固定连接，同时球头的球面端向外；

如图1、2、4所示，球铰三角形平台A的第一球槽A2与第一驱动臂C的球头C16连接构成球副，同理，第二驱动臂D和第三驱动臂E的球头D16和E16分别与第二球槽A3和第三球槽A4构成球副；

如图1、3、4、5所示，转铰三角形平台B的第一U型转铰B2上的圆弧端通孔与第一驱动臂C的转铰臂C1的首端通孔由第一长轴1进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时转铰臂C1的首端卡于第一U型转铰A2带圆弧端的U型槽口内，同理，第二驱动臂D和第三驱动臂E分别由第二长轴2和第三长轴3与第二U型转铰B3和第三U型转铰B4连接构成转动副；

球铰三角形平台A的球槽上有沉孔的一面与转铰三角形平台B的U型转铰上有沉孔的一面分别朝向外侧。

具体使用方法：

液压驱动并联移动机器人是由三个液压缸驱动的并联移动机器人，三个液压缸间的运动彼此独立，并联移动机器人是通过调节驱动臂上三个液压缸的伸缩变化而实现移动的。如图10和图11所示，为并联移动机器人的两种姿态下的翻滚运动，具体的翻滚过程描述如下：

如图10所示为并联移动机器人的球铰三角形平台支撑地面时并联移动机器人的一个翻滚步态周期，并联移动机器人的运动步骤为(a)-(b)-(c)-(d)-(e)-(f)-(g),步骤(a)：并联移动机器人处在运动的初始状态，此时三个液压缸均处于最短行程状态，球铰三角形平台以三个球铰臂接触地面；步骤(b)：三个驱动臂上的液压缸同时伸长，且第一驱动臂的行程大于第二和第三驱动臂，第二和第三驱动臂的行程相同，此时并联移动机器人球铰三角形平台和第二、第三驱动臂支撑地面；步骤(c)：并联移动机器人的第一驱动臂上的液压缸缩回，且第二和第三驱动臂保持不变，此时并联移动机器人由第二、第三驱动臂上的球铰臂和球铰三角形平台上连接第二、第三球槽的一边支撑地面；步骤(d)：并联移动机器人的第一驱动臂保持不变，第二和第三驱动臂上的液压缸加速伸长，使得并联移动机器人的质心超出支撑区域，此时并联移动机器人处于不稳定状态；步骤(e)：并联移动机器人在惯性力的作用下实现倾倒，此时第二、第三驱动臂上的转铰臂和转铰三角形平台上连接第二、第三U型转铰的一边支撑地面；步骤(f)：并联移动机器人的第二、第三驱动臂上的液压缸同时快速缩回，且第一驱动臂保持不变，此时并联移动机器人处于翻滚的临界状态；步骤(g)：并联移动机器人的三个驱动臂上的液压缸同时伸长至相同行程，此时并联移动机器人完成一个翻滚周期，由转铰三角形平台支撑地面，同时并联移动机器人处于另一翻滚周期的初始状态。

如图11所示为并联移动机器人的转铰三角形平台支撑地面时并联移动机器人的一个翻滚步态周期，并联移动机器人的运动步骤为(a)-(b)-(c)-(d)-(e)-(f)-(g)-(h)，步骤(a)：并联移动机器人处在运动的初始状态，此时三个液压缸均处于最短行程状态，转铰三角形平台及三个转铰臂接触地面；步骤(b)：第一驱动臂上的液压缸伸长，同时第二、第三驱动臂保持不变，此时并联移动机器人质心超出支撑区域，并联移动机器人处于不稳定状态；步骤(c)：并联移动机器人在惯性力的作用下实现倾倒，此时第二、第三驱动臂上的转铰臂和转铰三角形平台上连接第二、第三U型转铰的一边支撑地面；步骤(d)：并联移动机器人的第二、第三驱动臂上的液压缸快速伸长至与第一驱动臂上的液压缸行程相同，且第一驱动臂保持不变，此时并联移动机器人的质心超出支撑区域，并联移动机器人处于不稳定状态；步骤(e)：并联移动机器人在惯性力的作用下实现倾倒，此时第二、第三驱动臂上的球铰臂和球铰三角形平台连接第二、第三球槽的一边支撑地面；步骤(f)：并联移动机器人的第一驱动臂上的液压缸缩回，且第二、第三驱动臂保持不变，此时并联移动机器人处于翻倒的准备状态；步骤(g)：并联移动机器人的第二、第三驱动臂上的液压缸快速缩回至与第一驱动臂上的液压缸行程相同，此时并联移动机器人的质心超出支撑区域，并联移动机器人处于翻倒的临界状态；步骤(h)：并联移动机器人在惯性力的作用下实现翻倒，此时并联移动机器人完成一个翻滚周期，由球铰三角形平台支撑地面，同时并联移动机器人处于另一翻滚周期的初始状态。

Claims (2)

1.一种液压驱动并联移动机器人，其特征在于：

一种液压驱动并联移动机器人，包括球铰三角形平台(A)、转铰三角形平台(B)、第一驱动臂(C)、第二驱动臂(D)、第三驱动臂(E)、第一长轴(1)、第二长轴(2)和第三长轴(3)；

所述的球铰三角形平台(A)包括第一三角架(A1)、第一球槽(A2)、第二球槽(A3)和第三球槽(A4)；

所述的第一三角架(A1)的三个顶端均开有舌形凸台且凸台上开有通孔，所述的第一球槽(A2)、第二球槽(A3)和第三球槽(A4)结构尺寸完全相同，包含球槽部分和U型槽部分，其中，U型槽的侧面开有通孔，且其中一侧通孔处开有沉孔；

第一球槽(A2)、第二球槽(A3)和第三球槽(A4)上的U型槽口分别卡入第一三角架(A1)的舌形凸台，同时保证开有沉孔的一端面朝向一致，并通过螺栓连接将各球槽与第一三角架(A1)进行固定；

所述的转铰三角形平台(B)包括第二三角架(B1)、第一U型转铰(B2)、第二U型转铰(B3)和第三U型转铰(B4)；

所述的第二三角架(B1)与第一三角架(A1)的结构尺寸完全相同，所述的第一U型转铰(B2)、第二U型转铰(B3)和第三U型转铰(B4)结构尺寸完全相同，包括两开口方向相互垂直的两个U型槽口，其中带圆弧端的U型槽口侧端面开有通孔用于转动连接，侧端面开有通孔且仅一侧开有沉孔的另一U型端口用以固定连接；

第一U型转铰(B2)、第二U型转铰(B3)和第三U型转铰(B4)上的开有通孔与沉孔的U型槽口分别卡入第二三角架(B1)的舌形凸台，同时保证开有沉孔的一端面朝向一致，并通过螺栓连接将各U型转铰与第二三角架(B1)进行固定；

所述的第一驱动臂(C)、第二驱动臂(D)和第三驱动臂(E)的结构、尺寸和装配关系完全相同；

球铰三角形平台(A)的第一球槽(A2)与第一驱动臂(C)的球头(C16)连接构成球副，同理，第二驱动臂(D)和第三驱动臂(E)的球头(D16)和(E16)分别与第二球槽(A3)和第三球槽(A4)构成球副；

转铰三角形平台(B)的第一U型转铰(B2)上的圆弧端通孔与第一驱动臂(C)的转铰臂(C1)的首端通孔由第一长轴(1)进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时转铰臂(C1)的首端卡于第一U型转铰(A2)带圆弧端的U型槽口内，同理，第二驱动臂(D)和第三驱动臂(E)分别由第二长轴(2)和第三长轴(3)与第二U型转铰(B3)和第三U型转铰(B4)连接构成转动副；

球铰三角形平台(A)的球槽上有沉孔的一面与转铰三角形平台(B)的U型转铰上有沉孔的一面分别朝向外侧。

2.根据权利要求1所述的一种液压驱动并联移动机器人，其特征在于：

所述的第一驱动臂(C)包括转铰臂(C1)、迷你液压缸(C3)、轴端关节轴承(C7)、第一侧支撑杆(C5)、第二侧支撑杆(C12)、三叉杆(C11)、球铰臂(C17)、配重块(C15)、球头(C16)、驱动臂第一长轴(C2)、驱动臂第二长轴(C18)、第一短轴(C4)、第二短轴(C6)、第三短轴(C8)、第四短轴(C9)、第五短轴(C13)、第六短轴(C14)和中长轴(C10)；

所述的转铰臂(C1)上包括末端通孔(C1a)、中间通孔(C1b)、U型槽(C1c)、液压缸配合通孔(C1d)和首端通孔(C1e)；

迷你液压缸(C3)包括液压缸末端通孔(C3a)，所述的轴端关节轴承(C7)包括鱼眼孔(C7a)；

所述的第一侧支撑杆(C5)包括首端通孔(C5a)、U型槽面(C5b)和末端通孔(C5c)；

所述的第二侧支撑杆(C12)的结构尺寸与第一侧支撑杆(C5)完全相同；

所述的三叉杆(C11)包括首端通孔(C11a)、中间通孔(C11b)和末端通孔(C11c)；

所述的配重块(C15)包括配重块上表面(C15a)，所述的球铰臂(C17)包括末端通孔(C17a)、上侧表面(C17b)、中间通孔(C17c)、配重块固定孔(C17d)、球头固定孔(C17e)和U型槽(C17f)；

所述的转铰臂(C1)的末端通孔(C1a)与三叉杆(C11)的末端通孔(C11c)分别由第三短轴(C8)和第四短轴(C9)进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证三叉杆(C11)卡于转铰臂(C1)两侧壁内；

所述的转铰臂(C1)的中间通孔(C1b)与第一侧支撑杆(C5)的末端通孔(C5c)和第二侧支撑杆(C12)的末端通孔分别由第一短轴(C4)和第二短轴(C6)进行转动连接，且转铰臂(C1)的外侧表面与第一侧支撑杆(C5)带U型槽面(C5b)的一侧表面贴合，并安装卡簧进行轴向定位，转铰臂(C1)的另一侧中间通孔(C1b)与第二侧支撑杆(C12)的配合方式与第一侧支撑杆(C5)相同；

所述的转铰臂(C1)的液压缸配合通孔(C1d)与迷你液压缸(C3)的液压缸末端通孔(C3a)由驱动臂第一长轴(C2)进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，且液压缸末端的凸台与转铰臂(C1)的U型槽(C1c)配合，同时保证液压缸的两径向油孔背对转铰臂(C1)；

迷你液压缸(C3)的活塞杆输出端设有螺纹，与轴端关节轴承(C7)的螺纹孔连接进行固定，同时轴端关节轴承(C7)的鱼眼孔(C7a)与三叉杆(C11)的中间通孔(C11b)由中长轴(C10)进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证轴端关节轴承(C7)的圆弧端卡于三叉杆(C11)的U型槽内；

第一侧支撑杆(C5)的首端通孔(C5a)和第二侧支撑杆(C12)的首端通孔与球铰臂(C17)的末端通孔(C17a)由第六短轴(C14)和第五短轴(C13)进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证球铰臂(C17)的两外壁卡于第一侧支撑杆(C5)和第二侧支撑杆(C12)之间；

三叉杆(C11)的末端通孔(C11c)与球铰臂(C17)的中间通孔(C17c)由驱动臂第二长轴(C18)进行转动连接，并安装卡簧进行轴向定位，同时保证三叉杆(C11)的末端杆端卡于球铰臂(C17)的U型槽(C17f)内；

球铰臂(C17)上的配重块固定孔(C17d)与配重块(C15)上的通孔安装螺栓进行固定连接，同时配重块上表面(C15a)与球铰臂(C17)的上侧表面(C17b)平行，球铰臂(C17)上的球头固定孔(C17e)与球头(C16)上长方体侧端通孔安装螺栓进行固定连接，同时球头的球面端向外。