CN104477270B - 一种单动力移动六杆机器人 - Google Patents
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Abstract
一种单动力移动六杆机器人，该机器人以空间六杆机构为基础，通过动力机驱动部件的翻转和摇摆动作来实现机构的整体平移和转向。单动力移动六杆机构为空间单闭链连杆机构，由机架杆(1)，电机(2)，驱动杆(3)，驱动轴(4)，第一辅助杆(5)，第一转动轴(6)，动力杆(7)，第二转动轴(8)，第二辅助杆(9)，传动轴(10)，传动杆(11)，机架转动轴(12)，第一支撑杆(13)、第二支撑杆(14)和轴承座(15)组成。通过控制电机的转动使动力杆在空间翻滚和摇摆，从而带动整体机器人的平移和转向，在教育、娱乐、军事等领域将得到很好的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种单动力移动六杆机器人，具体涉及一种以空间六杆机构为基础的，通过部件的翻滚和摇摆来带动整体移动的单动力移动六杆机器人。
背景技术
空间六杆机器人以Schatz机构为基础，是典型的单闭链空间六杆6R机构。根据Schatz机构的单自由度的特点，仅使用一个电机即可驱动整个机构运动。此外，由于该杆件在空间的运动方式的特点，在日常生活中的各个领域都有很广泛的应用潜力。例如，中铝公司郑州研究院的平东涛研制的XPD型三维运动混合机，通过将Schatz机构应用在物料混合机上，利用其杆件在空间运动的特点，极大地提高了物料的混合效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题：一般来说，Schatz机构多用于固定机械的场合，而不能应用于移动机构。
本发明的技术方案：单动力移动六杆机器人包括机架杆，电机，驱动杆，驱动轴，第一辅助杆，第一转动轴，动力杆，第二转动轴，第二辅助杆，传动轴，传动杆，机架转动轴，第一支撑杆、第二支撑杆和轴承座。
构成机构的零件结构：
所述的机架杆为截面为矩形的铝管；机架杆的正面1-d的一端设有用于安装电机输出轴的轴孔和用于螺栓连接的四个安装孔，机架杆的正面1-d上的另一端设有用于安装轴承座突出轴承的轴孔和用于螺栓连接的六个安装孔；机架杆的反面1-b的一端设有安装电机的安装槽，机架杆的反面1-b的另一端设有机架传动轴的安装槽。
所述的第一支撑杆为截面为正方形的杆件，一端设置有圆角，用于支撑机架杆，另一端端面为正方形用于将支撑杆安装在机架杆上。
第二支撑杆与第一支撑杆的结构和外形尺寸相同。
所述的驱动杆为套筒，一端设有用于安装驱动轴的通孔，驱动轴轴线与驱动杆的轴线垂直相交；传动杆与驱动杆的外形尺寸相同。
所述的驱动轴两端均设有用于安装卡簧的卡簧槽，传动轴与驱动轴的结构尺寸相同。
所述的第一辅助杆的一端设有第一通孔5-a，且设有安装驱动杆的U形槽，第一辅助杆的另一端设有第二通孔5-b和第三通孔5-c，第二通孔5-b和第三通孔5-c同轴，设在第一通孔5-a与第二通孔5-b和第三通孔5-c的轴线在空间交错垂直；第二辅助杆与第一辅助杆的结构尺寸相同。
所述的第一转动轴两端设有用于安装卡簧的卡簧槽。第二转动轴与第一转动轴的结构尺寸相同。
所述的动力杆的一端设有用于安装第一转动轴的第一通孔7-a，动力杆的另一端设有安装第二转动轴的第二通孔7-b，第一通孔7-a与第二通孔7-b轴线在空间交错垂直；动力(7)的中心设有与地面进行相互作用的菱形末端执行结构。
构成机构的零件连接方式：
电机输出轴安装在机架杆的一端用于安装电机输出轴的轴孔中，并通过四个安装孔用螺钉进行固定，驱动杆以过盈配合的方式安装在电机上；轴承座安装在机架杆另一端的轴孔中，并通过六个安装孔用螺钉固定，机架转动轴插入轴承座中，并安装卡簧进行轴向固定，传动杆以过盈配合的方式安装在机架转动轴上；第一支撑杆焊接在机架杆的第一面1-a上，外侧有圆角端着地，第二支撑杆焊接在机架杆的第二面1-c上，外侧有圆角端着地，第一支撑杆和第二支撑杆在机架杆的焊接位置上下对称布置。
将驱动杆放入第一辅助杆的U形槽，将驱动轴穿过第一辅助杆的第一通孔5-a和驱动杆一端的通孔，并通过卡簧进行轴向固定；第二辅助杆、传动轴和传动杆的安装方式与驱动杆、驱动轴和第一辅助杆的安装方式相同。
将第一转动轴按顺序插入第一辅助杆的第二通孔5-b、动力杆的第一通孔7-a和第一辅助杆的第三通孔5-c，并用卡簧进行轴向固定；动力杆、第二转动轴和第二辅助杆的安装方式与动力杆、第一转动轴和第一辅助杆的安装方式相同。
第一支撑杆和第二支撑与机架杆的连接方式选择粘结或螺纹连接；第一支撑杆和第二支撑杆与地面接触的一端设置为弧形面，与地面的接触面近似为一条直线。
用于制作机架杆的材料选择木头、有机玻璃、合成树脂、合成碳纤维、镁合金或钛合金等。
本发明的有益效果：本发明所述的单动力移动六杆机器人有单自由度，通过对于动力机的控制，驱动该机构进行移动。该机构结构简单，成本低廉，易于制造和工程实现。在民用领域，为中小学生提供了一个对几何形体及移动机构的认识，可用于制作玩具、教学教具，在军用领域，也可进一步设计改造为军用探测、排雷机器人。
附图说明
图1单动力移动六杆机器人装配原理图
图2机架杆结构图
图3第一支撑杆结构图
图4驱动杆结构图
图5驱动轴结构图
图6第一辅助杆结构图
图7第一转动轴结构图
图8动力杆结构图
图9机架杆、电机、驱动杆、轴承座、机架转动轴、传动杆、第一支撑杆和第二支撑杆连接示意图
图10驱动杆、驱动轴和第一辅助杆连接示意图
图11第一辅助杆、第一转动轴驱动杆件和动力杆连接示意图
图12移动六杆机器人翻滚动作示意图
图13移动六杆机器人摇摆动作示意图
图14移动六杆机器人转向方式一示意图
图15移动六杆机器人转向方式二示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，单动力移动六杆机器人为空间单闭链连杆机构，由机架杆(1)，电机(2)，驱动杆(3)，驱动轴(4)，第一辅助杆(5)，第一转动轴(6)，动力杆(7)，第二转动轴(8)，第二辅助杆(9)，传动轴(10)，传动杆(11)，机架转动轴(12)，第一支撑杆(13)、第二支撑杆(14)和轴承座(15)组成。
如图2所示，机架杆(1)为截面为矩形的铝管；机架杆(1)的正面(1-d)的一端设有用于安装电机(2)输出轴的轴孔和用于螺栓连接的四个安装孔，机架杆(1)的正面(1-d)上的另一端设有用于安装轴承座(15)突出轴承的轴孔和用于螺栓连接的六个安装孔；机架杆(1)的反面(1-b)的一端设有安装电机(2)的安装槽，机架杆(1)的反面(1-b)的另一端设有机架传动轴(12)的安装槽。
如图3所示，第一支撑杆(13)为截面为正方形的杆件，一端设置有圆角，用于支撑机架杆，另一端端面为正方形用于将支撑杆(13)安装在机架杆(1)上；第二支撑杆(14)与第一支撑杆(13)的结构和外形尺寸相同。
如图4所示，驱动杆(3)为套筒，一端设有用于安装驱动轴(4)的通孔，驱动轴(4)轴线与驱动杆(3)的轴线垂直相交；传动杆(11)与驱动杆(3)的外形尺寸相同。
如图5所示，驱动轴(4)两端均设有用于安装卡簧的卡簧槽；传动轴(10)与驱动轴(4)的结构尺寸相同。
如图6所示，第一辅助杆(5)的一端设有第一通孔(5-a)，且设有安装驱动杆(3)的U形槽，第一辅助杆(5)的另一端设有第二通孔(5-b)和第三通孔(5-c)，第二通孔(5-b)和第三通孔(5-c)同轴，设在第一通孔(5-a)与第二通孔(5-b)和第三通孔(5-c)的轴线在空间交错垂直；第二辅助杆(9)与第一辅助杆(5)的结构尺寸相同。
如图7所示，第一转动轴(6)两端设有用于安装卡簧的卡簧槽；第二转动轴(8)与第一转动轴(6)的结构尺寸相同。
如图8所示，动力杆(7)的一端设有用于安装第一转动轴(6)的第一通孔(7-a)，动力杆(7)的另一端设有安装第二转动轴(8)的第二通孔(7-b)，第一通孔(7-a)与第二通孔(7-b)轴线在空间交错垂直；动力杆(7)的中心设有与地面进行相互作用的菱形末端执行结构。
如图9所示，电机(2)输出轴安装在机架杆(1)的一端用于安装电机(2)输出轴的轴孔中，并通过四个安装孔用螺钉进行固定，驱动杆(3)以过盈配合的方式安装在电机(2)上；轴承座(15)安装在机架杆另一端的轴孔中，并通过六个安装孔用螺钉固定，机架转动轴(12)插入轴承座(15)中，并安装卡簧进行轴向固定，传动杆(11)以过盈配合的方式安装在机架转动轴(12)上；第一支撑杆(13)焊接在机架杆(1)的第一面(1-a)上，外侧有圆角端着地，第二支撑杆(14)焊接在机架杆(1)的第二面(1-c)上，外侧有圆角端着地，第一支撑杆(13)和第二支撑杆(14)在机架杆(1)的焊接位置上下对称布置。
如图10所示，将驱动杆(3)放入第一辅助杆的U形槽，将驱动轴(4)穿过第一辅助杆(5)的第一通孔(5-a)和驱动杆(3)一端的通孔，并通过卡簧进行轴向固定；第二辅助杆(9)、传动轴(10)和传动杆(11)的安装方式与驱动杆(3)、驱动轴(4)和第一辅助杆(5)的安装方式相同。
如图11所示，将第一转动轴(6)按顺序插入第一辅助杆(5)的第二通孔(5-b)、动力杆(7)的第一通孔(7-a)和第一辅助杆(5)的第三通孔(5-c)，并用卡簧进行轴向固定；动力杆(7)、第二转动轴(8)和第二辅助杆(9)的安装方式与动力杆(7)、第一转动轴(6)和第一辅助杆(5)的安装方式相同。
具体的使用方法：
单动力移动六杆机器人可以实现移动动作。其移动动作包括翻滚动作和摇摆动作。图12所描述的动作为翻滚动作。机器人首先处于初始状态，如图12(a)所示，电机正向驱动到达如图12(b)所示状态，动力杆一端和动力杆中部的菱形末端执行器的一端着地；电机继续正向驱动，使动力杆进一步翻滚，到达如图12(c)所示状态，此时动力杆的一端和动力杆中部的菱形末端执行器上的两点着地，完成翻滚步态。图13所描述的动作为翻滚动作。机器人首先处于初始状态，如图13(a)所示，电机正向驱动到达如图13(b)所示状态，动力杆中部的菱形末端执行器的两端着地；电机继续正向驱动，使动力杆进一步运动，到达如图13(c)所示状态，此时动力杆的另一端和动力杆中部的菱形末端执行器上的两点着地，完成摇摆步态。
单动力移动六杆机器人可以实现转向动作。其转向动作有两种：转向方式一和转向方式二。
图14所示为机器人进行转向步态一的运动示意图。机器人首先在电机正向驱动下到达如图14(a)所示状态，此时电机反向驱动，机架杆在电机的驱动下在空中翻滚，如图14(b)、图14(c)和图14(d)所示。在机架杆做完空中的翻滚动作后，到达图14(e)所示状态，至此完成了完整的转向步态一。
图15所示为机器人进行转向步态二的步态图。机器人首先在电机的正向驱动下到达图15(a)所示状态，此时电机反向驱动，机架杆在电机的驱动下，在空间翻滚，并与地面相接触，并将机器人支撑起来，但是由于机架杆与地面的摩擦力忽略不计，机架杆只能将机器人支撑起来并不能驱动机构移动，如图15(b)、图15(c)、图15(d)、图15(e)所示。电机持续反向驱动，机架杆在空中翻滚，如图15(f)、图15(g)、图15(h)所示，最终机器人到达如图15(i)所示状态，此时完成了完整的转向步态二。
Claims (3)
1.一种单动力移动六杆机器人，其特征在于：一种单动力移动六杆机器人为单闭链机构，由机架杆(1)，电机(2)，驱动杆(3)，驱动轴(4)，第一辅助杆(5)，第一转动轴(6)，动力杆(7)，第二转动轴(8)，第二辅助杆(9)，传动轴(10)，传动杆(11)，机架转动轴(12)，第一支撑杆(13)、第二支撑杆(14)和轴承座(15)组成；
所述的机架杆(1)为截面为矩形的铝管；机架杆(1)的正面(1-d)的一端设有用于安装电机(2)输出轴的轴孔和用于螺栓连接的四个安装孔，机架杆(1)的正面(1-d)上的另一端设有用于安装轴承座(15)突出轴承的轴孔和用于螺栓连接的六个安装孔；机架杆(1)的反面(1-b)的一端设有安装电机(2)的安装槽，机架杆(1)的反面(1-b)的另一端设有机架转动轴(12)的安装槽；
所述的第一支撑杆(13)为截面为正方形的杆件，一端设置有圆角，用于支撑机架杆，另一端端面为正方形用于将支撑杆(13)安装在机架杆(1)上；第二支撑杆(14)与第一支撑杆(13)的结构和外形尺寸相同；
所述的驱动杆(3)为套筒，一端设有用于安装驱动轴(4)的通孔，驱动轴(4)轴线与驱动杆(3)的轴线垂直相交；传动杆(11)与驱动杆(3)的外形尺寸相同；
所述的驱动轴(4)两端均设有用于安装卡簧的卡簧槽；传动轴(10)与驱动轴(4)的结构尺寸相同；
所述的第一辅助杆(5)的一端设有第一通孔(5-a)，且设有安装驱动杆(3)的U形槽，第一辅助杆(5)的另一端设有第二通孔(5-b)和第三通孔(5-c)，第二通孔(5-b)和第三通孔(5-c)同轴，设在第一通孔(5-a)与第二通孔(5-b)和第三通孔(5-c)的轴线在空间交错垂直；第二辅助杆(9)与第一辅助杆(5)的结构尺寸相同；
所述的第一转动轴(6)两端设有用于安装卡簧的卡簧槽；第二转动轴(8)与第一转动轴(6)的结构尺寸相同；
所述的动力杆(7)的一端设有用于安装第一转动轴(6)的第一通孔(7-a)，动力杆(7)的另一端设有安装第二转动轴(8)的第二通孔(7-b)，第一通孔(7-a)与第二通孔(7-b)轴线在空间交错垂直；动力杆(7)的中心设有与地面进行相互作用的菱形末端执行结构；
电机(2)输出轴安装在机架杆(1)的一端用于安装电机(2)输出轴的轴孔中，并通过四个安装孔用螺钉进行固定，驱动杆(3)以过盈配合的方式安装在电机(2)上；轴承座(15)安装在机架杆另一端的轴孔中，并通过六个安装孔用螺钉固定，机架转动轴(12)插入轴承座(15)中，并安装卡簧进行轴向固定，传动杆(11)以过盈配合的方式安装在机架转动轴(12)上；第一支撑杆(13)焊接在机架杆(1)的第一面(1-a)上，外侧有圆角端着地，第二支撑杆(14)焊接在机架杆(1)的第二面(1-c)上，外侧有圆角端着地，第一支撑杆(13)和第二支撑杆(14)在机架杆(1)的焊接位置上下对称布置；
将驱动杆(3)放入第一辅助杆的U形槽，将驱动轴(4)穿过第一辅助杆(5)的第一通孔(5-a)和 驱动杆(3)一端的通孔，并通过卡簧进行轴向固定；第二辅助杆(9)、传动轴(10)和传动杆(11)的安装方式与驱动杆(3)、驱动轴(4)和第一辅助杆(5)的安装方式相同；
将第一转动轴(6)按顺序插入第一辅助杆(5)的第二通孔(5-b)、动力杆(7)的第一通孔(7-a)和第一辅助杆(5)的第三通孔(5-c)，并用卡簧进行轴向固定；动力杆(7)、第二转动轴(8)和第二辅助杆(9)的安装方式与动力杆(7)、第一转动轴(6)和第一辅助杆(5)的安装方式相同。
2.如权利要求1所述的单动力移动六杆机器人，其特征在于：第一支撑杆(13)和第二支撑杆(14)与机架杆(1)的连接方式选择粘结或螺纹连接；第一支撑杆(13)和第二支撑杆(14)与地面接触的一端设置为弧形面，与地面的接触面近似为一条直线。
3.如权利要求1所述的单动力移动六杆机器人，其特征在于：用于制作机架杆(1)的材料选择木头、有机玻璃、合成树脂、合成碳纤维、镁合金或钛合金。
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