CN104608837B - 轮腿混合式四足机器人 - Google Patents
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Abstract
一种轮腿混合式四足机器人，其特征在于：包括内、外车架、缓冲组件、两对大腿并联组件和4个结构完全相同的轮式腿，内车架设在外车架内，内、外车架之间由缓冲组件相连，设在外车架下面的两前腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两前轮式腿也左右对称，设在内车架下面的两后腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两后轮式腿也左右对称，其中的每条腿均为(2‑UPS+U)R串并混联结构。本发明负载大，刚度好，耦合性小，可充分发挥出了腿机构的越障优势；减小了控制的复杂性和机械机构的复杂性，又使得安装简单方便，便于维修；通过各个传感器得到大腿和小腿的位置和受力信息，从而能够实现对未知环境的自适应控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，特别是用于救援的机器人。
背景技术
当今世界自然灾害、恐怖活动和核污染频发，这些场合不宜人现场作业，急需机器人能够代替人类在各种灾难中担负起救援的任务。面对复杂多变的恶劣环境，对机器人的越野能力就提出较高要求。目前由于轮腿混合式机器人优异的越野能力，已经成为各个研究机构研究的热点和趋势。
然而该类机器人的腿式机构大多采用串联或特殊悬挂结构，负载小，速度普遍较慢，对未知环境适应能力差，不能充分发挥出轮和腿的优势，距离应用实践距离较远。因此，尽快开发出一种能够满足救援需要的轮腿混合式机器人是十分必要和迫切的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负载大、速度快，对未知环境适应能力强，能充分发挥出轮和腿优势满足救援需要的轮腿混合式四足机器人。本发明主要是采用三自由度串并联腿式和轮式混合的四足机器人，它具有独特的前后缓冲装置为其在高速运动时提高能量利用率，将适合腿部运动自由度的串并联结构运用到四个腿部，并且结构和参数完全相同的设计大大简化了理论计算和控制的难度。串并联式的腿机构既具有并联结构的高负载特性，又具有串联机构的低耦合性。车轮在膝关节处的安装方式充分保留了腿式机构的优势又具有了轮式的功能。该机器人是将轮式和腿式机构的各自优势最大程度的保留而不互相影响的混合式救援机器人。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
所述轮腿混合式四足机器人，主要包括：内、外车架、缓冲组件、两对大腿并联组件和4个结构完全相同的轮式腿。外车架有后端敞开的门字形框架，其平行的两根横杆上面前后分别设有与其垂直相连的两根纵杆，并且横杆与纵杆主体之间有一定间隙。位于外车架内的内车架有一个与外车架在同一平面内并与其对应的矩形上框，该上框下面设有矩形下框用于增加其刚度和安装电气元件，该下框前后分别通过直连杆相连。在上述内、外车架之间由对两车架前后直线运动进行缓冲的缓冲组件相连，其可在机器人快速运动的时候吸收地面对外车架的冲击力并将储存的能量用于之后外车架的运动中。该缓冲组件包括：缓冲螺杆，缓冲垫片，内、外车架挡块，缓冲弹簧及4个直线滑块组件。其中，4个标准化的直线滑块组件分别与内、外车架的4个角相连，作为外车架和内车架之间相对运动的导向装置，外车架挡块与外车架焊接固定，内车架挡块与内车架焊接固定，缓冲螺杆穿过外、内车架挡块中的通孔中并放置在其之间，缓冲弹簧套在缓冲螺杆外且两端分别与内外车架挡块相邻，在缓冲螺杆的两端螺纹段设螺母和缓冲垫片对缓冲弹簧进行预紧。
设在外车架下面的两前腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两前轮式腿也左右对称，设在内车架下面的两后腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两后轮式腿也左右对称，其中的每条腿均为(2-UPS+U)R串并混联结构，包括大腿主体、小腿和车轮；腿式模式时，小腿伸出作为四足机器人行走；轮式模式时，小腿弯曲收回车轮着地作为四轮机器人前进。
所述大腿并联组件是一个2自由度2-UPS+U并联机构，其中大腿主体是一个具有U副(虎克铰)的摆动杆，大推杆和小推杆的两端分别为U副和S副(球铰)，并且这两个S副安装在大腿主体上而构成两个UPS机构，在该并联机构中，外车架为定平台，大推杆和小推杆分别为分支构件，而大腿主体则既是动平台又是分支构件，是一个全新的腿机构，并且具有承载能力大、结构刚度高的优点。大腿并联组件中3个相同的十字轴支架按照相同的方向焊接在内或外车架上，单设的十字轴支架的一个方向轴位于焊在内或外车架上的十字轴支架的轴孔内，另一方向轴位于大推杆连接架的轴孔中，拉压力传感器的两端螺纹段分别从大推杆连接架和拉压力传感器支架的中心孔中穿出并用螺母固定，传感器支柱插入拉压力传感器支架和大推杆底座上对齐的四个通孔中，并在传感器支柱另一端伸出的螺纹段用螺母固定，将测得的压力的值和延拉力方向于转轴的距离值相乘便得到大腿向前摆动的关节的弯矩，避免了在摆动关节处增加笨重的力矩传感器而使机械结构变得复杂。大推杆前部套有推杆弹簧，其后端与大推杆外壳相邻，前端与套在大推杆上的弹簧挡圈相邻，在大推杆外壳上通过紧固件固连有电阻式线性传感器，其伸出杆端部与弹簧挡圈相连，大推杆前端顶与设在大腿主体上的推杆支柱相连。内或外车架通过外侧十字轴支架与大腿主体上部连接，在与外侧十字轴支架相邻的内或外车架上设内侧十字轴支架，其与小推杆支架上部通过十字轴连接，小推杆下端通过小推杆连接块与大腿主体中的球副轴承的伸出端固连。由小推杆中自带的电位器反馈得到的电压信号得知大腿侧摆的角度，结合大推杆上的电阻式线性传感器反馈得到的大腿前摆的角度，整个并联式大腿的瞬时位姿便能得到而不用每次开机原点复位。
所述大腿主体采用对开式结构，通过4个大腿支柱与大腿内外侧板的对应孔螺纹连接形成主体框架，安装简单方便并能达到刚度要求，大电机通过固定在内外侧板中的电机支架固定，联轴器两端分别固连电机输出轴和总转轴，总转轴通过键连接与电磁离合器的前端固定，总转轴在蜗杆中可自由转动，蜗杆与电磁离合器的后端通过螺栓固定，蜗杆与涡轮啮合，涡轮轴穿过涡轮通过键连接固定，涡轮轴穿过简易轴承并由其支撑固定，绝对编码器通过皮带与涡轮轴连接。总转轴通过键与小锥齿轮连接，小锥形齿轮又与大锥形齿轮啮合，大锥形齿轮的轮轴即为车轮轴，其穿过简易轴承座及大腿外侧板对应的通孔，端部设有车轮。当电磁离合器分离时，即电磁离合器的前后端分离，大电机带动总转轴、小锥齿轮、车轮轴和车轮的转动，当合并时，总转轴也带动蜗杆转动，从而带动与涡轮固连的小腿的转动。绝对编码器通过皮带连接测得涡轮轴的转动角度即小腿的转动角度，避免了每次开机对小腿角度值进行复位的操作，车轮和小腿传动采用的不同的传动方案能使机器人在腿式模式时具有大转矩而在轮式模式时具有高速性。绝对编码器通过皮带连接测得涡轮轴的转动角度即小腿的转动角度，避免了每次开机对小腿角度值进行复位的操作。
所述小腿也采用对开式安装方式，通过小腿支柱和小腿左右侧板组成主体框架，小腿固定端的通孔内有大腿主体中涡轮轴穿过，从而使小腿与大腿形成一个转动副，装在小腿自由端的一对压板内设压力传感器，该压力传感器与足底中部接触，通过绕足底转轴的转动自由度测得垂直于小腿方向上地面对它的反作用力，小腿长度与反作用力的值相乘便得到膝关节处的弯矩值，这种利用力传感器侧一关节弯矩值的方法简化了机械结构，便于安装。上述足底两端均为圆环，其一端圆环由穿过内、外侧板通孔的足底转轴与小腿侧板相连，其另一端圆环伸到侧板外，用于行走。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、单腿采用(2-UPS+U)R串并联机构，大腿为具有二自由度的并联机构，负载大，刚度好，耦合性小。
2、轮子的安装位置保证了不会影响小腿运动的灵活性，充分发挥出了腿机构的越障优势。
3、轮子和小腿的驱动电机采用同一个电机，减小了控制的复杂性和机械机构的复杂性。轮子和小腿的传动系统分别独立，采用不同减速比而达到各自的传动要求。
4、推杆方向上装有圆柱弹簧使推杆的负载平稳变化，提高了推杆的动力性能。推杆后面的压力传感器通过周围的四个支撑柱测得延推杆方向的拉压力而不受其他方向受力的影响。
5、通过各个传感器得到大腿和小腿的位置和受力信息，为对单腿的位置和力矩混合控制提供基础，从而能够实现对未知环境的自适应控制。
6、大腿和小腿均采用对开式结构，既保证了腿的刚度要求，又使得安装简单方便，便于维修。
附图说明
图1是轮腿混合式四足机器人腿模式时立体示意图。
图2是轮腿混合式四足机器人轮模式时立体示意图。
图3是轮腿混合式四足机器人车架及缓冲组件立体示意图。
图4是轮腿混合式四足机器人缓冲组件的局部放大立体图。
图5是轮腿混合式四足机器人并联式大腿的立体示意图。
图6是轮腿混合式四足机器人并联式大腿局部放大立体图。
图7是轮腿混合式四足机器人大腿主体内部结构立体示意图。
图8是轮腿混合式四足机器人小腿内部结构立体示意图。
在上述附图中，1-外车架，2-缓冲组件，3-内车架，4-右前轮式腿，5-左前轮式腿，6-右后轮式腿，7-左后轮式腿，8-并联式大腿，9-车轮，10-小腿，11-门字形框架，12-纵杆，13-矩形上框，14-矩形下框，15-直连杆，16-缓冲螺杆，17-缓冲垫片，18-内车架挡块，19-外车架挡块，20-缓冲弹簧，21-直线滑块组件，22-左后十字轴支架，23-十字轴，24-大推杆连接架，25-拉压力传感器，26-传感器支柱，27-拉压力传感器支架，28-大推杆，29-电阻式线性传感器，30-推杆弹簧，31-弹簧挡圈，32-推杆支柱，33-大腿主体，34-球副轴承，35-小推杆连接块，36-小推杆，37-小推杆支架，38-左中十字轴支架，39-左前十字轴支架，40-大腿外侧板，41-大电机，42-电机支架，43-联轴器，44-电磁离合器，45-轴承座，46-总转轴，47-大腿支柱，48-蜗杆，49-简易轴承座，50-大锥形齿轮，51-车轮轴，52-小锥形齿轮，53-涡轮轴，54-简易轴承，55-涡轮，56-绝对位置编码器，57-大腿内侧板，58-小腿支柱，59-小腿左侧板，60-压板，61-足底，62-压力传感器，63-足底转轴，64-小腿右侧板。
具体实施方式
在图1和图2所示的轮腿混合式四足机器人立体示意图中，所述轮腿混合式四足机器人主要包括：外车架1、缓冲组件2、内车架3、两对大腿并联组件及4个结构完全相同的轮式腿4、5、6、7。在图3中，外车架1有后端敞开的门字形框架11，其平行的两根横杆上面前后分别设有与其垂直相连的两根纵杆12，并且横杆与纵杆主体之间有一定间隙。位于外车架1内的内车架3有一个与外车架在同一平面内并与其对应的矩形上框13，该上框下面设有矩形下框14，该下框前后分别通过直连杆15相连。在图4所示的本发明缓冲组件局部放大立体示意图中，上述内、外车架之间由缓冲组件2相连，该缓冲组件包括：缓冲螺杆16，缓冲垫片17，内车架挡块18、外车架挡块19，缓冲弹簧20及4个标准直线滑块组件21。其中4个标准直线滑块组件21分别与内、外车架的4个角相连，外车架挡块19与外车架1焊接固定，内车架挡块18与内车架3焊接固定，缓冲螺杆16穿过外、内车架挡块中的通孔并置于两者之间，缓冲弹簧20套在缓冲螺杆16外且两端分别与内外车架挡块相邻，在缓冲螺杆16的两端螺纹段安装螺母和缓冲垫片17对缓冲弹簧20进行预紧。设在外车架下面的两前腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两前轮式腿也左右对称，设在内车架下面的两后腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两后轮式腿也左右对称，其中的每条腿均为(2-UPS+U)R串并混联结构，包括并联式大腿8、小腿9和车轮10；腿式模式时，小腿伸出作为四足机器人行走；轮式模式时，小腿弯曲收回车轮着地作为四轮机器人前进。大腿并联组件结构相同，下面以设在外车架上的大腿并联组件为例，在图5和图6中，所述大腿并联式组件是一个2自由度2-UPS+U并联机构，其中大腿主体33是一个具有U副(虎克铰)的摆动杆，大推杆28和小推杆36的两端分别为U副和S副(球铰)，并且这两个S副安装在大腿主体上而构成两个UPS机构。在该并联机构中，外车架1为定平台，大推杆28和小推杆36分别为分支构件，而大腿主体33则既是动平台又是分支构件。所述大腿并联组件，其3个相同的十字轴支架22、38、39按照相同的方向焊接在外车架1上，单设的十字轴支架22的一个方向轴位于焊在外车架1后面的左后十字轴支架22的孔中，另一方向轴23位于大推杆连接架24的轴孔中，拉压力传感器25的两端螺纹段分别从大推杆连接架24和拉压力传感器支架27的中心孔中穿出并用螺母固定，传感器支柱26插入拉压力传感器支架27和大推杆底座上对齐的四个通孔中，并在传感器支柱26另一端伸出的螺纹段用螺母固定。大推杆前部套有推杆弹簧30，其后端与大推杆外壳相邻，前端与套在大推杆上的弹簧挡圈31相邻，在大推杆外壳上通过紧固件固连有电阻式线性传感器29，其伸出杆端部与弹簧挡圈31相连，大推杆前端顶与设在大腿主体33上的推杆支柱32相连。外车架1通过外侧十字轴支架39与大腿主体33上部连接，在与外侧十字轴支架相邻的外车架上设内侧十字轴支架38，其与小推杆支架37上部通过十字轴连接，小推杆下端通过小推杆连接块35与大腿主体33中的球副轴承34的伸出端固连。在图7中，所述大腿主体33采用对开式结构，通过4个大腿支柱47与大腿内侧板57、大腿外侧板40对应的螺孔螺纹连接形成主体框架，大电机41通过固定在内外侧板中的电机支架42固定，联轴器43两端分别固连电机输出轴和设在轴承座45上的总转轴46，总转轴46通过键连接与电磁离合器44的前端固定，总转轴设在蜗杆内，蜗杆48与电磁离合器的后端通过螺栓固定，蜗杆48与涡轮55啮合，涡轮轴53穿过涡轮55通过键连接固定，涡轮轴53穿过简易轴承54并由其支撑固定，绝对编码器56通过皮带与涡轮轴53连接。总转轴46通过键与小锥齿轮52连接，小锥形齿轮52又与大锥形齿轮50啮合，大锥形齿轮的轮轴即为车轮轴51，其穿过简易轴承座49及大腿外侧板对应的通孔，端部设有车轮9。在图8中，所述小腿9也采用对开式结构，通过小腿支柱58和小腿左侧板59和小腿右侧板64组成主体框架，小腿固定端的通孔内有大腿主体中涡轮轴53穿过，从而使小腿与大腿形成一个转动副，装在小腿自由端的一对压板60内设压力传感器62，该压力传感器与足底61中部接触，上述足底两端均为圆环，其一端圆环由穿过内、外侧板通孔的足底转轴63与小腿侧板相连，其另一端圆环伸到侧板外。
Claims (3)
1.一种轮腿混合式四足机器人，其特征在于：包括内、外车架、缓冲组件、两对大腿并联组件和4个结构完全相同的轮式腿，内车架设在外车架内，内、外车架之间由缓冲组件相连，设在外车架下面的两前腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两前轮式腿也左右对称，设在内车架下面的两后腿的大腿并联组件左右对称，并且与这两并联组件相连的两后轮式腿也左右对称，其特征在于：所述的大腿并联组件，其3个相同的十字轴支架按照相同的方向焊接在内或外车架上，单设的十字轴支架的一个方向轴位于焊在内或外车架上的十字轴支架的轴孔内，另一方向轴位于大推杆连接架的轴孔内，拉压力传感器的两端螺纹段分别从大推杆连接架和拉压力传感器支架的中心孔中穿出并用螺母固定，传感器支柱插入拉压力传感器支架和大推杆底座上对齐的四个通孔中，并在传感器支柱另一端伸出的螺纹段用螺母固定，大推杆前部套有推杆弹簧，其后端与大推杆外壳相邻，前端与套在大推杆上的弹簧挡圈相邻，在大推杆外壳上通过紧固件固连有电阻式线性传感器，其伸出杆端部与弹簧挡圈相连，大推杆前端顶与设在大腿主体上的推杆支柱相连，内或外车架通过外侧十字轴支架与大腿主体上部连接，在与外侧十字轴支架相邻的内或外车架上设内侧十字轴支架，其与小推杆支架上部通过十字轴连接，小推杆下端通过小推杆连接块与大腿主体中的球副轴承的伸出端固连。
2.根据权利要求1所述的轮腿混合式四足机器人，其特征在于：所述的大腿主体为对开式结构，通过4个大腿支柱与大腿内外侧板的对应孔螺纹连接形成主体框架，大电机通过固定在内外侧板中的电机支架固定，联轴器两端分别固连电机输出轴和总转轴，总转轴通过键连接与电磁离合器的前端固定，总转轴设在蜗杆内,蜗杆与电磁离合器的后端通过螺栓固定，蜗杆与涡轮啮合，蜗轮轴穿过蜗轮通过键连接固定，蜗轮轴穿过简易轴承并由其支撑固定，绝对编码器通过皮带与蜗轮轴连接，总转轴通过键与小锥齿轮连接，小锥形齿轮又与大锥形齿轮啮合，大锥形齿轮的轮轴即为车轮轴，其穿过简易轴承座及大腿外侧板对应的通孔，端部设有车轮。
3.根据权利要求1所述的轮腿混合式四足机器人，其特征在于：小腿也为对开式安装方式，通过小腿支柱和小腿左右侧板组成主体框架，小腿固定端的通孔内有大腿主体中涡轮轴穿过，小腿与大腿形成一个转动副，装在小腿自由端的一对压板内设压力传感器，该压力传感器与足底中部接触，上述足底两端均为圆环，其一端圆环由穿过内、外侧板通孔的足底转轴与小腿侧板相连，其另一端圆环伸到侧板外。
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