CN104742995B - 多足移动机器人模块化的腿单元 - Google Patents

Abstract

一种多足移动机器人模块化的腿单元包括固定架（10）、转动架（20）、第一连杆（30）、第二连杆（40）、第一驱动机构（50）、第二驱动机构（60）以及第三驱动机构（70），所述第三驱动机构（70）固定在所述固定架（10）上，所述第一驱动机构（50）和第二驱动机构（60）均固定在所述转动架（20）上。本发明采用同步带传动方式，把所有的驱动元器件移动到足部的一端，减小了腿部的转动惯量，使关节电机得到最大的功率利用，使机器人能够更加平稳的行走具有传动效率高、传动速度快等优点，采用模块化腿部结构，使机器人结构便于拆卸维护。

Description

多足移动机器人模块化的腿单元

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别涉及机器人腿部的设计。

背景技术

四足机器人在自然界和人类社会中，存在人类难以到达的区域和可能危及人类生命的特殊场合，例如灾难现场、矿井、行星表面等，只能借助机器人对这些环境进行探索和研究，因此人们要求机器人不仅适应原来结构化、己知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境，这就要机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。

足式机器人凭借其离散式支撑运动，在复杂地形和不可预知环境中表现出极强的适应性和运动灵活性，在矿产采掘、星际表面探测、抢险救灾和军事侦查与反恐等国民经济和国防建设等各个领域有着广泛的应用前景。高速和高机动性是足式机器人的发展趋势之一，而作为足式机器人重要运动支撑系统的机器人腿，直接决定了机器人的运动学和动力学特征，对足式机器人高速高机动性有着重要影响。

四足机器人是一个新兴的技术领域，目前正在处于探索发展之中，四足机器人设计成功与否的关键技术之一是机器人腿足结构。

现有的机器人腿足机构为单一电机带动关节运动的装置，并且腿足结构比较简单，缺少一些相应的传感和限位装置，转动惯量比较高，不利于四足机器人行走。

另外，目前国内外已经研发出不同构型的四足步行机器人样机。常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电机驱动等。液压驱动能输出较大的驱动力矩，机器人负载能力较强。成本较高、控制复杂。与采用液压或气压驱动的四足机器人相比，轻载、小型的四足仿生机器人可以采用电机驱动，降低控制系统的复杂性和机器人的总重量，从而提高机器人的步行速度和行走步态的灵活性。

已有的腿部设计都是与机器人本体结构组合为一体化设计，这种设计不仅仅在设计时浪费劳力成本，更不利于整个设备的维护拆卸。因此提出设计一款多足机器人模块化腿部方案。

多采用一体化设计，不可快速更换，检修困难，设计周期长，成本高，在运动关节处，添加驱动单元，结构复杂，不可以移植。

发明内容

本发明提供的这种多足移动机器人模块化的腿单元，可以自由与不同的机器人主体进行搭配，同时，把驱动机构尽量布置在腿根部的位置，减少运动惯量，解决现有技术中转动惯量大以及不利于维护拆卸的技术问题。

本发明为解决上述技术问题而提供的这种腿单元包括用于与机器人本体连接的固定架，设置于该固定架上可水平转动的转动架，还包括构成腿部运动和支撑的第一连杆以及与其铰接的第二连杆，所述第一连杆铰接于所述转动架上，进一步包括用于驱动所述第一连杆垂直摆动的第一驱动机构、用于驱动所述第二连杆摆动的第二驱动机构以及用于驱动转动架水平摆动的第三驱动机构，所述第三驱动机构固定在所述固定架上，所述第一驱动机构和第二驱动机构均固定在所述转动架上。

所述第一驱动机构包括固定在所述转动架上的第一舵机，该第一舵机的输出端固定连接所述第一连杆，所述第一驱动机构还包括有第一舵机舵盘，所述第一舵机的输出端通过第一舵机舵盘固定连接所述第一连杆。

所述第二驱动机构固定在所述转动架上的第二舵机，该第二舵机的输出端通过传动机构驱动第二连杆摆动，所述传动机构包括固定连接所述第二舵机输出端的第一同步带轮、固定连接第二连杆铰接端的第二同步带轮以及连接所述第一同步带轮和第二同步带轮的同步皮带。所述第二驱动机构还包括第二舵机舵盘以及与其固定连接的第一驱动轴，所述第二舵机输出端通过所述第二舵机舵盘和第一驱动轴固定连接所述第一同步带轮，所述第一连杆通过该第一驱动轴和第二舵机铰接于转动架上，所述第二驱动机构还包括第一输出盘，所述第二舵机舵盘通过该第一输出盘固定连接第一驱动轴。

所述第三驱动机构包括固定在所述固定架上的第三舵机，该第三舵机的输出端固定连接所述转动架，所述第三驱动机构还包括第三舵机舵盘以及与其固定连接的第二驱动轴，所述第三舵机的输出端依次通过所述第三舵机舵盘和第二驱动轴固定连接所述转动架，所述第三驱动机构还包括第二输出盘，所述第三舵机舵盘通过该第二输出盘固定连接所述第二驱动轴。

本发明采用同步带传动方式，把所有的驱动元器件移动到足部的一端，减小了腿部的转动惯量，提高关节电机得到最大的功率利用，使机器人能够更加平稳的行走具有传动效率高、传动速度快等优点，由于没有使用蜗轮蜗杆的摩擦力较小，降低关节摩擦发热，从而降低能耗。本发明的机器人腿单元重量轻,载荷大,集成快速更换，有效的减小维护时间和成本,快速可跟换,标准的机械接口设计,采用同步带，使驱动元单元移植到底部模块化腿部的一段，有效的减少腿部抬起时的能耗,采用模块化腿部结构，使四足海龟机器人结构便于拆卸维护，同时由于电气与传动部分集成在一起，使得电机及其控制系统后移到躯干部分，而露在躯干外的腿部则简洁、轻便。

附图说明

图1是本发明机器人腿单元应用的示意图。 图2是本发明机器人腿单元的立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施例。

由图1和图2中可知，本发明多足移动机器人模块化的腿单元100包括用于与机器人本体200连接的固定架10，设置于该固定架10上可水平转动的转动架20，还包括构成腿部运动和支撑的第一连杆30以及与其铰接的第二连杆40，所述第一连杆30铰接于所述转动架20上，进一步包括用于驱动所述第一连杆30垂直摆动的第一驱动机构50、用于驱动所述第二连杆40摆动的第二驱动机构60以及用于驱动转动架20水平摆动的第三驱动机构70，所述第三驱动机构70固定在所述固定架10上，所述第一驱动机构50和第二驱动机构60均固定在所述转动架20上。本发明中第三驱动机构用于驱动包括第一、第二连杆在内的腿下部整体的水平摆动，第一驱动机构用于控制腿部中间部分—第一连杆的摆动，而第二驱动机构用于控制腿末端—第二连杆的摆动，从而实现整个腿部的多维运动。本发明的特点在于将第一、第二以及第三驱动机构均设置在腿根部的转动架和固定架上，可以尽量减少腿部运动的惯量，实现对腿部运动的精确控制。另外，本发明中的固定架为外接标准机械接口，用于适应不同型号机器人的配合使用要求。

由图2中可知，本发明中所述第一驱动机构50包括固定在所述转动架20上的第一舵机51，该第一舵机51的输出端固定连接所述第一连杆30。所述第一驱动机构50还包括有第一舵机舵盘52，所述第一舵机51的输出端通过第一舵机舵盘52固定连接所述第一连杆30。本发明中第一驱动机构50是用于控制第一连杆运动的，第一舵机51将自身的转动通过第一舵机舵盘52传递给第一连杆30，控制第一连杆30产生垂直方向的摆动，摆动的速率以及幅度，则是由控制系统通过控制第一舵机来实现。

由图2中可知，所述第二驱动机构60固定在所述转动架20上的第二舵机61，该第二舵机61的输出端通过传动机构62驱动第二连杆40摆动。所述传动机构62包括固定连接所述第二舵机61输出端的第一同步带轮621、固定连接第二连杆40铰接端的第二同步带轮622以及连接所述第一同步带轮621和第二同步带轮622的同步皮带623。所述第二驱动机构60还包括第二舵机舵盘63以及与其固定连接的第一驱动轴64，所述第二舵机61输出端通过所述第二舵机舵盘63和第一驱动轴64固定连接所述第一同步带轮621，所述第一连杆30通过该第一驱动轴64和第二舵机61铰接于转动架20上。所述第二驱动机构60还包括第一输出盘65，所述第二舵机舵盘63通过该第一输出盘65固定连接第一驱动轴64。本发明中第二驱动机构则用于控制第二连杆的运动，由于第二连杆位于腿部的末端，传统技术中都是将舵机设计在该连杆关节的部位，而本发明为了减少腿部运动的惯量，尽量使腿部中间环节部分轻量化，所以，将驱动机构设计在腿根部的转动架上，通过同步皮带传动机构实现对第二连杆的控制。

由图2中可知，所述第三驱动机构70包括固定在所述固定架10上的第三舵机71，该第三舵机71的输出端固定连接所述转动架20。所述第三驱动机构70还包括第三舵机舵盘72以及与其固定连接的第二驱动轴73，所述第三舵机71的输出端依次通过所述第三舵机舵盘72和第二驱动轴73固定连接所述转动架20。所述第三驱动机构70还包括第二输出盘74，所述第三舵机舵盘72通过该第二输出盘74固定连接所述第二驱动轴73。本专利中第三驱动机构用于控制整个腿部的水平摆动，第三舵机将其自身的转动传递给转动架，从而带动腿部整体的水平摆动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：该腿单元包括用于与机器人本体连接的固定架（10），设置于该固定架（10）上可水平转动的转动架（20），还包括构成腿部运动和支撑的第一连杆（30）以及与其铰接的第二连杆（40），所述第一连杆（30）铰接于所述转动架（20）上，进一步包括用于驱动所述第一连杆（30）垂直摆动的第一驱动机构（50）、用于驱动所述第二连杆（40）摆动的第二驱动机构（60）以及用于驱动转动架（20）水平摆动的第三驱动机构（70），所述第三驱动机构（70）固定在所述固定架（10）上，所述第一驱动机构（50）和第二驱动机构（60）均固定在所述转动架（20）上。

2.根据权利要求1所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第一驱动机构（50）包括固定在所述转动架（20）上的第一舵机（51），该第一舵机（51）的输出端固定连接所述第一连杆（30）。

3.根据权利要求2所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第一驱动机构（50）还包括有第一舵机舵盘（52），所述第一舵机（51）的输出端通过第一舵机舵盘（52）固定连接所述第一连杆（30）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第二驱动机构（60）固定在所述转动架（20）上的第二舵机（61），该第二舵机（61）的输出端通过传动机构（62）驱动第二连杆（40）摆动。

5.根据权利要求4所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述传动机构（62）包括固定连接所述第二舵机（61）输出端的第一同步带轮（621）、固定连接第二连杆（40）铰接端的第二同步带轮（622）以及连接所述第一同步带轮（621）和第二同步带轮（622）的同步皮带（623）。

6.根据权利要求5所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第二驱动机构（60）还包括第二舵机舵盘（63）以及与其固定连接的第一驱动轴（64），所述第二舵机（61）输出端通过所述第二舵机舵盘（63）和第一驱动轴（64）固定连接所述第一同步带轮（621），所述第一连杆（30）通过该第一驱动轴（64）和第二舵机（61）铰接于转动架（20）上。

7.根据权利要求6所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第二驱动机构（60）还包括第一输出盘（65），所述第二舵机舵盘（63）通过该第一输出盘（65）固定连接第一驱动轴（64）。

8.根据权利要求1至3中任一项所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第三驱动机构（70）包括固定在所述固定架（10）上的第三舵机（71），该第三舵机（71）的输出端固定连接所述转动架（20）。

9.根据权利要求8所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第三驱动机构（70）还包括第三舵机舵盘（72）以及与其固定连接的第二驱动轴（73），所述第三舵机（71）的输出端依次通过所述第三舵机舵盘（72）和第二驱动轴（73）固定连接所述转动架（20）。

10.根据权利要求9所述多足移动机器人模块化的腿单元，其特征在于：所述第三驱动机构（70）还包括第二输出盘（74），所述第三舵机舵盘（72）通过该第二输出盘（74）固定连接所述第二驱动轴（73）。