CN104924294B - 具有并联腰结构的四足机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有并联腰结构的四足机器人，包括机架、并联腰结构和四条并联机械腿；其中，所述机架包括前部机架和后部机架，所述前部机架和后部机架之间通过并联腰结构连接，所述并联腰结构具有四个自由度；所述四条并联机械腿平均安装在前部机架和后部机架的两侧，其中每一条并联机械腿均相对于机架具有三个自由度，所述前部机架和后部机架在并联腰结构和四条并联机械腿的配合下，分别具有三维平移和三维转动六个自由度。所述并联腰结构包括一条辅支链和均布在辅支链周围的四条具有相同结构的主支链。本发明是一个机身姿态可变的足式移动机器人，运动快速灵巧，地形适应性好，越障能力强，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。

Description

具有并联腰结构的四足机器人
技术领域
本发明涉及步行机器人技术领域，具体是一种具有并联腰结构的快速四足机器人。
背景技术
足式机器人被广泛用于复杂地面环境下的作业任务，如：核电站灾害之后的探查工作、地震或塌方之后的救援任务等。与轮式及履带式机器人不同，足式机器人能够灵活选取独立的落脚点来完成运动过程。足式机器人将机身与地面复杂环境通过机械腿隔离，使机身能够穿越或避开各种障碍物，在其他机器人难以运动的环境下完成既定任务。
根据仿生研究显示，动物在运动过程中，由于腰部的运动与变形，可以增大腿部的运动空间，加强蓄力能力从而提供瞬间加速和跳跃的爆发力，并利用弹性节省能量的消耗以及降低触地时对身体的冲击。灵巧的腰结构还可以帮助动物在狭屈曲的多障碍环境下扭曲身体，具有更好的通过性。在工程实际中，步行器往往需要快速通过障碍环境，因此，运动速度和越障能力是衡量其实际意义的重要指标之一。随着速度的增大，要求足部的迈步步长和摆腿爆发力增大；复杂的障碍环境下，要求机器人能够控制身体的姿态来躲避障碍物的阻挡。因此，步行器的腰部构造设计就显得尤为重要。目前公布的足式机器人通常缺乏腰部结构或者腰部自由度极少，不能达到快速运动和灵活越障的要求。因此，提供一种带有多自由度腰结构的足式机器人，成为目前行业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种具有并联腰结构的四足机器人，该机器人运动快速灵巧，地形适应性好，越障能力强，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种具有并联腰结构的四足机器人，包括机架、并联腰结构和四条并联机械腿；其中，所述机架包括前部机架和后部机架，所述前部机架和后部机架之间通过并联腰结构连接，所述并联腰结构具有四个自由度；所述四条并联机械腿平均安装在前部机架和后部机架的两侧，其中每一条并联机械腿均相对于机架具有三个自由度，所述前部机架和后部机架在并联腰结构和四条并联机械腿的配合下，分别具有三维平移和三维转动六个自由度。
优选地，所述并联腰结构包括一条辅支链和均布在辅支链周围的四条具有相同结构、尺寸的主支链。
优选地，所述辅支链包括：两根连架杆和一根输出杆；其中，两根连架杆的一端均铰接在后部机架上，两根连架杆的另一端均铰接在输出杆的一端上；所述输出杆的另一端通过一个等效球铰a活动连接在前部机架上。
优选地，所述辅支链的输出杆与前部机架的连接点受到两根连架杆的限制，仅存在前后方向的直线运动自由度。
优选地，每一条主支链均包括：腰部驱动电机、丝杠滑块机构、腰部连杆；其中，所述丝杠滑块机构固定在后部机架上，丝杠滑块机构的一端通过皮带连接腰部驱动电机，丝杠滑块机构的另一端通过一个虎克铰a推动腰部连杆；所述腰部连杆的末端通过球铰连接到前部机架上。
优选地，四条主支链驱动前部机架进行前后移动和三维空间转动。
优选地，每一条并联机械腿均包括：三个驱动电机、三根腿部摇杆、三根腿部连杆、连接平台和若干腿部杆件；其中，三个驱动电机分别固定在机架上，并分别直接驱动相对应的三根腿部摇杆的一端，三根腿部摇杆的另一端均通过虎克铰b分别连接三根腿部连杆的一端，三根腿部连杆的另一端均连接到连接平台上；所述连接平台通过一个等效球铰b带动腿部杆件做空间运动；所述腿部杆件的末端相对于机架具有三个自由度。
优选地，所述并联腰结构的四个自由度包括：前后移动自由度和三维空间转动自由度。
优选地，所述并联机械腿的三个自由度包括：腿部矢状面上的二维移动自由度和绕机架前后轴的侧摆运动自由度。
本发明提供的具有并联腰结构的四足机器人，前部机架在辅支链的限制下，通过四条主支链并联驱动，相对后部机架存在一个直线运动自由度和三个转动自由度。四条并联机械腿分别活动连接在前部机架和后部机架的两侧，由各自独立的驱动系统控制运动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、机器人的机身(机架)分为前后两个部分，两部分中间通过一个四自由度的并联腰结构连接。两部分机身相对存在一个移动自由度和三个空间转动(三维转动)自由度，能模仿自然界动物结构，实现许多复杂的身体变形运动。相对于缺乏灵活腰结构的机器人，本发明对于窄门、洞穴、楼梯等运动空间扭曲的障碍环境的通过能力大大提升。
2、机器人的腰部是一个四自由度并联机构，刚度好、运动稳定、承载能力强。在机器人快速运动过程中，能够提供持久稳定的腰部爆发力，在四条机械腿的运动配合下，使机器人能够顺利完成奔跑、跳跃等快速步态，克服了多自由度步行器提速困难的问题。
3、机器人采用并联腰结构和并联机械腿，将驱动器和控制器集中布置，在复杂环境下便于设置防护装置来保护易受损的电气部件。
4、本发明是一个机身姿态可变的足式移动机器人，运动快速灵巧，地形适应性好，越障能力强，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中并联腰结构和左后腿的细节图。
图中：1为前部机架、2为后部机架、3为连架杆、4为输出杆、5为腰部驱动电机、6为丝杠滑块机构、7为腰部连杆、8为腿部驱动电机、9为腿部摇杆、10为腿部连杆、11为连接平台、12为腿部杆件。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种具有并联腰结构的四足机器人，包括机架、并联腰结构和四条并联机械腿。所述机架包括前部机架后部机架，前部机架和后部机架之间通过并联腰结构连接。所述四条并联机械腿平均安装在前部机架和后部机架的两侧，每一条机械腿均相对于机架有三个自由度。
依照本发明较佳实施例，所述的并联腰结构，是具有四个自由度的并联机构，包括一条辅支链和分布在周围的四条相同的主支链。所述辅支链包括两根连架杆和输出杆。所述连架杆一端铰接在后部机架上，另一端铰接在输出杆上。所述输出杆通过一个等效球铰连接到前部机架上。所述主支链均包括驱动电机、丝杠滑块机构、连杆。所述丝杠滑块机构固定在后部机架上，一端连接驱动电机，另一端通过一个虎克铰推动连杆。所述连杆末端通过球铰连接到前部机架上。
依照本发明较佳实施例，所述的并联腰结构，辅支链中没有驱动部分，输出杆与前部机架的连接点受到两根连架杆的限制，仅存在前后方向的直线运动自由度。四条主支链结构、尺寸相同，且均布在辅支链周围。四条主支链驱动前部机架进行前后移动和三维转动。
依照本发明较佳实施例，所述的并联机械腿，均包括三个驱动电机、三根腿部摇杆、三根腿部连杆、连接平台和若干腿部杆件。所述三个驱动电机固定在机架上，分别直接驱动三根腿部摇杆，腿部摇杆另一端通过虎克铰连接腿部连杆。三根腿部连杆另一端连接到一个连接平台上。连接平台通过一个等效球铰带动腿部杆件做空间运动。腿部杆件的末端相对于机架有三个自由度，可以完成腿部矢状面上的二维移动和绕机身前后轴的侧摆运动。
下面结合附图对本实施例进一步描述。
请同时参阅图1与图2，一种具有并联腰结构的四足机器人，后部机架2上铰接有两根连架杆3，连架杆3的另一端铰接到输出杆4上，输出杆4通过A处的等效球铰与前部机架1连接，形成并联腰结构的辅支链。腰部驱动电机5带动固定在后部机架2上的丝杠滑块机构6输出直线运动，通过虎克铰连接腰部连杆7，腰部连杆7的另一端通过B处的球铰与前部机架1连接，形成并联腰结构的主支链(共四条)。四条主支链轴线平行，均布在辅支链周围。四条并联机械腿采用相同的结构，每一条机械腿均由三个固定在机架上的腿部驱动电机8输出旋转运动到腿部摇杆9上，腿部摇杆9另一端通过虎克铰连接腿部连杆10。外侧的腿部连杆与连接平台11固定连接，内侧的腿部连杆通过球铰连接到连接平台11上。连接平台11通过C处的球铰控制腿部杆件12的空间运动。腿部杆件12为多连杆机构，通过D处的虎克铰连接到机架上，由C处的球铰输入运动，使脚尖相对于机架呈三个空间自由度。上述没有特别提及的铰接点均为转动副，轴线互相平行，且都垂直与运动矢状面。
在本实施例中：
机器人机架、并联腰结构和四条并联机械腿。其中，机器人机架分为两个部分，后部机架用于装载腰部驱动器和整机的控制器，前部机架剩余空间较大，可以装载设备，或搭载机械臂用于侦查、作业。在腰部和四条机械腿的配合下，两部分机架各自具有三维平移和三维转动共六个自由度，且相互间存在一个平移和三个转动自由度，能够完成较为复杂的身体扭曲动作。四条机械腿腿分两组安装在两部分机架上。每一条腿都通过一个驱动系统独立控制运动。并联机械腿的由伺服电机直接驱动摇杆，通过一系列腿部杆件来传递运动，使脚尖相对于机架进行空间三维运动。
所述的机器人，采用四自由度并联机构作为腰部。机器人在快速运动和扭曲机身用于越障时，受到强烈而不稳定的机体冲击力。而所述机器人的并联腰结构刚度大、承载受力特性好，且自由度多、运动灵活，能够在振动冲击的极端条件下稳定工作，在机身姿态灵活变动的状态下具有较好的受力特性。所述机器人的腰部驱动和腿部驱动全部采用并联结构，将驱动器集中布置，便于在复杂恶劣环境下的防护工作，使机器人具有更好的适应性和通过性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种具有并联腰结构的四足机器人，其特征在于：包括机架、并联腰结构和四条并联机械腿；其中，所述机架包括前部机架和后部机架，所述前部机架和后部机架之间通过并联腰结构连接，所述并联腰结构具有四个自由度；所述四条并联机械腿平均安装在前部机架和后部机架的两侧，其中每一条并联机械腿均相对于机架具有三个自由度，所述前部机架和后部机架在并联腰结构和四条并联机械腿的配合下，分别具有三维平移和三维转动六个自由度；
所述并联腰结构包括一条辅支链和均布在辅支链周围的四条具有相同结构、尺寸的主支链；
所述辅支链包括：两根连架杆和一根输出杆；其中，两根连架杆的一端均铰接在后部机架上，两根连架杆的另一端均铰接在输出杆的一端上；所述输出杆的另一端通过等效球铰a活动连接在前部机架上。
2.根据权利要求1所述的具有并联腰结构的四足机器人，其特征在于：所述辅支链的输出杆与前部机架的连接点受到两根连架杆的限制，仅存在前后方向的直线运动自由度。
3.根据权利要求1所述的具有并联腰结构的四足机器人，其特征在于：每一条主支链均包括：腰部驱动电机、丝杠滑块机构、腰部连杆；其中，所述丝杠滑块机构固定在后部机架上，丝杠滑块机构的一端通过皮带连接腰部驱动电机，丝杠滑块机构的另一端通过虎克铰a推动腰部连杆；所述腰部连杆的末端通过球铰连接到前部机架上。
4.根据权利要求1或3所述的具有并联腰结构的四足机器人，其特征在于：四条所述主支链驱动前部机架进行前后移动和三维空间转动。
5.根据权利要求1所述的具有并联腰结构的四足机器人，其特征在于：每一条并联机械腿均包括：三个驱动电机、三根腿部摇杆、三根腿部连杆、连接平台和若干腿部杆件；其中，三个驱动电机分别固定在机架上，并分别直接驱动相对应的三根腿部摇杆的一端，三根腿部摇杆的另一端均通过虎克铰b分别连接三根腿部连杆的一端，三根腿部连杆的另一端均连接到连接平台上；所述连接平台通过等效球铰b带动腿部杆件做空间运动；所述腿部杆件的末端相对于机架具有三个自由度。
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