CN104925160A - 直线驱动的步行机器人腿部构型及并联六足步行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直线驱动的步行机器人腿部构型，包括：腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构；所述直线驱动机构与并联驱动机构驱动连接，所述并联驱动机构与腿部伸缩机构驱动连接。同时提供了采用上述直线驱动的步行机器人腿部构型的并联六足步行机器人。本发明提供的直线驱动的步行机器人腿部构型及并联六足步行机器人，具有腿部质量轻、转动惯量小、便于防护、驱动器规格统一的优点。本发明解决了机器人在地形复杂、环境恶劣的作业条件下行走的防护，机动性与重载作业的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体式一种便于防护的直线驱动的步行机器人腿部构型及并联六足步行机器人。
背景技术
腿式机器人与轮式机器人和履带式机器人的最大区别在于，腿式机器人具有更高的机动能力，它们更适合在复杂地形中执行作业任务，尤其是在突发灾难的区域，如：地震、火灾、厂房区内毒气泄漏等。在腿式机器人中，六足机器人由于可以采用3-3式的波浪步态，具有较高的行走稳定性和更高的承载能力。通过在机器人身上搭载各种设备可以执行各种作业任务。因此，六足腿式机器人的研究有着重要的实际意义。
腿式机器人在要完成指定的作业任务，通常需要应具备两个很重要的特点：防护能力和承载能力。一方面，由于在恶劣的环境下作业，对于驱动器以及传感器等电子元器件的防护要求较高。常规的串联腿机器人由于腿部安装了驱动器和相应的传感器，很难实现较好的防护。这样也增加了腿部较低位置的质量，增加了机器人的腿部转动惯量，降低了腿部的机动性。另一方面，串联腿部构型对于各个驱动而言存在较大的功率差，需要在设计、制造的过程中分别选用不同功率的执行器件。这增加了机器人设计复杂度，同时，大功率的驱动单元通常造价昂贵且功率自重比较低。为了解决这两个问题，需要从机器人的腿部构型这个基本问题着手进行设计。
综上所述，常规的步行器的腿部设计存在机器人腿部转动惯量较大，驱动以及电子器件不易防护的问题。同时，常规步行机器人的部分驱动单元功率较大而部分驱动单元功率较低，为了均衡各个驱动单元的功率分布，需要对机器人的腿部构型进行重新设计。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种直线驱动的步行机器人腿部构型及并联六足步行机器人，以解决现有步行器腿转动惯量较大，驱动以及电子器件不容易防护，驱动器功率分布不均等问题。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种直线驱动的步行机器人腿部构型，包括：腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构；所述直线驱动机构与并联驱动机构驱动连接，所述并联驱动机构与腿部伸缩机构驱动连接；其中：
所述腿部伸缩机构包括：侧摆块1、摆动杆2、传动杆a3、传动杆b6、小腿杆4和足部杆5，其中，所述侧摆块1通过与侧摆块1转动轴线正交布置的转动铰链b与摆动杆2相连，实现腿部伸缩机构的前后摆动，所述摆动杆2分别通过转动铰链c和转动铰链d与传动杆a3和传动杆b6相连，所述传动杆a3和传动杆b6分别通过转动铰链e和转动铰链f与小腿杆4相连，所述小腿杆4通过弹簧伸缩机构与足部杆5相连；
所述并联驱动机构包括：驱动头7、驱动杆a9、万向节10、驱动杆b11、驱动杆c12、转动组件a13和转动组件b14，其中，所述驱动头7、驱动杆a9和万向节10分别为三个，所述驱动杆c12和转动组件a13分别为两个，两个驱动杆c12分别设置于驱动杆b11的左右两侧，三个驱动头7分别通过转动铰链g8驱动对应的驱动杆a9绕转动铰链g8上下摆动，三个驱动杆a9分别通过对应的万向节10与驱动杆b11和驱动杆c12相连，驱动杆c12分别通过对应的转动组件a13与驱动杆b11相连，所述驱动杆b11通过转动组件b14与腿部伸缩机构的传动杆b6相连，驱动腿部伸缩机构运动；
所述直线驱动机构包括三组直线驱动部件15，三组直线驱动部件15分别与并联驱动机构的三个驱动头7相连，驱动三个驱动头7沿直线上下运动。
优选地，所述转动组件a13和转动组件b14均采用如下任一种结构：
-包括三个顺序相连的转动铰链h，三个转动铰链h的旋转中心交于一点；
-采用一个球副铰链。
优选地，所述万向节10包括两个正交的转动铰链i。
优选地，所述足部杆5的端部形成足尖结构，所述足尖结构具有前后、左右和上下三维运动输出。
优选地，所述足尖结构采用圆形结构。
优选地，直线驱动部件15采用如下任一种形式：
-液压缸驱动；
-旋转电机驱动丝杠传动；
-直线电机驱动。
根据本发明的另一个方面，提供了一种并联六足步行机器人，包括机器人机架X和布置于机器人机架X上的六条上述直线驱动的步行机器人腿部构型，六条所述直线驱动的步行机器人腿部构型的侧摆块1通过转动铰链a在机器人机架X的下方前后对称布置或同向布置，实现直线驱动的步行机器人腿部构型的腿部伸缩机构左右摆动，所述并联驱动机构和直线驱动机构分别设置于机器人机架X的上方，其中，所述转动铰链g8与机器人机架X相连。
本发明的工作原理为：
每一条腿部伸缩机构的足尖结构均具有前后、左右和上下三维运动能力，相应的，传动杆b6上故连的转动组件b14也具有空间三维运动能力，通过控制该转动组件b14的运动实现对足尖结构的运动控制；和该转动组件b14连接的是一个三支链的并联驱动机构，还包括驱动头7、驱动杆a9、万向节10、驱动杆b11、驱动杆c12、转动组件a13和转动组件b14；直线驱动部件15通过提供直线驱动力，带动驱动头7上下运动，各腿部构型的三个构件(腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构)通过协调运动，实现足部杆5的空间三维运动输出。
本发明提供的直线驱动的步行机器人腿部构型及并联六足步行机器人，采用机器人机架、六条相同构型的腿部构型、六个相同的并联驱动机构、每条腿都具有的三个直线驱动部件。足尖结构通过并联驱动机构、直线驱动机构和腿部伸缩机构协同运动实现各种行走轨迹。
1、本发明通过驱动腿部上方的并联驱动机构控制腿部伸缩机构的三维空间运动，与常规腿部结构相比，本发明提供的腿部伸缩机构上没有驱动装置，通过优化结构和材料特性，可以最大限度的降低腿部伸缩机构的质量和转动惯量，提高机器人的机动性能。
2、本发明将驱动器集中在身体上方，便于统一防护，在复杂作业环境下，机器人具有更高的防护安全级别，在危险环境下作业可靠性更高；各驱动器功率相当，在设计制造时可以选用同款驱动器。
3、各腿部伸缩机构的小腿杆会通过弹簧和伸缩装置连接到足部杆5，使各腿部伸缩机构具有缓冲吸振功能。
4、足部杆5的足尖结构具有圆形结构，以适应不同地形，同时采用柔韧材料降低冲击。
5、直线驱动部件提供直线驱动力带动驱动头，具体实现可以通过液压缸，或者通过旋转电机、丝杠传动实现，也可以通过直线电机直接驱动，结构简单易实现。
6、本发明具有腿部质量轻、转动惯量小、便于驱动器以及传感器等电子元器件便于防护的优点。
7、本发明解决了机器人在地形复杂、环境恶劣的作业条件下行走的防护与机动性问题。
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为本发明直线驱动的步行机器人腿部构型的结构示意图；
图2为本发明并联六足步行机器人的结构示意图。
图中：1为侧摆块，2为摆动杆，3为传动杆a，4为小腿杆，5为足部杆，6为传动杆b，7为驱动头，8为转动铰链d，9为驱动杆a，10为万向节，11为驱动杆b，12为驱动杆c，13为转动组件a，14为转动组件b，15为直线驱动部件，I为第一直线驱动的步行机器人腿部构型，II为第二直线驱动的步行机器人腿部构型，III为第三直线驱动的步行机器人腿部构型，IV为第四直线驱动的步行机器人腿部构型，V为第五直线驱动的步行机器人腿部构型，VI为第六直线驱动的步行机器人腿部构型，X为机器人机架，XI为直线驱动机构。
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直线驱动的步行机器人腿部构型，包括：腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构；所述直线驱动机构与并联驱动机构驱动连接，所述并联驱动机构与腿部伸缩机构驱动连接；其中：
侧摆块1通过与侧摆块1转动轴线正交布置的转动铰链b和摆动杆2相连，实现摆动杆2的前后摆动；摆动杆2分别通过转动铰链c和转动铰链d分别和传动杆a3、传动杆b 6相连，传动杆a3、传动杆b 6分别通过转动铰链e和转动铰链f与小腿杆4相连，小腿杆4底部安装有弹性足部杆5。机器人足尖结构具备三维空间中的任意运动能力。直线驱动部件15为三组，它提供驱动力，驱动三个驱动头7沿直线上下运动。三个相同的驱动头7分别驱动驱动杆a 9绕三个转动铰链g8上下摆动；驱动杆a 9再分别通过三个转动中心轴向正交的转动铰链(万向节10)连接到驱动杆b11、驱动杆c 12上，左、右两侧的驱动杆c 12通过三个轴线正交的转动铰链或者一个球副铰链(转动组件13)连接到驱动杆b11上；驱动杆b11再通过三个轴线交于一点的转动铰链或者一个球副铰链(转动组件14)连接到传动杆b6上，驱动腿部伸缩机构运动。
实施例2
根据本发明的另一个方面，提供了一种并联六足步行机器人，包括机器人机架X和布置于机器人机架X上的六条上述直线驱动的步行机器人腿部构型，六条所述直线驱动的步行机器人腿部构型的侧摆块1通过转动铰链a在机器人机架X的下方前后对称布置或同向布置，实现直线驱动的步行机器人腿部构型的腿部伸缩机构左右摆动，所述并联驱动机构和直线驱动机构分别设置于机器人机架X的上方，其中，所述转动铰链g8与机器人机架X相连。
以下结合附图，对本实施例具体说明。
侧摆块1通过转动铰链a和机器人机架X相连，实现腿部伸缩机构的左右摆动，通过正交布置的另一个转动铰链b和摆动杆2相连，实现摆动杆2的前后摆动；摆动杆2通过转动铰链c和转动铰链d分别和传动杆a3和传动杆b6相连，传动杆a3和传动杆b6通过转动铰链e和转动铰链f与小腿杆4相连，小腿杆4和足部杆5相连实现足尖的缓冲。这样，足部杆5端部的足尖结构便具备三维空间中的任意运动能力。直线驱动部件15为三组，它提供驱动力，驱动三个驱动头7上下运动。三个相同的驱动头7分别驱动驱动杆a9绕三个和机器人机架X相连的转动铰链g8上下摆动；驱动杆a9再分别通过三个转动中心轴向正交的转动铰链(万向节10)连接到驱动杆b11和驱动杆c12上，左、右两侧的驱动杆c12通过三个轴线正交的转动铰链或者一个球副铰链(转动组件13)连接到驱动杆b11上；驱动杆b11再通过三个轴线交于一点的转动铰链或者一个球副铰链(转动组件14)连接到传动杆b6上，驱动腿部伸缩机构运动。各腿部构型通过前后对称布置或者同向布置，与机器人机架X形成一个六足机器人整体。
本实施例的核心在于采用所以直线驱动机构固结在机器人机架上方，腿部伸缩机构没有任何的驱动器件，通过驱动身体上方的并联驱动机构控制腿部的空间三维运动：
直线驱动部件15通过输出动力驱动驱动头7协调运动，通过驱动头7的协调运动，包含驱动头7、驱动杆a9、万向节10、驱动杆b11、驱动杆c12、转动组件a13以及转动组件b14组成的并联驱动机构可以实现足部杆的空间三维运动；该转动组件b14通过带动腿部伸缩机构的传动杆b6实现机器人腿部的空间三维运动。
本实施例组合形成的机器人整体采用的腿部构型所，具有较高的腿部承载能力，可以适合工作在复杂的地形环境实现重载作业；同时，由于驱动机构完全安装在机器人的身体上方，便于统一防护，因此机器人更适宜工作在复杂恶劣的作业环境下。最后，各驱动机构功率相当，便于驱动器的选型。因此，与现有技术相比，本实施例从结构上解决了机器人重载、灵巧作业以及防护的问题，该方法可靠性更高、更经济。
综上所述，本实施例通过驱动腿部伸缩机构上方的并联驱动机构控制腿部的三维空间运动，与常规腿部结构相比，本实施例提供的腿部伸缩机构上没有驱动装置，通过优化结构和材料特性，可以最大限度的降低腿部的质量和转动惯量，提高机器人的机动性能；另一方面，通过并联驱动机构，可以实现机器人行走过程中平均分配各个执行单元驱动功率的目的，采用相同的驱动原件驱动机器人行走，降低了机器人的设计、制造成本。
本发明具有腿部质量轻、转动惯量小、便于防护、驱动器规格统一的优点。本发明解决了机器人在地形复杂、环境恶劣的作业条件下行走的防护，机动性与重载作业的问题。
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 (7)
1.一种直线驱动的步行机器人腿部构型，其特征在于，包括：腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构；所述直线驱动机构与并联驱动机构驱动连接，所述并联驱动机构与腿部伸缩机构驱动连接；其中：
所述腿部伸缩机构包括：侧摆块(1)、摆动杆(2)、传动杆a(3)、传动杆b(6)、小腿杆(4)和足部杆(5)，其中，所述侧摆块(1)通过与侧摆块(1)转动轴线正交布置的转动铰链b与摆动杆(2)相连，实现腿部伸缩机构的前后摆动，所述摆动杆(2)分别通过转动铰链c和转动铰链d与传动杆a(3)和传动杆b(6)相连，所述传动杆a(3)和传动杆b(6)分别通过转动铰链e和转动铰链f与小腿杆(4)相连，所述小腿杆(4)通过弹簧伸缩机构与足部杆(5)相连；
所述并联驱动机构包括：驱动头(7)、驱动杆a(9)、万向节(10)、驱动杆b(11)、驱动杆c(12)、转动组件a(13)和转动组件b(14)，其中，所述驱动头(7)、驱动杆a(9)和万向节(10)分别为三个，所述驱动杆c(12)和转动组件a(13)分别为两个，两个驱动杆c(12)分别设置于驱动杆b(11)的左右两侧，三个驱动头(7)分别通过转动铰链g(8)驱动对应的驱动杆a(9)绕转动铰链g(8)上下摆动，三个驱动杆a(9)分别通过对应的万向节(10)与驱动杆b(11)和驱动杆c(12)相连，驱动杆c(12)分别通过对应的转动组件a(13)与驱动杆b(11)相连，所述驱动杆b(11)通过转动组件b(14)与腿部伸缩机构的传动杆b(6)相连，驱动腿部伸缩机构运动；
所述直线驱动机构包括三组直线驱动部件(15)，三组直线驱动部件(15)分别与并联驱动机构的三个驱动头(7)相连，驱动三个驱动头(7)沿直线上下运动。
2.根据权利要求1所述的直线驱动的步行机器人腿部构型，其特征在于，所述转动组件a(13)和转动组件b(14)均采用如下任一种结构：
-包括三个顺序相连的转动铰链h，三个转动铰链h的旋转中心交于一点；
-采用一个球副铰链。
3.根据权利要求1所述的直线驱动的步行机器人腿部构型，其特征在于，所述万向节(10)包括两个正交的转动铰链i。
4.根据权利要求1所述的直线驱动的步行机器人腿部构型，其特征在于，所述足部杆(5)的端部形成足尖结构，所述足尖结构具有前后、左右和上下三维运动输出。
5.根据权利要求4所述的直线驱动的步行机器人腿部构型，其特征在于，所述足尖结构采用圆形结构。
6.根据权利要求1所述的直线驱动的步行机器人腿部构型，其特征在于，直线驱动部件(15)采用如下任一种形式：
-液压缸驱动；
-旋转电机驱动丝杠传动；
-直线电机驱动。
7.一种并联六足步行机器人，其特征在于，包括机器人机架X和布置于机器人机架X上的六条上述直线驱动的步行机器人腿部构型，六条所述直线驱动的步行机器人腿部构型的侧摆块(1)通过转动铰链a在机器人机架X的下方前后对称布置或同向布置，实现直线驱动的步行机器人腿部构型的腿部伸缩机构左右摆动，所述并联驱动机构和直线驱动机构分别设置于机器人机架X的上方，其中，所述转动铰链g(8)与机器人机架X相连。
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