CN104925161A - 转动驱动的并联六足步行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动驱动的并联六足步行机器人，包括机架以及六条并联驱动腿，所述六条并联驱动腿均布于机架上并对称安装，其中每一条并联驱动腿均相对机架具有三个自由度，所述机架在六条并联驱动腿的配合下具有三维平移和三维转动共六个自由度；所述每一条并联驱动腿均包括：并联驱动机构和腿部机构，所述并联驱动机构和腿部机构之间通过等效球铰a连接。所述并联驱动机构为三支链结构；所述腿部机构为四杆结构。本发明结构简单灵活，机构轻便，行走稳定，适应性好，适用于非结构地形条件下的高速、高负载运输作业。

Description

转动驱动的并联六足步行机器人

技术领域

本发明涉及步行机器人技术领域，具体是一种转动驱动的并联六足步行机器人。

背景技术

足式机器人被广泛用于复杂地面环境下的侦查、运输等任务，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，使机身能够在其他机器人难以运动的环境下完成既定任务。机器人的足数越多，稳定性就会越好，但是结构和控制就会愈加复杂。六足机器人具有较好的稳定性与作业能力，能够成为作业平台完成多种任务。在足式机器人腿部结构设计方面，并联式腿结构具有较大的刚度，可提高机器人的载重自重比，同时使机身运动更加平稳。并联腿驱动器集中布置，利于机体防护。但现有并联结构腿通常形式复杂、构件数目较多、驱动器布置容易干涉、工作空间小，阻碍了高速高承载能力的发挥。因此，提供一种结构简单灵活，机构轻便的六足机器人，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，提供了一种转动驱动的并联六足步行机器人，该机器人足数多、稳定性好，同时具有结构简单、活动灵活的特点，可以解决现有并联结构步行机器人结构复杂、布置繁琐、易干涉的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种转动驱动的并联六足步行机器人，包括机架以及六条并联驱动腿，所述六条并联驱动腿均布于机架上并对称安装，其中每一条并联驱动腿均相对机架具有三个自由度，所述机架在六条并联驱动腿的配合下具有三维平移和三维转动共六个自由度；

所述每一条并联驱动腿均包括：并联驱动机构和腿部机构，所述并联驱动机构和腿部机构之间通过等效球铰a连接。

优选地，所述并联驱动机构为三支链结构，包括第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链和动平台；其中，所述第一驱动支链包括摇杆a和连杆a，所述摇杆a的一端通过转动副连接到机架上，摇杆a的另一端通过虎克铰与连杆a的一端活动连接；所述连杆a的另一端固连动平台；所述第二驱动支链和第三驱动支链均包括摇杆b和连杆b，所述摇杆b的一端通过转动副连接到机架上，摇杆b的另一端通过虎克铰与连杆b的一端活动连接，所述连杆b的另一端通过球副与动平台活动连接；所述动平台的末端通过等效球铰a与腿部机构连接。

优选地，所述并联驱动机构还包括直流伺服电机，所述直流伺服电机固定于机架上，所述摇杆a和摇杆b分别通过直流伺服电机直接驱动。

优选地，所述第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链具有任意的空间布置形式。

优选地，所述腿部机构包括驱动杆、连架杆、腿部连杆和小腿杆件；其中，所述连架杆的两端分别与驱动杆的一端和小腿杆件活动连接，所述连架杆同时与机架活动连接，所述驱动杆的另一端通过等效球铰a与动平台连接，所述腿部连杆的两端分别活动连接到驱动杆和小腿杆件上。

优选地，所述小腿杆件的末端安装有足部缓冲结构。

优选地，所述腿部机构的驱动杆、连架杆、腿部连杆和小腿杆件位于同一平面上，形成平面四杆机构；其中，连架杆与机架通过虎克铰连接，使所述平面四杆机构能够相对机架进行侧向摆动。

本发明提供的转动驱动的并联六足步行机器人，并联驱动机构为三支链结构，三个直流伺服电机分别直接驱动三根摇杆，进而通过三根连杆控制动平台的三维运动，动平台驱动腿部机构进行空间运动；腿部机构为四杆结构，连架杆的中间部位铰接于机架上，两端分别铰接驱动杆和小腿杆件。驱动杆和小腿杆件在另一端由腿部连杆连接；驱动杆一端通过等效球铰连接到动平台上。六条并联驱动腿采用相同的腿部形式，通过一定的步态可以实现机器人的全方位运动。本发明结构简单灵活，机构轻便，行走稳定，适应性好，适用于非结构地形条件下的高速、高负载运输作业。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、通过伺服电机直接驱动并联驱动机构的摇杆，选取合适的伺服电机与杆件长度，来满足驱动需求，省去了复杂笨重的减速传动机构，使并联驱动机构的构件数量大大减少，易于空间布置，防止机器人运动过程中的自身干涉。轻便的驱动机构能够降低六足步行机器人的自重，同时提升机器人的运动速度与负载能力。

2、并联驱动机构置于腿部机构上方，主要运动部件是摇杆，可以通过质量分配将并联驱动腿的重心置于髋关节处，最大程度地降低腿部机构的转动惯量，在不影响腿部机构刚度与强度的前提下进一步提升运动速度。

3、腿部机构由一套平面四杆机构组成，所述平面四杆机构的连架杆与机架通过虎克铰连接，在保证足尖拥有足够的运动自由度的前提下，最大程度地降低机构的复杂程度与设计、分析、控制的难度，也进一步减少了机器人运动过程中因为结构繁琐而产生的自身干涉，扩大了并联机构的运动空间。

4、六足步行机器人的每一条并联驱动腿自身结构简单、轻便，在相同的机身尺寸限制下，为机器人的其他负载设备提供了充足的空间。六条并联驱动腿采用相同的结构形式，通过不同的布置方式，可以实现步行机器人不同的运动特点。当六条腿分为两组，左右并排贴合安装时，可以容许较为瘦长的机架设计，使机器人轻易通过狭窄地带。当六条腿呈中心对称布置时，机身中部留有很大空间用于装载作业设备，机器人运动及其平稳，适于长时间高稳定性作业。

5、本发明是一个六自由度冗余驱动集行走、操作一体的移动平台，用于运动的并联驱动腿结构简单灵活，机构轻便，避免自身干涉，运动空间大，行走稳定，适应性好，适用于非结构地形条件下的高速、高负载运输作业。

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是本发明的结构示意图。

图2是本发明其中一条并联驱动机械腿的细节图。

图中：1为机架、2为并联机械腿，3为伺服电机、4为驱动摇杆、5为驱动连杆、6为动平台、7为驱动杆、8为连架杆、9为腿部连杆、10为小腿杆件、11为足部。

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转动驱动的并联六足步行机器人，包括机架和六条并联驱动腿。所述并联驱动腿安装于机架上，包括并联驱动机构和腿部机构。并联驱动机构为三支链结构，包括驱动电机、三根摇杆、三根连杆及动平台。三个驱动电机固定在机架上，分别直接驱动三根摇杆，通过三根连杆控制动平台的三维运动，动平台驱动腿部机构进行空间运动；腿部机构为四杆结构，包括驱动杆、连架杆、腿部连杆及小腿杆件。连架杆中间铰接于机架上，两端分别铰接驱动杆和小腿杆件。驱动杆和小腿杆件在另一端由腿部连杆连接。驱动杆一端通过等效球铰连接到动平台上。小腿杆件末端有足部缓冲机构。六条并联驱动腿采用相同的腿部形式，通过一定的步态可以实现机器人的全方位运动。

依照本发明较佳实施例所述的并联驱动六足步行机器人，安装有六条并联驱动腿，每一条并联驱动腿包括并联驱动机构和腿部机构，两者之间由一个等效球铰连接。

依照本发明较佳实施例，所述的每一个并联驱动机构，包括第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链及动平台。所述第一驱动支链包括摇杆a和连杆a，所述摇杆a一端通过转动副连接到机架上，另一端通过虎克铰和连杆a活动连接；所述连杆a另一端固连一个动平台。所述第二驱动支链和第三驱动支链均包括摇杆b和连杆b，所述摇杆b一端通过转动副连接到机架上，另一端通过虎克铰和连杆b活动连接，所述连杆b另一端通过球副与动平台活动连接。所述动平台末端通过上述等效球铰与腿部机构连接。

进一步地，每一条驱动支链的摇杆分别由一个直流伺服电机直接驱动。

进一步地，三条驱动支链的摇杆运动平面在空间相互平行，第一驱动支链摇杆运动平面与对应的并联驱动腿的运动矢状面重叠，第二第三支链摇杆运动平面均布在对应的并联驱动腿的运动矢状面两侧。

进一步地，并联驱动腿的腿部机构为四杆结构，包括：驱动杆、连架杆、腿部连杆及小腿杆件构成。连架杆两端分别与驱动杆和小腿杆件活动连接，连架杆同时与机架活动连接，驱动杆另一端通过上述等效球铰与并联驱动机构的动平台连接，腿部连杆两端分别活动连接到驱动杆及小腿杆件上。

进一步地，腿部机构的小腿杆件末端安装有足部缓冲结构。

进一步地，腿部机构的所有杆件位于同一平面上，形成平面四杆机构，足尖在所述平面上有两个自由度，拥有二维运动能力。连架杆与机架通过虎克铰连接，使所述平面四杆机构能够相对机架进行侧向摆动。足尖相对于机架有三个自由度，拥有三维空间运动能力。

以下结合附图对本实施例进一步描述。

本实施例提供的转动驱动的并联六足步行机器人，包括机架以及分两组对称安装在机架两侧的六条并联机械腿；所述的六条并联腿的机构相同，各自的驱动系统也相同。

如图1和图2所示的转动驱动的并联六足步行机器人，1为机架，六条并联驱动腿2安装于机架1两侧，每一条并联驱动腿包括并联驱动机构和腿部机构。并联驱动机构包括三个伺服电机3，三根驱动摇杆4，三根驱动连杆5及动平台6。腿部机构由驱动杆7、连架杆8、腿部连杆9，小腿杆件10及足部11构成。伺服电机3固定在机架1上，电机3直接带动驱动摇杆4做旋转运动，驱动摇杆4通过A处的虎克铰与驱动连杆5连接，组成驱动支链(共三条)。最外侧的驱动支链与动平台6固定连接，两侧的驱动支链通过B处的球铰与动平台6活动连接。动平台6通过C处的球铰与驱动杆7活动连接，驱动杆7中部通过转动副与连架杆8连接，驱动杆7另一端通过转动副与腿部连杆9连接。连架杆通过D处的虎克铰与机架活动连接。小腿杆件10一端通过转动副与连架杆8连接，小腿杆件10中部通过转动副与腿部连杆9连接，小腿杆件10另一端固定有足部缓冲机构11。上述的转动副轴线互相平行，且都垂直与并联驱动腿的矢状面。

在本实施例中：

机器人机架、六组驱动系统和六组腿部机构。其中，机器人机架部分是一个支架平台，可以装载重物或搭载设备，在六条机械腿的配合下，身体具有三维平移和三维转动共六个自由度，能够完成既定的任务。六条腿分两组安装在身体两侧。每一条腿都通过一个驱动系统独立控制运动。驱动系统是一个简化的三支链并联机构，三支链并联机构固连在机架上，由伺服电机直接驱动，通过等效球铰和腿部机构连接。腿部机构是一个四连杆机构，通过连架杆活动连接在机架上，通过驱动杆上的等效球铰传递驱动系统三支链的运动输出，使脚尖相对于机架进行空间三维运动。

所述的机器人，采用伺服电机直接驱动转动副(驱动摇杆)，控制足尖相对于机架的三维位置，不存在复杂沉重的减速传动构件，且采用简单的四连杆机构作为腿部机构，在满足运动自由度要求的同时，保留了并联机构刚性好，易防护的优点，同时最大限度地节省了机器人本身构件的占用空间，防止了自身干涉，相当于增大了关节的运动空间，使机器人在执行任务时更加灵巧。同时，轻便简洁的机构为机架上其他设备、仪器或操作臂的布置提供了更大的空间，也不会成为机器人整体尺寸设计的瓶颈，使机器人的整体构作摆动运动型设计更为灵活，适应性更好。在机器人运动过程中，驱动系统的杆件，位于腿部与机架连接点D上方，腿部构件在连接点D下方作摆动运动，通过简单合理的质量分配，可以将整个机械腿的质心设计到摆动中心点D附近，最大限度地降低机械腿的惯性力和惯性矩，使机器人运动更加灵活快速，能耗更少。

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)

1.一种转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：包括机架以及六条并联驱动腿，所述六条并联驱动腿均布于机架上并对称安装，其中每一条并联驱动腿均相对机架具有三个自由度，所述机架在六条并联驱动腿的配合下具有三维平移和三维转动共六个自由度；

所述每一条并联驱动腿均包括：并联驱动机构和腿部机构，所述并联驱动机构和腿部机构之间通过等效球铰a连接。

2.根据权利要求1所述的转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：所述并联驱动机构为三支链结构，包括第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链和动平台；其中，所述第一驱动支链包括摇杆a和连杆a，所述摇杆a的一端通过转动副连接到机架上，摇杆a的另一端通过虎克铰与连杆a的一端活动连接；所述连杆a的另一端固连动平台；所述第二驱动支链和第三驱动支链均包括摇杆b和连杆b，所述摇杆b的一端通过转动副连接到机架上，摇杆b的另一端通过虎克铰与连杆b的一端活动连接，所述连杆b的另一端通过球副与动平台活动连接；所述动平台的末端通过等效球铰a与腿部机构连接。

3.根据权利要求2所述的转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：所述并联驱动机构还包括直流伺服电机，所述直流伺服电机固定于机架上，所述摇杆a和摇杆b分别通过直流伺服电机直接驱动。

4.根据权利要求2所述的转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：所述第一驱动支链、第二驱动支链、第三驱动支链具有任意的空间布置形式。

5.根据权利要求2所述的转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：所述腿部机构包括驱动杆、连架杆、腿部连杆和小腿杆件；其中，所述连架杆的两端分别与驱动杆的一端和小腿杆件活动连接，所述连架杆同时与机架活动连接，所述驱动杆的另一端通过等效球铰a与动平台连接，所述腿部连杆的两端分别活动连接到驱动杆和小腿杆件上。

6.根据权利要求5所述的转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：所述小腿杆件的末端安装有足部缓冲结构。

7.根据权利要求5或6所述的转动驱动的并联六足步行机器人，其特征在于：所述腿部机构的驱动杆、连架杆、腿部连杆和小腿杆件位于同一平面上，形成平面四杆机构；其中，连架杆与机架通过虎克铰连接，使所述平面四杆机构能够相对机架进行侧向摆动。