CN105128977B - 转动驱动的三维步行机器人腿部构型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转动驱动的三维步行机器人腿部构型，包括：机架、腿部伸缩机构、并联驱动机构以及转动驱动机构；所述转动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，所述腿部伸缩机构与机架相连接。本发明提供的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，具有特殊的死点位姿，在该姿态下足尖受到的地面冲击力传递不到驱动器，具有很高的抗冲击和负载能力。本发明解决了机器人在地形复杂、环境恶劣的作业条件下作业的抗冲击问题。

Description

转动驱动的三维步行机器人腿部构型

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种抗冲击负载的转动驱动的三维步行机器人腿部构型。

背景技术

目前，关于腿式机器人的研究已经逐步进入到实用阶段，已经有不少的机器人可以自带能源，在户外稳定的自主行走并执行指定的作业任务。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，例如化工厂、地震灾区、核电站等。为了拓展机器人的作业领域，常常需要将机器人以一定的方式投放到这些区域，腿式结构的承载能力常常较低，尤其是在机器人落地冲击的一瞬间。如何解决这一问题，将机器人快速派遣到作业地点是一个十分有研究价值的领域。

一般的柔性腿可以通过通过足端的弹簧、阻尼系统以及腿部的弯曲缓冲来吸收落地的能量，猫科动物在这方面给人类很好的启示。但对于体重在上吨级别的重载机器人，这种方式就不完全适用了。最主要的原因在于：冲击对驱动器的负载能力要求过高，加上冲击的瞬时性，非常容易对驱动执行单元造成损坏。现有的几百公斤以上的动物都难以抵抗哪怕若干米的跌落，现有的重载机器人也没有相关的记录。因此，这方面的研究就显得非常有必要。

另一方面，常规的机器人腿部各驱动功率需求大小相差较大，比如在行走过程中，膝关节需要较大功率的驱动器，而髋关节需要的功率较小。这对于机器人的制造成本、驱动的选型都带来了一定的不便，尤其当机器人腿部将面临冲击的情况。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无法解决重载机器人落地冲击的问题，以及驱动器功率分布不均匀等问题。为了拓展机器人的作业范围，将机器人派遣到更为复杂的环境下执行作业任务，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转动驱动的三维步行机器人腿部构型，以解决现有腿式机器人腿不能抗冲击以及驱动器功率分布不均匀等问题。

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，提供了一种转动驱动的三维步行机器人腿部构型，包括：机架、腿部伸缩机构、并联驱动机构以及转动驱动机构；所述转动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，所述腿部伸缩机构与机架相连接；其中：

所述腿部伸缩机构包括：侧摆块1、摆动杆2、传动杆a4、传动杆b5、小腿杆3和足部杆6，其中，所述侧摆块1通过转动铰链a和机架V连接，实现腿部伸缩机构左右摆动，所述侧摆块1再通过与转动铰链a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通过转动铰链c与传动杆a4相连，所述传动杆a4通过转动铰链d和传动杆b5相连，所述传动杆b5通过转动铰链e和小腿杆3相连，所述小腿杆3通过球铰以及弹簧与足部杆6相连；

所述并联驱动机构包括三个完全相同的分支，其中每一个分支均包括：驱动杆8、万向节9、连接杆10和传动组件11；其中，所述驱动杆8的一端通过转动铰链f和机架V连接，驱动杆8的另一端通过万向节9和连接杆10连接，所述连接杆10通过与其相对应的传动组件11与腿部伸缩机构的传动杆a4相连，用于驱动腿部伸缩机构运动；

所述转动驱动机构包括三组转动驱动部件7，三组转动驱动部件7分别与并联驱动机构的三个分支的驱动杆8相连，用于驱动三个分支的驱动杆8绕各自的转动轴旋转摆动。

优选地，所述传动组件11包括顺序相连的三个转动铰链g，三个转动铰链g的旋转中心交于一点，等效于一个球副铰链。

优选地，所述万向节9包括两个正交的转动铰链h。

优选地，所述足部杆6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，所述腿部伸缩机构可以达到这样的姿态：摆动杆2和小腿杆3共线，同时，并联驱动机构三个分支的驱动杆8和连接杆10也都同时共线。

优选地，所述转动驱动部件7采用如下任一种形式：

-液压马达驱动；

-旋转电机通过蜗轮蜗杆驱动；

优选地，所述转动驱动部件7通过旋转电机直接驱动或通过减速器驱动。

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a4同样具有空间三维运动能力，通过控制该传动杆a4的运动实现对足尖结构的运动控制；传动杆a4在三个相同支链上的三个转动组件11控制下实现空间三维运动，包括驱动杆8、万向节9、连接杆10、传动组件11；转动驱动部件7通过提供转动驱动力，带动驱动杆8绕转动轴往复转动，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6的空间三维运动输出。

本发明提供的便于抵抗冲击的转动驱动的三维步行机器人腿部构型。足尖结构通过并联驱动机构、转动驱动机构和腿部伸缩机构协同运动实现各种行走轨迹。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

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6，使各腿部伸缩机构具有缓冲吸振功能。

4、转动驱动部件提供转动驱动力带动驱动头，具体实现可以通过液压马达驱动，旋转电机通过蜗轮蜗杆驱动，旋转电机直接驱动或通过减速器驱动，结构简单易实现。

5、当摆动杆2和小腿杆3共线，同时，并联机构各支链的三个驱动杆8、和连接杆10也都同时共线，可以隔绝足尖冲击对驱动的作用，仅通过构件的强度抵抗足端冲击力。

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。

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为本发明转动驱动的三维步行机器人腿部构型的构件示意图；

图2为本发明转动驱动的三维步行机器人腿部构型的结构示意图；

图中：

I为第一分支，II为第二分支，III为第三分支，V为机架，X为腿部伸缩机构；

1为侧摆块，2为摆动杆，3为小腿杆，4为传动杆a，5为传动杆b，6为足部杆，7为转动驱动部件，8为驱动杆，9为万向节，10为连接杆，11为传动组件。

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转动驱动的三维步行机器人腿部构型，包括：机架、腿部伸缩机构、并联驱动机构以及转动驱动机构；所述转动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通过转动铰链a和机架V连接，实现腿部左右摆动，再通过与转动铰链a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通过转动铰链c与传动杆a4相连，传动杆a4通过转动铰链d和传动杆b5相连，所述传动杆b5通过转动铰链e和小腿杆3相连，所述小腿杆3通过球铰以及弹簧与足部杆6相连；所述并联驱动机构包括三个完全相同的分支I，II，III，各分支包括：驱动杆8、万向节9、连接杆10、传动组件11。其中，各分支驱动杆8一端和通过转动铰链f和机架V连接，另一端通过万向节9和连接杆10连接，所述连接杆10通过各自的转动组件11与腿部伸缩机构的传动杆a4相连，驱动腿部伸缩机构运动。

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和身体机架V相连，实现腿部伸缩机构的左右摆动，通过与转动铰链a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与传动杆a4相连，传动杆a4通过转动铰链d和传动杆b5相连，所述传动杆b5通过转动铰链e和小腿杆3相连，所述小腿杆3通过球铰以及弹簧与足部杆6相连。这样，足部杆6端部的足尖结构便具备三维空间中的任意运动能力。转动驱动部件7为三组，分别与并联驱动机构的三个驱动杆8相连，驱动三个驱动杆8绕各自的转动轴旋转摆动；各分支驱动杆8通过万向节9和连接杆10连接，所述连接杆10通过各自的转动组件11与腿部伸缩机构的传动杆a4相连，驱动腿部伸缩机构运动。

本实施例的核心在于，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，同时通过特定的腿部位形实现机器人对地面冲击的抵挡：

转动驱动部件7通过输出动力驱动驱动杆件8协调运动，通过驱动杆件8的协调运动，包含驱动杆8、万向节9、连接杆10、传动组件11的并联驱动机构可以实现末端传动杆a4的空间三维运动；该传动杆a4通过带动腿部伸缩机构的实现机器人腿部的空间三维运动。当摆动杆2和小腿杆3共线，同时，并联机构各支链的三个驱动杆8、和连接杆10也都同时共线时，足端的冲击不会传递到驱动部件7上，由此可以实现机器人抵挡猛烈地面冲击的效果。

本实施例组合形成的机器人整体采用的腿部构型，在特殊的腿部姿态下可以最大限度的抵抗来自地面的猛烈冲击，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在复杂、恶劣环境下作业的问题，该方法可靠性更高、更经济。

本实施例提供的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，具有特殊的死点位姿，在该姿态下足尖受到的地面冲击力传递不到驱动器，具有很高的抗冲击和负载能力。本发明解决了机器人在地形复杂、环境恶劣的作业条件下作业的抗冲击问题。

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，本实施例具有最优的抵抗地面冲击的能力；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。

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 (6)

1.一种转动驱动的三维步行机器人腿部构型，其特征在于，包括：机架V、腿部伸缩机构X、并联驱动机构以及转动驱动机构；所述转动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X驱动连接，所述腿部伸缩机构X与机架V相连接；其中：

所述腿部伸缩机构X包括：侧摆块(1)、摆动杆(2)、传动杆a(4)、传动杆b(5)、小腿杆(3)和足部杆(6)，其中，所述侧摆块(1)通过转动铰链a和机架V连接，实现腿部伸缩机构左右摆动，所述侧摆块(1)再通过与转动铰链a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)通过转动铰链c与传动杆a(4)相连，所述传动杆a(4)通过转动铰链d和传动杆b(5)相连，所述传动杆b(5)通过转动铰链e和小腿杆(3)相连，所述小腿杆(3)通过球铰以及弹簧与足部杆(6)相连；

所述并联驱动机构包括三个完全相同的分支，其中每一个分支均包括：驱动杆(8)、万向节(9)、连接杆(10)和传动组件(11)；其中，所述驱动杆(8)的一端通过转动铰链f和机架V连接，驱动杆(8)的另一端通过万向节(9)和连接杆(10)连接，所述连接杆(10)通过与其相对应的传动组件(11)与腿部伸缩机构的传动杆a(4)相连，用于驱动腿部伸缩机构运动；

所述转动驱动机构包括三组转动驱动部件(7)，三组转动驱动部件(7)分别与并联驱动机构的三个分支的驱动杆(8)相连，用于驱动三个分支的驱动杆(8)绕各自的转动轴旋转摆动。

2.根据权利要求1所述的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，其特征在于，所述传动组件(11)包括顺序相连的三个转动铰链g，三个转动铰链g的旋转中心交于一点。

3.根据权利要求1所述的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，其特征在于，所述万向节(9)包括两个正交的转动铰链h。

4.根据权利要求1所述的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，其特征在于，所述足部杆(6)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1所述的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，其特征在于，所述腿部伸缩机构的摆动杆(2)和小腿杆(3)共线，同时，并联机构的三个分支的驱动杆(8)和连接杆(10)也共线。

6.根据权利要求1所述的转动驱动的三维步行机器人腿部构型，其特征在于，所述转动驱动部件(7)采用如下任一种形式：

-液压马达驱动；

-旋转电机直接驱动或通过减速器驱动。