CN105216901A - 一种步行机器人的并联四自由度腿部机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步行机器人的并联四自由度腿部机构，包括机架、大腿杆、小腿杆、大腿转动机构和小腿转动机构；机架与步行机器人连接，大腿杆、小腿杆在机架下方从上到下依次设置，且大腿杆一端与机架铰接，小腿杆一端与大腿杆另一端铰接，大腿转动机构一端滑动安装在机架上，大腿转动机构的另一端与大腿杆中部铰接，小腿转动机构一端滑动安装在机架上，小腿转动机构另一端与小腿杆靠近大腿杆的端部铰接。本发明具有较好动力学性能，解决现有的串联关节刚度差、能耗大和动力性能较差的问题，同时也解决了目前旋转直驱动力的转矩不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及步行机器人技术领域，尤其涉及一种步行机器人的并联四自由度腿部机构。
背景技术
目前国内外机器人可以分为串联机器人和并联机器人，按运动机构可以分为轮式、腿式和履带式，各具有各自的优缺点。其中腿式机器人即步行机器人以其优越的机动性和复杂环境下的适应性得到了广泛的关注，对于步行机器人腿部结构、性能直接影响到整机性能。
目前国内外步行机器人髋关节多为串联形式，下级的驱动器安装在上级驱动的执行件上，这样加重了驱动的负载，刚度差、能耗大和动力学性能较差。而目前较为常用的旋转电机直驱的并联机器人，由于转矩有限，导致负载能力不足，且电机没有得到充分利用。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种步行机器人的并联四自由度腿部机构，具有较好动力学性能，解决现有的串联关节刚度差、能耗大和动力性能较差的问题，同时也解决了目前旋转直驱动力的转矩不足的问题。
本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构，包括机架、大腿杆、小腿杆、大腿转动机构和小腿转动机构；机架与步行机器人连接，大腿杆、小腿杆在机架下方从上到下依次设置，且大腿杆一端与机架铰接，小腿杆一端与大腿杆另一端铰接，大腿转动机构一端滑动安装在机架上，大腿转动机构的另一端与大腿杆中部铰接，小腿转动机构一端滑动安装在机架上，小腿转动机构另一端与小腿杆靠近大腿杆的端部铰接。
优选地，大腿杆一端通过髋关节虎克铰与机架连接，小腿杆一端与大腿杆另一端通过膝关节虎克铰连接。
优选地，髋关节虎克铰、膝关节虎克铰结构相同，均包括第一回转轴和第二回转轴，第一回转轴具第一回转线，第二回转轴可相对第一回转轴转动，第二回转轴呈U形，第二回转轴具有第二回转线，第一回转线与第二回转线正交并交于第二回转线中点。本发明中，大腿杆与髋关节虎克铰的第二回转线铰接，髋关节虎克铰的第一回转线与机架铰接；小腿杆与膝关节虎克铰的第二回转线铰接，膝关节虎克铰的第一回转线与大腿杆铰接。
优选地，大腿转动机构包括两个第一线性模组、两个第一连杆和一个第一球头转轴，两个第一线性模组沿机架预设方向平行设置，两个第一线性模组位于机架中部，两个第一线性模组上均分别设有第一滑块，两个第一连杆一端分别通过球铰与两个第一滑块铰接，两个第一连杆另一端通过转动副相连接，其中一个第一连杆与第一球头转轴固连，第一球头转轴设置在大腿杆的中部。
优选地，小腿转动机构包括两个第二线性模组、两个第二连杆和一个第二球头转轴，两个第二线性模组沿机架预设方向平行设置，两个第二线性模组分别位于两个第一线性模组外侧，两个第二线性模组上均设有第二滑块，两个第二连杆一端分别通过球铰与两个第二滑块铰接，两个第二连杆另一端通过转动副相连接，其中一个第二连杆与第二球头转轴固连，第二球头转轴设置在小腿杆靠近大腿杆一端的端部。
优选地，第一球头转轴、第二球头转轴均包括一个球头和一个通过球头的转轴，球心与大腿杆或小腿杆上的球帽形成球副，其中一个第一连杆或第二连杆与转轴固定连接。
本发明提供的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构，大腿转动机构和小腿转动机构的各杆件之间在工作空间范围内不干涉，四个线性模组均固定在机架上，且互相独立运动，为并联关系。采用四自由度机构使得该腿部比三自由度腿部的运动更加灵活，具有更强的环境适应性；采用完全并联结构使得该四自由度腿部机构的刚度大大增强；所有驱动的线性模组均固连于机架上，使得腿部负载大大降低，减小了腿部的惯量，使腿部的运动更加轻便；采用了解耦形式，使得大腿的姿态通过大腿转动机构完全确定，并且在大腿姿态确定后，小腿的姿态可以通过小腿转动机构完全确定；整个机构采用了对称布局，使其具有更好的适应性，即兼顾左右侧腿部需求；整机结构紧凑合理，运动稳定可靠，具有较大的运动空间。
附图说明
图1为本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构的结构示意图。
图2为本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构中第一球头转轴或第二球头转轴的结构示意图。
图3为本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构中髋关节虎克铰或膝关节虎克铰的结构示意图。
图中，1、机架；2、第一线性模组；3、第二线性模组；4、第一滑块；5、第二滑块；6、第一连杆；7、第一球头转轴；8、第二连杆；9、第二球头转轴；10、髋关节虎克铰；11、膝关节虎克铰；12、大腿杆；13、小腿杆；14、第一回转轴；15、第二回转轴；16、球头；17、转轴。
具体实施方式
如图1-3所示，图1为本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构的结构示意图；图2为本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构中第一球头转轴或第二球头转轴的结构示意图；图3为本发明提出的一种步行机器人的并联四自由度腿部机构中髋关节虎克铰或膝关节虎克铰的结构示意图。
参照图1-3，一种步行机器人的并联四自由度腿部机构，包括机架1、大腿杆12、小腿杆13、大腿转动机构和小腿转动机构；机架1与步行机器人连接，大腿杆12、小腿杆13在机架1下方从上到下依次设置，大腿杆12一端通过髋关节虎克铰10与机架1连接，小腿杆13一端与大腿杆12另一端通过膝关节虎克铰11连接，大腿转动机构一端滑动安装在机架1上，大腿转动机构的另一端与大腿杆12中部铰接，小腿转动机构一端滑动安装在机架1上，小腿转动机构另一端与小腿杆13靠近大腿杆12的端部铰接。
本发明中，髋关节虎克铰10、膝关节虎克铰11结构相同，均包括第一回转轴14和第二回转轴15，第一回转轴14具第一回转线，第二回转轴15可相对第一回转轴14转动，第二回转轴15呈U形，第二回转轴15具有第二回转线，第一回转线与第二回转线正交并交于第二回转线中点。本实施例中，大腿杆12与髋关节虎克铰10的第二回转线铰接，髋关节虎克铰10的第一回转线与机架1铰接；小腿杆13与膝关节虎克铰11的第二回转线铰接，膝关节虎克铰11的第一回转线与大腿杆12铰接。
本发明中，大腿转动机构包括两个第一线性模组2、两个第一连杆6和一个第一球头转轴7，两个第一线性模组2沿机1架预设方向平行设置，两个第一线性模组2位于机架1中部，两个第一线性模组2上均分别设有第一滑块4，两个第一连杆6一端分别通过球铰与两个第一滑块4铰接，两个第一连杆6另一端通过转动副相连接，其中一个第一连杆6与第一球头转轴7固连，第一球头转轴7设置在大腿杆12的中部。
本发明中，小腿转动机构包括两个第二线性模组3、两个第二连杆8和一个第二球头转轴9，两个第二线性模组3沿机架1预设方向平行设置，两个第二线性模组3分别位于两个第一线性模2组外侧，两个第二线性模组3上均设有第二滑块5，两个第二连杆8一端分别通过球铰与两个第二滑块5铰接，两个第二连杆8另一端通过转动副相连接，其中一个第二连杆8与第二球头转轴9固连，第二球头转轴9设置在小腿杆13靠近大腿杆12一端的端部。
上述大腿转动机构和小腿转动机构，第一球头转轴7、第二球头转轴9均包括一个球头16和一个通过球头的转轴17，球头16与大腿杆12或小腿杆13上的球帽形成球副，其中一个第一连杆6或第二连杆8与转轴17固定连接。
本发明具有较好动力学性能，解决现有的串联关节刚度差、能耗大和动力性能较差的问题，同时也解决了目前旋转直驱动力的转矩不足的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种步行机器人的并联四自由度腿部机构，其特征在于，包括机架、大腿杆、小腿杆、大腿转动机构和小腿转动机构；机架与步行机器人连接，大腿杆、小腿杆在机架下方从上到下依次设置，且大腿杆一端与机架铰接，小腿杆一端与大腿杆另一端铰接，大腿转动机构一端滑动安装在机架上，大腿转动机构的另一端与大腿杆中部铰接，小腿转动机构一端滑动安装在机架上，小腿转动机构另一端与小腿杆靠近大腿杆的端部铰接。
2.根据权利要求1所述的步行机器人的并联四自由度腿部机构，其特征在于，大腿杆一端通过髋关节虎克铰与机架连接，小腿杆一端与大腿杆另一端通过膝关节虎克铰连接。
3.根据权利要求2所述的步行机器人的并联四自由度腿部机构，其特征在于，髋关节虎克铰、膝关节虎克铰结构相同，均包括第一回转轴和第二回转轴，第一回转轴具第一回转线，第二回转轴可相对第一回转轴转动，第二回转轴呈U形，第二回转轴具有第二回转线，第一回转线与第二回转线正交并交于第二回转线中点。
4.根据权利要求1所述的步行机器人的并联四自由度腿部机构，其特征在于，大腿转动机构包括两个第一线性模组、两个第一连杆和一个第一球头转轴，两个第一线性模组沿机架预设方向平行设置，两个第一线性模组位于机架中部，两个第一线性模组上均分别设有第一滑块，两个第一连杆一端分别通过球铰与两个第一滑块铰接，两个第一连杆另一端通过转动副相连接，其中一个第一连杆与第一球头转轴固连，第一球头转轴设置在大腿杆的中部。
5.根据权利要求1所述的步行机器人的并联四自由度腿部机构，其特征在于，小腿转动机构包括两个第二线性模组、两个第二连杆和一个第二球头转轴，两个第二线性模组沿机架预设方向平行设置，两个第二线性模组分别位于两个第一线性模组外侧，两个第二线性模组上均设有第二滑块，两个第二连杆一端分别通过球铰与两个第二滑块铰接，两个第二连杆另一端通过转动副相连接，其中一个第二连杆与第二球头转轴固连，第二球头转轴设置在小腿杆靠近大腿杆一端的端部。
6.根据权利要求4或5所述的步行机器人的并联四自由度腿部机构，其特征在于，第一球头转轴、第二球头转轴均包括一个球头和一个通过球头的转轴，球心与大腿杆或小腿杆上的球帽形成球副，其中一个第一连杆或第二连杆与转轴固定连接。
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