CN105583808A - 一种轮-腿复合球面并联机构 - Google Patents

一种轮-腿复合球面并联机构 Download PDF

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    • B25J9/003Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0072Programme-controlled manipulators having parallel kinematics of the hybrid type, i.e. having different kinematics chains

Abstract

本发明公开了一种轮-腿复合球面并联机构,属于机器人领域。所述轮-腿复合球面并联机构包括静平台和动平台,所述静平台和动平台之间设置有两条RUHU运动支链、一条RUPR运动支链(被动约束支链)和一条RUR中间运动传递支链。本发明中,两条RUHU运动支链及RUR中间运动支链共同构成了一种新型的球面二自由度的轮-腿复合并联机构。本发明利用新型球面并联机构改变了轮的空间运动姿态,从而实现了水下机器人行走时的转向和越障的姿态调整动作。本发明具有结构简单,安装便利,控制方便,转向、越障性能好等特点。

Description

一种轮-腿复合球面并联机构
技术领域
[0001 ]本发明涉及机器人领域,特别是指一种轮-腿复合球面并联机构。
背景技术
[0002]地形沟壑纵横,高低不平,且存在障碍物,因此具有单一功能的移动机器人(例如轮式、腿足式和履式)也就不能够满足具有多重特征的海洋环境。轮-腿复合移动方式兼有轮式移动的高效性及腿式移动的良好越障性能,是复合式当中研究较多的一种。但遗憾的是,现有轮-腿复合移动方式只实现了轮子和腿足间功能上的简单组合,而结构上两者是完全独立的,并没有融合为一体,因此它们在不同地形条件下实现不同移动方式间的转换,一般还须增加专门的辅助机构,这样使得腿机构更加复杂且不够灵活。
[0003]更为严重的是,大多数轮-腿复合式腿机构采用串联机构,这样不仅使关节驱动电机密闭封装困难,而且存在转弯半径小、自重负荷比大和姿态单调等不足之处。与一般轮-腿复合移动方式不同,并联多腿足姿态调整的轮-腿复合移动方式除了能提供轮子转动驱动外,还能根据机器人移动操纵任务需求产生其它多维方向上的轮子空间姿态调整运动,从而使海洋移动机器人能以形态各异的轮子空间姿态自适应海洋环境,这极大地提高了机器人的地形适应和避障能力。少自由度并联机构具有自由度少、刚度重量比大、运动姿态丰富、动态性能和承载能力强等优点,为此提出基于少自由度轮-腿复合式并联腿机构创新设计理念。
发明内容
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种轮-腿复合球面并联机构及具有该机构的水下机器人,其能够实现轮腿多姿态的球面工作空间,提高水下机器人转向和越障能力。
[0005]为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
[0006] —方面,提供一种轮-腿复合球面并联机构,包括静平台和动平台,其中:
[0007]所述静平台为半圆形,所述动平台为方块形;
[0008]所述静平台的一端和所述动平台的一端之间依次设置有第一转动副、第一万向节、第一螺旋副和第二万向节,从而形成第一 RUHU运动支链,其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的第一电机驱动;
[0009]所述静平台的上端和所述动平台的上端之间依次设置有第二转动副、第三万向节、第二螺旋副和第四万向节,从而形成第二 RUHU运动支链,其中所述第二转动副由设置在所述静平台上的第二电机驱动;
[0010]所述静平台的另一端和所述动平台的另一端之间依次设置有第三转动副、第五万向节、移动副和第四转动副,从而形成RUPR运动支链,其中所述第三转动副的一端固定设置在所述静平台上;
[0011 ]所述静平台的中部设置有第一传动轴,所述动平台的中部设置有第二传动轴,所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第六万向节,从而形成RUR中间运动传递支链,所述第二传动轴的末端设置有轮子。
[0012]另一方面,提供一种水下机器人,包括机器人外壳,所述机器人外壳的下部设置有上述的轮-腿复合球面并联机构,所述机器人外壳内设置有主轴电机,所述主轴电机驱动连接所述轮-腿复合球面并联机构的第一传动轴。
[0013]进一步的,所述轮-腿复合球面并联机构的数量为4个,对称前后分布在所述机器人外壳的两侧,形成四足机器人。
[0014]进一步的,所述机器人外壳的上部设置有升降螺旋桨,所述机器人外壳的后部设置有推进螺旋桨。
[0015]本发明具有以下有益效果:
[0016] 本发明中,两条RUHU运动支链及RUR中间运动支链共同构成了一种新型的球面二自由度的轮-腿复合并联机构。本发明利用新型球面并联机构改变了轮的空间运动姿态,从而实现了水下机器人行走时的转向和越障的姿态调整动作;该并联机构只有两个自由度,三条支链,结构简单,控制方便;中间运动传递支链实现了主轴电机与轮之间的旋转运动传递。该球面并联机构与轮有机结合,实现了单机构多姿态的运动功能,与传统的串联机构相比,省去了很多关节和驱动,使水下机器人的轮-腿复合结构更加紧凑,同时该机构可单套安装使用,具有模块化应用、便于批量生产的优点;本发明的轮-腿复合球面并联机构在双电机的控制下能够实现精确控制,响应速度快,使轮子快速实现各种姿态的调整。
附图说明
[0017]图1为本发明的轮-腿复合球面并联机构的结构示意图。
具体实施方式
[0018]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0019] —方面,本发明提供一种轮-腿复合球面并联机构,如图1所示,包括静平台2和动平台9,其中:
[0020]静平台2为半圆形,动平台9为方块形;
[0021]静平台2的一端和动平台9的一端之间依次设置有第一转动副3、第一万向节4、第一螺旋副5和第二万向节7,从而形成第一 RUHU运动支链,其中第一转动副3由设置在静平台2上的第一电机I驱动;
[0022]静平台2的上端和动平台9的上端之间依次设置有第二转动副20、第三万向节19、第二螺旋副6和第四万向节8,从而形成第二 RUHU运动支链,其中第二转动副20由设置在静平台2上的第二电机21驱动;此处,需要补充说明的是,方向“上”是以整个轮-腿复合球面并联机构安装在机器人外壳上以机器人的方向为基准来描述的,具体到图1中,半圆形静平台2的直线侧(图1中的内侧)为方向“下”,半圆形侧(图1中的外侧)为方向“上”。
[0023]静平台2的另一端和动平台9的另一端之间依次设置有第三转动副16、第五万向节15、移动副14和第四转动副12,从而形成RUPR运动支链,其中第三转动副16的一端固定设置在静平台2上(无动力驱动);
[0024]静平台2的中部设置有第一传动轴17,动平台9的中部设置有第二传动轴10,第一传动轴17和第二传动轴10之间设置有第六万向节13,从而形成RUR中间运动传递支链,第二传动轴1的末端设置有轮子(未不出)。
[0025]本发明的轮-腿复合球面并联机构,由静平台2、动平台9以及多条运动支链组成。其中两条RUHU运动支链,由转动副3、20、万向节4、19、螺旋副5、6、万向节7、8构成,万向节7、8—端固定在动平台9上,该两条支链呈垂直布置;第三条运动支链RUPR与上述两条运动支链中的一条对称布置,由转动副16、万向节15、移动副14、转动副12构成。两条RUHU运动支链同为驱动支链,电机1、21驱动转动副3、20,把扭矩通过万向节4、19、传递到螺旋副5、6,转化为直线运动,推动动平台9实现两个自由度的转动,RUPR运动支链为被动约束支链(无动力源),转动副12限制了动平台9的Z方向的转动自由度,使动平台9只能绕X、Y轴转动,移动副14、转动副16、万向节15作为RUPR运动支链两个驱动的被动约束,保证机构整体的稳定。通过控制电机1、21的转速以及转向,实现轮子前进时所需的多种姿态。该新型球面并联机构具有球面机构特点,各支链位置布局简易,为轮子转向和越障提供了极大地方便。
[0026]静平台2和动平台9之间还设有具有万向节13的中间运动传递支链,主要用来将主轴的旋转运动传递到轮上,该中间运动支链分别通过转动副18、11与静平台2和动平台9连接,形成一条RUR中间运动传递支链。上述两条RUHU运动支链及RUR中间运动支链共同构成了一种新型的球面二自由度的轮-腿复合并联机构。
[0027]与现有的轮-腿复合机构相比,本发明的有益效果是:
[0028]本发明利用新型球面并联机构改变了轮的空间运动姿态,从而实现了水下机器人行走时的转向和越障的姿态调整动作;该并联机构只有两个自由度,三条支链,结构简单,控制方便;中间运动传递支链实现了主轴电机与轮之间的旋转运动传递。该球面并联机构与轮有机结合,实现了单机构多姿态的运动功能,与传统的串联机构相比,省去了很多关节和驱动,使水下机器人的轮-腿复合结构更加紧凑,同时该机构可单套安装使用,具有模块化应用、便于批量生产的优点;本发明的轮-腿复合球面并联机构在双电机的控制下能够实现精确控制,响应速度快,使轮子快速实现各种姿态的调整。
[0029]为了方便实现两条RUHU运动支链的驱动功能和RUPR运动支链的约束功能,第一转动副3、第二转动副20和第三转动副16的轴线优选垂直于静平台2。第四转动副12的轴线优选位于动平台9所在的平面内。而且,动平台9的长度小于静平台2的长度,动平台9的长度一般小于轮子的直径,静平台2的长度一般为轮子直径的2-3倍为佳,当然,本领域技术人员还可以根据实际情况需要综合灵活设置动平台9和静平台2的长度。另外,第一万向节4、第二万向节7、第三万向节19、第四万向节8、第五万向节15和第六万向节13具体实施时均可以均包括两个正交传动铰链。
[0030]另一方面,本发明提供一种水下机器人,包括机器人外壳,机器人外壳的下部设置有上述的轮-腿复合球面并联机构,机器人外壳内设置有主轴电机,主轴电机驱动连接轮-腿复合球面并联机构的第一传动轴17。
[0031]优选的,轮-腿复合球面并联机构的数量为4个,对称前后分布在机器人外壳的两侧,形成四足机器人。4个轮-腿复合球面并联机构可以两两之间通过差速器链接,以实现在转向和越障过程中两个轮子实现不同的转速,以防止打滑和卡死的状况。
[0032]进一步的,机器人外壳的上部可以设置有升降螺旋桨,以实现在水中游动状态使的驱动与转向(控制两个螺旋桨的转速来实现),机器人外壳的后部可以设置有推进螺旋桨,具体可以为两个,负责机器人在水中的升降。
[0033]综上,本发明的水下机器人采用轮-腿复合球面并联机构与螺旋桨推进、升降机构结合的方案,使该机器人既可以靠螺旋桨在水中游动,也可以在复杂的海底路面上越障行走;本发明结构简单,两条驱动支链相同与被动约束支链一起构成非对称支链,该并联机构自由度少只有两个,只需要控制两个电机的转速转向就可以实现各种姿态,控制简单;本发明具有结构简单,安装便利,控制方便,转向、越障性能好等特点。
[0034]以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种轮-腿复合球面并联机构,其特征在于,包括静平台和动平台,其中: 所述静平台为半圆形,所述动平台为方块形; 所述静平台的一端和所述动平台的一端之间依次设置有第一转动副、第一万向节、第一螺旋副和第二万向节,从而形成第一 RUHU运动支链,其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的第一电机驱动; 所述静平台的上端和所述动平台的上端之间依次设置有第二转动副、第三万向节、第二螺旋副和第四万向节,从而形成第二 RUHU运动支链,其中所述第二转动副由设置在所述静平台上的第二电机驱动; 所述静平台的另一端和所述动平台的另一端之间依次设置有第三转动副、第五万向节、移动副和第四转动副,从而形成RUPR运动支链,其中所述第三转动副的一端固定设置在所述静平台上; 所述静平台的中部设置有第一传动轴,所述动平台的中部设置有第二传动轴,所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第六万向节,从而形成RUR中间运动传递支链,所述第二传动轴的末端设置有轮子。
2.根据权利要求1所述的轮-腿复合球面并联机构,其特征在于,所述第一转动副、第二转动副和第三转动副的轴线垂直于所述静平台。
3.根据权利要求1所述的轮-腿复合球面并联机构,其特征在于,所述第四转动副的轴线位于所述动平台所在的平面内。
4.根据权利要求1所述的轮-腿复合球面并联机构,其特征在于,所述动平台的长度小于所述静平台的长度。
5.根据权利要求1-4中任一所述的轮-腿复合球面并联机构,其特征在于,所述第一万向节、第二万向节、第三万向节、第四万向节、第五万向节和第六万向节均包括两个正交传动铰链。
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