CN105711676A - 四自由度串并混联机器人腿部构型及步行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四自由度串并混联机器人腿部构型及具有该构型的步行机器人，属于机器人领域，所述机器人腿部构型包括静平台和动平台，所述静平台包括底盘和固定在所述底盘下方的支座，所述动平台包括支腿，所述静平台和动平台之间设置有串并混联驱动机构，所述串并混联驱动机构包括转动驱动器、第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器、U副连接块、R副连接块和连杆，所述静平台和动平台之间形成有R?2RPR?R的主驱动支链和UPR的副驱动支链。本发明结构简单灵活，机构轻便，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、机动性和重载作业的问题。

Description

四自由度串并混联机器人腿部构型及步行机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是指一种四自由度串并混联机器人腿部构型及具有该构型的步行机器人。
背景技术
足式机器人(步行器)与轮式机器人的最大区别在于，足式机器人具有更高的机动能力和越障能力，能够灵活选取独立的落脚点来完成运动过程，所以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、沉船、厂房区内毒气泄漏等，一般的器械都无法有效、快速的将探测、救援设备运送到目的地。
在足式机器人腿部结构设计方面，传统的串联式腿结构机器人由于腿部安装了驱动器和相应的传感器，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。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，同时使机器人机身运动更加平稳。并联式腿结构的驱动器集中布置，利于机体防护。
但现有并联式腿结构通常形式复杂、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，机构轻便的腿部结构对于军用、民用足式机器人的研究有着重要的实际意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单灵活，机构轻便的四自由度串并混联机器人腿部构型及具有该构型的步行机器人。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一方面，提供一种四自由度串并混联机器人腿部构型，包括静平台和动平台，所述静平台包括底盘和固定在所述底盘下方的支座，所述动平台包括支腿，其中：
所述静平台和动平台之间设置有串并混联驱动机构，所述串并混联驱动机构包括转动驱动器、第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器、U副连接块、R副连接块和连杆；
所述转动驱动器横向设置在所述底盘的侧面，所述第一直线驱动器和第二直线驱动器的一端分别铰接在所述转动驱动器的两端，另一端分别铰接在所述连杆的两端，所述支腿的上端铰接在所述连杆上，从而在所述静平台和动平台之间形成R-2RPR-R的主驱动支链；
所述第三直线驱动器的一端通过所述U副连接块连接在所述支座上，另一端通过所述R副连接块连接在所述支腿的中上部，从而在所述静平台和动平台之间形成UPR的副驱动支链。
另一方面，提供一种步行机器人，包括搭载平台，所述搭载平台的下部设置有上述的四自由度串并混联机器人腿部构型。
本发明具有以下有益效果：
本发明结构简单灵活，机构轻便，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、机动性和重载作业的问题。
附图说明
图1为本发明的四自由度串并混联机器人腿部构型的结构示意图；
图2为本发明采用图1所示腿部构型的步行机器人的结构示意图；
图3为本发明图1所示腿部结构的构型简图。
具体实施方式
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。
一方面，本发明提供一种四自由度串并混联机器人腿部构型，如图1-3所示，包括静平台15和动平台16，静平台15包括底盘1和固定在底盘1下方的支座2，动平台16包括支腿3，其中：
静平台15和动平台16之间设置有串并混联驱动机构，该串并混联驱动机构包括转动驱动器4、第一直线驱动器5、第二直线驱动器6、第三直线驱动器7、U副(即万向节副)连接块8、R副(即转动副)连接块9和连杆10；
转动驱动器4横向设置在底盘1的侧面(形成R1转动副)，第一直线驱动器5和第二直线驱动器6的一端分别铰接在转动驱动器4的两端(形成R2、R3转动副)，另一端分别铰接在连杆10的两端(形成R4、R5转动副，第一直线驱动器5和第二直线驱动器6自身作为P1、P2连接副)，支腿3的上端铰接在连杆10上(形成R6转动副)，从而在静平台15和动平台16之间形成R-2RPR-R的主驱动支链(底盘1为主驱动支链提供两个支点)；
第三直线驱动器7的一端通过U副连接块8连接在支座2上，另一端通过R副连接块9连接在支腿的中上部(形成R7转动副，第三直线驱动器7自身作为P3连接副)，从而在静平台15和动平台16之间形成UPR的副驱动支链(支座2为副驱动链提供支点)。
应用时，通过控制串并混联驱动机构来调整和控制支腿的移动，具体的，主驱动支链方面，通过转动驱动器4、第一直线驱动器5和第二直线驱动器6来实现控制支腿3的上端，副驱动支链方面，通过第三直线驱动器7来配合实现调整支腿3的移动。
采用上述腿部构型形成的机器人，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。因此，与现有技术相比，本发明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。
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。
本发明中，为了较好的实现对支腿3的调节，优选的，第一直线驱动器5、第二直线驱动器6与转动驱动器4的铰接轴沿竖向方向；第三直线驱动器7与支腿3之间的铰接轴沿横向方向。另外，优选的，第一直线驱动器5、第二直线驱动器6与连杆10之间的铰接轴沿竖向方向。
为了方便实现支腿3的上端与连杆10之间的铰接，以及支腿3的中上部与第三直线驱动器7之间的铰接，优选的，支腿3的上端设置有中空的T型连接件11，T型连接件11的横向部分套设在连杆10上，形成所述R6转动副；T型连接件11的下端与第三直线驱动器7通过R副连接块9连接，形成所述R7转动副。
而且，支腿3的下端优选形成球型足尖结构，以适应不同地形，同时采可以采用柔韧材料降低冲击。U副连接块8具体可以由两个正交传动铰链来实现。另外，第一直线驱动器5、第二直线驱动器6和第三直线驱动器7优选采用液压缸驱动；转动驱动器4优选采用伺服电机驱动。
另一方面，本发明提供一种步行机器人，如图2所示，包括搭载平台12，搭载平台12的下部设置有上述的四自由度串并混联机器人腿部构型。由于具体结构与上相同，故此次不再赘述。搭载平台12可以保护步行机器人的控制系统设备，又可以为步行机器人提供外部拓展功能。
本发明的步行机器人中，拥有直线驱动和转动驱动，结构简单灵活，机构轻便，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、机动性和重载作业的问题。
本发明的步行机器人中，优选的，四自由度串并混联机器人腿部构型的数量为4个，对称前后分布在底盘的两侧，形成四足机器人。
本发明的工作原理为：
每一条腿部的足尖结构均有4个自由度：X、Y、Z方向的移动自由度和X方向的转动自由度。上述主驱动支链的转动驱动器、第一直线驱动器和第二直线驱动器使机器人足尖拥有X、Y、Z方向上的移动自由度和X、Z方向上的转动自由度，上述副驱动支链限制了足尖Z方向上的转动自由度，并使4个驱动器充分定义4个自由度。通过转动驱动器和直线驱动器的协调运动，实现腿部杆的空间三维输出。
综上，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过驱动腿部上方的串并混联驱动机构控制腿部足尖的三维空间运动，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、本发明使腿部的驱动装置集中在步行机器人的主体部分利于防护，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。
3、拥有搭载平台，能够装载各项侦测、维修、抢险等具备复杂功能的拓展造作设备，并且4自由度腿部机构在足尖固定不动的情况下也可以灵活调整主体姿态，保证拓展设备的工作状态。
4、足部杆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、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。
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 (9)

1.一种四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，包括静平台和动平台，所述静平台包括底盘和固定在所述底盘下方的支座，所述动平台包括支腿，其中：
所述静平台和动平台之间设置有串并混联驱动机构，所述串并混联驱动机构包括转动驱动器、第一直线驱动器、第二直线驱动器、第三直线驱动器、U副连接块、R副连接块和连杆；
所述转动驱动器横向设置在所述底盘的侧面，所述第一直线驱动器和第二直线驱动器的一端分别铰接在所述转动驱动器的两端，另一端分别铰接在所述连杆的两端，所述支腿的上端铰接在所述连杆上，从而在所述静平台和动平台之间形成R-2RPR-R的主驱动支链；
所述第三直线驱动器的一端通过所述U副连接块连接在所述支座上，另一端通过所述R副连接块连接在所述支腿的中上部，从而在所述静平台和动平台之间形成UPR的副驱动支链。
2.根据权利要求1所述的四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述第一和第二直线驱动器与所述转动驱动器的铰接轴沿竖向方向；所述第三直线驱动器与所述支腿之间的铰接轴沿横向方向。
3.根据权利要求2所述的四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述第一和第二直线驱动器与所述连杆之间的铰接轴沿竖向方向。
4.根据权利要求1-3中任一所述的四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述支腿的上端设置有中空的T型连接件，所述T型连接件的横向部分套设在所述连杆上，形成R转动副；所述T型连接件的下端与所述第三直线驱动器通过所述R副连接块连接。
5.根据权利要求4所述的四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述支腿的下端形成球型足尖结构。
6.根据权利要求5所述的四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述U副连接块包括两个正交传动铰链。
7.根据权利要求6所述的四自由度串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述第一、第二和第三直线驱动器采用液压缸驱动；所述转动驱动器采用伺服电机驱动。
8.一种步行机器人，其特征在于，包括搭载平台，所述搭载平台的下部设置有权利要求1-7中任一所述的四自由度串并混联机器人腿部构型。
9.根据权利要求8所述的步行机器人，其特征在于，所述四自由度串并混联机器人腿部构型的数量为4个，对称前后分布在所述底盘的两侧，形成四足机器人。
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