CN106476928A - 机构构型可变电动四足机器人 - Google Patents
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Abstract
一种机构构型可变的电动四足机器人，包括躯干以及连接在躯干上的四条腿；每条腿均由三条传动链构成，分别为第一传动链、第二传动链和第三传动链，第一传动链与躯干连接，第二传动链与第一传动链连接，第三传动链与第二传动链连接。第一传动链驱动髋关节轴旋转，第二传动链驱动大腿杆件旋转，第三传动链驱动小腿杆件运动。该四足机器人可根据具体地形变换机构构型，具备四足爬行、四足步行及部分爬行‑部分步行的多种运动模式，采用爬行机构构型时，稳定性高，能够较好地通过崎岖复杂的地形；采用步行机构构型时，行动速度快，效率高，能耗利用率高；采用电机驱动，可以极大地减小噪声，并使机械本体更加轻便灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种机构构型可变的电动四足机器人，属于足式移动机器人技术领域。
背景技术
轮式和履带式移动机器人在结构化环境下移动迅捷而平稳，但是难以穿行在树木林立、灌木丛生的复杂山林地貌环境；双足机器人在复杂环境中的平衡难以控制，且负重能力弱；六足、八足等多足机器人，体型较大不灵活且能耗高；四足机器人是最佳的多足机器人形式，具有适应复杂地形、运动灵活和越障能力强等方面的巨大优势。仿爬行动物四足机器人在行进过程中具有较高的稳定性，能够较好地通过复杂崎岖的环境；仿哺乳动物四足机器人在平坦地形中，行动速度快，效率高，能耗利用率高。
发明内容
为克服现有机器人技术中的不足，本发明提出一种机构构型可变的电动四足机器人，该机器人可根据具体地形变换机构构型，具备四足爬行、四足步行及部分爬行-部分步行的多种运动模式。
为了实现上述目的，本发明的机构构型可变电动四足机器人采用以下技术方案：
该机器人，包括躯干以及连接在躯干上的四条腿；每条腿均由三条传动链构成，分别为第一传动链、第二传动链和第三传动链，第一传动链与躯干连接，第二传动链与第一传动链连接，第三传动链与第二传动链连接。
所述第一传动链包括髋关节平台、第一电机、第一谐波减速器和髋关节轴，髋关节平台连接在躯干上，第一谐波减速器连接在髋关节平台上，第一电机连接在第一谐波减速器上，第一电机的输出轴与第一谐波减速器的输入端连接，髋关节轴连接在第一谐波减速器的输出端。
所述第二传动链包括第二电机、第二谐波减速器和大腿杆件，第一谐波减速器连接在第一传动链中的髋关节轴上，第二电机连接在第二谐波减速器上，第二电机的输出轴与第二谐波减速器的输入端相连，大腿杆件连接在第一谐波减速器的输出端。
所述第三传动链包括第三电机、第三谐波减速器、上摇臂、中间连杆、摇臂销轴、小腿杆件和脚掌，第三谐波减速器连接在第二传动链中的大腿杆件上，第三电机连接在第三谐波减速器上，第三电机的输出轴与第三谐波减速器的输入端相连，第三谐波减速器的输出端连接有上摇臂，中间连杆的两端分别与上摇臂和摇臂销轴连接，小腿杆件与摇臂销轴连接，脚掌连接在小腿杆件上，小腿杆件通过膝关节轴与第二传动链中的大腿杆件铰接在一起。
所述电机均采用盘式电机。
上述机构构型可变电动四足机器人主要适用于复杂多样的地形、地貌和地面作业环境，每条腿均具有三个主动关节，采用盘式电机进行驱动。第一传动链工作时，髋关节轴相对髋关节平台旋转；第二传动链工作时，大腿杆件相对于第一传动链中的髋关节轴旋转；第三传动链工作时，小腿杆件相对于大腿杆件旋转。当行走在地形崎岖起伏、地面软硬变化的地形环境中时，机器人可变化为爬行机构构型，从而降低重心，使运动更加平稳；当行走在平坦地形环境中时，机器人可变化为步行机构构型，从而加快行进速度，提高能量的利用效率。
本发明可根据具体地形变换机构构型，具备四足爬行、四足步行及部分爬行-部分步行的多种运动模式，具有以下特点：
1.采用爬行机构构型时，稳定性高，能够较好地通过崎岖复杂的地形。
2.采用步行机构构型时，行动速度快，效率高，能耗利用率高。
3.采用电机驱动，可以极大地减小噪声，并使机械本体更加轻便灵活。
附图说明
图1是本发明机构构型可变电动四足机器人的整体结构示意图。
图2是本发明中单腿的外部结构示意图。
图3是本发明中单腿的内部结构剖视图。
图4是单腿中第二传动链和第三传动链的结构示意图。
图5是单腿的第三传动链中小腿杆件与第二传动链中大腿杆件左右侧板的连接示意图。
图6是本发明机构构型可变电动四足机器人的步行机构构型示意图。
图7是本发明机构构型可变电动四足机器人的对角爬-步机构构型示意图。
图8是本发明机构构型可变电动四足机器人的爬行机构构型示意图。
图9是本发明机构构型可变电动四足机器人的前步-后爬机构构型示意图。
图10是本发明机构构型可变电动四足机器人的前爬-后步机构构型示意图。
图11是本发明机构构型可变电动四足机器人的同侧爬-步机构构型示意图。
图中：I、躯干，II、腿，1、第一盘式电机，2、髋关节平台，3、第一输入端接盘，4、第一谐波输入接盘，5、第一谐波减速器，6、髋关节轴，7、上摇臂，8、大腿杆件右侧板，9、上盖板，10、小腿杆件，11、脚掌，12、下盖板，13、中间连杆，14、第三盘式电机，15、第三输入端接盘，16、第三谐波输入接盘，17、滚针轴承套，18、滚针轴承，19、第三谐波减速器，20、第二谐波减速器，21、第二谐波输入接盘，22、第二输入端接盘，23、第二盘式电机，24、膝关节轴，25、膝部尼龙垫，26、套筒，27、杆端球面联结器，28、摇臂销轴，29、大腿杆件左侧板。
具体实施方式
如图1所示，本发明的机构构型可变电动四足机器人包括躯干I和四条腿II，四条腿II连接在躯干I上。每条腿II均由三条传动链构成，分别为第一传动链、第二传动链和第三传动链，第一传动链、第二传动链和第三传动链依次连接在一起，使每条腿具有三个自由度。第一传动链与躯干I连接。
如图2和图3所示，第一传动链为髋关节传动链，包括髋关节平台2、第一盘式电机1、第一输入端接盘3、第一谐波输入接盘4、第一谐波减速器5和髋关节轴6。髋关节平台2通过螺钉固定在躯干I的底部。第一谐波减速器5通过螺钉固定在髋关节平台上。第一盘式电机1通过第一谐波输入接盘4固定连接在第一谐波减速器5的外壳上，第一盘式电机1的输出轴通过第一输入端接盘3与第一谐波减速器5的输入端相连。髋关节轴6通过螺钉固定连接在第一谐波减速器5的输出端。第一传动链工作时，第一盘式电机1通过第一谐波减速器5输出相应的转速和扭矩驱动髋关节轴6旋转。
如图2、图3、图4和图5所示，第二传动链为大腿杆件传动链，包括第二盘式电机23、第二输入端接盘22、第二谐波输入接盘21、第二谐波减速器20和大腿杆件。大腿杆件由大腿杆件左侧板29、大腿杆件右侧板8、上盖板9和下盖板12依次通过螺钉固定连接围合而成(参见图2和图3)。第一谐波减速器20的外壳用螺钉固定在第一传动链中的髋关节轴6上，第二盘式电机23通过第二谐波输入接盘21固定在第二谐波减速器20的外壳上，第二盘式电机23的输出轴通过第二输入端接盘22与第二谐波减速器20的输入端相连，大腿杆件左侧板29和大腿杆件右侧板8(参见图5)通过螺钉固定在第一谐波减速器20的输出端。为了减小大腿杆件右侧板8旋转时的阻力和零件的磨损，在第一传动链中的髋关节轴6上设置滚针轴承套17(参见图4)，滚针轴承套17与第三谐波减速器19之间设置有滚针轴承18。滚针轴承18在大腿杆件运动时支撑第三谐波减速器19，从而减小大腿杆件旋转时的阻力和零件的磨损。
第二传动链工作时，第二盘式电机23通过第二谐波减速器20输出相应的转速和扭矩驱动大腿杆件旋转。
如图2、图3和图4所示，第三传动链为小腿杆件传动链，包括第三盘式电机14、第三输入端接盘15、第三谐波输入接盘16、第三谐波减速器19、上摇臂7、杆端球面联结器27、中间连杆13、摇臂销轴28、膝关节轴24、小腿杆件10和脚掌11。第三谐波减速器19的外壳用螺钉固定在第二传动链中的大腿杆件右侧板8上。第三盘式电机14通过第三谐波输入接盘16固定在第三谐波减速器19的外壳上。第三盘式电机14的输出轴通过第三输入端接盘15与第三谐波减速器19的输入端相连，第三谐波减速器19的输出端通过螺钉固定连接有上摇臂7(参见图3)。中间连杆13的两端各连接一个杆端球面联结器27，然后一端与上摇臂7连接，另一端与摇臂销轴28连接，摇臂销轴28上套装有套筒26，起轴向定位的作用。摇臂销轴28通过螺纹与小腿杆件10连接，小腿杆件10上通过螺钉固定连接有脚掌11。小腿杆件10通过膝关节轴24与第二传动链中的大腿杆件左侧板29和大腿杆件右侧板8铰接在一起。小腿杆件10与大腿杆件左侧板29和大腿杆件右侧板8之间设置有膝部尼龙垫25，主要起减小磨损的作用。第三传动链工作时，第三盘式电机14通过第三谐波减速器19输出相应的转速和扭矩驱动上摇臂7旋转，然后通过中间连杆传递给小腿杆件10，从而驱动小腿杆件10运动。
上述机器人工作时，可根据实际的地形地貌，通过三条传动链的配合，改变机构构型，从而提高环境适应性。图6、图7、图8、图9、图10和图11分别给出了本发明机构构型可变电动四足机器人的步行机构构型、对角爬-步机构构型、爬行机构构型、前步-后爬机构构型、前爬-后步机构构型和同侧爬-步机构构型。当行走在地形崎岖起伏、地面软硬变化的地形环境中时，机器人可变化为爬行机构构型，从而降低重心，使运动更加平稳；当行走在平坦地形环境中时，机器人可变化为步行机构构型，从而加快行进速度，提高能量的利用效率。
Claims (4)
1.一种机构构型可变电动四足机器人，包括躯干以及连接在躯干上的四条腿；其特征是：每条腿均由三条传动链构成，分别为第一传动链、第二传动链和第三传动链，第一传动链与躯干连接，第二传动链与第一传动链连接，第三传动链与第二传动链连接。
2.根据权利要求1所述的机构构型可变电动四足机器人，其特征是：所述第一传动链包括髋关节平台、第一电机、第一谐波减速器和髋关节轴，髋关节平台连接在躯干上，第一谐波减速器连接在髋关节平台上，第一电机连接在第一谐波减速器上，第一电机的输出轴与第一谐波减速器的输入端连接，髋关节轴连接在第一谐波减速器的输出端。
3.根据权利要求1所述的机构构型可变电动四足机器人，其特征是：所述第二传动链包括第二电机、第二谐波减速器和大腿杆件，第一谐波减速器连接在第一传动链中的髋关节轴上，第二电机连接在第二谐波减速器上，第二电机的输出轴与第二谐波减速器的输入端相连，大腿杆件连接在第一谐波减速器的输出端。
4.根据权利要求1所述的机构构型可变电动四足机器人，其特征是：所述第三传动链包括第三电机、第三谐波减速器、上摇臂、中间连杆、摇臂销轴、小腿杆件和脚掌，第三谐波减速器连接在第二传动链中的大腿杆件上，第三电机连接在第三谐波减速器上，第三电机的输出轴与第三谐波减速器的输入端相连，第三谐波减速器的输出端连接有上摇臂，中间连杆的两端分别与上摇臂和摇臂销轴连接，小腿杆件与摇臂销轴连接，脚掌连接在小腿杆件上，小腿杆件通过膝关节轴与第二传动链中的大腿杆件铰接在一起。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |