CN106741284A - 一种基于并联机构的六足机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并联机构的六足机器人及其工作方法，包括主体和机械腿，主体包括上平台、下平台和六根伸缩杆，上平台和下平台上各设置有三个铰接点，每个铰接点均通过球铰连接其中两根所述的伸缩杆；机械腿包括三个驱动关节和力传感器，力传感器设置在机械腿底端；上平台和下平台在每个铰接点处各连接一个所述的机械腿。本发明六足机器人主体采用并联机构设计，具有六个自由度，六自由度并联机构具有刚度大、承载能力强、结构简单、运动负荷小、能实现包括横移、纵移、旋转、升降等多个自由度运动等特点，因此能增加机器人运动的多样性。腿部采用三关节设计，能够大大提高机器人对地形的适应能力。

Description

一种基于并联机构的六足机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于并联机构的六足机器人及其工作方法，属于机器人技术领域。

背景技术

在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方或者可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、发生灾难的矿井等，对这些危险环境的探索和研究，是科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点，从而限制了轮式机器人和履带式机器人的应用。以往的研究表明，轮式机器人在相对平坦的地形上行驶时，运动速度快、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加。如果遇到松软或严重崎岖不平的地面时，车轮的作用将严重丧失，移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生，但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差，行驶时机身晃动严重。

与轮式机器人、履带式机器人相比，步行机器人在崎岖不平的路面上具有优越的性能。例如中国专利文献CN102152818A公开了一种适于复杂立面上全方位移动的机器人，包括正六边形机体及分设于其各顶点上的六个爬足，每条爬足设置了三个活动关节，并通过设置微型舵机使得六足串并联，再通过设置负压吸盘的吸附，从而使其在爬行过程中，始终保持在任何时间都有四条爬足支撑身体。该专利文献所公开的技术方案因未设置传感器等反馈装置，所以未实现复杂地形的自适应，而且由于采用固定步态，使其运动灵活性大大受限，对复杂地形的适应能力较弱，相对刚度也较小，承载能力较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于并联机构的六足机器人。

本发明还提供上述一种基于并联机构的六足机器人的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于并联机构的六足机器人，其特征在于，包括：

主体，包括上平台、下平台和六根伸缩杆，上平台和下平台上各设置有三个铰接点，每个铰接点均通过球铰连接其中两根所述的伸缩杆；

机械腿，包括三个驱动关节和力传感器，力传感器设置在机械腿底端；

上平台和下平台的每个铰接点处各连接一个所述的机械腿。

优选的，所述伸缩杆选用液压缸或伺服电动缸。

优选的，所述上平台的三个铰接点呈等边三角形分布，所述下平台的三个铰接点呈等边三角形分布。

优选的，所述机械腿与上平台、下平台可拆卸式连接。此设计的好处在于，主体和机械腿采用可组装的拆卸式连接方式，机械腿可做多样化设计，主体能够搭配不同结构的机械腿来适应不同的地形，满足多种需求。

进一步优选的，所述机械腿与上平台、下平台螺栓连接或销轴连接。

优选的，所述机械腿包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆、第二连杆、第三连杆和力传感器依次铰接并通过舵机进行驱动控制。此设计的好处在于，当机械腿需要调整时，可通过各个关节处的舵机进行相应连杆的角度调整，以满足行走要求。

优选的，所述力传感器选用三维力传感器。

优选的，所述力传感器的底部设置有半球形底垫。此设计的好处在于，当机械腿与硬质地面接触时，避免了力传感器与地面直接接触，保护了力传感器。

优选的，所述下平台的底部设置有旋转支撑机构，所述旋转支撑机构包括电动机、齿轮、齿轮轴、油缸和支撑架，所述电动机的输出轴与齿轮传动连接，齿轮与齿轮轴啮合，齿轮轴一端与下平台连接、另一端通过轴承与油缸连接，油缸的活塞杆与支撑架连接。此设计的好处在于，当六足机器人需要快速转弯时，可通过旋转支撑机构的支撑、升起、旋转、落下、收回等步骤来实现六足机器人的快速转弯。

优选的，所述支撑架为橡胶弹性支撑脚。此设计的好处在于，橡胶弹性支撑脚更能够适应凹凸不平的地面，实现对六足机器人强有力的支撑。

一种基于并联机构的六足机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤，

A、当六足机器人直线行走时：

首先，上平台的机械腿保持不动，通过控制伺服电动缸依次使下平台提升、横移、下降，待下平台上的机械腿与地面接触后保持不动；然后，再通过控制伺服电动缸依次使上平台提升、横移、下降，直到上平台上的机械腿与地面接触，最终实现六足机器人的直线行走；重复以上步骤，即可实现六足机器人的连续直线行走；

B、当六足机器人转弯时：

首先通过控制伺服电动缸使上平台提升，待上平台的机械腿离开地面后，再通过控制伺服电动缸使上平台相对下平台旋转一定角度，然后再通过控制伺服电动缸使上平台下降直至机械腿与地面接触；接着通过控制伺服电动缸使下平台提升，待下平台的机械腿离开地面后，再通过控制伺服电动缸使下平台旋转与上平台相同的旋转角度，然后再通过控制伺服电动缸使下平台下降直至机械腿与地面接触，以此完成六足机器人的转弯；

C、当六足机器人需快速转弯时：

首先油缸启动，活塞杆伸出使支撑架与地面接触，活塞杆不断伸出撑起下平台，使六个机械腿脱离地面；然后电动机启动，通过齿轮带动齿轮轴转动，齿轮轴转动的同时使下平台旋转，当机械腿旋转到转弯后的位置时，活塞杆缩回直至机械腿接触地面，活塞杆继续缩回使支撑架脱离地面；

D、当六足机器人在复杂地形下行走时：

首先，根据运动方向决定上平台还是下平台先运动，当要求下平台静止、上平台运动时，通过控制伺服电动缸使上平台运动且上平台连接的三个机械腿随着上平台运动，当有机械腿接触物体时，由机械腿底部的力传感器感知接触力的大小，然后通过伺服电动缸控制主体使得与此机械腿对应的主体角点位置不变，此机械腿停止运动，接着调整上平台其他两条机械腿使其接触物体后保持上平台静止；再依此方法调整下平台，使下平台的机械腿实现移动，最终实现六足机器人在复杂地形下的行走。

本发明的有益效果在于：

本发明六足机器人，主体采用并联机构设计，主体具有六个自由度，六自由度并联机构具有刚度大、承载能力强、结构简单、运动负荷小、能实现包括横移、纵移、旋转、升降等多个自由度运动等特点，因此能增加机器人运动的多样性。腿部采用三个关节设计，能够大大提高机器人对地形的适应能力。此种六足机器人具有广阔的应用前景，可用于军事侦察、矿山开采、核能发电、星球探测、消防营救等人类无法到达的地方或危险性较高的领域。

附图说明

图1为本发明六足机器人的结构示意图；

图2为本发明中主体部分的结构示意图；

图3为本发明中机械腿部分的结构示意图；

图4为本发明六足机器人的结构示意图(含旋转支撑机构)；

图5为本发明中旋转支撑机构的结构示意图；

图6为本发明六足机器人直线行走时的运行图；

图7为本发明六足机器人转弯时的运行图；

图8为本发明六足机器人快速转弯时的运行图；

图9为本发明六足机器人复杂地形下的行走图；

其中：1、主体；2、机械腿；11、上平台；12、伺服电动缸；13、球铰；14、下平台；21、第一连杆；22、第二连杆；23、第三连杆；24、力传感器；25、舵机；3、旋转支撑机构；31、齿轮；32、电动机；33、油缸；34、支撑架；35、齿轮轴；41、上部机械腿组；42、下部机械腿组。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1至图3所示，本实施例提供一种基于并联机构的六足机器人，其主要包括主体1和机械腿2两部分：

其中主体1包括上平台11、下平台14和六根伺服电动缸12，上平台11和下平台14为等边三角形平板结构，上平台11和下平台14成60°错位布置(即上平台绕其中心旋转60°后与下平台重叠)，上平台11和下平台14的顶角处均设置有铰接点，每个铰接点均通过球铰13连接其中两根所述的伺服电动缸12(如图2所示)；

机械腿2包括第一连杆21、第二连杆22、第三连杆23和力传感器24，第一连杆21和第二连杆22铰接处为第一驱动关节，第二连杆22和第三连杆23铰接处为第二驱动关节，第三连杆23和力传感器24铰接处为第三驱动关节，第一驱动关节、第二驱动关节和第三驱动关节内均设置有舵机25，通过舵机25进行驱动控制第二连杆22、第三连杆23和力传感器24的运动，其中第二连杆22实现水平横向移动，第三连杆23和力传感器24实现竖直上下移动)。当机械腿2需要调整时，可通过各个驱动关节处的舵机进行相应连杆的角度调整，以满足行走要求。

上平台11和下平台14的每个顶点处都连接一个机械腿2，上平台11连接的三个机械腿统称为上部机械腿组41，下平台14连接的三个机械腿统称为下部机械腿组42。本实施例中，机械腿2中的第一连杆21与上平台11、下平台14螺栓连接，实际使用过程中，机械腿可做系列化设计，不同的机械腿均可与主体部分组装成六足机器人，以满足多样化的需求。

力传感器24选用三维力传感器，力传感器24的底部设置有半球形底垫。当机械腿与硬质地面接触时，避免了力传感器与地面直接接触，保护了力传感器。

实际应用过程中，该六足机器人上平台上可安装智能控制系统和探测系统(比如，摄像机、激光器、温度传感器等)，工作人员通过智能控制系统可实现无线远程控制，遥控伺服电动缸、舵机、油缸等的运行。该六足机器人应用于军事侦察、矿山开采、核能发电、星球探测、消防营救等人类无法到达的地方或危险性较高的领域，满足科研及工程作业的要求。

实施例2：

一种基于并联机构的六足机器人，结构如实施例1所述，其不同之处在于：本实施例中，伺服电动缸由液压缸代替，机械腿2中的第一连杆21与上平台11、下平台14销轴连接。

实施例3：

一种基于并联机构的六足机器人，结构如实施例1所述，其不同之处在于：下平台14的底部设置有旋转支撑机构3，旋转支撑机构3包括电动机32、齿轮31、齿轮轴35、油缸33、支撑架34和一固定平台，电动机32安装在固定平台上，电动机32的输出轴与齿轮31传动连接，齿轮31与齿轮轴35啮合，齿轮轴35一端与下平台14固定连接(齿轮轴转动的同时带动下平台也转动)、另一端在固定平台上通过轴承与油缸33的缸筒连接(齿轮轴转动，但油缸并不随之转动)，油缸33的活塞杆与支撑架34连接。当六足机器人需要快速转弯时，可通过旋转支撑机构的支撑、升起、旋转、落下、收回等步骤来实现六足机器人的快速转弯。

支撑架34为橡胶弹性支撑脚。橡胶弹性支撑脚能够适应凹凸不平的地面，且能够增大与地面的接触面积，实现对六足机器人强有力的支撑。

实施例4：

一种实施例3所述基于并联机构的六足机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤，

A、当六足机器人直线行走时：(如图6所示)

首先，上平台11的上部机械腿组41保持不动，通过控制伺服电动缸12依次使下平台14提升、横移、下降，待下平台14的下部机械腿组42与地面接触后保持不动；然后，再通过控制伺服电动缸12依次使上平台11提升、横移、下降，直到上平台11的上部机械腿组41与地面接触，最终实现六足机器人的直线行走；重复以上步骤，即可实现六足机器人的连续直线行走；

B、当六足机器人转弯时：(如图7所示)

首先，通过控制伺服电动缸12使上平台11提升，待上平台11的上部机械腿组41离开地面后，再通过控制伺服电动缸12使上平台11相对下平台14旋转一定角度，然后再通过控制伺服电动缸12使上平台11下降直至上部机械腿组41与地面接触；接着依照此方法，通过控制伺服电动缸12使下平台14提升，待下平台14的下部机械腿组42离开地面后，再通过控制伺服电动缸12使下平台14旋转与上平台11相同的旋转角度，然后再通过控制伺服电动缸12使下平台14下降直至下部机械腿组42与地面接触，以此完成六足机器人的转弯；

C、当六足机器人需快速转弯时：(如图8所示)

首先油缸33启动，活塞杆伸出使支撑架34与地面接触，活塞杆不断伸出撑起下平台14，使六个机械腿脱离地面；然后电动机32启动，通过齿轮31带动齿轮轴35转动，齿轮轴35转动的同时使下平台14旋转，当机械腿旋转到转向后的位置时，活塞杆缩回直至机械腿接触地面，活塞杆继续缩回使支撑架34脱离地面；

D、当六足机器人在复杂地形下行走时：(如图9所示)

首先，根据运动方向决定上平台11还是下平台14先运动，当要求下平台14静止、上平台11运动时，通过控制伺服电动缸12使上平台11运动且上平台连接的三个机械腿随着上平台运动，当有机械腿接触物体时，由机械腿底部的力传感器感24知接触力的大小，然后通过伺服电动缸12控制主体使得与此机械腿对应的主体角点位置不变，此机械腿停止运动；接着调整上平台11其他两条机械腿使其接触物体后保持上平台静止，再依此方法调整下平台14，使下平台14的机械腿实现移动，最终实现六足机器人在复杂地形下的行走。

Claims (10)

1.一种基于并联机构的六足机器人，其特征在于，包括：

主体，包括上平台、下平台和六根伸缩杆，上平台和下平台上各设置有三个铰接点，每个铰接点均通过球铰连接其中两根所述的伸缩杆；

机械腿，包括三个驱动关节和力传感器，力传感器设置在机械腿底端；

上平台和下平台的每个铰接点处各连接一个所述的机械腿。

2.如权利要求1所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述伸缩杆选用液压缸或伺服电动缸。

3.如权利要求1所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述上平台的三个铰接点呈等边三角形分布，所述下平台的三个铰接点呈等边三角形分布。

4.如权利要求1所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述机械腿与上平台、下平台可拆卸式连接；

所述机械腿与上平台、下平台螺栓连接或销轴连接。

5.如权利要求1所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述机械腿包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，第一连杆、第二连杆、第三连杆和力传感器依次铰接并通过舵机进行驱动控制。

6.如权利要求1所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述力传感器选用三维力传感器。

7.如权利要求1所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述力传感器的底部设置有半球形底垫。

8.如权利要求1或2所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述下平台的底部设置有旋转支撑机构，所述旋转支撑机构包括电动机、齿轮、齿轮轴、油缸和支撑架，所述电动机的输出轴与齿轮传动连接，齿轮与齿轮轴啮合，齿轮轴一端与下平台连接、另一端通过轴承与油缸连接，油缸的活塞杆与支撑架连接。

9.如权利要求8所述的基于并联机构的六足机器人，其特征在于，所述支撑架为橡胶弹性支撑脚。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于并联机构的六足机器人的工作方法，其特征在于，包括以下步骤，

A、当六足机器人直线行走时：

首先，上平台的机械腿保持不动，通过控制伺服电动缸依次使下平台提升、横移、下降，待下平台上的机械腿与地面接触后保持不动；然后，再通过控制伺服电动缸依次使上平台提升、横移、下降，直到上平台上的机械腿与地面接触，最终实现六足机器人的直线行走；重复以上步骤，即可实现六足机器人的连续直线行走；

B、当六足机器人转弯时：

首先通过控制伺服电动缸使上平台提升，待上平台的机械腿离开地面后，再通过控制伺服电动缸使上平台相对下平台旋转一定角度，然后再通过控制伺服电动缸使上平台下降直至机械腿与地面接触；接着通过控制伺服电动缸使下平台提升，待下平台的机械腿离开地面后，再通过控制伺服电动缸使下平台旋转与上平台相同的旋转角度，然后再通过控制伺服电动缸使下平台下降直至机械腿与地面接触，以此完成六足机器人的转弯；

C、当六足机器人需快速转弯时：

首先油缸启动，活塞杆伸出使支撑架与地面接触，活塞杆不断伸出撑起下平台，使六个机械腿脱离地面；然后电动机启动，通过齿轮带动齿轮轴转动，齿轮轴转动的同时使下平台旋转，当机械腿旋转到转弯后的位置时，活塞杆缩回直至机械腿接触地面，活塞杆继续缩回使支撑架脱离地面；

D、当六足机器人在复杂地形下行走时：

首先，根据运动方向决定上平台还是下平台先运动，当要求下平台静止、上平台运动时，通过控制伺服电动缸使上平台运动且上平台连接的三个机械腿随着上平台运动，当有机械腿接触物体时，由机械腿底部的力传感器感知接触力的大小，然后通过伺服电动缸控制主体使得与此机械腿对应的主体角点位置不变，此机械腿停止运动，接着调整上平台其他两条机械腿使其接触物体后保持上平台静止；再依此方法调整下平台，使下平台的机械腿实现移动，最终实现六足机器人在复杂地形下的行走。