CN106863278A - 一种轮腿式3‑puu并联移动机器人 - Google Patents

一种轮腿式3‑puu并联移动机器人 Download PDF

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Abstract

一种轮腿式3‑PUU并联移动机器人，属于并联机器人领域，可解决现有机器人结构复杂，轮腿式转换不稳定，不易实现的问题，包括基底平台、动平台Ⅰ、动平台Ⅱ、支链和全向轮，所述支链包括三条内支链和三条外支链，基底平台通过内支链与动平台Ⅰ连接，通过外支链与动平台Ⅱ连接，每条支链包括连杆、虎克铰和移动副，连杆两端连接虎克铰，连杆顶端的虎克铰连接于基底平台，连杆底端的虎克铰连接于移动副，内支链的移动副在连杆的外侧，外支链的移动副在连杆的内侧，全向轮与内支链的移动副连接。本发明驱动数量明显减少，且容易控制。

Description

一种轮腿式3-PUU并联移动机器人
技术领域
本发明属于并联机器人领域，具体涉及一种轮腿式3-PUU并联移动机器人。
背景技术
机器人代替人类进入各种危险复杂环境中进行操作、排险、救援等工作是机器人的重要应用领域之一。这就要求移动机器人必须具有较强的地形适应能力和高速的运动能力。
目前的轮腿式移动机器人大体上有两种结构：1）轮腿不分离。把轮子安装在腿部结构末端，用轮子充当脚或者直接将轮转变成腿使用；2）轮和腿完全分离。第一种结构是取得成果最多的，但是结构复杂，当使用单一腿结构进行行走的时候，轮式部分就变成了冗余结构，大大增加控制的难度；第二种结构相对来说，结构更加简单，控制更加简便。而第二种结构的轮腿式多采用转动副进行轮式和腿式的转换，不够稳定，不易实现。
发明内容
本发明为了解决现有机器人结构复杂，轮腿式转换不稳定，不易实现的问题，提供一种轮腿式3-PUU并联移动机器人。
本发明采用如下技术方案：
一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，包括基底平台、动平台Ⅰ、动平台Ⅱ、支链和全向轮，所述支链包括三条内支链和三条外支链，基底平台通过内支链与动平台Ⅰ连接，通过外支链与动平台Ⅱ连接，每条支链包括连杆、虎克铰和移动副，连杆两端连接虎克铰，连杆顶端的虎克铰连接于基底平台，连杆底端的虎克铰连接于移动副，内支链的移动副在连杆的外侧，外支链的移动副在连杆的内侧，全向轮与内支链的移动副连接。
所述内、外支链的移动副为直线电机，直线电机的输出端为导杆。
所述内支链的每条支链包括两根平行并联的连杆Ⅰ、虎克铰Ⅰ和内支链移动副，内支链移动副为直线电机Ⅰ，连杆Ⅰ顶端的虎克铰Ⅰ通过虎克铰安装座Ⅰ连接于基底平台，底端的虎克铰Ⅰ通过虎克铰安装座Ⅰ连接于直线电机Ⅰ的导杆Ⅰ。
所述外支链的每条支链包括两根平行并联的连杆Ⅱ、虎克铰Ⅱ和外支链移动副，外支链移动副包括直线电机Ⅱ，连杆Ⅱ顶端的虎克铰Ⅱ通过虎克铰安装座Ⅱ连接于基底平台，底端的虎克铰Ⅱ通过虎克铰安装座Ⅱ连接于直线电机Ⅱ的导杆Ⅱ。
所述动平台Ⅰ包括圆平台Ⅰ和三条间隔120°布置的连接杆Ⅰ，连接杆Ⅰ一端与圆平台Ⅰ连接，另一端与内支链的移动副的导杆Ⅰ连接。
所述动平台Ⅱ包括圆平台Ⅱ和三条间隔120°布置的连接杆Ⅱ，连接杆Ⅱ一端与圆平台Ⅱ连接，另一端与外支链的移动副的导杆Ⅱ连接。
所述全向轮的轮轴连接在驱动电机输出端，驱动电机安装于连接支架上，连接支架设置于直线电机Ⅲ的输出端上，直线电机Ⅲ固定于内支链的直线电机Ⅰ上。
所述内、外支链在基底平台上的安装位置分别呈正三角形分布，其中外支链分别安装在基底平台的三个顶点，内支链分别安装在基底平台的三个边的中点，内、外支链在基底平台上的安装位置交叉分布。
所述全向轮由两个带有滚珠的轮间隔串接而成。
所述PUU指每条支链由一个移动副（P）和两个相邻的万向节（U）即虎克铰组成，因为一个万向节（U）可以看成由两个轴线相互垂直且相邻的转动副（R）组成。
通过在内、外支链的移动副处安装直线电机，实现内外支链交替平动，实现腿式行走；通过直线电机Ⅲ，控制万向轮的上升和下降，实现腿式和轮式的转换；通过在轮轴处安装驱动电机，实现轮式行走以及快速转向。
本发明的有益效果如下：
1. 机器人结构紧凑，采用并联结构，刚度高，承载能力强；
2. 通过切换机器人的轮式和腿式行走方式，能够适应复杂地面；
3. 三个全向轮均匀分布，既能实现当两个轮同时转动时朝两轮中间方向的直线行走，又能实现当三个轮同时转动时改变方向，更加灵活、快速；
4. 腿部采用对称结构，方向改变为120°的整倍数时，都能够正常运动；
5. 本发明的腿式结构的支链采用PUU结构，驱动数量明显减少，且容易控制。
附图说明
图1为本发明轮腿式3-PUU并联移动机器人整体结构示意图；
图2为本发明内支链结构示意图；
图3为本发明外支链结构示意图；
图4为本发明腿式行走示意图；
图5为本发明轮式行走示意图；
图6为本发明全向轮结构示意图；
图7为本发明基底平台结构示意图；
图8为本发明动平台Ⅰ结构示意图；
图9为本发明动平台Ⅱ结构示意图；
其中：1-基底平台；2-全向轮；3-连杆Ⅰ；4-虎克铰Ⅰ；5-直线电机Ⅰ；6-导杆Ⅰ；7-虎克铰安装座Ⅰ；8-连杆Ⅱ；9-直线电机Ⅱ；10-导杆Ⅱ；11-虎克铰Ⅱ；12-虎克铰安装座Ⅱ；13-圆平台Ⅰ；14-连接杆Ⅰ；15-圆平台Ⅱ；16-连接杆Ⅱ；17-直线电机Ⅲ；18-导杆Ⅲ；19-连接支架；20-驱动电机。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
本发明在整体结构设计方面，提供一种轮腿式3-PUU并联移动机器人。基底平台1通过三条PUU内支链与动平台Ⅰ连接，并通过三条PUU外支链与动平台Ⅱ连接，其中动平台Ⅰ的直线电机Ⅰ5在PUU内支链外侧，动平台Ⅱ的直线电机Ⅱ9在PUU外支链内侧，目的是避免干涉。动平台Ⅰ、动平台Ⅱ都有三条分布均匀的连接杆，且动平台Ⅰ与动平台Ⅱ有高度差，既可以提高机器人的越障能力又能避免腿式移动时内、外支链相互干涉。
腿式行走：基底平台1与动平台Ⅰ、动平台Ⅱ分别通过三条PUU支链连接，组成了两个内、外连接的3-PUU并联机构，该机构具有3个平动自由度，可以实现动平台的三维平动。行走时，首先以基底平台1作为静平台，动平台Ⅰ为动平台，通过安装在内支链移动副上的电机驱动动平台Ⅰ向上抬起并相对基底平台1向前移动一定距离，接下来内支链的导杆Ⅰ6着地，同时以基底平台1作为动平台，动平台Ⅰ作为静平台，基底平台1向前移动相同距离，然后以基底平台1作为静平台，动平台Ⅱ为动平台，通过安装在外支链移动副上的电机驱动外支链上抬起并相对基底平台1向前移动相同的距离，从而使机器人向前移动一定距离。如此往复，通过动、静平台的转换实现移动机器人的腿式移动。所述方式，行走时内、外支链的先后关系可以变换。
轮腿式转换：通过直线电机Ⅲ17驱动导杆Ⅲ18，促使全向轮2随着带连接支架19的驱动电机20下降到最低位置，同时通过直线电机Ⅰ5使导杆Ⅰ6上升到最高位置，此时全向轮2着地，为轮式行走，要变换为腿式行走，只需导杆Ⅰ6下降到最低位置，全向轮2上升到最高位置即可。
轮式行走：三个全向轮2均匀分布，既能实现当两个轮同时转动时朝两轮中间方向的直线行走，又能实现当三个全向轮同时转动时整体平台的转动。

Claims (7)

1.一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：包括基底平台（1）、动平台Ⅰ、动平台Ⅱ、支链和全向轮（2），所述支链包括三条内支链和三条外支链，基底平台（1）通过内支链与动平台Ⅰ连接，通过外支链与动平台Ⅱ连接，每条支链包括连杆、虎克铰和移动副，连杆两端连接虎克铰，连杆顶端的虎克铰连接于基底平台，连杆底端的虎克铰连接于移动副，内支链的移动副在连杆的外侧，外支链的移动副在连杆的内侧，全向轮（2）与内支链的移动副连接。
2.根据权利要求1所述的一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：所述动平台Ⅰ包括圆平台Ⅰ（13）和三条间隔120°布置的连接杆Ⅰ（14），连接杆Ⅰ（14）一端与圆平台Ⅰ（13）连接，另一端与内支链的移动副连接。
3.根据权利要求2所述的一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：所述动平台Ⅱ包括圆平台Ⅱ（15）和三条间隔120°布置的连接杆Ⅱ（16），连接杆Ⅱ（16）一端与圆平台Ⅱ（15）连接，另一端与外支链的移动副连接。
4.根据权利要求3所述的一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：所述内、外支链的移动副为直线电机，直线电机的输出端为导杆。
5.根据权利要求4所述的一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：所述全向轮的轮轴连接在驱动电机输出端，驱动电机安装于连接支架上，连接支架设置于直线电机Ⅲ（17）的输出端上，直线电机Ⅲ（17）固定于内支链的直线电机Ⅰ（5）上。
6.根据权利要求5所述的一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：所述内、外支链在基底平台（1）上的安装位置分别呈正三角形分布，其中外支链分别安装在基底平台（1）的三个顶点，内支链分别安装在基底平台（1）的三个边的中点，内、外支链在基底平台（1）上的安装位置交叉分布。
7.根据权利要求6所述的一种轮腿式3-PUU并联移动机器人，其特征在于：所述全向轮（2）由两个带有滚珠的轮间隔串接而成。
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