CN107010136A - 一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，设计前三个进行步行运动的髋、小腿与大腿关节，并分别通过一个舵机驱动。同时在前三个关节的基础上增加具有三个自由度的执行模块，包括任务切换关节，操作器旋转关节，操作器驱动旋转关节，也分别通过一个舵机驱动。由此使单腿结构输出自由度为六。当单腿结构使用步行模式运动时，任务切换舵机控制步行足端旋转至小腿杆前端，操作器收进小腿中。当机器人使用操作模式工作时，任务执行舵机控制步行足端收进小腿中，操作器旋转至小腿杆前端。本发明单腿结构输出自由度高，灵活度高，工作范围广，可进行较为复杂的任务操作；且步行模式和操作模式之间无干涉，切换迅速平顺。

Description

一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构

技术领域

本发明涉及机器人技术、机构学及仿生学，可应用于多足机器人领域，具体来说，是一种既可以作为步行足进行支撑行走又可以变换结构作为操作臂进行任务操作的腿臂融合机构。

背景技术

机器人的研制作为一个朝阳产业，越来越受到人们的重视，其中足式移动机器人由于其运动灵活，承载能力高，应用领域广，其在人类生产生活中扮演着越来越多的角色。一般的足式机器人可以在应用在地震救援、外星探测、资源探索、看护陪伴以及国防安全等多个领域，由于其多足结构的机构特殊性，机器人可以利用离散的地面支撑来实现非完全接触的障碍规避、障碍跨越、爬升台阶、在粗糙地面运动以及翻倒自恢复功能，所以其对杂乱地形有较好的的顺应能力。同时，对于未来的移动机器人，其步行运载能力也不是唯一衡量其工作能力的指标，操作性能也是设计足式步行机器人应该考虑到的一个重要因素。目前对于步行机器人的操作性能的添加，一般都是在足部增加冗余驱动来进行任务操作，如JPL实验室联合NASA等众多研究机构研制的ATHLETE系列机器人便是这种结构的代表。对于这种设计思想，其难点在于如何将增加的冗余驱动融合到腿部结构而不影响机器人的正常步行，并且尽可能在不影响操作性能的前提下减少冗余驱动成为目前研究的难点。

发明内容

针对上述提出的足式步行机器人操作性能添加的问题，本发明基于机器人学、机构学、仿生学设计了一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，将操作机构与步行机构之间简单结合，使步行模式与操作模式之间的切换流畅，操作模式时的输出自由度较高。

本发明六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，由末端至前端分别为髋部连接件、大腿杆与小腿杆，共三个腿节；通过髋部舵机控制髋部连接件绕竖直的空间z轴转动；通过大腿杆舵机控制大腿杆绕空间x轴在竖直平面上转动；通过小腿杆舵机控制小腿杆绕空间x轴在竖直平面上转动。

上述小腿杆前端安装有执行模块；执行模块包括任务切换舵机、步行足端、操作器位姿调整舵机、操作器控制舵机与操作器；其中，任务切换舵机输出轴沿空间x轴设置；步行足端与操作器分别位于任务切换舵机的下侧面与上侧面处；任务切换舵机与小腿杆前端相连；通过控制任务切换舵机，实现步行足端与操作器同时绕空间x轴同向转动，实现步行足端与操作器在小腿杆前端端部的切换；

上述步行足端用于实现触地时的缓冲；操作器通过操作器位姿调整舵机控制，实现操作器绕空间x轴转动，实现操作器的位姿调整；同时，操作器通过操作器控制舵机控制进行操作。

本发明中，当机器人使用步行模式运动时，通过任务执行舵机控制操作器与步行足端同步同相旋转，使步行足端旋转至小腿杆前端，此时操作器可以收进小腿中。当机器人使用操作模式工作时，关节旋转，任务执行舵机控制操作器与步行足端同步同相旋转，会收起步行足端至小腿结构中，而操作器旋转至小腿杆前端，并且对于操作器还可以根据目标的任务不同进行更换。

本发明的优点在于：

1、本发明步行机器人单腿结构，输出自由度高，灵活度高，工作范围广，可进行较为复杂的任务操作，并且这种单腿构型的负载支撑能力高；

2、本发明步行机器人单腿结构，步行模式和操作模式之间无干涉，切换迅速平顺，并且对于操作端的执行器可以根据目标任务的不同进行更换，应用面广；

3、本发明步行机器人单腿结构，由于每个关节都使用舵机驱动，控制方式简单，响应迅速，并且使用舵机参与机械结构构成，减轻了单腿质量，降低加工成本。

附图说明

图1是本发明一种新型六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构进行站立姿态时单腿的结构示意图；

图2是本发明一种新型六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构进行操作任务时的姿态结构示意图；

图3是本发明中主要负责步行模式运动的髋关节的舵机与连接件之间的结构示意图；

图4是本发明中执行模块结构示意图；

图5是本发明执行模块中安装方式及步行足端结构示意图；

图6是本发明中设计的进行加持操作的操作器结构示意图；

图7是本发明中设计的进行剪切操作的操作器结构示意图。

图中：

1-髋部连接件 2-大腿杆 3-小腿杆

4-髋部舵机 5-大腿杆舵机 6-小腿舵机

7-任务切换舵机 8-步行足端 9-操作器位姿调整舵机

10-操作器控制舵机 11-操作器 101-侧架A

102-侧架B 401-舵机舵盘A 402-髋部舵机引出轴

403-髋部舵机轴承 404-内圈压紧件 405-外圈压紧件

701-任务切换舵机引出轴 702-任务切换轴承 801-着地部件

802-固定帽 803-导向轴 804-缓冲弹簧

805-安装架 901-位姿调整舵机舵盘 902-L型调整臂

11a-U型支架 11a1-底座 11b-操作臂

11c-控制机构 11b1-摆杆 11b2-夹持端头

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，参考自然界爬行昆虫的爬行腿结构，并依据死点支撑原理，对主要进行步行运动的前三个关节(髋关节、大腿关节、小腿关节)以及腿节形状进行布置设计。再者，因为操作任务的需求，需要将操作性能添加到机械结构中，考虑到前三个关节，可以使用3个舵机进行驱动，所以对于进行操作自由度实现的方式也使用舵机直驱，又因为空间满输出自由度为六，在已经具有的三个自由度的基础上再增加具有三个自由度的执行模块，包括任务切换关节，操作器旋转关节，操作器驱动旋转关节，所以对于执行模块也配置3个舵机。这样该单腿结构进行任务操作时的末端输出自由度为六。对于舵机的选取，主要承担步行模式工作的前三个关节需要较大的力矩，而对于主要承担操作的后三个关节则不需要很大的力矩，反而要求其重量较轻，因此本发明中前三个关节和后三个关节所选用的舵机型号分别为DRS-0401和DRS-0101。

本发明具体结构如下：

本发明六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，如图1所示，由末端至前端分别为髋部连接件1、大腿杆2与小腿杆3，共三个腿节，均由左右两侧架构，且小腿杆3的两侧架间还通过加固梁相连。其中，髋部连接件1末端与髋部舵机4输出轴相连，形成髋关节；通过控制髋部舵机4，可实现髋部连接件1绕竖直的空间z轴转动。髋部舵机4与机器人机身相连，实现整个单腿结构与机身间的连接。髋部连接件1前端与大腿杆舵机5固定。大腿杆2末端与大腿杆舵机5输出端相连，形成大腿关节；通过控制大腿杆舵机5，实现大腿杆2绕空间x轴在竖直平面上转动。大腿杆2前端通过小腿舵机6与小腿杆3末端相连。大腿杆2前端与小腿杆舵机6的输出轴相连，形成小腿关节，小腿杆3末端与小腿杆舵机6固定，通过控制小腿杆舵机6，实现小腿杆3绕空间x轴在竖直平面上转动。小腿杆3前端安装有执行模块。

上述髋部连接件1与髋部舵机4间的连接方式、大腿杆2与大腿杆舵机5间的连接方式，以及大腿杆2与小腿杆舵机6间的连接方式相同，以髋部连接件1与髋部舵机4间的连接方式为例，进行详细说明：

如图3所示，髋部舵机4的输出轴上通过花键紧配合固定舵机舵盘401；令髋部连接件1的两侧架分别为侧架A101与侧架B102，则侧架A101与舵机舵盘401间通过周向布置的螺钉连接，并通过紧定螺钉将侧架A101、髋部舵机4输出轴以及舵机舵盘401三者连接固定。髋部舵机4上，位于髋部舵机4输出轴对侧同轴固定安装有髋部舵机引出轴402，作为转动轴；髋部舵机引出轴402上套接有髋部舵机轴承403，侧架B通过髋部舵机轴承403与髋部舵机引出轴402相连。髋部舵机轴承403内圈与外圈分别通过内圈压紧件404与外圈压紧件405压紧定位；且内圈压紧件404、髋部舵机引出轴402与髋部舵机4三者间通过紧定螺钉连接固定；外圈压紧件405与侧架B102间通过紧定螺钉连接固定。

所述执行模块包括任务切换舵机7、步行足端8、操作器位姿调整舵机9、操作器控制舵机10与操作器11，如图4所示。其中，任务切换舵机7输出轴沿空间x轴设置。如图5所示，任务切换舵机7左右两侧，分别固定安装有与任务切换舵机7输出轴同轴的任务切换舵机引出轴701，且两个任务切换舵机引出轴701上均套有任务切换轴承702。小腿杆3一侧架直接套接在一侧任务切换舵机引出轴701上的任务切换舵机轴承702上，且通过花键与任务切换舵机7的输出轴进行紧配合固定，并通过紧定螺钉将侧架与任务切换舵机7的输出轴间进一步固定；小腿杆3的另一侧架直接套接在另一侧任务切换舵机引出轴701上的任务切换舵机轴承702上，最终形成任务切换关节。

所述步行足端8与操作器11分别位于任务切换舵机7的下侧面与上侧面处，通过控制任务切换舵机7，实现步行足端8与操作器11同时绕空间x轴同向转动，进而实现步行足端8与操作器11在小腿杆3前端端部的切换，如图1、图2所示。

上述步行足端8包括着地部件801、固定帽802、导向柱803、缓冲弹簧804与安装架805，如图5所示；安装架805与任务切换舵机的两根引出轴701通过螺纹连接。导向柱803位于安装架805外侧，垂直于任务切换舵机7的输出轴设置，末端穿过安装架805上的开孔后与位于安装架805内侧的固定帽802通过螺栓连接；固定帽802的外径大于安装架805上开孔的直径，以此限制导向柱803末端的位移。缓冲弹簧804套在导向柱803上，上下两端进一步套于安装架805与导向柱803前端的两个凸台上，从而导向柱803通过张紧力固定在安装架805上，并通过两个凸台进行导向。导向柱803前端端面上通过螺纹连接固定安装着地部件801，本发明中着地部件801采用足端橡胶球。由此在着地部件801着地时，使导向柱803压缩缓冲弹簧804沿自身轴向滑动，实现着地时的缓冲。

所述操作器11通过操作器位姿调整舵机9调整操作器11的位姿，并通过操作器控制舵机10控制操作器进行操作。其中，操作器位姿调整舵机9与任务切换舵机均固定在连接板上，使操作器位姿调整舵机9的输出轴垂直于x轴设置；操作器位姿调整舵机9的输出轴上通过花键紧配合安装有位姿调整舵机舵盘901。操作器位姿调整舵机9具有L型调整臂902，L型调整臂902的长边平行于任务切换舵机7的上侧面，短边固定安装于位姿调整舵机舵盘901上，通过紧固螺钉将位姿调整舵机舵盘901、操作器位姿调整舵机9的输出轴与L型调整臂902三者间紧固，形成操作器旋转关节。操作器控制舵机10固定安装于L型调整臂902的长边上，其输出轴同时垂直于L型调整臂902的长边；。由此通过位姿调整舵机舵盘901控制L型调整臂902摆动，实现操作器11的位姿调整。

操作器11包括倒U型支架11a、操作臂11b与控制机构11c；其中，倒U型支架11a用来支撑操作器11，罩在操作器控制舵机10上，两端分别与L型调整臂902长边两侧固定。倒U型安装架11a顶面两侧各设计有一体结构的操作臂底座11a1，用来安装操作臂11b。所述操作臂11b包括摆杆11b1与操作端头11b2，如图6所示。其中，摆杆11b1为两根平行设置，一端与底座11a1上设计的两个铰接位置铰接，另一端与操作端头11b2上设定的两个铰接位置铰接。

所述控制机构用来实现左右两侧夹持臂的夹持端间的同向与反向移动，包括螺杆11d、台座11e与驱动杆11f。其中，螺杆11d底端设计为盘型，作为操作器控制舵机10的引出轴盘11g，固定安装于操作器控制舵机10输出轴上安装的控制舵机舵盘10a上，形成操作器驱动旋转关节。螺杆上部穿过倒U型安装架11a顶面，并设计为螺纹结构，其上套有台座11e。台座11e相对两侧铰接有驱动杆11f，驱动杆11f的输出端分别铰接于左右两侧夹持臂中位于内侧的摆杆11b2中部。由此，操作器控制舵机10可驱动螺杆11d转动，进而带动台座11e沿螺杆11d轴向上下移动，使两根驱动杆11f推拉左右两侧夹持臂的摆杆11b2，使左右两侧操作臂11b的操作端头11b3间的反向与同向移动，实现操作器11的操作控制。上述操作器11的操作端头11b3可设计为具有相对的夹持面的夹持器，如图6所示；也可设计为具有相对刃部的剪刀结构，如图7所示。

当机器人使用本发明的单腿结构进入步行模式时，其支撑模式如图1所示，通过调节髋关节、大腿关节、小腿关节的关节角度，至如图1所示，并控制任务切换舵机7，使操作器11、操作器位姿调整舵机9与操作器控制舵机10位于小腿杆3的两侧架之间，不会对机器人的步行运动造成干涉。此时，着地部件801与地面接触。通过控制髋部舵机4，完成单腿的前后摆动运动，实现机器人的迈步前进。

当机器人使用本发明的单腿结构进行操作模式时，控制任务切换舵机7，使操作器11、操作器位姿调整舵机9与操作器控制舵机10位于小腿杆3前端端部；进一步通过调节髋关节、大腿关节、小腿关节的关节角度，以及控制任务切换舵机7、操作器位姿调整舵机9与操作器控制舵机10，实现操作器11对目标物体的操作，如图2所示。

Claims (9)

1.一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：由末端至前端分别为髋部连接件、大腿杆与小腿杆，共三个腿节；通过髋部舵机控制髋部连接件绕竖直的空间z轴转动；通过大腿杆舵机控制大腿杆绕空间x轴在竖直平面上转动；通过小腿杆舵机控制小腿杆绕空间x轴在竖直平面上转动；小腿杆前端安装有执行模块；

所述执行模块包括任务切换舵机、步行足端、操作器位姿调整舵机、操作器控制舵机与操作器；其中，任务切换舵机输出轴沿空间x轴设置；步行足端与操作器分别位于任务切换舵机的下侧面与上侧面处；任务切换舵机与小腿杆前端相连；通过控制任务切换舵机，实现步行足端与操作器同时绕空间x轴同向转动，实现步行足端与操作器在小腿杆前端端部的切换；

上述步行足端用于实现触地时的缓冲；操作器通过操作器位姿调整舵机控制，实现操作器绕空间x轴转动，实现操作器的位姿调整；同时，操作器通过操作器控制舵机控制进行操作。

2.如权利要求1所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：髋部连接件、大腿杆与小腿杆均由左右两侧架构，且小腿杆的两侧架间还通过加固梁相连；髋部连接件与髋部舵机间的连接方式、大腿杆与大腿杆舵机间的连接方式，以及大腿杆与小腿杆舵机间的连接方式相同，具体为:舵机的输出轴上固定舵机舵盘；一侧架与舵机舵盘间固连；舵机输出轴对侧同轴固定安装有引出轴,引出轴上套接有舵机轴承；另一侧架侧通过舵机轴承与引出轴相连。

3.如权利要求1所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：任务切换舵机与小腿杆前端连接方式为：任务切换舵机左右两侧固定安装有与任务切换舵机输出轴同轴的任务切换舵机引出轴，且两个任务切换舵机引出轴上均套有任务切换轴承；小腿杆一侧架直接套接在一侧任务切换舵机引出轴上的任务切换舵机轴承上，且与任务切换舵机的输出轴固定；小腿杆的另一侧架直接套接在另一侧任务切换舵机引出轴上的任务切换舵机轴承上。

4.如权利要求1所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：步行足端包括着地部件、固定帽、导向柱、缓冲弹簧与安装架；安装架与任务切换舵机的两根引出轴通过螺纹连接；导向柱位于安装架外侧，垂直于任务切换舵机的输出轴设置，末端穿过安装架上的开孔后与位于安装架内侧的固定帽通过螺栓连接；固定帽的外径大于安装架上开孔的直径，由此限制导向柱末端的位移；缓冲弹簧套在导向柱上，上下两端进一步套于安装架与导向柱前端的两个凸台上，从而导向柱通过张紧力固定在安装架上，并通过两个凸台进行导向；导向柱前端端面上通过螺纹连接固定安装着地部件。

5.如权利要求4所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：着地部件采用足端橡胶球。

6.如权利要求1所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：操作器位姿调整舵机与任务切换舵机均固定一连接板上，使操作器位姿调整舵机的输出轴垂直于x轴设置；操作器位姿调整舵机的输出轴固定安装位姿调整舵机舵盘；操作器位姿调整舵机具有L型调整臂，L型调整臂的长边平行于任务切换舵机的上侧面，短边固定安装于位姿调整舵机舵盘上；操作器控制舵机固定安装于L型调整臂的长边上，输出轴垂直于L型调整臂的长边。

7.如权利要求1所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：操作器包括支架、操作臂与控制机构；其中，支架用来支撑操作器，支架顶面两侧各设计有一体结构的操作臂底座；操作臂包括摆杆与操作端头；摆杆一端与底座铰接，另一端与操作端头铰接；控制机构包括螺杆、台座与驱动杆；螺杆底端设计为盘型，固定安装于操作器控制舵机输出轴上安装的控制舵机舵盘上；螺杆上部设计为螺纹结构，套有台座；台座相对两侧铰接有驱动杆，驱动杆的输出端分别与两摆杆铰接。

8.如权利要求7所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：操作器的操作端头为具有相对的夹持面的夹持结构。

9.如权利要求7所述一种六自由度可进行腿臂融合操作的步行机器人单腿结构，其特征在于：操作器的操作端头为具有相对刃部的剪刀结构。