CN107140055A - 手脚融合电动六足机器人 - Google Patents

Abstract

一种手脚融合电动六足机器人，包括躯干以及连接在躯干上的四条腿，躯干上还连接有两条旋转臂，旋转臂均包括三条传动链，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；两条旋转臂的第三传动链的末端连接有抓手。该机器人突破了步行机器人只能步行的单一性，通过手脚融合机构，拓展了其空间操作的功能，提高了机器人的地面适应能力；主要应用于复杂作业环境，可根据具体工况变换机器人的形态，具备手脚融合的功能，采用六足机构构型，稳定性高，能够快速通过复杂地形；采用“四足+双臂”机构构型，可以实现在行进的同时抓取物体，驱动更加轻便灵活。

Description

手脚融合电动六足机器人

技术领域

本发明涉及一种能够手脚融合的电动六足机器人，属于足式移动机器人技术领域。

背景技术

地面移动机器人的行进方式主要有轮式、足式、履带式和蠕动式等。与其他移动方式相比，足式移动具有地形适应能力和越障能力强、通过性好、移动方向可全方位调整、机动性好等优势。六足与其它足式移动机器人相比，具有更好的动态稳定性以及容错性，是复杂作业环境的最佳选择。

但目前国内外的多足机器人多作为一种移动平台，要配置特定的旋转臂才能完成作业任务，很难实现复杂的操作功能。

发明内容

为克服现有机器人技术中的不足，本发明提出一种手脚融合电动六足机器人，该机器人将腿和臂的功能结合，中间两条旋转臂既可以在行走时执行腿的功能，又可以在工作时成为工作臂，进一步增强了机器人的性能。

为了实现上述目的，本发明的手脚融合电动六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，躯干上还连接有两条旋转臂，旋转臂均包括三条传动链，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；两条旋转臂的第三传动链的末端连接有抓手。

所述四条腿中的两条分布在躯干的前部，另两条分布在躯干的后部，两条旋转臂分布在两条前腿和两条后退之间。

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，第二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，大腿杆件连接在第二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、摇臂销轴和小腿杆件，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，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。

所述抓手包括伺服电机、第四谐波减速器、手掌、推拉机构和手指，伺服电机连接在旋转臂的第三传动链的末端(旋转臂小腿杆件)，伺服电机的输出轴与第四谐波减速器的输入端相连，第四谐波减速器的输出端与手掌连接；手掌上铰接有推拉机构，手指一方面与手掌铰接，另一方面与推拉机构铰接。所述推拉机构可以采用气缸、液压缸或电缸等。

腿的结构也可以与旋转臂一样，包括三条传动链，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，第三传动链的末端连接有脚掌。

腿的结构也可以采用其它结构形式。

上述机器人工作时，可根据实际情况，改变机器人的形态，当机器人正常行走时，采用三角步态，形式简单，易于控制和规划，并且在快速行进的过程中不失稳定性；当机器人需要抓取物体时，用四条腿作为支撑，通过旋转臂的旋转和抓手手指的开合抓取物体。该机器人突破了步行机器人只能步行的单一性，通过手脚融合机构，拓展了其空间操作的功能，提高了机器人的地面适应能力。

本发明可根据具体工况变换机器人的形态，具备手脚融合的功能，其有以下特点：

1.采用六足机构构型，稳定性高，能够快速通过复杂地形；

2.采用“四足+双臂”机构构型，可以实现在行进的同时抓取物体。

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是本发明手脚融合电动六足机器人的整体结构示意图。

图2是本发明手脚融合电动六足机器人腿的外部结构示意图。

图3是本发明中旋转臂的外部结构示意图。

图4是本发明中腿的内部结构剖视图。

图5是本发明中第二传动链和第三传动链的结构示意图。

图6是本发明中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7是本发明中旋转臂抓手内部结构示意图。

图中：I.躯干，II.腿，III.旋转臂；

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；

30.旋转臂小腿杆件，31、抓手，32.伺服电机，33.电机套，34.第四谐波输入接盘，35.第四输入端接盘36.第四谐波减速器，37.谐波输出接盘，38.手掌，39.第一销轴，40.气缸，41.吊耳，42.第二销轴，43.第三销轴，44.手指。

具体实施方式

如图1所示，本发明的手脚融合电动六足机器人包括躯干I、四条腿II和两条旋转臂III，腿II和旋转臂III连接在躯干I上。其中两条腿设置在躯干的前部，另两条腿设置在躯干的后部，两条旋转臂分布在两条前腿和两条后腿之间。

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。腿II的外部结构如图2所示，腿II在其第三传动链的末端(小腿杆件10)上连接有脚掌11。

旋转臂III也包括与腿II相同结构的三条传动链，不同的是，如图3所示，旋转臂III在其第三传动链的末端(旋转臂小腿杆件30)连接有抓手31，旋转臂III共有四个自由度。

如图4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4、图5和图6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4)。第二谐波减速器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6)通过螺钉固定在第二谐波减速器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5)，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4和图5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和小腿杆件10。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4)。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。

小腿杆件10上通过螺钉固定连接有脚掌11。

旋转臂III除了具有上述三条传动链以外，在其第三传动链的末端，也就是旋转臂小腿杆件30上连接有一个抓手31，使得旋转臂III共有四个自由度。抓手31的结构如图7所示，包括伺服电机32、第四谐波输入接盘34、第四输入端接盘35、第四谐波减速器36、谐波输出接盘37、手掌38、气缸40和手指44。第四谐波输入接盘34通过电机套33与旋转臂小腿杆件30固连。第四谐波减速器36和伺服电机32通过螺钉固定在第四谐波输入接盘34上。伺服电机32的输出轴通过第四输入端接盘35与第四谐波减速器36的输入端相连。手掌38通过谐波输出接盘37与第四谐波减速器38的输出端相连。手掌38上通过第一销轴39铰接有三个气缸40，手掌38上通过第三销轴43铰接有手指44，一个气缸40对应一个手指44，气缸40的缸杆上连接有吊耳41。吊耳41通过第二销轴42与手指44铰接。气缸40也可用电缸代替。

抓手31工作时，伺服电机32通过第四谐波减速器36输出相应的转速和扭矩驱动手掌38旋转。气缸40通过驱动由气缸40、吊耳41、手指44和手掌38组成的连杆机构运动，从而实现手指44的开合。

上述手脚融合电动六足机器人四条腿均具有三个主动关节，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。中间两条旋转臂均具有四个主动关节，前三个关节与前后四条腿相同，工作方式也完全相同，第四个关节主要用于驱动抓手旋转；抓手工作时，通过电机驱动其相对于小腿杆件旋转，三个气缸通过连杆机构驱动手指夹持物体。当机器人正常行走时，采用三角步态，六条腿分为两组，每组腿的落足点构成一个三角形，可以高速稳定前进；当机器人抓取物体时，利用前后四条腿支撑身体，中间两条旋转臂作为抓取物体的机械手。

Claims (6)

1.一种手脚融合电动六足机器人，包括躯干以及连接在躯干上的四条腿，其特征是：躯干上还连接有两条旋转臂，旋转臂均包括三条传动链，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；两条旋转臂的第三传动链的末端连接有抓手。

2.根据权利要求1所述的手脚融合电动六足机器人，其特征是：所述四条腿中的两条分布在躯干的前部，另两条分布在躯干的后部，两条旋转臂分布在两条前腿和两条后腿之间。

3.根据权利要求1所述的手脚融合电动六足机器人，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。

4.根据权利要求1所述的手脚融合电动六足机器人，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，第二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，大腿杆件连接在第二谐波减速器的输出端。

5.根据权利要求1所述的手脚融合电动六足机器人，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、摇臂销轴和小腿杆件，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，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。

6.根据权利要求1所述的手脚融合电动六足机器人，其特征是：所述抓手包括伺服电机、第四谐波减速器、手掌、推拉机构和手指，伺服电机连接在旋转臂的第三传动链的末端，伺服电机的输出轴与第四谐波减速器的输入端相连，第四谐波减速器的输出端与手掌连接；手掌上铰接有推拉机构，手指一方面与手掌铰接，另一方面与推拉机构铰接。