CN107380295B - 一种闭链式步行腿机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种闭链式步行腿机构,属于机器人车辆行走技术领域。本发明步行腿机构包括第一闭链机构(大腿部分)及第二闭链机构(小腿部分),大腿采用曲柄摇块机构,包括安装支架、连杆、曲柄、滑块、电机、滑动轴承、转轴、导轨、曲柄轴及连杆轴;小腿采用曲柄滑块机构,包括滑块、电机、导轨、腿杆、滑动轴承、曲柄轴、曲柄及连杆。大腿的曲柄摇块机构用于控制步行腿机构腿杆的上下移动和前后摆动,小腿的曲柄滑块机构则用于控制步行腿机构腿杆的伸缩,本发明机构能够通过大腿部分的电机和小腿部分的电机的协同驱动完成复杂路面的行走功能,本发明机构可应用于越障车或机器人的行走系统中。

Description

一种闭链式步行腿机构
技术领域:
本发明属于机器人车辆行走技术领域,具体涉及一种闭链式步行腿机构,该机构通过大腿部分的电机和小腿部分的电机的协同驱动,可完成复杂路面的行走功能,可应用于越障车或机器人的行走系统中。
背景技术:
目前步行机器人的腿结构设计大多采用开链式机构,即根据仿生学原理将杆件一一相连,形成多个关节,每个关节处使用舵机控制其转动角度。对于开式运动链的步行腿而言,其结构虽然比较简单,但需控制的变量较多,控制程序比较复杂,且关节驱动电机负载较大,不利于提高机器人的载荷,尚需进一步改进。
发明内容:
本发明针对开链式步行腿机构的现状,提供一种闭链式步行腿机构,该机构通过大腿电机和小腿电机的协同驱动,基于两个闭链结构来实现复杂路面的行走功能,可应用于越障车或机器人的行走系统中。
本发明所提供的一种闭链式步行腿机构包括第一闭链机构及第二闭链机构,所述第一闭链机构构成大腿,所述第二闭链机构构成小腿,所述第一闭链机构采用曲柄摇块机构,所述第一闭链机构包括安装支架1、第一连杆10、第一曲柄16、第一滑块8、第一电机13、第四滑动轴承5、第一转轴4、第一导轨9、第一曲柄轴14、第一轴向挡圈17、第一连杆轴18及第一滑动轴承19;所述第二闭链机构采用曲柄滑块机构,所述第二闭链机构包括第二滑块11、第二电机6、第二导轨12、腿杆20、第六滑动轴承21、第二曲柄轴22、第二曲柄23、第二连杆24、第二轴向挡圈17A、第二连杆轴18A、第二滑动轴承19A、第三轴向挡圈17B、第三连杆轴18B、第三滑动轴承19B及所述第一连杆10。
所述安装支架1为U型结构,所述安装支架1上下端面设有螺栓孔,所述安装支架1通过螺栓与机器人本体连接,所述安装支架1的侧面设有两个安装孔,分别用于安装所述第一电机13和所述第四滑动轴承5。所述第四滑动轴承5为中空法兰型结构,所述第四滑动轴承5通过法兰与所述安装支架1固连;所述第一转轴4的一端设有矩形法兰,所述矩形法兰通过盘头螺钉7与所述第一滑块8固连,所述第一转轴4的另一端与所述第四滑动轴承5采用间隙配合构成转动副,所述第一转轴4与所述第四滑动轴承5通过卡环进行轴向限位。
所述第一连杆10呈倒“L”形,所述第一连杆10的一侧通过螺栓安装所述第一导轨9和所述第二电机6,所述第一连杆10的另一侧安装所述第二滑块11。所述第一滑块8与所述第一导轨9配合构成移动副;所述第一连杆10的下端设有安装孔,所述第一连杆10通过第一滑动轴承19和第一连杆轴18与所述第一曲柄16相连。
所述第二导轨12通过螺栓固定在所述腿杆20的上半部,所述第二导轨12与所述第二滑块11配合构成移动副;所述第一电机13安装在所述安装支架1上,所述第一电机13与所述第一曲柄轴14的一端联接,所述第一曲柄轴14的另一端设有法兰,所述第一曲柄轴14通过法兰与所述第一曲柄16固连。
所述第五滑动轴承15呈空心轴套型,所述第五滑动轴承15与所述安装支架1上的安装孔为过盈配合,所述第五滑动轴承15的内孔与所述第一曲柄轴14采用间隙配合构成转动副。所述第一曲柄16的两端分别通过螺栓与所述第一曲柄轴14及所述第一连杆轴18固连;所述第一连杆轴18的一端通过法兰安装在所述第一曲柄16上,所述第一连杆轴18的另一端与所述第一滑动轴承19采用间隙配合构成转动副,所述第一连杆轴18与所述第一滑动轴承19用所述第一轴向挡圈17进行轴向限位。
所述第一滑动轴承19呈空心轴套型,所述第一滑动轴承19与所述第一连杆10上的安装孔为过盈配合;所述第一轴向挡圈17、所述第一连杆轴18及所述第一滑动轴承19组成第一转动关节组,用于杆件之间的转动连接。所述腿杆20是所述步行腿机构的执行末端,所述腿杆20的上半部与所述第二导轨12通过螺栓固连;所述第二导轨12能够沿所述第二滑块11移动,进而控制所述腿杆20的伸缩。
所述第六滑动轴承21呈空心轴套型,所述第六滑动轴承21与所述第一连杆10上的安装孔为过盈配合,所述第六滑动轴承21的内孔与所述第二曲柄轴22采用间隙配合构成转动副。所述第二曲柄轴22呈阶梯状,所述第二曲柄轴22的一端设有法兰,所述第二曲柄轴22通过法兰与所述第二曲柄23固连;所述第二曲柄轴22伸出的轴端与所述第二电机6的输出轴固连。
所述第二轴向挡圈17A、所述第二连杆轴18A及所述第二滑动轴承19A组成第二转动关节组,用于杆件之间的转动连接;所述第三轴向挡圈17B、所述第三连杆轴18B及所述第三滑动轴承19B组成第三转动关节组,用于杆件之间的转动连接;所述第二转动关节组及所述第三转动关节组的结构与所述第一转动关节组的结构相同。
所述第二曲柄23的一端与第二曲柄轴22固连,所述第二曲柄23的另一端通过所述第二转动关节组与所述第二连杆24联接;所述第二连杆24的两端设有若干安装孔,所述第二连杆24的一端通过所述第二转动关节组与所述第二曲柄23相连,所述第二连杆24的另一端通过所述第三转动关节组与所述腿杆20相连。
本发明闭链式步行腿机构通过曲柄摇块机构大腿部分和曲柄滑块机构小腿部分的协调配合运动,来实现腿杆20的上下移动、前后摆动以及越障时的伸缩运动。当平地行走时,通过曲柄滑块机构小腿部分调整完成腿杆20的伸缩长度后,第二电机6锁定,通过曲柄摇块机构大腿部分的连续运动实现步行腿机构的快速运动;当需越障时,先通过曲柄滑块机构小腿部分控制腿杆20上移抬高以适应障碍物高度,再通过曲柄摇块机构大腿部分的连续运动的协调配合,可以实现步行腿机构的越障运动。
附图说明:
图1为本发明闭链式步行腿机构的结构示意图;
图2为图1的右视结构示意图;
图3为图2中A-A向结构示意图;
图4为本发明闭链式步行腿机构组成的多足机器人结构示意图。
图中:1:安装支架;2:螺母;3:盘头螺栓;4:第一转轴;5:第四滑动轴承;6:第二电机;7:盘头螺钉;8:第一滑块;9:第一导轨;10:第一连杆;11:第二滑块;12:第二导轨;13:第一电机;14:第一曲柄轴;15:第五滑动轴承;16:第一曲柄;17:第一轴向挡圈;18:第一连杆轴;19:第一滑动轴承;17A:第二轴向挡圈;18A:第二连杆轴;19A:第二滑动轴承;17B:第三轴向挡圈;18B:第三连杆轴;19B:第三滑动轴承;20:腿杆;21:第六滑动轴承;22:第二曲柄轴;23:第二曲柄;24:第二连杆。
具体实施方式:
本发明所提供的一种闭链式步行腿机构包括第一闭链机构及第二闭链机构,第一闭链机构构成大腿,第二闭链机构构成小腿,第一闭链机构采用曲柄摇块机构,第一闭链机构包括安装支架1、第一连杆10、第一曲柄16、第一滑块8、第一电机13、第四滑动轴承5、第一转轴4、第一导轨9、第一曲柄轴14、第一轴向挡圈17、第一连杆轴18及第一滑动轴承19;第二闭链机构采用曲柄滑块机构,第二闭链机构包括第二滑块11、第二电机6、第二导轨12、腿杆20、第六滑动轴承21、第二曲柄轴22、第二曲柄23、第二连杆24、第二轴向挡圈17A、第二连杆轴18A、第二滑动轴承19A、第三轴向挡圈17B、第三连杆轴18B、第三滑动轴承19B及所述第一连杆10。
图1为本发明的闭链式步行腿机构结构示意图,当平地行走时,锁定第二电机6,小腿部分变成刚体固定在第一连杆10上,整个机构形成曲柄摇块机构。具体动作:第一电机13驱动第一曲柄轴14带动第一曲柄16转动,第一曲柄16通过第一连杆轴18带动第一连杆10运动;第一连杆10随固连其上的第一导轨9沿着第一滑块8做直线移动,同时第一连杆10随与第一滑块8固连的第一转轴4做前后摆动。此时,腿杆20的运动和第一连杆10的运动一样,做直线移动和前后摆动的复合运动,从而实现步行腿机构的平地行走功能。
当需越障时,先通过小腿部分的曲柄滑块机构控制所述腿杆20上移抬高以适应障碍物高度,再锁定第二电机6,通过大腿部分的曲柄摇块机构控制第一连杆10与腿杆20的移动和前后摆动运动来实现步行腿机构的越障运动。具体动作:第二电机6驱动第二曲柄轴22带动第二曲柄23转动,第二曲柄23通过第二连杆轴18A带动第二连杆24转动,第二连杆24通过第三连杆轴18B带动腿杆20运动。腿杆20通过固连其上的第二导轨12沿着第二滑块11上移抬高以适应障碍物高度,此时锁定第二电机6,小腿部分变成刚体固定在第一连杆10上,整个机构形成曲柄摇块机构。后续动作与平地行走相同。
图4为本发明的闭链式步行腿机构组成多足机器人示意图,在安装支架1上对称配置4组或6组本发明的闭链式步行腿机构,即可形成四足或六足步行机器人,具有较强的平地驱动行走和越障能力。

Claims (1)

1.一种闭链式步行腿机构,其特征在于该步行腿机构包括第一闭链机构及第二闭链机构,所述第一闭链机构构成大腿,所述第二闭链机构构成小腿,所述第一闭链机构采用曲柄摇块机构,所述第一闭链机构包括安装支架(1)、第一连杆(10)、第一曲柄(16)、第一滑块(8)、第一电机(13)、第四滑动轴承(5)、第一转轴(4)、第一导轨(9)、第一曲柄轴(14)、第一轴向挡圈(17)、第一连杆轴(18)及第一滑动轴承(19);所述第二闭链机构采用曲柄滑块机构,所述第二闭链机构包括第二滑块(11)、第二电机(6)、第二导轨(12)、腿杆(20)、第六滑动轴承(21)、第二曲柄轴(22)、第二曲柄(23)、第二连杆(24)、第二轴向挡圈(17A)、第二连杆轴(18A)、第二滑动轴承(19A)、第三轴向挡圈(17B)、第三连杆轴(18B)、第三滑动轴承(19B)及所述第一连杆(10);所述安装支架(1)为U型结构,所述安装支架(1)上下端面设有螺栓孔,所述安装支架(1)通过螺栓与机器人本体连接,所述安装支架(1)的侧面设有两个安装孔,分别用于安装所述第一电机(13)和所述第四滑动轴承(5);所述第四滑动轴承(5)为中空法兰型结构,所述第四滑动轴承(5)通过法兰与所述安装支架(1)固连;所述第一转轴(4)的一端设有矩形法兰,所述矩形法兰通过盘头螺钉(7)与所述第一滑块(8)固连,所述第一转轴(4)的另一端与所述第四滑动轴承(5)采用间隙配合构成转动副,所述第一转轴(4)与所述第四滑动轴承(5)通过卡环进行轴向限位;所述第一连杆(10)呈倒“L”形,所述第一连杆(10)的一侧通过螺栓安装所述第一导轨(9)和所述第二电机(6),所述第一连杆(10)的另一侧安装所述第二滑块(11);所述第一滑块(8)与所述第一导轨(9)配合构成移动副;所述第一连杆(10)的下端设有安装孔,所述第一连杆(10)通过所述第一滑动轴承(19)和所述第一连杆轴(18)与所述第一曲柄(16)相连;所述第二导轨(12)通过螺栓固定在所述腿杆(20)的上半部,所述第二导轨(12)与所述第二滑块(11)配合构成移动副;所述第一电机(13)安装在所述安装支架(1)上,所述第一电机(13)与所述第一曲柄轴(14)的一端联接,所述第一曲柄轴(14)的另一端设有法兰,所述第一曲柄轴(14)通过法兰与所述第一曲柄(16)固连;第五滑动轴承(15)呈空心轴套型,所述第五滑动轴承(15)与所述安装支架(1)上的安装孔为过盈配合,所述第五滑动轴承(15)的内孔与所述第一曲柄轴(14)采用间隙配合构成转动副;所述第一曲柄(16)的两端分别通过螺栓与所述第一曲柄轴(14)及所述第一连杆轴(18)固连;所述第一连杆轴(18)的一端通过法兰安装在所述第一曲柄(16)上,所述第一连杆轴(18)的另一端与所述第一滑动轴承(19)采用间隙配合构成转动副,所述第一连杆轴(18)与所述第一滑动轴承(19)用所述第一轴向挡圈(17)进行轴向限位;所述第一滑动轴承(19)呈空心轴套型,所述第一滑动轴承(19)与所述第一连杆(10)上的安装孔为过盈配合;所述第一轴向挡圈(17)、所述第一连杆轴(18)及所述第一滑动轴承(19)组成第一转动关节组;所述腿杆(20)是所述步行腿机构的执行末端,所述腿杆(20)的上半部与所述第二导轨(12)通过螺栓固连;所述第二导轨(12)能够沿所述第二滑块(11)移动,进而控制所述腿杆(20)的伸缩;所述第六滑动轴承(21)呈空心轴套型,所述第六滑动轴承(21)与所述第一连杆(10)上的安装孔为过盈配合,所述第六滑动轴承(21)的内孔与所述第二曲柄轴(22)采用间隙配合构成转动副;所述第二曲柄轴(22)呈阶梯状,所述第二曲柄轴(22)的一端设有法兰,所述第二曲柄轴(22)通过法兰与所述第二曲柄(23)固连;所述第二曲柄轴(22)伸出的轴端与所述第二电机(6)的输出轴固连;所述第二轴向挡圈(17A)、所述第二连杆轴(18A)及所述第二滑动轴承(19A)组成第二转动关节组;所述第三轴向挡圈(17B)、所述第三连杆轴(18B)及所述第三滑动轴承(19B)组成第三转动关节组;所述第二转动关节组及所述第三转动关节组的结构与所述第一转动关节组的结构相同;所述第二曲柄(23)的一端与第二曲柄轴(22)固连,所述第二曲柄(23)的另一端通过所述第二转动关节组与所述第二连杆(24)联接;所述第二连杆(24)的两端设有若干安装孔,所述第二连杆(24)的一端通过所述第二转动关节组与所述第二曲柄(23)相连,所述第二连杆(24)的另一端通过所述第三转动关节组与所述腿杆(20)相连。
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