CN107856758A - 一种基于多级耦合并联机构的四足机器人腿 - Google Patents

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Abstract

一种基于多级耦合并联机构的四足机器人腿，其为多级耦合并联机构，它包括定平台、动平台、主动杆、从动杆、全向轮以及连接定平台和动平台的三条结构相同的支链，其中全向轮设在定平台底部，三条支链包括若干耦合连杆、球碗和耦合平台，三个主动杆的一端通过转动副与定平台连接，耦合连杆与主动杆另一端和另一个耦合连杆的一端球副连接球副连接，其中部通过转动副与耦合平台连接，其它耦合并联机构的部件和连接方式均与所述耦合并联机构的部件和连接方式相同，最后一级耦合并联机构的耦合连杆的另一端与从动杆一端的球副连接，该从动杆的另一端通过转动副与动平台连接。本发明驱动单元数量少、能够提高越障和快速移动能力。

Description

一种基于多级耦合并联机构的四足机器人腿
技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种四足机器人腿。
背景技术
四足机器人是目前比较普遍的一种机器人，从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机器人是最佳的足式机器人形式，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。然而，越障能力往往要求机器人具有更大且灵活的腿部结构，而快速移动能力不仅要求机构具有更低的重心，也要求机构具有更强的灵活性，因此，越障能力和快速移动能力往往很难同时满足，如何在不增大机器人整体结构的前提下提高机器人的越障能力很有研究价值；此外，现有的四足机器人大多仿照人的腿部或动物腿部而设计的串联连杆式结构，受限于连杆间约束，越障能力有限，而且不同于人或动物的肌肉组织，连杆式结构往往只有有限个驱动单元，无法像肌肉群那样完美协同工作以达到最佳的节能增效，在移动中的能耗也更大，很难实现快速移动，因此，四足机器人腿部的设计完全依照仿生设计的理念未必是最优的选择。
此外，四足机器人腿部结构通常为串联机构，其关节质量大，快速移动时转动惯量大，一定程度上制约了其发展，而并联机构尽管具有刚度大，精度高，动态性能好等优点，但由于受运动副，支链干涉，空间奇异等影响，直接影响到其工作空间，间接制约着其应用，很多学者尝试采用多个并联机构之间通过共用平台进行简单串联的办法,即混联的方法，意在既保留并联机构优点同时又能弥补工作空间不足。这种方式在理论上确实对并联机构的工作空间有明显改善的作用，但由于这种连接方式需要在每一级并联平台安装驱动单元，使得每一级机构需要承担以下各级的自重以外，还需承担这些机构驱动单元的重量，突显了类似于串联机构各关节体积和重量逐级增大的弊端，实用性有待进一步证实。因此这样的机构在工程应用中并不常见。此外，并联机构的运动空间还受到运动副自身的工作空间的限制，如球副的工作空间十分有限，使得实际应用中机构的工作空间距离理论工作空间又很大的差距。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利号：CN20170155118.5，名称：一种基于RSR构型并联机构的模块化仿生蛇形机器人，该专利公开了一种将多个RSR并联机构进行串联的混联机构。末端执行器相对于定平台具有两转动一移动运动的叠加，运动方式多样，长度可调，身体粗细可变等特点。然而，与多数的混联机构一样，都存在后一级驱动单元的自重成为前一级驱动负载从而大大降低了机构动态特性，同时又由于增大了前一级驱动体积，经多级串联后，结构变得十分臃肿，失去了实用的意义。而且，随着混联机构中并联关节数的增加，运动学正反解难度越来越大，驱动也变的十分困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种驱动单元数量少、能够提高越障和快速移动能力的基于多级耦合并联机构的四足机器人腿。
本发明的四足机器人腿为多级耦合并联机构，其包括定平台、动平台、主动杆、从动杆、全向轮以及连接定平台和动平台的三条结构相同的支链，其中全向轮与定平台底部中心固连，三条结构相同的支链包括若干耦合连杆、球碗和耦合平台，定平台、动平台和耦合平台上均设有三个均布的开口槽，三个主动杆的一端通过设在开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆的两端均设有通过转动副连接的球碗，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，其它耦合并联机构的部件和连接方式均与所述耦合并联机构的部件和连接方式相同，最后一级耦合并联机构的耦合连杆的另一端与设在从动杆一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
可以根据所需机械人腿的长短设定多少级耦合并联机构。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、通过采用多级耦合并联机构作为机器人腿部，以及在腿部末端安装全向轮，使得机器人可以通过腿部收缩后降低重心的特点以及全向轮的全向移动能力实现机器人的快速移动，且可以通过腿部伸长后大工作空间的运动性能达到优秀的越障性能。
2、通过在相邻两级并联机构同相位支链增加耦合运动关系，使得前一级机构输出角定量传递给后一级机构作为输入角，依照此方法在多级并联机构间增加相同的耦合运动关系，使得运动逐级传动，工作空间逐级放大，通过一定级数并联机构的耦合，即可实现类似串联机械臂的效果。
3、通过对支链球副增加局部自由度，增大了单一或多级耦合并联机构的伸缩比；由于机构之间存在耦合关系，大大减少了驱动单元的数量，以及免去了很多布线方面的麻烦；当各级并联机构尺寸相同时，运动学正反解变得极为简单，十分有利于工程实际中的控制工作。
附图说明
图1是本发明使用状态示意简图。
图2是本发明的立体示意简图。
图3是本发明偏转状态示意图。
图4是本发明收缩状态示意图。
图中：1.机器人腿、2.全向轮、3.定平台、4.耦合平台、5.动平台、6.主动杆、7.球碗、8.耦合连杆、9.从动杆。
具体实施方式
在图1和图2所示的基于多级耦合并联机构的四足机器人腿示意图中，全向轮与动平台5顶部中心固连，三条结构相同的支链包括若干耦合连杆、球碗和耦合平台，定平台、动平台5和耦合平台4上均设有三个均布的开口槽，三个主动杆6的一端通过设在开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆8的两端均设有通过转动副连接的球碗7，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，其它耦合并联机构的部件和连接方式均与所述耦合并联机构的部件和连接方式相同，最后一级耦合并联机构的耦合连杆的另一端与设在从动杆9一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
如图3和图4所示，本发明的基于多级耦合并联机构的四足机器人腿可以弯曲、伸长或缩短。

Claims (1)

1.一种基于多级耦合并联机构的四足机器人腿，其为多级耦合并联机构，包括定平台、动平台、主动杆、从动杆、全向轮以及连接定平台和动平台的三条结构相同的支链，全向轮与定平台底部中心固连，其特征在于：所述三条结构相同的支链包括若干耦合连杆、球碗和耦合平台，定平台、动平台和耦合平台上均设有三个均布的开口槽，三个主动杆的一端通过设在开口槽上的转动副与定平台连接，耦合连杆的两端均设有通过转动副连接的球碗，主动杆的另一端通过球副与耦合连杆的一端连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该耦合连杆的中部通过设在耦合平台开口槽上的转动副与耦合平台连接，该耦合连杆的另一端与另一个耦合连杆的一端通过球副与连接，其它耦合并联机构的部件和连接方式均与所述耦合并联机构的部件和连接方式相同，最后一级耦合并联机构的耦合连杆的另一端与设在从动杆一端的球碗球副连接，该球碗通过转动副与从动杆连接，转动副的转动轴线经过球副的转动中心，该从动杆的另一端通过设在动平台开口槽出的转动副与动平台连接。
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