CN108216421A - 一种混联机械腿及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混联机械腿及其控制方法，涉及机器人技术领域，包括由上至下依次连接的固定顶板、髋关节、大腿、膝盖关节、小腿以及足，所述髋关节包括3组球铰组件；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架和2个电动缸，大腿支撑架与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸的下端通过电动缸固定架与大腿支撑架连接，电动缸的伸缩变化带动大腿支撑架动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动。本发明有益效果：本发明提供的机械腿结构简单、设计合理，灵活性较高，为多足机器人的研究提供基础。

Description

一种混联机械腿及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地说是一种混联机械腿及其控制方法。

背景技术

机器人是近年来最活跃的研究领域之一，按照运动方式不同，机器人可以分为轮式、履带式和足式机器人等。 相对于轮式和履带式机器人，足式机器人具有很好的环境适应性，能在坑洼、烁石、草地、崎岖山地等复杂环境下的运动，可以帮助人们在危险环境下完成救援和探险任务。军事上，足式机器人既可以完成战场物质搬运，也可以携带军用侦查、作战装备协助士兵作战。 因此，足式机器人的设计与开发具有广阔的应用前景。但现有足式机器人的机械腿不够灵活，设计不够简单，且没有对机械腿运动轨迹进行控制的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种混联机械腿及其控制方法，解决现有机械腿不够灵活，没有可准确控制机械腿运动轨迹的方法的问题，为多足机器人的研究提供基础。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种混联机械腿，包括由上至下依次连接的固定顶板、髋关节、大腿、膝盖关节、小腿以及足，所述髋关节包括3组球铰组件，所述球铰组件由依次连接的球铰座、球铰和球铰连接件构成，球铰座设置于固定顶板的底部；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架和2个电动缸，大腿支撑架与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸的下端通过电动缸固定架与大腿支撑架连接，电动缸的伸缩变化带动大腿支撑架动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动；所述膝盖关节上端与大腿支撑架的底端铰接，下端与小腿固定连接，膝盖关节上设有用于驱动膝盖关节运动的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机、同步轮、同步带、减速轮和行星减速器，所述伺服电机与设置于大腿支撑架上的同步轮连接以驱动同步轮的转动，减速轮设置于膝盖关节与大腿支撑架的铰接轴的轴端，且减速轮与行星减速器连接，同步带套设于同步轮和减速轮上，伺服电机通过同步轮、同步带、减速轮和行星减速器驱动膝盖关节运动，从而带动机械腿的小腿抬起和放下；所述小腿为串联结构，小腿连接于膝盖关节的下端部且小腿与膝盖关节之间设有缓冲弹簧和三维力传感器；足固定设置于小腿的下端部。

本发明所述膝盖关节与小腿之间通过直线轴承和内螺纹光轴连接，直线轴承固定于膝盖关节上，内螺纹光轴一端设置于直线轴承内，另一端穿过小腿上开设的通孔，随着缓冲弹簧的压缩变形和复原，内螺纹光轴在直线轴承内上下运动以配合缓冲弹簧的伸缩。

本发明所述大腿支撑架为倒“U”型，膝盖关节为“U”型。

本发明所述机械腿的足为球形。

一种混联机械腿的控制方法，包括以下步骤：

（1）获取机械腿大腿关节角度或者髋关节角度B，机械腿膝盖关节角度A，机械腿大腿等效长度L ₁ ，机械腿小腿长度L ₂ ；

（2）由下式计算机械腿的足端轨迹：

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本发明的有益效果是：本发明提供的机械腿结构简单、设计合理，灵活性较高，大腿采用并联结构，通过电动缸的伸缩变化带动大腿支撑架动作实现大腿的俯仰运动和横滚运动；小腿采用串联结构，伺服电机通过同步轮、同步带、减速轮和行星减速器驱动膝盖关节运动，从而带动机械腿的小腿抬起和放下，实现机械腿的移动；同时提供了机械腿运动轨迹的控制方法，通过本方法可以准确地控制机械腿的运动，使其更加稳定，本发明为多足机器人的研究提供基础。

附图说明

图1为本发明主视图；

图2为本发明膝盖关节与小腿连接结构示意图；

图3为本发明立体结构示意图；

图4为本发明机械腿等效简图。

图中标记：1、固定顶板，2、球铰座，3、球铰，4、球铰连接件，5、电动缸，6、大腿支撑架，7、电动缸固定架，8、铰接轴，9、缓冲弹簧，10、三维力传感器，11、小腿，12、足，13、伺服电机，14、同步轮，15、同步带，16、减速轮，17、行星减速器，18、膝盖关节，19、直线轴承，20、内螺纹光轴。

具体实施方式

如图所示，一种混联机械腿，包括由上至下依次连接的固定顶板1、髋关节、大腿、膝盖关节18、小腿11以及足12，所述髋关节包括3组球铰组件，所述球铰组件由依次连接的球铰座2、球铰3和球铰连接件4构成，球铰座2设置于固定顶板1的底部；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架6和2个电动缸5，大腿支撑架6与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸5的顶端分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸5的下端通过电动缸固定架7与大腿支撑架6连接，电动缸5的伸缩变化带动大腿支撑架6动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动；所述膝盖关节18上端与大腿支撑架6的底端铰接，下端与小腿11固定连接，膝盖关节18上设有用于驱动膝盖关节18运动的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机13、同步轮14、同步带15、减速轮16和行星减速器17，所述伺服电机13与设置于大腿支撑架6上的同步轮14连接以驱动同步轮14的转动，减速轮16设置于膝盖关节18与大腿支撑架6的铰接轴8的轴端，且减速轮16与行星减速器17连接，同步带15套设于同步轮14和减速轮16上，伺服电机13通过同步轮14、同步带15、减速轮16和行星减速器17驱动膝盖关节18运动，从而带动机械腿的小腿11抬起和放下；所述小腿11为串联结构，小腿11连接于膝盖关节18的下端部且小腿11与膝盖关节18之间设有缓冲弹簧9和三维力传感器10；足12固定设置于小腿11的下端部。

进一步，所述膝盖关节18与小腿11之间通过直线轴承19和内螺纹光轴20连接，直线轴承19固定于膝盖关节18上，内螺纹光轴20一端设置于直线轴承19内，另一端穿过小腿11上开设的通孔，随着缓冲弹簧9的压缩变形和复原，内螺纹光轴20在直线轴承9内上下运动以配合缓冲弹簧9的伸缩。

进一步，所述大腿支撑架6为倒“U”型，膝盖关节为“U”型。

进一步，所述机械腿的足为球形。

进一步，所述小腿为圆柱形。

一种混联机械腿的控制方法，包括以下步骤：

（1）获取机械腿大腿关节角度或者髋关节角度B，机械腿膝盖关节角度A，机械腿大腿等效长度L ₁ ，机械腿小腿长度L ₂ ；

（2）由下式计算机械腿的足端轨迹：

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本发明工作原理及方法：通过电动缸5的伸缩变化带动大腿支撑架6动作实现大腿的俯仰运动和横滚运动；小腿11采用串联结构，伺服电机13通过同步轮14、同步带15、减速轮16和行星减速器17驱动膝盖关节18运动，从而带动机械腿的小腿11抬起和放下，实现机械腿的移动。通过公式计算出机械腿足端下一步的运动轨迹从而控制机械腿的运动。

Claims (5)

1.一种混联机械腿，包括由上至下依次连接的固定顶板（1）、髋关节、大腿、膝盖关节（18）、小腿（11）以及足（12），其特征在于：所述髋关节包括3组球铰组件，所述球铰组件由依次连接的球铰座（2）、球铰（3）和球铰连接件（4）构成，球铰座（2）设置于固定顶板（1）的底部；所述大腿为并联结构，包括大腿支撑架（6）和2个电动缸（5），大腿支撑架（6）与其中一个球铰连接件连接，2个电动缸（5）分别与另外2个球铰连接件连接，电动缸（5）的下端通过电动缸固定架（7）与大腿支撑架（6）连接，电动缸（5）的伸缩变化带动大腿支撑架（6）动作，实现大腿的俯仰运动和横滚运动；所述膝盖关节（18）上端与大腿支撑架（6）的底端铰接，下端与小腿（11）固定连接，膝盖关节（18）上设有用于驱动膝盖关节（18）运动的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机（13）、同步轮（14）、同步带（15）、减速轮（16）和行星减速器（17），所述伺服电机（13）与设置于大腿支撑架（6）上的同步轮（14）连接以驱动同步轮（14）的转动，减速轮（16）设置于膝盖关节（18）与大腿支撑架（6）的铰接轴（8）的轴端，且减速轮（16）与行星减速器（17）连接，同步带（15）套设于同步轮（14）和减速轮（16）上，伺服电机（13）通过同步轮（14）、同步带（15）、减速轮（16）和行星减速器（17）驱动膝盖关节（18）运动，从而带动机械腿的小腿（11）抬起和放下；所述小腿（11）为串联结构，小腿（11）连接于膝盖关节（18）的下端部且小腿（11）与膝盖关节（18）之间设有缓冲弹簧（9）和三维力传感器（10）；足（12）固定设置于小腿（11）的下端部。

2.根据权利要求1所述的一种混联机械腿，其特征在于：所述膝盖关节（18）与小腿（11）之间通过直线轴承（19）和内螺纹光轴（20）连接，直线轴承（19）固定于膝盖关节（18）上，内螺纹光轴（20）一端设置于直线轴承（19）内，另一端穿过小腿（11）上开设的通孔，随着缓冲弹簧（9）的压缩变形和复原，内螺纹光轴（20）在直线轴承（9）内上下运动以配合缓冲弹簧（9）的伸缩。

3.根据权利要求1所述的一种混联机械腿，其特征在于：所述大腿支撑架（6）为倒“U”型，膝盖关节为“U”型。

4.根据权利要求1所述的一种混联机械腿，其特征在于：所述机械腿的足为球形。

5.一种混联机械腿的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）获取机械腿大腿关节角度或者髋关节角度B，机械腿膝盖关节角度A，机械腿大腿等效长度L ₁ ，机械腿小腿长度L ₂ ；

（2）由下式计算机械腿的足端轨迹：

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