CN108340986A - 一种具有并联结构的轮腿仿生机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，包括机架，四条并联机械腿，全向轮，所述并联机械腿分布在机架的四角，所述全向轮安装在各条机械腿底部。其中，所述的每个轮腿相对于机架具有二维平移和二维转动四个自由度，所述机架在四条并联机械轮腿的配合下具有三维平移和三维转动六个自由度。本发明是一个轮腿混合足式移动机器人，运动快速灵巧，地形适应性好，越障能力强，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生机器人，特别是涉及一种具有并联结构的轮腿仿生机器人。
背景技术
已有的应用于工作的可移动式机器人多为履带式、轮式、足式结构，其中：履带式机器人在障碍和不规则路面的通过能力较强，但是体积和自重较大，而且运动不够灵活；轮式机器人的移动速度较快，但是通过障碍的能力较差；足式机器人具有较好的障碍通过能力和运动灵活性，但是在远距离移动过程中只能通过迈步方式行走，无法有效利用已有公路或平整路面，所以其运动过程中能量损失较大且无法根据不同路面切换不同运动模式。轮腿混合式机器人能够兼具轮式机器人和足式机器人的优点，在平整路面可以通过轮式高速机动，在不平整的作业区域可以通过足式迈步前进通过障碍。
并联机构能够在结构紧凑的同时获得较多的运动自由度和较好的运动灵活性及承载能力，适合用于轮腿混合机器人的机械腿的结构。目前，有很多研究机构已经研发出很多串联的轮腿机器人，但是并联机械腿结构的轮腿机器人却很少，尤其是在全方位灵活移动的轮腿机器人更少。一般的轮腿机器人实现侧向平移较为困难，若要实现，需采用电机等额外机构驱动轮旋转90度后实现平移，或采用6自由度机构实现全方位的移动，控制和机构较为复杂。本专利提供一种能用轮行走，又能在平坦路面进行全方位移动的、具有并联结构特点的、结构和控制方便的仿生机器人，能够提高在路面的灵活移动能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，机器人的腿部是一个四自由度并联机构，实现多自由度的运动以保证越障时机器人整体的平衡，实现前后左右等方位的全向移动，具有结构简单、控制方便的特点，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，包括机架、四条并联仿生机械腿、全向轮，并联机械腿分布在机架的四角，相对于机架，每条机械腿具有两个平移，两个转动共四个自由度；并联机械腿包括三条具有不同结构、不同尺寸的支链组成；全向轮安装在各条机械腿底部；轮腿包括轮子支架、转动副底座、驱动电机支架、全向轮驱动电机，全向轮安装在轮子支架下部轮轴上，驱动电机通过同步带传动机构连接轮轴，其中，每个轮腿相对于机架具有二维平移和二维转动四个自由度，机架在四条并联机械轮腿的配合下具有三维平移和三维转动六个自由度；并联机械腿结构分别由三条支链组成；三条支链包括两条通过铰链连接转动支架和轮子支架的前端支链A、支链B及一条通过虎克铰与等效球铰连接机架和轮子支架的后端支链C；其中支链A、支链B上端通过R副与转动支架连接，转动支架通过转动副与机架连接，支链下端通过转动副与轮子支架连接；另一条支链上端通过虎克铰与机架链接，下端通过等效球铰与轮子支架连接；全向轮安装在轮子支架底部；支链包括丝杠驱动电机、丝杠滑块机构、下部连杆；全向轮由固定在轮子支架上的驱动电机通过同步带传动机构连接。
所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，所述支链B上的丝杠滑块机构的上端通过同步带传动机构连接丝杠驱动电机，丝杠滑块机构的下端通过与下部连杆相连；下部连杆的末端通过转动副连接到轮子支架上。
所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，所述支链B与支链A连接方式基本相同，区别在于在支链A的上端固定有驱动电机，通过同步带传动机构连接支链A。
所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，所述前端支链A、支链B均包括：R副、丝杠滑块驱动电机、丝杠滑块机构以及下部连杆；其中R副与转动支架通过铰链连接，丝杠滑块机构与驱动电机通过同步带传动机构连接，滑块机构的末端与下部连杆相连，
支链A上端在转动支架上固定有驱动电机通过同步带机构连接支链A。
所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，所述后端支链C包括虎克铰、等效球铰、丝杠滑块驱动电机、丝杠滑块机构以及下部连杆；其上端通过虎克铰与机架相连，虎克铰下端与丝杠滑杆机构连接，丝杠滑块机构与丝杠滑块驱动电机通过同步带传动机构连接，滑块机构的末端通过等效球铰与轮子支架连接。
所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，所述支链C上的丝杠滑块机构的上端通过同步带传动机构连接丝杠驱动电机，丝杠滑块机构的下端与下部连杆相连。
所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，所述下部连杆的末端通过等效球铰连接到轮子支架上。
本发明的优点与效果是：
1. 机器人的腿部是一个四自由度并联机构，刚度好、运动稳定、承载能力强。在四条的配合下，机架可以实现多自由度的运动以保证越障时机器人整体的平衡。
2.四自由的并联机构是由一个平面并联机构与实现侧摆分支组成，具有很好的解耦特性。
3.在每条并联仿生机械腿的下方安装一个全向轮，同时控制四个驱动电机即可实现前后左右等方位的全向移动，具有结构简单、控制方便的特点。
4.本发明是一个轮腿结合的四足机器人，运动快速灵巧，地形适应性好，越障能力强，适用于复杂非结构地形条件下的高速作业。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中并联仿生机械腿部及轮腿结构细节图；
图3是本发明中并联仿生机械腿部及轮腿去掉上部电机后的结构细节图；
图4是本发明中机架的三维图。
图中：1为机架、2为转动支架、3为驱动电机、4为虎克铰、5为丝杠驱动电机、6为支链A、7为支链B、8为支链C、9为丝杠滑块机构、10为下部连杆、11为轮子支架、12为全向轮、13为等效球铰、14为R副、15为全向轮驱动电机、16为转动副底座、17为同步带传动机构、18为全向轮轮轴。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，包括机架，并联仿生机械腿和全向轮。其中，所述四条并联机械腿平均安装在机架的四角。轮腿安装在各条并联仿生机械腿端部。相对于机架，每条机械腿具有两个平移，两个转动共四个自由度。
依照本发明较佳实施例，所述的并联机械腿结构分别由三条支链组成，其中支链A、B上端通过R副与转动支架连接，转动支架通过转动副与机架连接，下端通过转动副与轮子支架连接；支链C上端通过虎克铰与机架链接，下端通过等效球铰与轮子支架连接。所述支链均包括：丝杠驱动电机，丝杠滑块机构，下部连杆；其中，所述丝杠滑块机构的一端通过同步带传动机构连接丝杠驱动电机，丝杠滑块机构的另一端与下部连杆相连；所述下部连杆的末端通过转动副连接到轮子支架上。
依照本发明较佳实施例，所述的全向轮安装在轮子支架上，在并联机械腿的带动下可进行两平移两转动四自由度的运动。而机架在四条混和轮腿的运动配合下，可进行三平移三转动六自由度的运动。
依照本发明较佳实施例，所述的混合轮腿均包括四个驱动电机，三个丝杠滑块机构，一个轮子支架及一个全向轮，由于驱动三条支链上丝杠滑块机构的电机固定在套筒的一侧，分别直接驱动三个丝杠滑块机构。另一个驱动电机安装在轮子支架上，通过同步带传动机构传动驱动全向轮转动。另外，在机架每条并联机械腿支链A上的转动支架上还固定有一个驱动电机，用于驱动转动支架A的转动。
下面结合附图对本实施例进一步描述。
请同时参阅图1至图4，一种具有并联结构的轮腿混合仿生机器人，机架1上铰接有转动支架2，转动支架两端铰接在机架1上。并联机械腿的支链A和支链B通过其上部的R副14分别铰接在转动支架1上。驱动电机3固定在转动支架上外侧支链A上方，通过带传动带动支链A上部R副14输出轴转动带动支链A转动。另一条支链C8通过虎克铰4与机架1铰接，虎克铰4下端与支链C上部R副14铰接。各支链上的丝杠驱动电机5通过同步带传动带动丝杠滑块机构9输出直线运动。支链A、B的丝杠滑块机构9与下部连杆10相连，支链A与B下部连杆10分别转动副底座16铰接，支链C的丝杠滑块机构9的末端与等效球铰13铰接在一起。转动副底座16、全向轮驱动电机15和等效球铰13固定在轮子支架11上。全向轮12通过全向轮轮轴18安装在轮子支架11下部。全向轮驱动电机15通过同步带传动机构17带动全向轮10转动。
在本实施例中，驱动电机3通过同步带传动带动支链A上部R副14输出轴带动支链A转动，以及支链A和B上的丝杠驱动电机5通过同步带传动带动丝杠滑块机构9输出直线运动，使得机械腿实现左右摆动、上下平移和左右平移。支链C上的丝杠驱动电机5通过同步带传动带动丝杠滑块机构9输出直线运动，使机械腿实现前后摆动。通过三条支链的伸长缩短及驱动电机3实现对支链A的转动配合实现对全向轮的水平姿态的控制，使全向轮的底部与地面良好接触，使得轮腿更好地适应复杂的地形。
在本实施例中，机架用于装载整机的控制器和各种设备或搭载机械臂等。四条混合机械轮腿安装在机架的四角，每条都有一套独立的驱动系统控制运动。并联机械腿由各驱动电机带动，通过一系列腿部杆件及转动轴传递运动，使其轮腿相对机架进行空间三维运动。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，包括机架、四条并联仿生机械腿、全向轮，其特征在于，并联机械腿分布在机架的四角，相对于机架，每条机械腿具有两个平移，两个转动共四个自由度；并联机械腿包括三条具有不同结构、不同尺寸的支链组成；全向轮安装在各条机械腿底部；轮腿包括轮子支架、转动副底座、驱动电机支架、全向轮驱动电机，全向轮安装在轮子支架下部轮轴上，驱动电机通过同步带传动机构连接轮轴，其中，每个轮腿相对于机架具有二维平移和二维转动四个自由度，机架在四条并联机械轮腿的配合下具有三维平移和三维转动六个自由度；并联机械腿结构分别由三条支链组成；三条支链包括两条通过铰链连接转动支架和轮子支架的前端支链A、支链B及一条通过虎克铰与等效球铰连接机架和轮子支架的后端支链C；其中支链A、支链B上端通过R副与转动支架连接，转动支架通过转动副与机架连接，支链下端通过转动副与轮子支架连接；另一条支链上端通过虎克铰与机架链接，下端通过等效球铰与轮子支架连接；全向轮安装在轮子支架底部；支链包括丝杠驱动电机、丝杠滑块机构、下部连杆；全向轮由固定在轮子支架上的驱动电机通过同步带传动机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，其特征在于，所述支链B上的丝杠滑块机构的上端通过同步带传动机构连接丝杠驱动电机，丝杠滑块机构的下端通过与下部连杆相连；下部连杆的末端通过转动副连接到轮子支架上。
3.根据权利要求1所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，其特征在于，所述支链B与支链A连接方式基本相同，区别在于在支链A的上端固定有驱动电机，通过同步带传动机构连接支链A。
4.根据权利要求1所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，其特征在于，所述前端支链A、支链B均包括：R副、丝杠滑块驱动电机、丝杠滑块机构以及下部连杆；其中R副与转动支架通过铰链连接，丝杠滑块机构与驱动电机通过同步带传动机构连接，滑块机构的末端与下部连杆相连；支链A上端在转动支架上固定有驱动电机通过同步带机构连接支链A。
5.根据权利要求1所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，其特征在于，所述后端支链C包括虎克铰、等效球铰、丝杠滑块驱动电机、丝杠滑块机构以及下部连杆；其上端通过虎克铰与机架相连，虎克铰下端与丝杠滑杆机构连接，丝杠滑块机构与丝杠滑块驱动电机通过同步带传动机构连接，滑块机构的末端通过等效球铰与轮子支架连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，其特征在于，所述支链C上的丝杠滑块机构的上端通过同步带传动机构连接丝杠驱动电机，丝杠滑块机构的下端与下部连杆相连。
7.根据权利要求6所述的一种具有并联结构的轮腿仿生机器人，其特征在于，所述下部连杆的末端通过等效球铰连接到轮子支架上。
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