CN108657306A - 一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人 - Google Patents

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    • B25J9/003Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0045Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base

Abstract

本发明公开了一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人,包括机架、并联柔性腰部结构以及四条结构相同的腿部机构,所述机架由前机架、后机架构成;其中,前机架和后机架通过并联柔性腰部结构连接,四条腿部机构分别安装在前机架的两个前肩梁、后机架的两个后肩梁上;四条腿部机构通过驱动电机驱动前进或者后退,机架的前肩梁和后肩梁共同为整个腿部机构提供一个自由度,并联柔性腰部结构通过电机驱动运动。本发明机架分为前机架和后机架两部分,前后机架通过具有四个自由度的并联柔性腰部结构连接,在腿部机构、前肩梁、后肩梁以及柔性腰的作用下整个机器人具有四个自由度,能模仿自然界的动物实现许多复杂的动作。

Description

一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人
技术领域
本发明一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人,属于步行机器人技术领域。
背景技术
足式机器人能够根据地面的复杂环境灵活地选择落脚点完成既定的任务,因而在复杂环境中的应用非常广泛,但目前的四足机器人大多数采用刚性腰部结构,不能达到快速运动和灵活避障等要求。动物仿生研究显示,动物运动时由于腰部的变化和蓄力,能够使动物腿部及身体有更强的爆发力,腰部的合理利用还能减少能量的消耗以及更好地保持身体的稳定性。另外,灵巧的腰部结构还能帮助动物完成许多高难度的动作,因此,对四足机器人柔性腰部的研究是必不可少的。
目前国内外所采用的柔性腰部大多以弹性体替代,虽然弹性体腰部的使用可以减少机构冲击和提高系统的稳定性,但却无法主动控制机构的转向以及完成一些高难度的动作;弹性材料的使用还限制了机器人的自由度以及增大能耗等。
发明内容
本发明提供了一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人,通过在结构中加入并联柔性腰,从而增加四足机器人的自由度、增加机构的刚度等。
本发明的技术方案是:一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人,包括机架、并联柔性腰部结构3以及四条结构相同的腿部机构5,所述机架由前机架1、后机架4构成;其中,前机架1和后机架4通过并联柔性腰部结构3连接,四条腿部机构5分别安装在前机架1的两个前肩梁2、后机架4的两个后肩梁6上;四条腿部机构5通过驱动电机12驱动前进或者后退,机架的前肩梁2和后肩梁6共同为整个腿部机构5提供一个自由度,并联柔性腰部结构3通过电机11驱动运动。
所述并联柔性腰部结构3包括柔性腰动平台15、柔性腰静平台18、具有相同的结构和尺寸的三条支链组成;其中,柔性腰动平台15与后机架4连接,柔性腰静平台18与前机架1连接,柔性腰静平台18与柔性腰动平台15之间通过均匀布置的三条支链连接。
所述柔性腰动平台15与后机架4焊接,柔性腰静平台18与前机架1通过螺栓连接。
所述支链包括一个矩形框9、一根输出杆8、两个联轴器10和一个球头万向节7;其中矩形框9一端通过两个联轴器10连接固定在柔性腰静平台18上的电机11的输出轴,矩形框9另一端和输出杆8一端通过转动副连接,输出杆8另一端与球头万向节7一端焊接,球头万向节7另一端与柔性腰动平台15通过螺栓连接。
所述电机11通过电机控制器根据接收的压力传感器17的信号控制电机11以不同的转速旋转;其中,压力传感器17安装在前机架1的侧钢板上,该侧刚板与柔性腰静平台18通过螺栓连接。
所述机架的前肩梁2和后肩梁6共同为整个腿部机构5提供一个自由度,具体转动方式为固定在前肩梁2和后肩梁6上的转向电机13通过转动带动前肩梁2、后肩梁6以及整个腿部机构5向左/向右转动,转向电机13的输出轴与传动轴14连接,传动轴14两端分别与一个轴承16过盈配合。
所述腿部机构5由曲柄、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ组成;其中曲柄的一端与固定在机架上的驱动电机12输出轴连接,连杆Ⅱ、连杆Ⅲ的一端通过转动副与机架连接,曲柄的另一端与连杆Ⅰ的一端、连杆Ⅰ的中部与连杆Ⅱ的另一端、连杆Ⅰ的另一端与连杆Ⅳ的一端及连杆Ⅴ的一端、连杆Ⅲ的另一端与连杆Ⅵ的一端、连杆Ⅳ的另一端与连杆Ⅲ的中部、连杆Ⅴ的另一端与连杆Ⅵ的中部通过转动副连接。
本发明的有益效果是:
1、并联机器人的机架分为前机架和后机架两部分,前后机架通过具有四个自由度的并联柔性腰部结构连接,在腿部机构、前肩梁、后肩梁以及柔性腰的作用下整个机器人具有四个自由度,能模仿自然界的动物实现许多复杂的动作。
2、机器人的腰部结构是一个四自由度的并联机构(其中万向节部分有三个旋转自由度,另外在矩形框、输出轴、万向节的共同作用下还会有一个平移自由度),提高了机构的刚度,还增加了机构的自由度,便于控制机构动作以及完成更复杂的动作。
3、相对于刚性腰结构的机器人,本发明通过坑洼路和窄门等障碍环境的能力大大提升。
4、本发明是一个机身可以大幅度转动、姿态可变的四足机器人,机构刚度大,稳定性强,地形适应性好。
附图说明
图1是本发明的等轴测视图;
图2是本发明的侧视图;
图3是本发明的俯视图;
图4是本发明并联柔性腰部结构的示意图;
图5是本发明并联柔性腰部结构的俯视图;
图6是本发明腿部机构的结构图;
图7是本发明机架的结构图;
图8是本发明机架的剖视图;
图中各标号为:1-前机架、2-前肩梁、3-并联柔性腰部结构、4-后机架、5-腿部机构、6-后肩梁、7-球头万向节、8-输出杆、9-矩形框、10-联轴器、11-电机、12-驱动电机、13-转向电机、14-传动轴、15-柔性腰动平台、16-轴承、17-压力传感器、18-柔性腰静平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明作进一步说明,但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1:如图1-8所示,一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人,包括机架、并联柔性腰部结构3以及四条结构相同的腿部机构5,所述机架由前机架1、后机架4构成(两者结构相同,如前机架由顶部钢板、底部钢板、侧钢板及安装在顶部钢板和底部钢板之间的两个前肩梁构成);其中,前机架1和后机架4通过并联柔性腰部结构3连接,四条腿部机构5分别安装在前机架1的两个前肩梁2、后机架4的两个后肩梁6上;四条腿部机构5通过驱动电机12驱动前进或者后退,机架的前肩梁2和后肩梁6共同为整个腿部机构5提供一个自由度,并联柔性腰部结构3通过电机11驱动运动。
进一步地,可以设置所述并联柔性腰部结构3包括柔性腰动平台15、柔性腰静平台18、具有相同的结构和尺寸的三条支链组成;其中,柔性腰动平台15与后机架4连接,柔性腰静平台18与前机架1连接,柔性腰静平台18与柔性腰动平台15之间通过均匀布置的三条支链连接。
进一步地,可以设置所述柔性腰动平台15与后机架4焊接,柔性腰静平台18与前机架1通过螺栓连接。
进一步地,可以设置所述支链包括一个矩形框9、一根输出杆8、两个联轴器10和一个球头万向节7;其中矩形框9一端通过两个联轴器10连接固定在柔性腰静平台18上的电机11的输出轴,矩形框9另一端和输出杆8一端通过转动副连接,输出杆8另一端与球头万向节7一端焊接,球头万向节7另一端与柔性腰动平台15通过螺栓连接。
进一步地,可以设置所述电机11通过电机控制器根据接收的压力传感器17的信号控制电机11以不同的转速旋转;其中,压力传感器17安装在前机架1的侧钢板上,该侧刚板与柔性腰静平台18通过螺栓连接。
进一步地,可以设置所述机架的前肩梁2和后肩梁6共同为整个腿部机构5提供一个自由度,具体转动方式为固定在前肩梁2和后肩梁6上的转向电机13通过转动带动前肩梁2、后肩梁6以及整个腿部机构5向左/向右转动,转向电机13的输出轴与传动轴14连接,传动轴14两端分别与一个轴承16过盈配合(当电机转动时,传动轴14也会跟着转向电机13的输出轴转动)。
进一步地,可以设置所述腿部机构5由曲柄、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ组成;其中曲柄的一端与固定在机架上的驱动电机12输出轴连接,连杆Ⅱ、连杆Ⅲ的一端通过转动副与机架连接,曲柄的另一端与连杆Ⅰ的一端、连杆Ⅰ的中部与连杆Ⅱ的另一端、连杆Ⅰ的另一端与连杆Ⅳ的一端及连杆Ⅴ的一端、连杆Ⅲ的另一端与连杆Ⅵ的一端、连杆Ⅳ的另一端与连杆Ⅲ的中部、连杆Ⅴ的另一端与连杆Ⅵ的中部通过转动副连接(如图6所示,ab、bf、cd、eh、gf、fi和hj几根杆组成,其中ab、bf和cd所组成的机构是产生机器人腿部运动轨迹的机构,eh、gf、fi和hj所组成的机构是放大机构;其中ab为曲柄,bf为连杆Ⅰ、cd为连杆Ⅱ、eh为连杆Ⅲ、gf为连杆Ⅳ、fi为连杆Ⅴ、hj为连杆Ⅵ,a处与电机12输出轴焊接,d、e通过转动副与机架连接,b、c、f、g、h、i处通过转动副连接)。
本发明的工作原理是:
当四足机器人需要前进或后退时,四只腿的驱动电机12驱动腿部机构的曲柄ab正向或反向旋转,从而实现前进或后退的动作。
当四足机器人转弯时,前肩梁2和后肩梁6上的转向电机13驱动轴正向或反向旋转,因传动轴14分别与前肩梁2和后肩梁6焊接(轴承固定在机架的顶部钢板和底部钢板,传动轴14与轴承16过盈配合,传动轴14再与前/后肩梁焊接),故传动轴的旋转驱动前肩梁2和后肩梁6向左或向右旋转,又因腿部机构5与前肩梁2和后肩梁6通过转动副连接,故前肩梁2和后肩梁6的左右旋转使腿部机构5也向左或向右旋转,从而实现转弯动作。
柔性腰主要的功能是减震。在机器人行走过程中,如果路面不平或者因其他因素导致机器人前机架和后机架的速度不一致时,前后机架的速度差会给压力传感器17一个压力,电机控制器接收压力之后会根据不同的压力值使电机11以不同的转速旋转,电机输出轴通过联轴器10将动力输送给矩形框9,矩形框9的旋转将带动球头万向节7的旋转,整个并联柔性腰部结构3就起了一个缓冲作用,增加了机构的稳定性和使用寿命。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:包括机架、并联柔性腰部结构(3)以及四条结构相同的腿部机构(5),所述机架由前机架(1)、后机架(4)构成;其中,前机架(1)和后机架(4)通过并联柔性腰部结构(3)连接,四条腿部机构(5)分别安装在前机架(1)的两个前肩梁(2)、后机架(4)的两个后肩梁(6)上;四条腿部机构(5)通过驱动电机(12)驱动前进或者后退,机架的前肩梁(2)和后肩梁(6)共同为整个腿部机构(5)提供一个自由度,并联柔性腰部结构(3)通过电机(11)驱动运动。
2.根据权利要求1所述的具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:所述并联柔性腰部结构(3)包括柔性腰动平台(15)、柔性腰静平台(18)、具有相同的结构和尺寸的三条支链组成;其中,柔性腰动平台(15)与后机架(4)连接,柔性腰静平台(18)与前机架(1)连接,柔性腰静平台(18)与柔性腰动平台(15)之间通过均匀布置的三条支链连接。
3.根据权利要求2所述的具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:所述柔性腰动平台(15)与后机架(4)焊接,柔性腰静平台(18)与前机架(1)通过螺栓连接。
4.根据权利要求2所述的具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:所述支链包括一个矩形框(9)、一根输出杆(8)、两个联轴器(10)和一个球头万向节(7);其中矩形框(9)一端通过两个联轴器(10)连接固定在柔性腰静平台(18)上的电机(11)的输出轴,矩形框(9)另一端和输出杆(8)一端通过转动副连接,输出杆(8)另一端与球头万向节(7)一端焊接,球头万向节(7)另一端与柔性腰动平台(15)通过螺栓连接。
5.根据权利要求1所述的具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:所述电机(11)通过电机控制器根据接收的压力传感器(17)的信号控制电机(11)以不同的转速旋转;其中,压力传感器(17)安装在前机架(1)的侧钢板上,该侧刚板与柔性腰静平台(18)通过螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:所述机架的前肩梁(2)和后肩梁(6)共同为整个腿部机构(5)提供一个自由度,具体转动方式为固定在前肩梁(2)和后肩梁(6)上的转向电机(13)通过转动带动前肩梁(2)、后肩梁(6)以及整个腿部机构(5)向左/向右转动,转向电机(13)的输出轴与传动轴(14)连接,传动轴(14)两端分别与一个轴承(16)过盈配合。
7.根据权利要求1所述的具有并联柔性腰部结构的四足机器人,其特征在于:所述腿部机构(5)由曲柄、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、连杆Ⅲ、连杆Ⅳ、连杆Ⅴ、连杆Ⅵ组成;其中曲柄的一端与固定在机架上的驱动电机(12)输出轴连接,连杆Ⅱ、连杆Ⅲ的一端通过转动副与机架连接,曲柄的另一端与连杆Ⅰ的一端、连杆Ⅰ的中部与连杆Ⅱ的另一端、连杆Ⅰ的另一端与连杆Ⅳ的一端及连杆Ⅴ的一端、连杆Ⅲ的另一端与连杆Ⅵ的一端、连杆Ⅳ的另一端与连杆Ⅲ的中部、连杆Ⅴ的另一端与连杆Ⅵ的中部通过转动副连接。
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