CN108820067A - 一种多模式步滚移动机构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模式步滚移动机构，包括一工字型的支架、八根连杆、四根伸缩杆、四根个足杆；工字型支架主轴方向为X向，与其X向水平垂直的方向为Y向；所述四根伸缩杆与支架1两侧四个边缘部位通过移动副连接，四根伸缩杆沿X向设置且距离工字型支架主轴的距离相等；伸缩杆与支架在直线电机带动下能够沿着支架进行伸缩；所述连杆一端与所述伸缩杆转动连接，另一端与所述足杆转动连接，足杆设在支架正下方，足杆两端通过转动副与Y方向上的一对连杆的下端转动连接；所述足杆、连杆、伸缩杆、支架构成单环闭链四杆机构；所述转动副、移动副均通过各自独立驱动部件驱动；所述伸缩杆与支架活动连接。

Description

一种多模式步滚移动机构及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种移动机器人，具体来说，是一种多模式步滚移动机构及其工作方法。

背景技术

随着移动机器人的应用日趋广泛，移动机器人所担负的任务要求在不断提高，特别是在军事侦察、宇宙探测、能源开发以及社会安全任务中，作业环境往往是平坦与崎岖共存的多重特征任务环境，单一运动方式的机器人已无法适应复杂多变的环境，因此，多模式移动机构是当今移动机器人发展的需求。

此外，通过对比现有的各种移动机构，能将多种移动方式(如滚动、步行、爬行，蠕动等)在同一套机构上集成和切换的机构，一般都是以模块化自重构方式来实现多运动模式，具有刚度、精度不足以及控制复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种刚度好且控制简单的多模式步滚移动机构，可应对如台阶、沟道、斜坡等具有典型特征的地形等多重特征任务环境，地面移动通行能力、越障能力强。

本发明采取以下技术方案：

一种多模式步滚移动机构，包括一工字型的支架1、八根连杆5、四根伸缩杆4、四根足杆6；工字型支架主轴方向为X向，与其X向水平垂直的方向为Y向；所述四根伸缩杆4与支架1两侧四个边缘部位通过移动副8连接，四根伸缩杆4沿X向设置且距离工字型支架主轴的距离相等；伸缩杆与支架在直线电机3带动下能够沿着支架进行伸缩；所述连杆5一端与所述伸缩杆4转动连接，另一端与所述足杆6转动连接，足杆6设在支架1正下方，足杆6两端通过转动副7与Y方向上的一对连杆的下端转动连接；所述足杆、连杆、伸缩杆、支架构成单环闭链四杆机构；所述转动副、移动副均通过各自独立驱动部件驱动；所述伸缩杆4与支架1活动连接。

进一步的，所述转动副7通过八组舵机2驱动，所述移动副8通过四组直线电机3驱动。

进一步的，所述单环闭链四杆机构包括平行的八根连杆和平行的四根足杆。

更进一步的，所述单环闭链四杆机构为多个平行四边形结构，其包括支架、伸缩杆、两相互平行的连杆与足。

更进一步的，所述舵机2与所述伸缩杆4固定连接；所述直线电机3与所述支架固定连接。

再进一步的，所述舵机、直线电机与控制电路板连接。

一种上述的多模式步滚移动机构的工作方法，包括以下四种工作模式：

四杆步行模式：当遇到台阶或凹凸不平的地面时，机构选择四杆步行模式，通过转动副控制连杆5中Y方向后部外侧的一对连杆5a、5g抬起，通过转动副控制Y方向后部内侧的一对连杆5c、5e使机构外侧的一对足杆6a、6d着地，通过转动副控制Y方向后部外侧的一对连杆5a、5g使机构内侧的一对足杆6b、6c抬起，通过转动副控制Y方向后部内侧的一对连杆5c、5e使机构内侧的一对足杆6b、6c着地，由此通过不断地控制机构外侧的一对足杆6a、6d与机构内侧的一对足杆6b、6c交替抬起与着地，实现机构整体向前步行；

四杆滚动模式：当遇到平坦路面或沟渠路面时，机构选择四杆滚动模式，通过转动副控制Y方向后部四根连杆5a、5c、5e、5g同步转动相同的角度，实现四杆滚动模式；

自变形模式：机构自身进行变形，通过移动副控制伸缩杆沿着支架两侧伸长，使机构由原先的四杆机构变为“倒梯形”，再通过转动副控制机构Y方向后部外侧的一对连杆5a、5g进行向上翻折，从而变换为六杆机构；

六杆滚动模式：当遇到平坦路面或沟渠路面时，机构选择六杆滚动模式：当内侧一对足杆6b、6c着地时，通过转动副控制Y方向前部内侧的一对连杆5d、5f转动一定的角度及伸缩杆伸缩配合，实现六杆滚动；当滚动至外侧一对足杆6a、6d着地时，通过控制转动副分别带动Y方向后部外侧的一对连杆5a、5g转动一定的角度及伸缩杆伸缩配合，实现全姿态六杆机构滚动模式。

本发明的有益效果体现在以下几方面：

1)多模式步滚移动机构，结构对称，以平面单环闭链四杆机构为基本单元作为移动机构，利用平面单环闭链四杆机构的变形特点，实现了四杆步行、全姿态四杆滚动、自变形、全姿态六杆滚动等多种运动模式，适应性好，极具应用前景；

2)多模式步滚移动机构，通过控制电路板对各舵机进行分时控制与电机的控制，两者相互配合调节，可实现机构的变形与各运动模式之间的自动转换；

3)多模式步滚移动机构，共设有四个单环闭链四杆机构作为移动机构，改善了动力学性能，增加结构刚度，提高了稳定性，扩大了移动机构在救援、检测、勘探等环境中的应用范围和通行能力。

附图说明

图1是本发明多模式步滚移动机构的立体图。

图2.1是本发明多模式步滚移动机构四杆步行图。

图2.2是本发明多模式步滚移动机构全姿态四杆滚动图。

图2.3是本发明多模式步滚移动机构自变形图。

图2.4是本发明多模式步滚移动机构全姿态六杆滚动图。

图3为本发明的多模式步滚移动机构的四杆步行的步态分解图。

图4为本发明的多模式步滚移动机构的全姿态四杆滚动的步态分解图。

图5为本发明的多模式步滚移动机构的自变形过程图。

图6为本发明的多模式步滚移动机构的全姿态六杆滚动步态分解图。

图中，1.支架，2.舵机，3.直线电机，4.伸缩杆，5.连杆，6.足杆，7.转动副，8.移动副。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明的多模式步滚移动机构，如图1所示，该机构包括：支架1、舵机2、直线电机3、伸缩杆4、连杆5、足杆6、转动副7、移动副8；其中，舵机具有8个(2M1-2M8)，直线电机有4个(3M9-3M12)，伸缩杆有4个(4a-4d)，连杆有8根(5a-5h)，足杆有4根(6a-6d)。

支架1：与伸缩杆4通过移动副8相连，用于放置直线电机3；

舵机2：放置在伸缩杆4中，与连杆5通过转动副8相连，用于通过旋转一定角度驱动连杆转动，带动足杆6移动；

直线电机3：放置在支架1中，用于驱动伸缩杆4在支架1中进行伸缩。

伸缩杆4：伸缩杆4通过移动副与支架1相连，由直线电机3驱动其在支架1中进行伸缩，伸缩杆4中放置舵机2。

连杆5：连杆5a通过转动副7分别与舵机2M1、伸缩杆4a相连，连杆5b通过转动副7分别与舵机2M2、伸缩杆4b相连，连杆5c通过转动副7分别与舵机2M3、伸缩杆4a相连，连杆5d通过转动副7分别与舵机2M4、伸缩杆4b相连，连杆5e通过转动副7分别与舵机2M5、伸缩杆4c相连，连杆5f通过转动副7分别与舵机2M6、伸缩杆4d相连，连杆5g通过转动副7分别与舵机2M7、伸缩杆4c相连，连杆5h通过转动副7分别与舵机2M8、伸缩杆4d相连。

足杆6：足杆6a两端通过转动副7分别与连杆5a、5b相连，并与伸缩杆4a、4b及支架构成单环闭链机构，足杆6b两端通过转动副7分别与连杆5c、5d相连，并与伸缩杆4a、4b及支架构成单环闭链机构，足杆6c两端通过转动副7分别与连杆5e、5f相连，并与伸缩杆4c、4d及支架构成单环闭链机构，足6d两端通过转动副7分别与连杆5g、5h相连，并与伸缩杆4c、4d及支架构成单环闭链机构。

本发明的多模式步滚移动机构共有四杆步行、全姿态四杆滚动、自变形、全姿态六杆滚动等多种运动模式，过程如下：

多模式步滚移动机构的多种运动模式：根据地形环境的变化，通过对舵机的分时控制与直线电机的协调配合，机构变换成不同模式，集四杆步行、全姿态四杆滚动、自变形、全姿态六杆滚动为一体，分别如图2.1-图2.4所示；

参见图2.1，模式一：当遇到台阶或路面坑坑洼洼时，机构选择四杆步行，先对舵机2M1、2M7通电控制转动副7分别带动连杆5中连杆5a、5g向前转动一定角度，使得足杆6中足6a、6d同步抬起同样的高度。对舵机2M1、2M7通电的同时，舵机2M2、2M8断电失效、舵机2M3或2M4和舵机2M5或2M6锁死即固定足杆6b与连杆5c、5d相连处的转动副7和足杆6c与连杆5e、5f相连处的转动副7，此时足杆6b与连杆5c、5d、伸缩杆4a、4b及支架所构成的单环闭链机构和足杆6c与连杆5e、5f、伸缩杆4c、4d及支架所构成的单环闭链机构均保持初始的竖直状态。接着，对舵机2M3、2M5通电控制转动副7分别带动连杆5c、5e转动一定的角度，使得足杆6a、6d同步着地，对舵机2M3、2M5通电的同时，舵机2M4、2M6断电失效、舵机2M1、2M7锁住和2M2、2M8断电即保持上一时刻足杆6a、足杆6d抬起的状态不变。再接着，对舵机2M1、2M7通电控制转动副7分别带动连杆5a、5g向前转动一定角度，使得足杆6b、6c同步抬起，舵机2M1、2M7通电的同时，舵机2M2、2M8断电失效、舵机2M3、2M5锁住和2M4、2M6断电即保持上一时刻足杆6b、6c的状态不变。通过舵机的分时控制，舵机2M1、2M7与舵机2M3、2M5交替驱动连杆5a、5g和连杆5c、5e，使得足杆6a、6d和足杆6b、6c交替向前抬起，着地，从而完成机构的整体步行。在机构整体步行过程中，直线电机3始终处于锁死的状态即伸缩杆4与支架1之间无相对移动。四杆步行步态图如图3所示。

参见图2.2，模式二：当遇到平坦地面时，机构可选择全姿态四杆滚动，增加前进速度。舵机2M1、2M3、2M5、2M7均通电同步驱动连杆5a、5c、5e、5g转动相同的角度，使得机构整体不断地向前翻滚。舵机2M1、2M3、2M5、2M7通电的同时，舵机2M2、2M4、2M6、2M8均断电失效。在机构整体翻滚过程中，直线电机3始终处于锁死的状态即伸缩杆4与支架1之间无相对移动。四杆滚动步态图如图4所示。

参见图2.3，模式三：通过直线电机3通电控制伸缩杆4沿支架1两侧移动一定距离后锁住，舵机2均断电失效，机构由原来的四杆机构变化为“倒梯形”，此时，舵机2M3、2M5通电锁住，舵机2M2、2M8断电、舵机2M1、2M7通电控制转动副7分别带动连杆5a、5g向上翻折，翻折至足杆6a与连杆5b共线、足杆6d与连杆5h共线时为奇异位置，在该奇异位置处舵机2M1、2M7断电，2M2、2M8通电控制转动副7分别带动连杆5b、5h转动，使得机构变换为六杆机构。机构自变形过程如图5所示。

参见图2.4，模式四：当遇到沟渠或平坦地面时，机构可选择全姿态六杆滚动。机构初始状态为足杆6b、足杆6c着地时的六杆机构，舵机2M3、2M5断电、2M4、2M6通电控制转动副7分别带动连杆5d、5f转动一定的角度及直线电机3通电驱动伸缩杆4伸缩配合，实现全姿态六杆机构滚动。当滚动至足杆6a、足杆6d着地时，通过舵机2M2、2M8断电、舵机2M1、2M7通电控制转动副7分别带动连杆5a、5g转动一定的角度及直线电机3通电驱动伸缩杆4伸缩配合，实现全姿态六杆机构滚动。六杆滚动步态如图6所示。

Claims (7)

1.一种多模式步滚移动机构，其特征在于：

包括一工字型的支架(1)、八根连杆(5)、四根伸缩杆(4)、四根个足杆(6)；

工字型支架主轴方向为X向，与其X向水平垂直的方向为Y向；

所述四根伸缩杆(4)与支架(1)两侧四个边缘部位通过移动副(8)连接，四根伸缩杆(4)沿X向设置且距离工字型支架主轴的距离相等；伸缩杆与支架在直线电机(3)带动下能够沿着支架进行伸缩；

所述连杆(5)一端与所述伸缩杆(4)转动连接，另一端与所述足杆(6)转动连接，足杆(6)设在支架(1)正下方，足杆(6)两端通过转动副(7)与Y方向上的一对连杆的下端转动连接；所述足杆、连杆、伸缩杆、支架构成单环闭链四杆机构；所述转动副、移动副均通过各自独立驱动部件驱动；

所述伸缩杆(4)与支架(1)活动连接。

2.如权利要求1所述的多模式步滚移动机构，其特征在于：所述转动副(7)通过八组舵机(2)驱动，所述移动副(8)通过四组直线电机(3)驱动。

3.如权利要求1所述的多模式步滚移动机构，其特征在于：所述单环闭链四杆机构包括平行的八根连杆和平行的四根足杆。

4.如权利要求3所述的多模式步滚移动机构，其特征在于：所述单环闭链四杆机构为多个平行四边形结构，其包括支架、伸缩杆、两相互平行的连杆与足。

5.如权利要求2所述的多模式步滚移动机构，其特征在于：所述舵机(2)与所述伸缩杆(4)固定连接；所述直线电机(3)与所述支架固定连接。

6.如权利要求5所述的多模式步滚移动机构，其特征在于：所述舵机、直线电机与控制电路板连接。

7.一种权利要求1所述的多模式步滚移动机构的工作方法，其特征在于，包括以下四种工作模式：

四杆步行模式：当遇到台阶或凹凸不平的地面时，机构选择四杆步行模式，通过转动副控制连杆(5)中Y方向后部外侧的一对连杆(5a、5g)抬起，通过转动副控制Y方向后部内侧的一对连杆(5c、5e)使机构外侧的一对足(6a、6d)着地，通过转动副控制Y方向后部外侧的一对连杆(5a、5g)使机构内侧的一对足(6b、6c)抬起，通过转动副控制Y方向后部内侧的一对连杆(5c、5e)使机构内侧的一对足(6b、6c)着地，由此通过不断地控制机构外侧的一对足(6a、6d)与机构内侧的一对足(6b、6c)交替抬起与着地，实现机构整体向前步行；

四杆滚动模式：当遇到平坦路面或沟渠路面时，机构选择四杆滚动模式，通过转动副控制Y方向后部四根连杆(5a、5c、5e、5g)同步转动相同的角度，实现四杆滚动模式；

自变形模式：机构自身进行变形，通过移动副控制伸缩杆沿着支架两侧伸长，使机构由原先的四杆机构变为“倒梯形”，再通过转动副控制机构Y方向后部外侧的一对连杆(5a、5g)进行向上翻折，从而变换为六杆机构；

六杆滚动模式：当遇到平坦路面或沟渠路面时，机构选择六杆滚动模式：当内侧一对足(6b、6c)着地时，通过转动副控制Y方向前部内侧的一对连杆(5d、5f)转动一定的角度及伸缩杆伸缩配合，实现六杆滚动；当滚动至外侧一对足(6a、6d)着地时，通过控制转动副分别带动Y方向后部外侧的一对连杆(5a、5g)转动一定的角度及伸缩杆伸缩配合，实现全姿态六杆机构滚动模式。