CN109050697A - 一种多模式全姿态移动并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模式全姿态移动并联机构，包括第一机架、第二机架、第三机架、曲轴、步进电机和驱动舵机，三个机架均为闭环连杆结构，驱动舵机连接连杆连接处，第一机架和第三机架镜像对称，分别通过曲轴连接第二机架的两侧，步进电机连接曲轴。第一机架为平行六边形连杆结构，包括依次连接的第一上平台、第一中间上连杆一、第一中间下连杆一、第一下平台、第一中间下连杆二和第一中间上连杆二，平台和连杆通过驱动舵机连接，上、下连杆通过转动副连接。与现有技术相比，本发明改善了动力学性能，增加结构刚度，可应对复杂多变的环境，地面移动通行能力强，扩大了机器人移动机构在救援、检测、勘探等环境中的应用范围。

Description

一种多模式全姿态移动并联机构

技术领域

本发明涉及机器人移动领域，尤其是涉及一种多模式全姿态移动并联机构。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，机器人的工作环境逐渐面向未知的、复杂的环境(如星球探测、地震救援等)。目前，在救援、检测和勘探等一般环境下，机器人触地机构的移动方式主要有足式、滚动、蠕动及跳跃等多种单一移动方式，但是，在面对极端复杂的地面环境时，如大尺度岩石、大跨度沟、大坡度峭壁、超低矮桥梁及极狭窄洞穴等环境下，只具有单一移动方式的触地机构无法到达指定区域，无法适应复杂多变的环境。

现有的机器人多模式触地机构中，可实现多种移动模式的机构很少，Mark Yim设计了一种通过模块化自重构实现蛇形蠕动、环形滚动等运动模式的“PolyBot”机器人，NASA研制了一种多模式移动机器人—“Superbot”，虽然以上机器人具有多种运动模式，但其多运动模式采用模块化自重构方式实现，具有刚度、精度不足以及控制复杂等缺点。

因此，开发一种刚度好且控制简单的多模式行走机构极具现实意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多模式全姿态移动并联机构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多模式全姿态移动并联机构，包括第一机架、第二机架、第三机架、曲轴、步进电机和驱动舵机，三个机架均为闭环连杆结构，所述驱动舵机连接连杆连接处，所述第一机架和第三机架镜像对称，分别通过曲轴连接第二机架的两侧，所述步进电机连接曲轴，所述进步电机和驱动舵机相互配合控制三个机架实现多模式全姿态移动。

进一步地，所述的第一机架为平行六边形连杆结构，包括依次连接的第一上平台、第一中间上连杆一、第一中间下连杆一、第一下平台、第一中间下连杆二和第一中间上连杆二，第一中间上连杆二连接第一上平台，第一上平台和上连杆通过第一驱动舵机和第二驱动舵机连接，第一下平台和下连杆通过第三驱动舵机和第四驱动舵机连接，上连杆和下连杆通过转动副连接。

进一步地，所述的第二机架为平行六边形连杆结构，包括依次连接的第二上平台、第二中间上连杆一、第二中间下连杆一、第二下平台、第二中间下连杆二和第二中间上连杆二，第二中间上连杆二连接第二上平台，第二上平台分别通过驱动舵机连接上、下连杆，并且上、下连杆之间通过转动副连接。

进一步地，第一上平台和第二上平台通过上曲轴相连，第一下平台和第二下平台通过下曲轴相连，上曲轴和下曲轴同步转动；所述第三机架同样通过与第一机架镜像对称的曲轴结构连接第二机架。

进一步地，只有上曲轴连接步进电机，该步进电机安装于第二上平台内，第二下平台内设有与步进电机质量相同的配重块。

进一步地，所述第二上平台的触地面积为第一上平台的两倍，第二下平台的触地面积为第一下平台的两倍。

进一步地，所述的多模式全姿态移动包括滚动模式、步行模式、转向模式和越障模式。

进一步地，所述的第一机架，第二机架和第三机架均为平行八边形连杆结构。

进一步地，所述步进电机和驱动舵机与电路控制板相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明设有三个并联的闭环连杆结构机架，通过曲轴连接成一个整体，改善了动力学性能，增加结构刚度，可应对复杂多变的环境，地面移动通行能力强，扩大了机器人移动机构在救援、检测、勘探等环境中的应用范围。

2、本发明摒除模块化自重构方式实现多运动模式的控制复杂性，巧妙运用闭环连杆机构的自变形，利用驱动舵机控制连杆的变形实现机构滚动和翻跟头，通过步进电机控制曲轴实现并联机架的转向和步行，避免了单一移动方式的局限性。

3、本发明通过电路控制板对驱动舵机和步进电机的分时控制，可以实现不同的运动模式之间的自由切换，使得操作控制简单、精确、适应性好，极具应用前景。

4、本发明的步行模式下，可以通过调整机架的结构来改变并联机构的高度，使其能够通过各类低矮的环境，同时，机架的变化也可以实时调整机构的质心，使整个并联结构具有更好的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明滚动模式一的原理示意图；

图3为本发明滚动模式二的原理示意图；

图4为本发明步行模式的原理示意图；

图5为本发明步行模式左转的原理示意图；

图6为本发明步行模式右转的原理示意图；

图7为本发明越障模式的原理示意图；

附图标记：

1、第一机架，11、第一上平台，12、第一中间上连杆一，13、第一中间下连杆一，14、第一下平台，15、第一中间下连杆二，16、第一中间上连杆二，2、第二机架，21、第二上平台，22、第二中间上连杆一，23、第二中间下连杆一，24、第二下平台，25、第二中间下连杆二，26、第二中间上连杆二，3、第三机架，41、第一驱动舵机，42、第二驱动舵机，43、第三驱动舵机，44、第四驱动舵机，5、步进电机，61、上曲轴，62、下曲轴，7、转动副。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种多模式全姿态移动并联机构，包括第一机架1、第二机架2、第三机架3、曲轴、步进电机5和驱动舵机，三个机架均为平行六边形结构的闭环连杆，第一机架1和第三机架3镜像对称并联在第二机架2的左右两侧。其中：

第一机架1包括依次连接的第一上平台11、第一中间上连杆一12、第一中间下连杆一13、第一下平台14、第一中间下连杆二15和第一中间上连杆二16，第一中间上连杆二15再连接第一上平台11，形成闭环；第一上平台11和上连杆通过第一驱动舵机41和第二驱动舵机42连接，第一下平台14和下连杆通过第三驱动舵机43和第四驱动舵机44连接，同时上连杆和下连杆通过转动副7连接；第一上平台11和第一下平台14为面积相同的矩形结构，用于在步行状态接触地面。

第二机架2包括依次连接的第二上平台21、第二中间上连杆一22、第二中间下连杆一23、第二下平台24、第二中间下连杆二25和第二中间上连杆二26，第二中间上连杆二25再连接第二上平台21，形成闭环，第二上平台21和两根上连杆之间设有驱动舵机，第二下平台24和两根下连杆之间也设有驱动舵机，同时上连杆和下连杆通过转动副7连接；第二上平台21和第二下平台24为面积相同的矩形结构，且面积为第一上平台11和第一下平台14的两倍，用于在步行状态接触地面。第一上平台11和第二上平台21通过上曲轴61相连，第一下平台14和第二下平台24通过下曲轴62相连，曲轴端点均设于平台侧边正中间，在步行模式时，上、下曲轴62可同步转动。

第三机架3为与第一机架1相同的闭环连杆机构，并且以同样方式通过曲轴连接第二机架2；安装于第二上平台21内部的步进电机5通过两个上曲轴61连接第二上平台21，同时，第二下平台24内设有与步进电机5质量相同的配重块，使得上下平台的质量保持一致。步进电机5和驱动舵机都外连一块电路控制板用于操作电机工作。

本实施例具有滚动模式一、滚动模式二、步行模式、转向模式、越障模式等多种运动模式。

初始状态：第一机架1，第二机架2和第三机架3的上下平台均与中间连杆呈90°直角，中间上连杆和中间下连杆呈一条直线，使连杆和机架组成一个竖直矩形结构，整个并联机构通过下平台站立在地面上。

滚动模式一：如图2所示，从左至右，从上至下依次显示本实施例在滚动模式一运动过程中的结构变化。当机构在比较平坦的路面进行移动时，滚动模式是最为快速的移动方式。首先将步进电机5通电进行自锁，使曲轴固定在水平位置，保持三个机架固定并处于相对静止，进行同步变化，以第一机架1为例，第四驱动舵机44带动第一中间下连杆一13顺时针旋转90°，同时，第一驱动舵机41带动第一中间上连杆二16顺时针旋转90°，使机架从竖向矩形变为横向矩形，第二机架2和第三机架3和第一机架1同步运动，即并联结构由站立变为横躺；第一驱动舵机41带动第一上平台11顺时针旋转90°，第四驱动舵机44带动第一下平台14顺时针旋转90°，使并联机构向前移动；第一驱动舵机41带动第一中间上连杆二16，第三驱动舵机43带动第一中间下连杆二15，第四驱动舵机44带动第一中间下连杆一13，第二驱动舵机42带动第一中间上连杆一12，使并联机构再次向前移动；由此类推并且循环，即可使并联机构不断向前移动。

滚动模式二：如图3所示，滚动模式二为六边形的滚动模式，首先将步进电机5通电进行自锁，使曲轴固定在水平位置，使曲轴固定在水平位置，保持三个机架固定并处于相对静止，进行同步变化，同样以第一机架1为例，第一驱动舵机41带动第一下平台14顺时针旋转30°，第二驱动舵机42带动第一中间上连杆一12逆时针旋转30°，第四驱动舵机44带动第一中间下连杆一13顺时针旋转30°，第三驱动舵机43带动第一中间下连杆二15逆时针旋转30°，使得机构从矩形的初始状态变为平行六边形的状态；第四驱动舵机44带动第一中间下连杆一13顺时针转动一定角度，改变整个机构的质心，并联机构由此向右滚动；调整驱动舵机使并联机构恢复平行六边形的状态，再次改变质心翻滚并恢复，依此类推并循环，并联机构即可实现移动。

步行模式：如图4所示，当遇到凹凸不平的地面时，先将每个六边形的驱动舵机使三个机架保持初始状态，同步驱动两个步进电机，使电机转动方向相同，首先第一机架和第三机架接触地面，第二机架通过曲轴向前移动一段距离，接触地面保持不动，第一机架和第三机架同步通过曲轴使并联机构回到初始状态，整个并联机构即整体向前移动一段距离，再次使第二机架向前，不断循环。此外，可以通过对舵机的转动来调节机构的高度进行步行运动，使机构可以通过低矮的洞穴，也可以通过舵机转动来调整机构的质心，使其具有更好的稳定性。

转向模式：如图5和图6所示，当机构遇到转弯路段时候，先将机构切换为步行模式，在步行模式的基础上锁住右面的步进电机，并联机构即可向右转弯，同理，锁住左面的步进电机，则并联机构向左转动。

越障模式：如图7所示，当并联机构遇到障碍物时，这时可以控制同一平台上的舵机异向差速运动，使机构的质心发生翻到，达到跨越障碍的目的。具体的说，并联机构先恢复到竖直矩形的初始状态，驱动舵机带动连杆转动一定角度改变机构质心，使机构发生翻滚，然后再翻越障碍物后再次恢复到现在的运动状态。此外，当并联机构在翻滚模式下遇到障碍物时，并联机构可以将控制舵机分时控制将机构转换成初始状态，可以通过锁住其中一个步进电机，控制另外一个步进电机转动使机构转向避开障碍物，即使用转向模式步行绕过障碍物，也可通过控制舵机切换越障模式翻越障碍物。

另一实施例中，并联机构的三个机架均为平行八边形结构的闭环连杆，其中，第一机架包括依次连接的第一上平台、连杆一、连杆二、连杆三、第一下平台、连杆四、连杆五、连杆六，连杆六再连接第一上平台，形成闭环，所有的连杆之间均设有驱动舵机；第二机架和第三机架的结构相同。该实施例可适应环境更复杂的应用场景，当采用八边形滚动模式移动时，使得滚动更平稳；当采用越障模式移动时，越障的跨度更大。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，包括第一机架(1)、第二机架(2)、第三机架(3)、曲轴、步进电机(5)和驱动舵机，三个机架均为闭环连杆结构，所述驱动舵机连接连杆连接处，所述第一机架(1)和第三机架(3)镜像对称，分别通过曲轴连接第二机架(2)的两侧，所述步进电机(5)连接曲轴，所述步进电机(5)和驱动舵机相互配合控制三个机架实现多模式全姿态移动。

2.根据权利要求1所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，所述的第一机架(1)为平行六边形连杆结构，包括依次连接的第一上平台(11)、第一中间上连杆一(12)、第一中间下连杆一(13)、第一下平台(14)、第一中间下连杆二(15)和第一中间上连杆二(16)，第一中间上连杆二(16)连接第一上平台(11)，第一上平台(11)和上连杆通过第一驱动舵机(41)和第二驱动舵机(42)连接，第一下平台(14)和下连杆通过第三驱动舵机(43)和第四驱动舵机(44)连接，上连杆和下连杆通过转动副(7)连接。

3.根据权利要求2所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，所述的第二机架(2)为平行六边形连杆结构，包括依次连接的第二上平台(21)、第二中间上连杆一(22)、第二中间下连杆一(23)、第二下平台(24)、第二中间下连杆二(25)和第二中间上连杆二(26)，第二中间上连杆二(26)连接第二上平台(21)，第二上平台(21)分别通过驱动舵机连接上、下连杆，并且上、下连杆之间通过转动副(7)连接。

4.根据权利要求3所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，第一上平台(11)和第二上平台(21)通过上曲轴(61)相连，第一下平台(14)和第二下平台(24)通过下曲轴(62)相连，上曲轴(61)和下曲轴(62)同步转动；所述第三机架(3)同样通过与第一机架(1)镜像对称的曲轴结构连接第二机架(2)。

5.根据权利要求3所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，只有上曲轴(61)连接步进电机(5)，该步进电机(5)安装于第二上平台(21)内，第二下平台(24)内设有与步进电机(5)质量相同的配重块。

6.根据权利要求3所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，所述第二上平台(21)的触地面积为第一上平台(11)的两倍，第二下平台(24)的触地面积为第一下平台(14)的两倍。

7.根据权利要求1所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，多模式全姿态移动包括滚动模式、步行模式、转向模式和越障模式。

8.根据权利要求1所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，所述的第一机架(1)，第二机架(2)和第三机架(3)均为平行八边形连杆结构。

9.根据权利要求1所述的多模式全姿态移动并联机构，其特征在于，所述步进电机(5)和驱动舵机与电路控制板相连。