CN109987167B - 一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台；本发明的目的是在于提高机器人对狭窄空间、扁平通道、台阶、障碍、沟壑等环境的通过能力；该平台由四个基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统组成；所述每个三自由度机器人腿部系统包括：足式机器人本体、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱、齿轮A、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机、齿轮B、髋关节“外展/内收”运动基座、大腿连杆、足端六边形橡胶块、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机、轴承、滚珠丝杠安装杆座、滚珠丝杠螺母连接轴、髋关节推杆、小腿连杆及滚珠丝杠。

Description

一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台。

背景技术

随着机器人技术、传感探测技术的发展，采用机器人代替人力进入核电站开展日常监测和维护、特殊危险工况应急操作等工作，必将是一个发展趋势。研发一款面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，对于提高涉核设施和设备安全性、维修性以及应急处置能力具有重要意义。

目前，核用机器人在我国核电站应用处于起步阶段，国内涉核机器人主要依靠进口，价格非常昂贵。国内在涉核机器人技术研究方面主要集中在传统的水下机器人、管道检修机器人等方向。

考虑到核电领域往往空间狭小复杂、台阶众多、管路密布等，同时还要注重防尘、防水、屏蔽保护等要求，因此，本专利重点针对这一特殊的使用环境要求，设计一款通用型的机器人运动平台，便于搭载各种机械操作臂或传感探测仪器等。

文献1“一种有膝关节并联腿结构四足仿生机器人”(发明专利，专利号201110314611.X)提出了一种有膝关节并联腿结构四足仿生机器人，每条腿具有3个自由度，分别为髋关节的“伸展/弯曲”、髋关节的“外展/内收”以及膝关节的“伸展/弯曲”。其中，髋关节的2个运动自由度由两个并联的直线驱动提供；膝关节的1个运动自由度由1个直线驱动单独提供。对于落地缓冲问题，在关节层面没有进行相应的考虑，仅在足端提出了缓冲功能的构想，但具体的结构形式并未写明，是采用足端安置伸缩套管和弹簧以提供伸缩力，还是简单的在足端安装橡胶垫等。其提出的并联仿生腿结构本身较为简单，但考虑到并联机构的相关驱动及其电路走线，往往需要安装在相对机器人本体运动的零部件上，因此，对于复杂环境下的机器人应用工况，不利于提高机器人的运行可靠性和可维护性。

文献1提出的并联腿结构四足仿生机器人

文献2“核化侦察机器人的运动关节机构”(发明专利，专利号201120128190.7)提出了一种具有较强越障能力的核化侦查机器人的运动关节。其两个导臂末端分别安装一个驱动轮，充当机器人的两个前轮进行独立控制；两个导臂自身相对于机器人本体的转动由一个电机通过涡轮蜗杆机构进行驱动，利用涡轮蜗杆的反向自锁功能来保持两个导臂的固定角度。机器人的越障性能依靠前导臂的旋转实现。整体上看，该机器人的前进运动形式主要以四轮驱动为主；在翻越障碍或跨越沟壑等方面，依靠前导臂的长度和机器人的重心位置的综合设计来实现。该专利中，没有对落地缓冲进行考虑，同时，该发明仍属于轮式移动的范畴，对于高度非结构化环境，相较足式运动而言，仍有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的是在于提高机器人对狭窄空间、扁平通道、台阶、障碍、沟壑等环境的通过能力。

本发明的技术方案是：

一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，该平台由四个基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统组成。

所述每个三自由度机器人腿部系统包括：足式机器人本体、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱、齿轮A、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机、齿轮B、髋关节“外展/内收”运动基座、大腿连杆、足端六边形橡胶块、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机、轴承、滚珠丝杠安装杆座、滚珠丝杠螺母连接轴、髋关节推杆、小腿连杆及滚珠丝杠；其中所述足式机器人本体下方设有两个安装板，其中一个安装板位于足式机器人本体的边缘，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱和髋关节“外展/内收”运动基座安装于位于边缘的安装板内侧，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱位于髋关节“外展/内收”运动基座的上方；所述位于边缘的安装板外侧设有齿轮A、齿轮B及膝关节“伸展/弯曲”驱动电机；其中所述齿轮A固定在髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮B设于髋关节“外展/内收”运动基座穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮A和齿轮B相啮合；所述大腿连杆的上端与髋关节“外展/内收”运动基座相连接，所述大腿连杆的下端与小腿连杆上端相连接；所述足式机器人本体上的另一安装板上设有髋关节“伸展/弯曲”驱动电机和轴承；所述滚珠丝杠安装杆座内设有滚珠丝杠，所述滚动丝杠的一端与轴承相连，另一端与髋关节“外展/内收”运动基座相连接；所述髋关节推杆的数量为两根，两根髋关节推杆的一端通过滚珠丝杠螺母连接轴和丝杠螺母连接在动滚珠丝杠的中部，另一端连接在大腿连杆的中部的转轴上；所述小腿连杆下端设有足端六边形橡胶块。

所述大腿连接杆内部设于两个牙纹导向轮、两个光滑导向轮、上轮带、下轮带及同步带；其中上下轮带分别设于同步带的内侧上下两端，上轮带配合一个牙纹导向轮和一个光滑导向轮，下轮带配合一个牙纹导向轮和一个光滑导向轮。

所述膝关节“伸展/弯曲”驱动电机通过行星轮减速器与上轮带相连接。

所述小腿连杆包括同步带、驱动电机、减速箱、轴、小锥齿轮、滚轮轴及大锥齿轮；其中所述驱动电机通过减速箱与轴相连接伸出小腿连杆下端，轴另一端设有小齿轮，所述小齿轮与大齿轮相啮合，大齿轮外侧套有一圈同步带。

本发明的有益效果是：

1)从机器人整体结构和运动方式上看，具有足式运动和轮式运动相结合的特点；

2)具有多种运动形态：在穿越非结构化地形时可以进行多种步态的切换，以满足跨越障碍，上下台阶等功能需求；在平整地形中，可以采用轮式驱动来保证机器人躯体的平稳性，便于搭载电动云台、视觉检测或高温、高压、辐射等环境监测传感器；

3)机器人腿部膝关节弯曲设置为相向模式，且转动范围及机器人高度调节范围大，在穿越低矮狭窄空间时，便于减小机器人总体包络尺寸，提高复杂环境适应性；

4)髋、膝关节的所有关节驱动单元放置在机器人躯干部位，通过特殊的动力传递方案，使关节驱动的布置与关节相分离，便于对机器人的电气系统进行辐射屏蔽保护设计；

5)足端驱动电机完全内置于小腿连杆内部，具有防水防尘的特性，并采用锥齿轮换向机构驱动一对滚轮运动；

6)四个足端滚轮独立驱动，采用轮式运动时，相比于足式机器人，可以更方便的进行原地转弯，换向等动作。

附图说明

图1对比文献1示意图；

图2对比文献2示意图；

图3是一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台；

图4是一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统示意图；

图5是机器人腿部系统折叠示意图；

图6是髋关节“外展/内收”运动范围，及膝关节“伸展/弯曲”驱动单元示意图；

图7是髋关节“伸展/弯曲”运动驱动设计示意图；

图8是膝关节传动原理设计示意图；

图9是膝关节同步带传动方案设计示意图；

图10是小腿连杆示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：

一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，该平台由四个基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统组成。

所述每个三自由度机器人腿部系统包括：足式机器人本体1、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2、齿轮A3、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机4、齿轮B5、髋关节“外展/内收”运动基座6、大腿连杆7、足端六边形橡胶块8、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机9、轴承10、滚珠丝杠安装杆座11、滚珠丝杠螺母连接轴12、髋关节推杆13、小腿连杆14及滚珠丝杠15；其中所述足式机器人本体1下方设有两个安装板，其中一个安装板位于足式机器人本体1的边缘，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2和髋关节“外展/内收”运动基座6安装于位于边缘的安装板内侧，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2位于髋关节“外展/内收”运动基座6的上方；所述位于边缘的安装板外侧设有齿轮A3、齿轮B5及膝关节“伸展/弯曲”驱动电机4；其中所述齿轮A3固定在髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮B5设于髋关节“外展/内收”运动基座6穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮A3和齿轮B5相啮合；所述大腿连杆7的上端与髋关节“外展/内收”运动基座6相连接，所述大腿连杆7的下端与小腿连杆14上端相连接；所述足式机器人本体1上的另一安装板上设有髋关节“伸展/弯曲”驱动电机9和轴承10；所述滚珠丝杠安装杆座11内设有滚珠丝杠15，所述滚动丝杠15的一端与轴承10相连，另一端与髋关节“外展/内收”运动基座6相连接；所述髋关节推杆13的数量为两根，两根髋关节推杆13的一端通过滚珠丝杠螺母连接轴12和丝杠螺母16连接在动滚珠丝杠15的中部，另一端连接在大腿连杆7的中部的转轴22上；所述小腿连杆14下端设有足端六边形橡胶块8。

所述大腿连接杆7内部设于两个牙纹导向轮18、两个光滑导向轮19、上轮带21、下轮带24及同步带25；其中上下轮带分别设于同步带的内侧上下两端，上轮带21配合一个牙纹导向轮18和一个光滑导向轮19，下轮带24配合一个牙纹导向轮18和一个光滑导向轮19。

所述膝关节“伸展/弯曲”驱动电机4通过行星轮减速器17与上轮带21相连接。

所述小腿连杆14包括同步带25、驱动电机29、减速箱30、轴31、小锥齿轮32、滚轮轴33及大锥齿轮34；其中所述驱动电机29通过减速箱30与轴31相连接伸出小腿连杆4下端，轴另一端设有小齿轮32，所述小齿轮32与大齿轮34相啮合，大齿轮34外侧套有一圈同步带25。

一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台采用四足移动构型，包括机器人本体、成对称分布的4条多自由度机器人腿部系统。其中，每条机器人腿部系统均具有4个自由度，配合一定的机器人运动规划方案，充分结合机器人足式运动和轮式运动的优点，有利于提高机器人在复杂环境中的平稳通行能力。以机器人本体为基座，4个自由度依次为髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”、膝关节“伸展/弯曲”，以及腿部运动学末端的滚轮。髋、膝关节的驱动电机远程布置于机器人本体内部，便于机器人防水、防尘、防辐射等保护性设计。

如图2所示，机器人运动平台内部结构主要包括4条多自由度机器人腿部系统，每条机器人腿部系统均具有4个自由度。以机器人本体为基座，4个自由度依次为髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”、膝关节“伸展/弯曲”，以及腿部运动学末端的滚轮。

运动形式划分：在平地行走中，机器人主要依靠腿部末端的轮式驱动前进，具有运动平稳可靠的特点，便于搭载视觉检测或高温、高压、辐射等环境监测传感器进行环境信息获取；在跨越障碍，台阶、沟壑等路况时，采用足式运动形式，提高对复杂路面的适应性；

机器人外形包络尺寸变化：机器人腿部膝关节弯曲设置为相向模式，且转动范围及机器人高度调节范围大。依靠大腿连杆和小腿连杆的特殊构型设计，可以在膝关节完全折叠时，使大腿连杆和小腿连杆完全平行，从而有效降低机器人的整体高度，在穿越低矮狭窄空间时，便于减小机器人总体包络尺寸；如图4所示，在正常运动状态，腿部膝关节相对弯曲一定角度，便于降低轮式运动中滚轮遇到轻微不平整地面，或足式运动中步态切换时腿部末端受到的地面冲击力。

自由度分布方式：机器人运动平台的4条腿采用统一的结构设计，以足式机器人本体为基准，经过髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”2个自由度传递到大腿连杆；再经过膝关节“伸展/弯曲”自由度传递到小腿连杆；小腿连杆的末端安装一对滚轮，为第四自由度。

机器人关节驱动单元安装位置设计：所有的关节驱动单元均采用内置屏蔽保护的形式，其中，髋、膝关节驱动系统放置在机器人躯干屏蔽保护壳内部，通过特殊的动力传递方案，使关节驱动的布置与关节相分离；足端驱动电机完全内置于小腿连杆内部，通过减速器输出轴和转齿轮减速换向，与小腿连杆末端的一对滚轮连接。

机器人运动方向转换方式：采用足式运动时，依靠步态切换和4条腿的协调运动换向；采用轮式运动时，由于四个足端滚轮独立驱动，相比于足式机器人，可以更方便的进行原地转弯，换向等动作。

关节动力传递方案设计：髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱安装于机器人髋关节上侧，通过传动齿轮组和控制腿部的外展/内收；

髋关节“伸展/弯曲”驱动电机带动滚珠丝杠，然后通过丝杠螺母(21)和丝杠螺母连接轴将动力传递给两条髋关节推杆，最终带动髋关节作“伸展/弯曲”运动；

膝关节“伸展/弯曲”驱动电机经行星轮减速器带动带轮转动，采用同步带形式将动力传递给膝关节带轮，最终带动膝关节作“伸展/弯曲”运动；

腿部末端滚轮驱动电机经行星轮减速器带动锥齿轮转动，驱动滚轮转动。

实施例

如图所示，机器人外层设计屏蔽保护壳，其内部结构主要包括4条多自由度机器人腿部系统，每条机器人腿部系统均具有4个自由度。以机器人本体为基座，4个自由度依次为髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”、膝关节“伸展/弯曲”，以及腿部运动学末端的滚轮；

机器人的四条腿部采用统一的模块化设计，相互对称方式分布，以左后腿为例，进行其内部结构的描述。

左后腿安装基板下侧伸出两个安装板，通过一对轴承分别与滚珠丝杠安装杆座和髋关节“外展/内收”运动基座连接；

髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱也安装在安装板的里侧，通过齿轮和齿轮将关节“外展/内收”的驱动力传递到髋关节“外展/内收”运动基座；

髋关节“外展/内收”运动基座与滚珠丝杠安装杆座固定连接；滚珠丝杠安装杆座前端通过轴承的内圈伸出，并安装髋关节“伸展/弯曲”驱动电机；

如图7所示，滚珠丝杠安装杆座的内部安装丝杠，在髋关节“伸展/弯曲”驱动电机的驱动下转动，推动滚珠丝杠螺母的左右运动；

滚珠丝杠螺母与髋关节推杆通过连接轴连接；髋关节推杆与大腿连杆连接，并推动大腿连杆沿髋关节的“伸展/弯曲”转轴运动；

膝关节“伸展/弯曲”驱动单元位于髋关节“外展/内收”运动基座的内侧，包括驱动电机及其配套的行星轮减速器；

膝关节“伸展/弯曲”驱动力首先传递到带轮，通过同步带将驱动力传递到带轮，最终带动小腿连杆沿膝关节的“伸展/弯曲”转轴运动；

在大腿连杆内部，设计有4个同步带的导向轮，用以使同步带适应大腿连杆的特殊构型；其中，导向轮是具有牙纹的导向轮，导向轮是光滑的导向轮；4个同步带的导向轮还具有一定的预紧作用，使同步带产生一定的预张力，降低膝关节运动方向转换时的回程间隙；

足端滚轮安装于小腿连杆末端，并相对小腿连杆转动，其驱动电机及其减速箱安装于小腿连杆内部，通过轴伸出，安装一对锥齿轮，最终通过大锥齿轮将动力传递到滚轮轴上，从而带动一对滚轮转动。

Claims (4)

1.一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，其特征在于：该平台由四个基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统组成；

所述每个三自由度机器人腿部系统包括：足式机器人本体(1)、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)、齿轮A(3)、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)、齿轮B(5)、髋关节“外展/内收”运动基座(6)、大腿连杆(7)、足端六边形橡胶块(8)、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机(9)、轴承(10)、滚珠丝杠安装杆座(11)、滚珠丝杠螺母连接轴(12)、髋关节推杆(13)、小腿连杆(14)及滚珠丝杠(15)；其中所述足式机器人本体(1)下方设有两个安装板，其中一个安装板位于足式机器人本体(1)的边缘，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)和髋关节“外展/内收”运动基座(6)安装于位于边缘的安装板内侧，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)位于髋关节“外展/内收”运动基座(6)的上方；所述位于边缘的安装板外侧设有齿轮A(3)、齿轮B(5)及膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)；其中所述齿轮A(3)固定在髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮B(5)设于髋关节“外展/内收”运动基座(6)穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮A(3)和齿轮B(5)相啮合；所述大腿连杆(7)的上端与髋关节“外展/内收”运动基座(6)相连接，所述大腿连杆(7)的下端与小腿连杆(14)上端相连接；所述足式机器人本体(1)上的另一安装板上设有髋关节“伸展/弯曲”驱动电机(9)和轴承(10)；所述滚珠丝杠安装杆座(11)内设有滚珠丝杠(15)，所述滚珠丝杠(15)的一端与轴承(10)相连，另一端与髋关节“外展/内收”运动基座(6)相连接；所述髋关节推杆(13)的数量为两根，两根髋关节推杆(13)的一端通过滚珠丝杠螺母连接轴(12)和丝杠螺母(16)连接在滚珠丝杠(15)的中部，另一端连接在大腿连杆(7)的中部的转轴(22)上；所述小腿连杆(14)下端设有足端六边形橡胶块(8)。

2.如权利要求1所述的一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，其特征在于：所述大腿连杆(7)内部设有两个牙纹导向轮(18)、两个光滑导向轮(19)、上轮带(21)、下轮带(24)及同步带(25)；其中上下轮带分别设于同步带的内侧上下两端，上轮带(21)配合一个牙纹导向轮(18)和一个光滑导向轮(19)，下轮带(24)配合一个牙纹导向轮(18)和一个光滑导向轮(19)。

3.如权利要求2所述的一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，其特征在于：所述膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)通过行星轮减速器(17)与上轮带(21)相连接。

4.如权利要求1所述的一种面向涉核复杂环境的高度适应性机器人通用运动平台，其特征在于：所述小腿连杆(14)包括同步带(25)、驱动电机(29)、减速箱(30)、轴(31)、小锥齿轮(32)、滚轮轴(33)及大锥齿轮(34)；其中所述驱动电机(29)通过减速箱(30)与轴(31)相连接伸出小腿连杆(4)下端，轴另一端设有小齿轮(32)，所述小齿轮(32)与大齿轮(34)相啮合，大齿轮(34)外侧套有一圈同步带(25)。

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