CN110171501B - 同轴五杆机构四足机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种同轴五杆机构四足机器人，包括机器人框架，机器人框架上对称设有结构完全相同的四个腿部五杆机构，腿部五杆机构包括小齿轮a、与所述小齿轮a啮合的大齿轮a、与所述大齿轮a铰接的连杆a、小齿轮b、与所述小齿轮b啮合的大齿轮b、与所述大齿轮b铰接的连杆b，所述大齿轮a和所述大齿轮b同轴，所述小齿轮a和所述小齿轮b与一电机轴连接。本发明创造采用对称的五杆机构代替关节式的仿生腿，可实现现有四足的足端轨迹。取消髋关节的自由度，将其中的大腿连杆设计成一大齿轮，与电机直驱的小齿轮行程形成齿轮系，可有效放大低成本小扭矩电机的有效力矩。本发明创造所述的机器人成本低，体积小。

Description

同轴五杆机构四足机器人
技术领域
本发明创造涉及一种用于物流运输、星际探测、资源勘测的足类机器人，尤其是涉及一种同轴五杆机构四足机器人。
背景技术
目前，公认的四足机器人是由液压驱动或者昂贵的大扭矩盘式无刷电机驱动的12自由度的四足机器人。由液压或者大扭矩电机驱动仿生腿的髋关节、臀关节和膝关节，画出有效空间里的足端轨迹，实现奔跑、跳跃等步态。但是，液压执行机构的效率也往往很差，例如运动流体中的粘性损失、伺服阀内部泄漏和压力降。为了获得有效的关节扭矩，现有四足增加了质量，减少了有效功率。由于电机的限制，其负载能力也有限制，且成本高昂。
发明内容
为了克服现有的四足成本高、负载能力小、依靠关节驱动和自身重量大、体积大的不足，本发明创造旨在提出一种同轴五杆机构四足机器人，不仅成本低廉，自身重量12.5KG，可在负载5KG的情况下实现奔跑、跳跃和爬坡等动作。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种同轴五杆机构四足机器人，包括机器人框架，所述机器人框架上对称设有结构完全相同的四个腿部五杆机构，所述腿部五杆机构包括小齿轮a、与小齿轮a啮合的大齿轮a、与所述大齿轮a铰接的连杆a、小齿轮b、与小齿轮b啮合的大齿轮b、与所述大齿轮b铰接的连杆b，所述大齿轮a和所述大齿轮b同轴，所述小齿轮a和所述小齿轮b与一电机轴连接。
进一步的，所述连杆a和所述连杆b通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副I。
进一步的，所述连杆a与所述大齿轮a通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副II。
进一步的，所述连杆b与所述大齿轮b通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副III。
进一步的，所述大齿轮b通过轴承和螺栓固定在齿轮固定板上。
进一步的，所述大齿轮a通过轴承和螺栓固定在电机固定板上。
进一步的，所述电机固定在所述机器人框架上，外接法兰联轴器，所述小齿轮a固定在所述法兰联轴器内侧，所述小齿轮b固定在所述法兰联轴器外侧。
进一步的，所述连杆b外部套设有硅胶材料。
进一步的，所述硅胶材料通过螺栓与所述连杆b连接。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：采用对称的五杆机构代替关节式的仿生腿，可实现现有四足的足端轨迹。取消髋关节的自由度，将其中的大腿连杆设计成一大齿轮，与电机直驱的小齿轮行程形成齿轮系，可有效放大低成本小扭矩电机的有效力矩。小齿轮的分度圆直径大于电机最大直径，可将电机全部固定在内部，只留输出轴外伸，可有效减小机器人体积。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例立体方向结构示意图；
图2为本发明创造实施例主视方向结构示意图。
附图标记说明：
1-硅胶脚掌； 2-推力球轴承 3-连杆a；
4-连杆b； 5-大齿轮b； 6-齿轮固定板；
7-法兰联轴器； 8-小齿轮a； 9-方管铝框架；
10-电机； 11-电机固定板； 12-大齿轮a；
13-小齿轮b。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
实施例
一种同轴五杆机构四足机器人，包括机器人框架，所述机器人框架为方管铝框架9，所述机器人框架上对称设有结构完全相同的四个腿部五杆机构，即前左腿部五杆机构、前右腿部五杆机构、后左腿部五杆机构、后右腿部五杆机构，所述腿部五杆机构包括小齿轮a8、与小齿轮a8啮合的大齿轮a12、与所述大齿轮a12铰接的连杆a3，小齿轮b13、与小齿轮b13啮合的大齿轮b5、与所述大齿轮b5铰接的连杆b4，所述大齿轮a12和所述大齿轮b5同轴，所述小齿轮a8和所述小齿轮b13与一电机轴连接，所述电机型号为大疆3508，所述电机固定在所述方管铝框架9上，外接法兰联轴器7，所述小齿轮a8固定在所述法兰联轴器7内侧，所述小齿轮b13固定在所述法兰联轴器7外侧。所述连杆b4外部套设有硅胶材料作为硅胶脚掌1，所述硅胶脚掌1通过四颗螺栓与所述连杆b4固定连接。
其中，所述连杆a3和所述连杆b4通过推力球轴承I2和螺栓夹紧，形成旋转副I；所述连杆a3与所述大齿轮a12通过推力球轴承2和螺栓夹紧，形成旋转副II；所述连杆b4与所述大齿轮b5通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副III；所述大齿轮b5通过轴承和螺栓固定在齿轮固定板6上；所述大齿轮a12通过轴承和螺栓固定在电机固定板11上；所述电机固定板11和所述齿轮固定板6均固定于所述方管铝框架9上。
在本实施例中，电机10转动同时带动小齿轮a8转动，由于大齿轮a12和大齿轮b5同轴，大齿轮a12、大齿轮b5、连杆a3、连杆b4形成五杆机构。通过控制大疆3508电机10的转动角度，可实现硅胶脚掌1的足端轨迹，实现多种步态。
本实施例采用对称的无杆机构代替关节式的仿生腿，可实现现有四足的足端轨迹。取消髋关节的自由度，将其中的大腿连杆设计成一大齿轮，与电机直驱的小齿轮行程形成齿轮系，减速比为3:1，可有效放大低成本小扭矩电机的有效力矩。小齿轮的分度圆直径大于电机最大直径，可将电机全部固定在内部，只留输出轴外伸，可有效减小机器人体积。整车框架采用20X20X1mm的6061方管铝搭接，腿部连杆采用铝板雕刻而成，电机固定在方管铝和镂空玻纤板上，足端采用液态硅胶和3D打印模具浇铸而成，由重250g的大疆3508驱动，有效保证成本低廉和重量小。
本发明新型的有益效果为，可以在该四足实现奔跑、跳跃和上坡步态的同时，负载5KG。机器人自身重量在15KG以下，保证成本在数千元，结构简单。将该四足实验数据与类似的宾西法利亚大学四足Minitaur、目前最先进的四足MIT的Cheetah的实验数据进行比较：
表1本实施例与其他机器人性能比较
Figure BDA0002053482450000051
四足的负载能力由腿部驱动的有效力矩决定，高于Minitaur四足2.57倍的有效负载可使该四足机器人在保证其可以依靠灵活度进行探测和勘测的情况下拥有高负载能力。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：包括机器人框架，所述机器人框架上对称设有结构完全相同的四个腿部五杆机构，所述腿部五杆机构包括小齿轮a、与所述小齿轮a啮合的大齿轮a、与所述大齿轮a铰接的连杆a、小齿轮b、与所述小齿轮b啮合的大齿轮b、与所述大齿轮b铰接的连杆b，所述大齿轮a和所述大齿轮b同轴，所述小齿轮a和所述小齿轮b与一电机轴连接；
所述连杆a和所述连杆b通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副I。
2.根据权利要求1所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述连杆a与所述大齿轮a通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副II。
3.根据权利要求1所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述连杆b与所述大齿轮b通过推力球轴承和螺栓夹紧，形成旋转副III。
4.根据权利要求3所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述大齿轮b通过轴承和螺栓固定在齿轮固定板上。
5.根据权利要求1所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述大齿轮a通过轴承和螺栓固定在电机固定板上。
6.根据权利要求5所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述电机固定在所述机器人框架上，外接法兰联轴器，所述小齿轮a固定在所述法兰联轴器内侧，所述小齿轮b固定在所述法兰联轴器外侧。
7.根据权利要求1所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述连杆b外部套设有硅胶材料。
8.根据权利要求7所述的同轴五杆机构四足机器人，其特征在于：所述硅胶材料通过螺栓与所述连杆b连接。
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