CN110641573B - 一种闭链单自由度五杆腿机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单自由度五杆腿机构，涉及步行机器人技术领域，包括：曲柄、导轨杆、腿杆、中间连杆、机架和定位件；外部施加动力使曲柄1匀速旋转，腿杆的触地端可以输出鸭舌帽形的连杆曲线，可实现类似动物的步行运动。利用本发明的腿机构实现步行机器人的行走功能，有运行平稳、控制简单、装配维护方便和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及步行机器人领域，具体涉及一种闭链单自由度五杆腿机构。该机构可实现腿式行走功能，可应用于步行机器人的行走系统中。
背景技术
步行机器人模仿自然界中动物的步行运动方式，相比传统的轮式、履带式移动机器人，其可利用离散的地面支撑实现非结构、不平整地面条件下的运动，对复杂地形和不可预知环境变化具有较强的适应性及良好的运动稳定性；在军事侦察、抢险救灾、反恐爆破、旅游观光等领域具有重要应用。
通常，在计算机控制下，在开链腿上设置电机、液压缸等驱动器，通过控制关节转角来改变腿的位置姿态，以实现步行运动的多自由度步行机器人运动灵活、地形适应能力强，但其一般需要复杂的控制系统保证机器人稳定行走，可靠性受控制器影响，且制造成本高，难以推广使用。此外，由于开链腿中各电机需要以串联形式受力，功耗通常较大。
通过机械机构实现腿的运动的少自由度多足步行机器人容易控制、结实耐用、成本低，但常见的腿机构构件和运动副数目多，装配、维护不便，且行走不够平稳。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的是提供一种闭链单自由度五杆腿机构，匀速旋转曲柄即可实现平稳的步行动作，控制简单、功耗小；构件数和运动副数较常见的各种六杆机构少，便于装配维护，适合六足以上的多足机器人系统。
(二)技术方案
本发明的技术方案：将间歇运动机构与直线运动机构融合，使得当直线运动机构处于直线段时，间歇运动机构不工作，足端作直线运动，即步行动作的触地部分；当直线机构离开或将要离开直线段时，间歇运动机构工作，使得足端作上抬、前进的曲线运动，即步行动作的迈步部分。
本发明的技术方案：间歇运动机构选取圆弧槽的导杆机构，直线运动机构选取霍肯近似直线运动机构，将两机构功能相近、运动相似的运动副、构件合并，合理设计其余各构件的运动学尺寸，可得到一种闭链单自由度五杆腿机构。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：包括曲柄1、导轨杆2、腿杆3、中间连杆4、机架5和定位件6。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：曲柄1与机架通过旋转副相连接，与导轨杆2通过凸轮副相连接，与腿杆3通过旋转副相连接。
根据权利要求1所述的一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：除上述与曲柄1通过旋转副相连外，导轨杆2还与机架5通过旋转副相连，与中间连杆4通过旋转副相连接。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：除上述与导轨杆2通过旋转副相连外，中间连杆4还与腿杆3通过旋转副相连。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：为提高刚度，同时便于构件安装，曲柄1以曲轴形式实现，同心的两端与机架相连，互不同心的中间两轴分别与腿杆3和导轨杆2相连。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：导轨杆2上的导轨形状为等直径圆以圆心沿导轨中线运动所扫出的包络线，该等直径圆的大小满足与曲柄1上对应轴构成间隙配合，中线为一段圆弧与一段直线相连形成且二者相切。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：为便于安装，与中间连杆4相连的两个运动副中，中间连杆4上的两个转轴分别沿轴向插入导轨杆2和腿杆3的孔中，且采取间隙配合。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：为便于安装，除上述中间连杆4上的两个运动副外，其他运动副的实现均为转轴沿径向装入开放的半个圆孔(或开口导轨)中，再沿径向安装定位件6，定位件6上开放的半个圆孔与前述半个圆孔构成完整、封闭的圆孔，与转轴构成间隙配合。
一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：定位件6上有楔形的弹性卡扣母头，与成型在其他零件上的楔形弹性卡扣公头连接并锁死。
(三)有益效果
本发明的优点在于：此腿机构动作平稳、控制简单、驱动元件少，便于装配和维护。
除了上述所描述的目的、特征和优点外，本发明还有其他的目的、特征和优点；下面将按照参照图，对本发明做进一步说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的机构简图。
图2为本发明的足端连杆曲线。
图3为本发明的曲柄结构示意图。
图4为本发明的导轨杆结构示意图。
图5为本发明的中间连杆结构示意图。
图6为本发明的腿杆结构示意图。
图7为本发明的机架结构示意图。
图8为本发明的定位件结构示意图。
图9为本发明的卡扣连接示意图。
图10为本发明的腿机构示意图。
图11为本发明的腿机构组成的多足机器人示意图；图12为使用仿真软件得到的，当前述多足机器人沿直线行走时，在一个周期内质心相对高度随时间变化情况的测量结果图。
其中：1-曲柄，2-导轨杆，3-中间连杆，4-腿杆，5-机架，6-定位件；11-曲柄法兰，121-曲柄1连接运动副A的第一处轴，122-曲柄1连接运动副A的第二处轴，13-曲柄1连接运动副B的轴，14-曲柄1连接运动副C的轴；21-导轨杆2上运动副C的导轨，221-导轨杆2连接运动副D的第一处轴，222-导轨杆2连接运动副D的第二处轴，23-导轨杆2连接运动副E的孔，24-导轨杆2的限位块，25-导轨杆2的导轨内槽，26-导轨杆2的加强筋；31-中间连杆3连接运动副E的轴，32-中间连杆3连接运动副F的轴；41-腿杆4连接运动副B的开口半圆孔，42-腿杆4连接运动副F的孔，43-腿杆4与地面接触的足端G；511-机架5连接运动副A的第一处开口半圆孔，512-机架5连接运动副A的第二处开口半圆孔，521-机架5连接运动副D的第一处开口半圆孔，522-机架5连接运动副D的第二处开口半圆孔；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅只是本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种单自由度五杆腿机构，克服现有步行机器人腿机构或驱动器多、控制困难、成本高或机构复杂、装配维护困难等缺点，具有控制简单、运动平稳、装配维护容易等优点。
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
机构运动简图如图1所示。其中，在图示位置，当LAB＝100时，其余构件的运动尺寸为：LAE＝200，LAC＝LDE＝150，LBF＝LFG＝LEF＝250，∠BAC＝45°，且此时导轨杆上的DE段竖直，导轨中线C的直线段水平，圆弧段半径为150，圆弧角为125°。
如图1，电机将扭矩输入至曲柄1，曲柄1绕A转动，足端G的连杆曲线呈如图2所示的帽子型。当LAB＝100时，步长L约为350，跨高H约为100。
实施时先将曲柄1上的轴121和122沿径向装入机架5上的半圆孔511和512，轴121和122上各有一处轴肩，两轴肩共同完成曲柄1在机架5上的轴向定位，随后将两个定位件6分别沿径向安装在511和512处，定位件上的半圆孔61与511和512构成完整的圆孔，完成曲轴1在机架5上的径向定位。外部电机通过法兰11与曲柄1连接。
将导轨杆2的开口导轨21套装在曲柄1的轴14上，随后安装定位件6将导轨封闭。将导轨杆2的轴221和222安装在机架5的521和522上，并安装定位件6将半圆孔封闭。要说明的是，限位块24的作用是避免机构进入奇异位形；凹槽25的作用是减小加工面和降低摩擦，方案中其他类似作用的凹槽不再强调；筋26的作用是提高导轨刚度。
将中间连杆3的轴31插入导轨杆2的孔23中，再将腿杆4的孔42套装在中间连杆3的轴32上，最后将腿杆4的半圆孔41沿径向装在曲柄1的轴13上并安装定位件6完成径向定位。要说明的是，中间连杆的轴31和32的轴长稍大于对应的孔深，以补偿间隙，保证腿杆4始终在竖直平面内运动。
如图9为本发明中定位件6的半圆孔61与腿杆4的半圆孔41构成完整圆孔的示意图。定位件6与腿杆4通过弹性卡扣式的公母头结构固连。
如图10为本发明的闭链单自由度五杆腿机构的整体示意图。
如图11为本发明的闭链单自由度五杆腿机构组成多足机器人示意图。在机体上对称配置6组或8组本发明闭链单自由度五杆腿机构，即可形成六足或八足机器人，具有较强的平地行走和越障能力。
如图12为图11中多足机器人在仿真软件中测得的直线行走时一个周期内质心相对高度变化情况。仿真使用的主要参数是：机器人共有八足，自重500g，长1200mm，宽600mm，步长350mm，平均速度750mm/s。如图12所示，在此情况下，质心相对高度变化不超过4mm，可见本发明所述的闭链单自由度五杆腿机构行走平稳。
尽管已经描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种闭链单自由度五杆腿机构，其特征在于：包括曲柄（ 1） 、导轨杆（ 2） 、腿杆（3） 、中间连杆（ 4） 、机架（ 5） 和定位件（ 6） ；其中，导轨杆（ 2） 的导轨（ 21） 形状为等直径圆以圆心沿导轨中线运动所扫出的包络线，该等直径圆的大小满足与曲柄（ 1） 上对应轴构成间隙配合，导轨中线为一段圆弧与一段直线相连形成且二者相切；
机构的配合关系为：曲柄（ 1） 与机架（ 5） 通过旋转副相连接，曲柄（ 1） 与导轨杆（2） 通过凸轮副相连接，曲柄（ 1） 与腿杆（ 3） 通过旋转副相连接，导轨杆（ 2） 与机架（5） 通过旋转副相连接，导轨杆（ 2） 与中间连杆（ 4） 通过旋转副相连接，中间连杆（ 4）与腿杆（ 3） 通过旋转副相连接；
当外力驱动曲柄（ 1） 使其转动时，腿杆（ 3） 上的足端（ 31） 扫成的连杆曲线为一条帽子型曲线。
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|---|---|---|---|---|
| CN113428257B (zh) * | 2021-07-29 | 2022-06-24 | 北京交通大学 | 一种可重构空间闭链腿机构六足平台 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6478314B1 (en) * | 1998-02-11 | 2002-11-12 | Joseph C. Klann | Walking device |
| CN101370623A (zh) * | 2006-01-12 | 2009-02-18 | 丰田自动车株式会社 | 腿式机器人 |
| CN103192898A (zh) * | 2013-04-09 | 2013-07-10 | 北京交通大学 | 一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人 |
| CN103395457A (zh) * | 2013-07-01 | 2013-11-20 | 中国科学技术大学 | 一种基于混合驱动机构的多足移动装置 |
| CN109178135A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-01-11 | 北京交通大学 | 一种双驱动模式闭链腿部机构 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5326218A (en) * | 1993-03-08 | 1994-07-05 | Fallas David M | Robotic arm for handling product |
| JP2957881B2 (ja) * | 1994-02-21 | 1999-10-06 | 株式会社タカラ | ２足歩行ロボット |
| CN2892621Y (zh) * | 2005-11-17 | 2007-04-25 | 上海市格致中学 | 六脚机器人 |
| FR2921008B1 (fr) * | 2007-09-19 | 2010-03-12 | Aldebaran Robotics | Amelioration d'un robot pouvant ecarter ses jambes par rapport a la verticale |
| RU2368529C1 (ru) * | 2008-05-20 | 2009-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Шагающая опора для транспортных средств повышенной проходимости |
| CN201701667U (zh) * | 2010-07-02 | 2011-01-12 | 上海海事大学 | 一种救援机器人 |
| CN102211627B (zh) * | 2011-04-27 | 2012-10-17 | 浙江大学 | 一种基于仿生设计的四腿机器人机构 |
| CN103832505B (zh) * | 2014-03-11 | 2016-04-06 | 北京交通大学 | 一种人力操控腿式步行车 |
| CN104859745B (zh) * | 2015-05-20 | 2017-04-05 | 天津大学 | 一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6478314B1 (en) * | 1998-02-11 | 2002-11-12 | Joseph C. Klann | Walking device |
| CN101370623A (zh) * | 2006-01-12 | 2009-02-18 | 丰田自动车株式会社 | 腿式机器人 |
| CN103192898A (zh) * | 2013-04-09 | 2013-07-10 | 北京交通大学 | 一种具有首尾平衡调节装置的仿生四足机器人 |
| CN103395457A (zh) * | 2013-07-01 | 2013-11-20 | 中国科学技术大学 | 一种基于混合驱动机构的多足移动装置 |
| CN109178135A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-01-11 | 北京交通大学 | 一种双驱动模式闭链腿部机构 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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