CN111152190B - 一种适用于非结构化地形的多运动模式移动并联机构及其步态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非结构化地形的多运动模式移动并联机构及步态控制方法，包括上平台、下平台、虎克铰组件和连杆；其中，上平台和下平台之间间隔性的相对平行设置，在上、下平台的端部安装虎克铰组件，并与虎克铰组件转动连接；在每个虎克铰组件远离上、下平台的一端安装舵机，且在上、下平台相同一端的虎克铰组件之间安装连杆。步态控制方法包括全姿态滚动模式、变宽度滚动模式、切换模式和侧滚模式。本发明有益效果是：适应性好，极具应用前景；整体采用并联机构，与传统的开链机构相比，具有结构简单、刚度好，承载能力高的优点。可折叠多运动模式移动并联机构，机构中的舵机可以采用分时控制，可实现不同模式间的自由切换。

Description

一种适用于非结构化地形的多运动模式移动并联机构及其步 态控制方法

技术领域：

本发明属于移动并联机器人领域，尤其涉及一种多运动模式的移动并联机构。

背景技术：

随着机器人的发展热潮，移动机器人已经应用于很多领域，例如消防灭火、月球探索、军事侦察、以及反恐排爆等自主作业任务，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。

目前，将多种移动方式在同一个机构上集成和切换的机构有重庆大学研制的Rolling-Wolf轮腿式移动机器人，索尼公司推出的QRIO仿人机器人，虽然以上机器人具有多种运动模式，但其以模块化自重构方式实现多运动模式，具有控制复杂、刚度、精度不足以等缺点。此外，由于并联机构具有刚度高、精度高、承载力大的特点及其固有属性，将其应用于多模式移动机构中的研究很少，因此，开发一种刚度好且控制简单的多模式步滚移动并联机构极具现实意义。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种刚度好且结构、控制都简单的机构，该机构集全姿态滚动、变宽度滚动、模式切换、侧滚等运动模式为一体的多运动模式移动并联机构，包括上平台、下平台、虎克铰组件和连杆，上平台和下平台都为十字型部件；其中，在上、下平台之间平行设置，在上、下平台的端部向外延伸安装一虎克铰组件，虎克铰组件的一端和上、下平台的端部活动连接；在上、下平台相同一端的两个虎克铰组件之间安装连杆，连杆与两个虎克铰组件的另一端活动连接，其上、下平台与虎克铰组件之间及虎克铰组件与连杆之间的每个活动连接的驱动分别由一组舵机完成。

在一个实施例中，虎克铰组件包括第一虎克铰和第二虎克铰；第一虎克铰包括本体，本体的第一端面开设沿长度方向的第一转向孔，在本体的第二端面为内凹的圆弧槽，在圆弧槽的一侧布置与圆弧槽弧度匹配的圆柱板，在圆柱板的顶面布置第一转轴；第二虎克链包括一门型本体，在门型本体的顶部向外延伸布置第二转轴，在门型本体的两侧开设同轴度的第二转向孔；所述十字型部件的两端沿长度方向各开设一凹槽，在凹槽的侧壁上开设同轴度的凹槽孔；圆柱板设在凹槽内，且第一转轴转动连接在凹槽孔内；第二转轴连接在第一转向孔内；所述连杆的两端设置第三转轴，第三转轴与所述第二转向孔之间活动连接。

一种适用于非结构化地形的多运动模式移动并联机构的步态控制方法，在一个实施例中，当遇到平坦路面时，所述多运动模式切换为全姿态滚动模式，机器人首先处于下平台着地的垂直站立状态，接着舵机驱动，连杆开始倾斜、翻倒，达到平躺姿态，然后舵机驱动，经两平台绕其支撑线转动，而后机器人继续倾斜、翻倒，继续驱动舵机，达到了上平台着地的垂直站立姿态，从而完成了一个周期的滚动。

在一个实施例中，当遇到狭窄空间时，所述多运动模式切换为变宽度滚动模式。机器人首先处于下平台着地的垂直站立姿态，舵机驱动虎克铰所在的四根转轴转动45°，接着舵机驱动连杆转动，经过倾斜、翻倒过程后，达到两条连杆触地的平躺姿态，接着舵机带动上、下平台转动，经过倾斜、翻倒过程，达到了下平台着地的垂直状态，接着舵机驱动连杆转动，达到上平台着地的垂直站立姿态，从而完成了一个周期的滚动。

在一个实施例中，当遇到不平坦地面时，进行从全姿态滚动模式向变宽度滚动的切换模式。机构在滚动过程中，可自变形进行侧滚，首先机器人首先处于下平台触地的站立姿态，舵机驱动虎克铰所在的四根转轴转动45°，接着舵机驱动连杆转动，经过倾斜、翻倒过程后，达到两条连杆的触地姿态，接着驱动舵机带动两平台绕其支撑线转动达到平躺姿态，从而完成了模式切换。

在一个实施例中，当遇到不平坦地面时，所述多运动模式切换为侧滚模式。机器人首先处于两个连杆水平触地的姿态，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转动轴转动45°，使机器人倾斜，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转动轴继续转动使机器人翻倒，达到另外两个连杆水平触地的状态，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转轴转动使机器人达到两个连杆触地的姿态，从而完成了一个周期的滚动。

本发明所述的主要具有如下优点和有益效果：

1、多运动模式移动并联机构可折叠，且对称设置，具有全姿态滚动、变宽度滚动、模式切换、侧滚四种运动模式，能适应陆地上不同的地形环境，极具应用前景。

2、巧妙运用移动并联机构的自变形、易控制、结构简单的特点，以及并联机构的刚度、精度、承载力较好的特点，改善了动力学性能，增加了结构刚度。

3、可折叠多运动模式移动并联机构中的舵机采用分时控制，控制简便、可巧妙的实现不同运动模式及模式间的切换。

4、通过简单的自变形即可应对非结构化地形环境(如狭窄或低矮的通道、凹凸不平等具有典型特征的地形)。

附图说明：

图1是多运动模式移动并联机构的整体结构示意图；

图2是第二虎克铰的结构示意图；

图3是第一虎克铰的结构示意图；

图4是全姿态滚动模式的运动示意图；

图5是全姿态滚动模式的运动示意图；

图6是变宽度滚动模式的运动示意图；

图7是变宽度滚动模式的运动示意图；

图8是运动切换模式的运动示意图；

图9是侧滚模式的运动示意图；

图10是多运动模式移动并联机构中舵机安装示意图。

其中，1-上平台，2-下平台，3-虎克铰组件，4-连杆，30-第一虎克铰，36-第二虎克铰，31-本体，32-第一转向孔，33-圆弧槽，34-圆柱板，35-第一转轴，37-门型本体，38-第二转轴，39-第二转向孔，12-凹槽，13-凹槽孔。

具体实施方式：

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可折叠多运动模式移动并联机构。参考图1并结合图2和图3，一种多运动模式移动并联机构，包括上平台1、下平台2、虎克铰组件3和连杆4，上平台1和下平台2都为十字型部件；其中，在上平台1和下平台2之间平行设置，在上、下平台的端部向外延伸安装一虎克铰组件3，虎克铰组件3的一端和上、下平台的端部活动连接；在上、下平台相同一端的两个虎克铰组件3之间安装连杆4，连杆4与两个虎克铰组件的另一端活动连接，其上、下平台与虎克铰组件3之间及虎克铰组件3与连杆4之间的每个活动连接的驱动分别由一组舵机(图中未标注)完成。

优选地，虎克铰组件包括第一虎克铰和第二虎克铰；第一虎克铰30包括本体31，本体31的第一端面开设沿长度方向的第一转向孔32，在本体31的第二端面为内凹的圆弧槽33，在圆弧槽33的一侧布置与圆弧槽33弧度匹配的圆柱板34，在圆柱板34的顶面布置第一转轴35；第二虎克链36包括一门型本体37，在门型本体37的顶部向外延伸布置第二转轴38，在门型本体37的两侧开设同轴度的第二转向孔39；十字型部件的两端沿长度方向各开设一凹槽12，在凹槽12的侧壁上开设同轴度的凹槽孔13；圆柱板34设在凹槽12内，且第一转轴35活动连接在凹槽孔12内；第二转轴38连接在第一转向孔32内；连杆4的两端设置第三转轴(图中未标注)，第三转轴与第二转向孔32之间活动连接。

参考图4和图5，图4和图5是全姿态滚动模式的运动示意图；

在这个优选地实施例中，当遇到平坦地面时，机构选择全姿态滚动模式。若机构向右侧滚动，则机构的一个滚动步态的周期为：机器人首先处于下平台触地的站立姿态(见图4中的(a))，接着驱动舵机经过倾斜(向右)、翻倒(向右)过程(见图4中的(b))后，达到两条支链触地的平躺姿态(见图4中的(c))，然后驱动舵机，经两平台绕其支撑线转动(见图5中的(a)，而后机器人继续向右倾斜、翻倒(向右)(见图5中的(b))，继续驱动舵机，达到了上平台站立姿态(见图5中的(c))，从而完成了一个周期的滚动。

参考图6和图7，图6和图7是变宽度滚动模式的运动示意图。

在这个优选地实施例中，当遇到狭窄空间时，机构选择变宽度滚动模式。若机构向右侧滚动，则机构的一个滚动步态的周期为：机器人首先处于下平台触地的站立姿态(见图6中的(a))，舵机通电带动虎克铰a所在的四根转动轴转动45°(见图6中的(b))，接着舵机通电带动连杆(a、b、c、d)转动，经过倾斜(向右)(见图6中的(c))、翻倒(向右)(见图6中的(d))过程后，达到两条连杆(a、d)触地的平躺姿态，接着舵机带动上、下平台转动(向右)(见图7中的(a))，经过倾斜、翻倒(向右)过程，达到了下平台触地状态(见图7中的(b)，接着舵机通电带动连杆(a、b、c、d)转动，达到上平台触地的站立姿态(见图7中的(c))，从而完成了一个周期的滚动。

参考图8，图8是运动切换模式的运动示意图。

在这个优选地实施例中，机构在滚动过程中(全姿态滚动、变宽度滚动)遇到不平坦地面时，可自变形进行侧滚，自变形步骤为：机器人首先处于下平台触地的站立姿态(见图8中的(a))，舵机通电带动虎克铰所在的四根转动轴转动45°(见图8中的(b))，接着舵机通电带动连杆(a、b、c、d)转动，经过倾斜(向右)(见图8中的(c))、翻倒(向右)(见图8中的(d))过程后，达到两根连杆(a、d)触地姿态，接着驱动舵机带动两平台绕其支撑线转动达到平躺姿态(见图8中的(e))，从而完成了模式切换。

图9是侧滚模式的运动示意图。

在这个优选地实施例中，当遇到不平坦地面时，机构选择侧滚模式。机器人首先处于两个连杆(a、b)触地的站立姿态(见图9(a))，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转动轴转动45°，使机器人倾斜(向右)(见图9中的(b))，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转动轴继续转动使机器人翻倒(向右)(见图9中的(c))，达到两外两个连杆(a、d)触地状态，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转轴转动使机器人达到两根连杆(a、d)触地的站立姿态(见图9中的(d))，从而完成了一个周期的滚动。

可以理解的是，不同的运动姿态和运动方向会产生部分或全部舵机的分时驱动，在此不做详细的阐述。

参考图10，图10是多运动模式移动并联机构中舵机安装示意图。在图10中，舵机M1-M16分别驱动图10中对应的转动轴，当这个机构需要进行相应的运动时，不同的舵机会驱动不同的转动轴。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于非结构化地形的多运动模式移动并联机构，其特征在于：包括上平台、下平台、虎克铰组件和连杆，上平台和下平台都为十字型部件；其中，

在上、下平台之间平行设置，在上、下平台的端部向外延伸安装一虎克铰组件，虎克铰组件的一端和上、下平台的端部活动连接；在上、下平台相同一端的两个虎克铰组件之间安装连杆，连杆与两个虎克铰组件的另一端活动连接，其上、下平台与虎克铰组件之间及虎克铰组件与连杆之间的每个活动连接的驱动分别由一组舵机完成；

虎克铰组件包括第一虎克铰和第二虎克铰；第一虎克铰包括本体，本体的第一端面开设沿长度方向的第一转向孔，在本体的第二端面为内凹的圆弧槽，在圆弧槽的一侧布置与圆弧槽弧度匹配的圆柱板，在圆柱板的顶面布置第一转轴；

第二虎克链包括一门型本体，在门型本体的顶部向外延伸布置第二转轴，在门型本体的两侧开设同轴度的第二转向孔；所述十字型部件的两端沿长度方向各开设一凹槽，在凹槽的侧壁上开设同轴度的凹槽孔；

圆柱板设在凹槽内，且第一转轴转动连接在凹槽孔内；第二转轴连接在第一转向孔内；

所述连杆的两端设置第三转轴，第三转轴与所述第二转向孔之间活动连接。

2.一种如权利要求1所述的适用于非结构化地形的多运动模式移动并联机构的步态控制方法，其特征在于：当遇到平坦路面时，所述多运动模式切换为全姿态滚动模式；机器人首先处于下平台着地的垂直站立状态，接着舵机驱动，连杆开始倾斜、翻倒，达到平躺姿态，然后舵机驱动，经两平台绕其支撑线转动，而后机器人继续倾斜、翻倒，继续驱动舵机，达到了上平台着地的垂直站立姿态，从而完成了一个周期的滚动；

当遇到狭窄空间时，所述多运动模式切换为变宽度滚动模式；机器人首先处于下平台着地的垂直站立姿态，舵机驱动虎克铰所在的四根转轴转动45°，接着舵机驱动连杆转动，经过倾斜、翻倒过程后，达到两条连杆触地的平躺姿态，接着舵机带动上、下平台转动，经过倾斜、翻倒过程，达到了下平台着地的垂直状态，接着舵机驱动连杆转动，达到上平台着地的垂直站立姿态，从而完成了一个周期的滚动。

3.如权利要求2所述的步态控制方法，其特征在于：当遇到不平坦地面时，进行从全姿态滚动模式向变宽度滚动的切换模式；机构在滚动过程中，可自变形进行侧滚，首先机器人首先处于下平台触地的站立姿态，舵机驱动虎克铰所在的四根转轴转动45°，接着舵机驱动连杆转动，经过倾斜、翻倒过程后，达到两条连杆的触地姿态，接着驱动舵机带动两平台绕其支撑线转动达到平躺姿态，从而完成了模式切换。

4.如权利要求2所述的步态控制方法，其特征在于：当遇到不平坦地面时，所述多运动模式切换为侧滚模式；机器人首先处于两个连杆水平触地的姿态，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转动轴转动45°，使机器人倾斜，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转动轴继续转动使机器人翻倒，达到另外两个连杆水平触地的状态，接着驱动舵机带动虎克铰所在的转轴转动使机器人达到两个连杆触地的姿态，从而完成了一个周期的滚动。

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