CN111409733B - 一种多轴机械腿 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多轴机械腿，包括：第一驱动关节与机体相连接；第二互联结构的一端与第一驱动关节相连接，第二驱动关节设于第二互联结构内；第二互联结构的另一端与第三驱动关节相连接；第四互联结构的一端与第三驱动关节相连接，第四驱动关节设于第四互联结构内；第四互联结构的另一端与第五驱动关节相连接；履带互联结构与第五驱动关节相连接；两履带轮均设于履带互联结构内，履带环绕于两履带轮上。本发明能适应复杂环境、复杂任务和复杂操作对象，动作精密度高且安全可靠性强。

Description

一种多轴机械腿
技术领域
本发明涉及机械腿的技术领域，尤其涉及一种多轴机械腿。
背景技术
近年来随着机器人技术的发展，机器人在自动驾驶汽车的领域内取得了巨大的进步。受2011年福岛第一核电灾难的警醒，一些类似的竞赛被提起。以加速机器人技术在应对自然和认为灾难领域内的发展。
为了代替人类在对于人类而言危险的环境中执行复杂任务，需要设计与人类在尺寸和形状上差不多、具有相似的工作空间的机器人。要求这些机器人既有强度也有灵活性，以有效地在这些环境中工作，同时他必须具备静态稳定性而非动态稳定性以避免复杂控制的需求。双足机器，例如典型的类人机器人，走动时必须平衡。如果机器人脚下地形不平坦或在移动，类人机器人有翻倒和摔倒的危险，那样反而成为了问题而不是解决问题。
目前现有的机器人用多轴机械腿，主要的局限性在于无法自动的适应在复杂环境下的工作，即不但需要专门人员花费大量时间与精力部署的机械臂，还无法适应操作对象的位置的不确定性、外部环境的干扰和类似任务的快速迁移，只能呆板的实现各种精密动作。因而现有技术的机械臂不具备装配在处理复杂作业的机器人主体上的潜力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多轴机械腿。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种多轴机械腿，其中，包括：
第一驱动关节，所述第一驱动关节与机体相连接；
第二互联结构和第二驱动关节，所述第二互联结构的一端与所述第一驱动关节相连接，所述第二驱动关节设于所述第二互联结构内；
第三驱动关节，所述第二互联结构的另一端与所述第三驱动关节相连接；
第四互联结构和第四驱动关节，所述第四互联结构的一端与所述第三驱动关节相连接，所述第四驱动关节设于所述第四互联结构内；
第五驱动关节，所述第四互联结构的另一端与所述第五驱动关节相连接；
履带互联结构，所述履带互联结构与所述第五驱动关节相连接；
履带及履带轮，两所述履带轮均设于所述履带互联结构内，所述履带环绕于两所述履带轮上。
上述的多轴机械腿，其中，还包括：履带张紧器，所述履带张紧器设于所述履带互联结构内，所述履带张紧器恒向所述履带提供至少一用于张紧所述履带的压力；
所述履带张紧器包括：第一张紧机构和第二张紧机构，其中，
所述第一张紧机构设于所述履带互联结构内，所述第一张紧机构位于所述履带的上侧；
所述第二张紧机构设于所述履带互联结构内，所述第二张紧机构位于所述履带的下侧。
上述的多轴机械腿，其中，还包括：挡板，所述挡板可转动地与所述履带互联结构相连接。
上述的多轴机械腿，其中，所述第二互联结构包括：第二内关节和第二外关节，所述第二内关节和所述第二外关节的两端可转动地连接，所述第二驱动关节驱动所述第二外关节相对于所述第二内关节转动。
上述的多轴机械腿，其中，所述第二内关节和所述第二外关节俯视均呈“匚”字型，所述第二内关节和所述第二外关节的连接端面均为平面，所述第二内关节的连接端面与所述第一驱动关节相连接，所述第二外关节的连接端面与所述第三驱动关节相连接。
上述的多轴机械腿，其中，所述第四互联结构包括：第四内关节和第四外关节，所述第四内关节和所述第四外关节的两端可转动地连接，所述第四驱动关节驱动所述第四外关节相对于所述第四内关节转动。
上述的多轴机械腿，其中，所述第四内关节和所述第四外关节俯视均呈“匚”字型，所述第四内关节和所述第四外关节的连接端面均为平面，所述第四内关节的连接端面与所述第三驱动关节相连接，所述第四外关节的连接端面与所述第五驱动关节相连接。
上述的多轴机械腿，其中，所述第四内关节的中部具有弯折部。
上述的多轴机械腿，其中，所述第二互联结构和所述第四互联结构处设有压载传感器。
上述的多轴机械腿，其中，所述第二互联结构和所述第四互联结构处设有温度传感器。
上述的多轴机械腿，其中，所述履带的宽度为100mm，所述履带的材质为聚氨酯，所述履带为ATN2.7齿形同步带，所述履带带有厚的硫化丁腈背衬。
上述的多轴机械腿，所述履带互联结构能够旋转至所述挡板位于下端的位置，使所述挡板能够支撑机器人的全部重量。
上述的多轴机械腿，所述履带互联结构的可转动角度不大于90°。
上述的多轴机械腿，所述履带的长度不小于400mm。
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
(1)本发明能适应复杂环境、复杂任务和复杂操作对象，动作精密度高且安全可靠性强。
(2)本发明的模块化的履带机构，可以帮助装配了所述机械臂的机器人在能进行大负载的高精密度、连续性多自由度作业的同时，还具备跨越复杂地形的能力。
附图说明
图1是本发明的多轴机械腿的主视图。
图2是本发明的多轴机械腿的侧视图。
图3是本发明的多轴机械腿的俯视图。
图4是本发明的多轴机械腿的立体图。
图5是本发明的多轴机械腿的立体图。
图6是本发明的多轴机械腿的立体图。
图7是本发明的多轴机械腿的履带互联结构的立体图。
图8是本发明的多轴机械腿的履带互联结构的主视图。
图9是本发明的多轴机械腿的履带互联结构的示意图。
图10是本发明的多轴机械腿的第一张紧机构的示意图。
图11是本发明的多轴机械腿的第二张紧机构的示意图。
附图中：1、第一驱动关节；21、第二互联结构；211、第二内关节；212、第二外关节；22、第二驱动关节；3、第三驱动关节；41、第四互联结构；411、第四内关节；412、第四外关节；513、弯折部；42、第四驱动关节；5、第五驱动关节；6、履带互联结构；7、履带；8、履带轮；91、第一张紧机构；911、固定板；912、支架；913、导杆；914、张紧活动板；915、压紧轮；916、上弹簧；917、下弹簧；92、第二张紧机构；921、第一转轴；922、第二转轴；923、气缸；924、转动杆；925、压紧支架；926、压紧轮；927、压簧；10、挡板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图1是本发明的多轴机械腿的主视图，图2是本发明的多轴机械腿的侧视图，图3是本发明的多轴机械腿的俯视图，图4是本发明的多轴机械腿的立体图，图5是本发明的多轴机械腿的立体图，图6是本发明的多轴机械腿的立体图，请参见图1至图6所示，示出了一种较佳实施例的多轴机械腿，包括：第一驱动关节1、第二互联结构21和第二驱动关节22，第一驱动关节1与机体相连接。第二互联结构21的一端与第一驱动关节1相连接，第二驱动关节22设于第二互联结构21内。具体的，第一驱动关节1与机器人的髋部相连接。
进一步，作为一种较佳的实施例，多轴机械腿还包括：第三驱动关节3，第二互联结构21的另一端与第三驱动关节3相连接。
通过第一驱动关节1、第二驱动关节22和第三驱动关节3形成球形自由度。
进一步，作为一种较佳的实施例，多轴机械腿还包括：第四互联结构41和第四驱动关节42，第四互联结构41的一端与第三驱动关节3相连接，第四驱动关节42设于第四互联结构41内。
进一步，作为一种较佳的实施例，多轴机械腿还包括：第五驱动关节5，第四互联结构41的另一端与第五驱动关节5相连接。
进一步，作为一种较佳的实施例，多轴机械腿还包括：履带互联结构6，履带互联结构6与第五驱动关节5相连接。
进一步，作为一种较佳的实施例，多轴机械腿还包括：履带7及履带轮8，两履带轮8均设于履带互联结构6内，履带7环绕于两履带轮8上。
进一步，作为一种较佳的实施例，还包括：履带张紧器，履带张紧器设于履带互联结构6内，履带张紧器恒向履带7提供至少一用于张紧履带7的压力。
履带张紧器包括：第一张紧机构91和第二张紧机构92，其中，
第一张紧机构91设于履带互联结构6内，第一张紧机构91位于履带7的上侧；
第二张紧机构92设于履带互联结构6内，第二张紧机构92位于履带7的下侧。
具体地，第一张紧机构91包括：
固定板911、支架912和导杆913，固定板911固定地设于履带互联结构6的侧板上，两支架912固定地设于固定板911上，至少一导杆913的两端分别与两支架912固定地连接；
张紧活动板914，张紧活动板914活动地设于导杆913上，张紧活动板914能够沿导杆913运动；
压紧轮915，张紧活动板914的两侧分别设有一压紧轮915，压紧轮915与履带7相啮合，以提供对履带7的上侧的张紧力；
上弹簧916和下弹簧917，上弹簧916和下弹簧917分别套设于导杆913上，其中，上弹簧916的两端分别抵于一支架912和张紧活动板914的上表面，下弹簧917的两端分别抵于另一支架912和张紧活动板914的下表面。
具体地，第二张紧机构92包括：
平行设置的第一转轴921和第二转轴922。
气缸923，所述气缸的活塞杆与第一转轴921可转动地连接(在另一种可能的实施例中，气缸923也可以被替换为例如液压油缸的其他直线运动机构)。
转动杆924，转动杆924的一端与第二转轴922可转动地连接，转动杆924的中部与气缸923的缸体可转动地连接。
压紧轮机构，转动杆924的下端与压紧轮机构可转动地连接。具体地，转动杆924的下端的两侧分别与一个压紧轮机构可转动地连接。
每一压紧轮机构均包括：
压紧支架925，转动杆924的下端的一侧与压紧支架925的中部可转动地连接；
压紧轮926，压紧支架926的两端分别设有一压紧轮926，压紧轮926与履带7相啮合，以提供对履带7的下侧的张紧力。
优选的，气缸923的外部还套设有压簧927。
进一步，作为一种较佳的实施例，还包括：挡板10，挡板10可转动地与履带互联结构6相连接。
本发明的机械腿适用于能够在人类环境执行多种任务的机器人，我们选择的设计理念能够最大程度地减少工程挑战。通过用履带7行驶而不是用腿走路，能够在很大程度上忽略动态稳定性问题。
履带7使机器人能够像坦克一样以二至四个履带行驶或直立屈膝的能力。这种方式使得机器人处于内在稳固的状态，使很多任务的完成更为简单。
分析显示机械腿仅仅需要6个自由度，因此第五驱动关节5后仅设置了一个简单的单自由度足部，用于爬梯和车辆踏板驱动。该足部即为包括履带互联结构6、履带7、履带轮8和履带张紧器的履带模块。该履带模块可以旋转到收起位置，当履带模块在使用时或者在站立时可以旋转到承重的挡板10以支撑机器人的全部重量。
为了最大化两个机械腿的驱动稳定性，腿部履带长400mm但是仅可以旋转90度，以避免与其他肢体结构碰撞。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
本发明的进一步实施例中，请继续参见图1至图6所示，第二互联结构21包括：第二内关节211和第二外关节212，第二内关节211和第二外关节212的两端可转动地连接，第二驱动关节22驱动第二外关节212相对于第二内关节211转动。
本发明的进一步实施例中，第二内关节211和第二外关节212俯视均呈“匚”字型，第二内关节211和第二外关节212的连接端面均为平面，第二内关节211的连接端面与第一驱动关节1相连接，第二外关节212的连接端面与第三驱动关节3相连接。
本发明的进一步实施例中，第四互联结构41包括：第四内关节411和第四外关节412，第四内关节411和第四外关节412的两端可转动地连接，第四驱动关节42驱动第四外关节412相对于第四内关节411转动。
本发明的进一步实施例中，第四内关节411和第四外关节412俯视均呈“匚”字型，第四内关节411和第四外关节412的连接端面均为平面，第四内关节411的连接端面与第三驱动关节3相连接，第四外关节412的连接端面与第五驱动关节5相连接。
本发明的进一步实施例中，第四内关节411的中部具有弯折部413。
本发明的进一步实施例中，履带7的宽度为100mm，履带7的材质为聚氨酯，履带7为ATN2.7齿形同步带，履带7带有厚的硫化丁腈背衬。
本发明的进一步实施例中，第二互联结构21和第四互联结构41处设有压载传感器。
本发明的进一步实施例中，第二互联结构21和第四互联结构41处设有温度传感器。
通过上述的压载传感器和温度传感器监测并反馈机械腿的受力状态和发热程度。
本发明的进一步实施例中，本发明的机械腿与机体上的机械臂之间具有双向信号连接，根据双向的反馈调整搭载平台的具体姿态。
本发明的进一步实施例中，还包括：控制器，控制器设于第二内关节211、第二外关节212、第四内关节411和/或第四外关节412内。
本发明的进一步实施例中，第一驱动关节1的滑环输出线与第二内关节211内的控制器相连接，第二驱动关节22的滑环输出线和滑环输入线与第二内关节211内的控制器相连接，第二驱动关节22的关节控制线与第二内关节211内的控制器相连接。进一步地，第二驱动关节22的滑环输出线还与第二外关节212内的控制器相连接，第三驱动关节3的滑环输出线和滑环输入线均与第二外关节212内的控制器相连接。
本发明的进一步实施例中，同样地，第五驱动关节5的滑环输出线与第四内关节411内的控制器相连接，第四驱动关节42的滑环输出线和滑环输入线与第四内关节411内的控制器相连接，第四驱动关节42的关节控制线与第四内关节411内的控制器相连接。进一步地，第四驱动关节42的滑环输出线还与第四外关节412内的控制器相连接，第五驱动关节5的滑环输出线和滑环输入线均与第四外关节412内的控制器相连接。
在理想的情形中，机器人应该是完全自主的，但现有技术难以支持。取而代之的是，可以根据情况以不同的方式融合手动和自主控制，从而充分利用人类和机器人的优势。
本发明的机械腿可选择地支持三个操纵者控制模式。
在任务模式中，操纵者选择机器人需要移动的方向，指示使用哪种移动策略，软件自动规划完成任务的机器人动作，再发送结果给机器人用于执行。任务模式比其他模式更快，但可能不适用于所有情况。
在工作空间模式，操纵者机械腿的位置和方位。机器人自主计算如何协调各个关节(包括第一驱动关节1、第二驱动关节22、第三驱动关节3、第四驱动关节42和第五驱动关节5)的移动。工作空间模式比任务模式慢，但是能够处理更多样性的情况。
在关节模式，操纵者直接控制各个关节以提高精度或用以在其他模式失败时恢复。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多轴机械腿，其特征在于，包括：
第一驱动关节，所述第一驱动关节与机体相连接；
第二互联结构和第二驱动关节，所述第二互联结构的一端与所述第一驱动关节相连接，所述第二驱动关节设于所述第二互联结构内；
第三驱动关节，所述第二互联结构的另一端与所述第三驱动关节相连接；
第四互联结构和第四驱动关节，所述第四互联结构的一端与所述第三驱动关节相连接，所述第四驱动关节设于所述第四互联结构内；
第五驱动关节，所述第四互联结构的另一端与所述第五驱动关节相连接；
履带互联结构，所述履带互联结构与所述第五驱动关节相连接；
履带及履带轮，两所述履带轮均设于所述履带互联结构内，所述履带环绕于两所述履带轮上；
履带张紧器，所述履带张紧器设于所述履带互联结构内，所述履带张紧器恒向所述履带提供至少一用于张紧所述履带的压力；
所述履带张紧器包括：第一张紧机构和第二张紧机构，其中，
所述第一张紧机构设于所述履带互联结构内，所述第一张紧机构位于所述履带的上侧；
所述第二张紧机构设于所述履带互联结构内，所述第二张紧机构位于所述履带的下侧；
所述第一张紧机构包括：
固定板、支架和导杆，所述固定板固定地设于所述履带互联结构的侧板上，两所述支架固定地设于所述固定板上，至少一所述导杆的两端分别与两所述支架固定地连接；
张紧活动板，所述张紧活动板活动地设于所述导杆上，所述张紧活动板能够沿所述导杆运动；
压紧轮，所述张紧活动板的两侧分别设有一所述压紧轮，所述压紧轮与所述履带相啮合，以提供对所述履带的上侧的张紧力；
上弹簧和下弹簧，所述上弹簧和所述下弹簧分别套设于所述导杆上，其中，所述上弹簧的两端分别抵于一所述支架和所述张紧活动板的上表面，所述下弹簧的两端分别抵于另一所述支架和所述张紧活动板的下表面；
所述第二张紧机构包括：
平行设置的第一转轴和第二转轴；
气缸，所述气缸的活塞杆与所述第一转轴可转动地连接；
转动杆，所述转动杆的一端与所述第二转轴可转动地连接，所述转动杆的中部与所述气缸的缸体可转动地连接；
压紧轮机构，所述转动杆的下端与所述压紧轮机构可转动地连接。
2.根据权利要求1所述的多轴机械腿，其特征在于，还包括：挡板，所述挡板可转动地与所述履带互联结构相连接。
3.根据权利要求1所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第二互联结构包括：第二内关节和第二外关节，所述第二内关节和所述第二外关节的两端可转动地连接，所述第二驱动关节驱动所述第二外关节相对于所述第二内关节转动。
4.根据权利要求3所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第二内关节和所述第二外关节俯视均呈“匚”字型，所述第二内关节和所述第二外关节的连接端面均为平面，所述第二内关节的连接端面与所述第一驱动关节相连接，所述第二外关节的连接端面与所述第三驱动关节相连接。
5.根据权利要求1所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第四互联结构包括：第四内关节和第四外关节，所述第四内关节和所述第四外关节的两端可转动地连接，所述第四驱动关节驱动所述第四外关节相对于所述第四内关节转动。
6.根据权利要求5所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第四内关节和所述第四外关节俯视均呈“匚”字型，所述第四内关节和所述第四外关节的连接端面均为平面，所述第四内关节的连接端面与所述第三驱动关节相连接，所述第四外关节的连接端面与所述第五驱动关节相连接。
7.根据权利要求6所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第四内关节的中部具有弯折部。
8.根据权利要求1所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第二互联结构和所述第四互联结构处设有压载传感器。
9.根据权利要求1所述的多轴机械腿，其特征在于，所述第二互联结构和所述第四互联结构处设有温度传感器。
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