CN111661193A - 一种双自由度联合驱动的步行腿机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双自由度联合驱动的步行腿机构，属于机器人车辆行走系统技术领域。该步行腿机构包括大腿和小腿两部分，大腿和小腿各有一个自由度；大腿采用平行四杆机构，包括安装支架、电机、滑动轴承、曲柄轴、曲柄、连杆轴、卡环及第一连杆；小腿采用曲柄滑块机构，包括电机、滑动轴承、曲柄轴、曲柄、连杆轴、卡环、第二连杆、滑块、导轨及腿杆。大腿的平行四杆机构和小腿的曲柄滑块机构协同驱动步行腿腿杆的上下移动和前后摆动，通过大腿电机和小腿电机的协同驱动，可完成复杂路面的行走功能，可应用于越障车或机器人的行走系统中。

Description

一种双自由度联合驱动的步行腿机构
技术领域：
本发明属于机器人车辆行走系统技术领域，具体提供一种双自由度联合驱动的步行腿机构，该步行腿机构通过大腿电机和小腿电机的协同驱动，可完成复杂路面的行走功能，可应用于越障车或机器人的行走系统中。
背景技术：
目前步行机器人的腿结构设计大多采用开链式机构，即将杆件逐一连接构成多个关节，每个关节处使用舵机或电机控制其转动角度。此种开链式的步行腿，其关节多、控制变量多，控制程序比较复杂，且关节驱动电机负载较大，不利于提高机器人的承载能力，尚需进一步改进。
发明内容：
本发明针对现有步行腿机构存在的技术问题，提供一种双自由度联合驱动的步行腿机构，本发明通过大腿电机和小腿电机的协同驱动，基于两个闭链结构来实现复杂路面的行走功能，可应用于越障车或机器人的行走系统中。
本发明提供的一种双自由度联合驱动的步行腿机构包括大腿及小腿；所述大腿和所述小腿各有一个自由度；所述大腿采用平行四杆机构，所述大腿包括安装支架1、第一电机2、第一滑动轴承3、第二滑动轴承3A、第一电机支架4、第一曲柄轴5、第二曲柄轴5A、第一曲柄7、第二曲柄7A、第一连杆轴15、第二连杆轴15A、第三滑动轴承17、第四滑动轴承17A、第一轴端卡环16、第二轴端卡环16A及第一连杆8。
所述安装支架1为U型结构，所述安装支架1上下端面设有螺栓孔，所述安装支架1侧面的上下位置分别设有两个结构及尺寸相同的安装孔，分别用于安装结构相同的所述第一滑动轴承3和所述第二滑动轴承3A，所述第一滑动轴承3和所述第二滑动轴承3A均为中空法兰型结构，所述第一滑动轴承3和所述第二滑动轴承3A分别通过法兰与所述安装支架1固连；所述第一电机2通过螺栓安装在所述第一电机支架4上，所述第一电机支架4为中空的盘型法兰，所述第一电机支架4通过螺栓固连在所述安装支架1侧面上端的安装孔处。
所述第一电机2的输出轴与所述第一曲柄轴5的一端固连，所述第一曲柄轴5的另一端设有法兰，所述第一曲柄轴5的法兰通过第一六角螺栓6与所述第一曲柄7一端固连；所述第一滑动轴承3内孔与所述第一曲柄轴5采用间隙配合构成转动副，所述第一滑动轴承3与所述第一曲柄轴5通过轴肩进行轴向限位。
所述第二曲柄轴5A的一端设有卡槽，所述第二曲柄轴5A的另一端设有法兰，所述第二曲柄轴5A的法兰通过第二六角螺栓6A与所述第二曲柄7A的一端固连；所述第二滑动轴承3A内孔与所述第二曲柄轴5A采用间隙配合构成转动副，所述第二滑动轴承3A与所述第二曲柄轴5A通过轴肩及卡槽中的卡环进行轴向限位。
所述第一连杆8的中间依次设有三个结构尺寸相同的安装孔，分别用于安装结构相同的所述第三滑动轴承17、第五滑动轴承23和所述第四滑动轴承17A，所述第三滑动轴承17、所述第四滑动轴承17A和所述第五滑动轴承23均为中空法兰型结构，所述第三滑动轴承17、所述第四滑动轴承17A和所述第五滑动轴承23分别通过法兰与所述第一连杆8固连；所述第一连杆轴15的一端设有卡槽，所述第一连杆轴15的另一端设有法兰，所述第一连杆轴15的法兰通过螺栓与所述第一曲柄7的一端固连，所述第三滑动轴承17内孔与所述第一连杆轴15采用间隙配合构成转动副，所述第三滑动轴承17与所述第一连杆轴15通过轴肩及卡槽中的所述第一轴端卡环16进行轴向限位；所述第一连杆轴15、所述第一轴端卡环16及所述第三滑动轴承17组成第一转动关节组；所述第二连杆轴15A的一端设有卡槽，所述第二连杆轴15A的另一端设有法兰，所述第二连杆轴15A的法兰通过螺栓与所述第二曲柄7A的一端固连；所述第四滑动轴承17A内孔与所述第二连杆轴15A采用间隙配合构成转动副，所述第四滑动轴承17A与所述第二连杆轴15A通过轴肩及卡槽中的所述第二轴端卡环16A进行轴向限位；所述第二连杆轴15A、所述第二轴端卡环16A及所述第四滑动轴承17A组成第二转动关节组。
所述小腿采用曲柄滑块机构，所述小腿包括第二电机24、第二电机支架25、第三曲柄轴22、第五滑动轴承23、第三曲柄21、第三连杆轴18、第三轴端卡环19、第六滑动轴承20、第二连杆13、第一滑块10、第一导轨9、第七滑动轴承11、第四轴端卡环12、腿杆14、第二导轨26及第二滑块27。
所述第一连杆8的上侧、中间、下侧通过螺栓分别安装所述第一导轨9、所述第二电机支架25及所述第二滑块27；所述第二电机24通过螺栓安装在所述第二电机支架25上，所述第二电机支架25为中空的盘型法兰，所述第二电机24的输出轴与所述第三曲柄轴22的一端固连，所述第三曲柄轴22的另一端设有法兰，所述第三曲柄轴22的法兰通过螺栓与所述第三曲柄21一端固连；所述第五滑动轴承23内孔与所述第三曲柄轴22采用间隙配合构成转动副，所述第五滑动轴承23与所述第三曲柄轴22通过轴肩进行轴向限位；所述第二连杆13的上下位置分别设有两个安装孔，分别用于安装所述第六滑动轴承20和所述第七滑动轴承11；所述第六滑动轴承20和所述第七滑动轴承11均为中空法兰型结构，所述第六滑动轴承20和所述第七滑动轴承11分别通过法兰与所述第二连杆13固连；所述第三连杆轴18的一端设有卡槽，所述第三连杆轴18的另一端设有法兰，所述第三连杆轴18的法兰通过螺栓与所述第三曲柄21的一端固连；所述第六滑动轴承20内孔与所述第三连杆轴18采用间隙配合构成转动副，所述第六滑动轴承20与所述第三连杆轴18通过卡槽中的所述第三轴端卡环19进行轴向限位；所述第三连杆轴18、所述第三轴端卡环19及所述第六滑动轴承20组成第三转动关节组；所述第一滑块10一端为带有滑槽的矩形结构，所述第一滑块10另一端为带有键槽的转轴结构；所述第七滑动轴承11内孔与所述第一滑块10转轴采用间隙配合构成转动副，所述第七滑动轴承11与所述第一滑块10的转轴通过轴肩与卡槽中的所述第四轴端卡环12进行轴向限位；所述第一滑块10转轴、所述第七滑动轴承11及所述第四轴端卡环12组成第四转动关节组；所述腿杆14是步行腿机构的执行末端，所述腿杆14底端为球冠形足端，所述腿杆14能够依据不同地形设置为其他结构形式的足端，所述腿杆14上端设有安装孔，所述第一滑块10的矩形结构一端与所述第一导轨9构成移动副，所述第一滑块10的转轴结构一端与所述腿杆14上端的安装孔通过平键固连，所述腿杆14下端通过螺栓安装所述第二导轨26；所述第二滑块27与所述第二导轨26构成移动副；所述第一连杆8上的所述第一导轨9与所述腿杆14上的所述第二导轨26左右居中对齐布置。
本发明通过大腿与小腿的协调配合运动，来实现腿杆14的上下移动、前后摆动以及越障时的伸缩运动。第一电机2驱动第一曲柄轴5带动第一曲柄7转动，第一曲柄7通过第一连杆轴15带动第一连杆8实现上下运动以及前后运动。同时，第二电机24驱动第三曲柄轴22带动第三曲柄21转动，第三曲柄21通过第三连杆轴18带动第二连杆13上下移动，第二连杆13通过第一滑块10及第二滑块27带动腿杆14分别沿所述第一导轨9及第二导轨26上下运动。
本发明中的安装支架1为U型结构，安装支架1上下端面设有螺栓孔，安装支架1通过螺栓与机器人本体相连接。可在机器人本体上对称布置四组或六组本发明的步行腿机构，可形成四足或六足步行机器人。
附图说明：
图1为本发明双自由度联合驱动的步行腿机构的结构示意图；
图2为本发明双自由度联合驱动的步行腿机构组成的多足机器人结构示意图。
图中：1：安装支架；2：第一电机；3：第一滑动轴承；4：第一电机支架；5：第一曲柄轴；6：第一六角螺栓；7：第一曲柄；8：第一连杆；9：第一导轨；10：第一滑块；11：第七滑动轴承；12：第四轴端卡环；13：第二连杆；14：腿杆15：第一连杆轴；16：第一轴端卡环；17：第三滑动轴承；18：第三连杆轴；19：第三轴端卡环；20：第六滑动轴承；21：第三曲柄；22：第三曲柄轴；23：第五滑动轴承；24：第二电机；25：第二电机支架；15A：第二连杆轴；16A：第二轴端卡环；17A：第四滑动轴承；26：第二导轨；27：第二滑块；7A：第二曲柄；6A：第二六角螺栓；5A：第二曲柄轴；3A：第二滑动轴承。
具体实施方式：
本发明提供的双自由度联合驱动的步行腿机构包括大腿和小腿两部分，大腿和小腿各有一个自由度，其中大腿采用平行四杆机构，所述大腿包括安装支架1、第一电机2、第一滑动轴承3、第二滑动轴承3A、第一电机支架4、第一曲柄轴5、第二曲柄轴5A、第一六角螺栓6、第二六角螺栓6A、第一曲柄7、第二曲柄7A、第一连杆轴15、第二连杆轴15A、第三滑动轴承17、第四滑动轴承17A、第一轴端卡环16、第二轴端卡环16A及第一连杆8；所述小腿采用曲柄滑块机构，所述小腿包括第二电机24、第二电机支架25、第三曲柄轴22、第五滑动轴承23、第三曲柄21、第三连杆轴18、第三轴端卡环19、第六滑动轴承20、第二连杆13、第一滑块10、第一导轨9、第七滑动轴承11、第四轴端卡环12、腿杆14、第二导轨26及第二滑块27。
见图1所示，大腿的平行四杆机构和小腿的曲柄滑块机构联合控制步行腿腿杆的上下移动和前后运动；通过大腿电机和小腿电机的协同驱动，可完成复杂路面的行走功能，可应用于越障车或机器人的行走系统中。具体动作：第一电机2驱动第一曲柄轴5带动第一曲柄7转动，第一曲柄7通过第一连杆轴15带动第一连杆8实现上下运动和前后摆动。同时，第二电机24驱动第三曲柄轴22带动第三曲柄21转动，第三曲柄21通过第三连杆轴18带动第二连杆13上下运动和前后摆动，第二连杆13通过第一滑块10带动腿杆14上下运动。腿杆14一端通过固连其上的第一滑块10沿着第一导轨9上下滑动，腿杆14另一端通过固连其上的第二导轨26沿着第二滑块27上下滑动。通过平行四杆机构与曲柄滑块机构的相互配合，可以实现平地路面、复杂地面的行走以及越障功能。
图2为本发明双自由度联合驱动的步行腿机构组成多足机器人结构示意图，安装支架1通过螺栓与机器人本体连接。在安装支架1上对称配置4组或6组本发明的步行腿机构，即可形成四足或六足步行机器人，具有较强的平地驱动行走和越障能力。

Claims (1)

1.一种双自由度联合驱动的步行腿机构，其特征在于该步行腿机构包括大腿及小腿；所述大腿和所述小腿各有一个自由度；所述大腿采用平行四杆机构，所述大腿包括安装支架(1)、第一电机(2)、第一滑动轴承(3)、第二滑动轴承(3A)、第一电机支架(4)、第一曲柄轴(5)、第二曲柄轴(5A)、第一曲柄(7)、第二曲柄(7A)、第一连杆轴(15)、第二连杆轴(15A)、第三滑动轴承(17)、第四滑动轴承(17A)、第一轴端卡环(16)、第二轴端卡环(16A)及第一连杆(8)；所述安装支架(1)为U型结构，所述安装支架(1)上下端面设有螺栓孔，所述安装支架(1)侧面的上下位置分别设有两个结构及尺寸相同的安装孔，分别用于安装结构相同的所述第一滑动轴承(3)和所述第二滑动轴承(3A)，所述第一滑动轴承(3)和所述第二滑动轴承(3A)均为中空法兰型结构，所述第一滑动轴承(3)和所述第二滑动轴承(3A)分别通过法兰与所述安装支架(1)固连；所述第一电机(2)通过螺栓安装在所述第一电机支架(4)上，所述第一电机支架(4)为中空的盘型法兰，所述第一电机支架(4)通过螺栓固连在所述安装支架(1)侧面上端的安装孔处；所述第一电机(2)的输出轴与所述第一曲柄轴(5)的一端固连，所述第一曲柄轴(5)的另一端设有法兰，所述第一曲柄轴(5)的法兰通过第一六角螺栓(6)与所述第一曲柄(7)一端固连；所述第一滑动轴承(3)内孔与所述第一曲柄轴(5)采用间隙配合构成转动副，所述第一滑动轴承(3)与所述第一曲柄轴(5)通过轴肩进行轴向限位；所述第二曲柄轴(5A)的一端设有卡槽，所述第二曲柄轴(5A)的另一端设有法兰，所述第二曲柄轴(5A)的法兰通过第二六角螺栓(6A)与所述第二曲柄(7A)的一端固连；所述第二滑动轴承(3A)内孔与所述第二曲柄轴(5A)采用间隙配合构成转动副，所述第二滑动轴承(3A)与所述第二曲柄轴(5A)通过轴肩及卡槽中的卡环进行轴向限位；所述第一连杆(8)的中间依次设有三个结构尺寸相同的安装孔，分别用于安装结构相同的所述第三滑动轴承(17)、第五滑动轴承(23)和所述第四滑动轴承(17A)，所述第三滑动轴承(17)、所述第四滑动轴承(17A)和所述第五滑动轴承(23)均为中空法兰型结构，所述第三滑动轴承(17)、所述第四滑动轴承(17A)和所述第五滑动轴承(23)分别通过法兰与所述第一连杆(8)固连；所述第一连杆轴(15)的一端设有卡槽，所述第一连杆轴(15)的另一端设有法兰，所述第一连杆轴(15)的法兰通过螺栓与所述第一曲柄(7)的一端固连，所述第三滑动轴承(17)内孔与所述第一连杆轴(15)采用间隙配合构成转动副，所述第三滑动轴承(17)与所述第一连杆轴(15)通过轴肩及卡槽中的所述第一轴端卡环(16)进行轴向限位；所述第一连杆轴(15)、所述第一轴端卡环(16)及所述第三滑动轴承(17)组成第一转动关节组；所述第二连杆轴(15A)的一端设有卡槽，所述第二连杆轴(15A)的另一端设有法兰，所述第二连杆轴(15A)的法兰通过螺栓与所述第二曲柄(7A)的一端固连；所述第四滑动轴承(17A)内孔与所述第二连杆轴(15A)采用间隙配合构成转动副，所述第四滑动轴承(17A)与所述第二连杆轴(15A)通过轴肩及卡槽中的所述第二轴端卡环(16A)进行轴向限位；所述第二连杆轴(15A)、所述第二轴端卡环(16A)及所述第四滑动轴承(17A)组成第二转动关节组；所述小腿采用曲柄滑块机构，所述小腿包括第二电机(24)、第二电机支架(25)、第三曲柄轴(22)、第五滑动轴承(23)、第三曲柄(21)、第三连杆轴(18)、第三轴端卡环(19)、第六滑动轴承(20)、第二连杆(13)、第一滑块(10)、第一导轨(9)、第七滑动轴承(11)、第四轴端卡环(12)、腿杆(14)、第二导轨(26)及第二滑块(27)；所述第一连杆(8)的上侧、中间、下侧通过螺栓分别安装所述第一导轨(9)、所述第二电机支架(25)及所述第二滑块(27)；所述第二电机(24)通过螺栓安装在所述第二电机支架(25)上，所述第二电机支架(25)为中空的盘型法兰，所述第二电机(24)的输出轴与所述第三曲柄轴(22)的一端固连，所述第三曲柄轴(22)的另一端设有法兰，所述第三曲柄轴(22)的法兰通过螺栓与所述第三曲柄(21)一端固连；所述第五滑动轴承(23)内孔与所述第三曲柄轴(22)采用间隙配合构成转动副，所述第五滑动轴承(23)与所述第三曲柄轴(22)通过轴肩进行轴向限位；所述第二连杆(13)的上下位置分别设有两个安装孔，分别用于安装所述第六滑动轴承(20)和所述第七滑动轴承(11)；所述第六滑动轴承(20)和所述第七滑动轴承(11)均为中空法兰型结构，所述第六滑动轴承(20)和所述第七滑动轴承(11)分别通过法兰与所述第二连杆(13)固连；所述第三连杆轴(18)的一端设有卡槽，所述第三连杆轴(18)的另一端设有法兰，所述第三连杆轴(18)的法兰通过螺栓与所述第三曲柄(21)的一端固连；所述第六滑动轴承(20)内孔与所述第三连杆轴(18)采用间隙配合构成转动副，所述第六滑动轴承(20)与所述第三连杆轴(18)通过卡槽中的所述第三轴端卡环(19)进行轴向限位；所述第三连杆轴(18)、所述第三轴端卡环(19)及所述第六滑动轴承(20)组成第三转动关节组；所述第一滑块(10)一端为带有滑槽的矩形结构，所述第一滑块(10)另一端为带有键槽的转轴结构；所述第七滑动轴承(11)内孔与所述第一滑块(10)转轴采用间隙配合构成转动副，所述第七滑动轴承(11)与所述第一滑块(10)的转轴通过轴肩与卡槽中的所述第四轴端卡环(12)进行轴向限位；所述第一滑块(10)转轴、所述第七滑动轴承(11)及所述第四轴端卡环(12)组成第四转动关节组；所述腿杆(14)是步行腿机构的执行末端，所述腿杆(14)底端为球冠形足端，所述腿杆(14)能够依据不同地形设置为其他结构形式的足端，所述腿杆(14)上端设有安装孔，所述第一滑块(10)的矩形结构一端与所述第一导轨(9)构成移动副，所述第一滑块(10)的转轴结构一端与所述腿杆(14)上端的安装孔通过平键固连，所述腿杆(14)下端通过螺栓安装所述第二导轨(26)；所述第二滑块(27)与所述第二导轨(26)构成移动副；所述第一连杆(8)上的所述第一导轨(9)与所述腿杆(14)上的所述第二导轨(26)左右居中对齐布置。
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