CN113001523A - 一种四足双臂机器人及其运行模式 - Google Patents

Abstract

一种四足双臂机器人及其运行模式，该四足双臂机器人包括两个机械臂、前腿和后腿；两个机械臂集成安装在四足平台上，两个机械臂前后布置，单个机械臂为三臂俯仰运动的五自由度机械臂，分别安装在前腿处机身上方与后腿处机身上方；前腿和后腿设置于四足平台的下部；其运行模式为：静态时两机械臂收缩处于交叉状态，动态作业时两个机械臂具有独立工作、同步工作以及协同工作三种工作模式；进行前后方向的操作任务时由单臂独立完成；进行侧方向的操作任务时由双臂协作完成。本发明中两个机械臂前后布置，静态时两个机械臂保持交叉状态，使得机器人结构紧凑，减轻重量，增加了机器人的运动稳定性，增加了机器人协同作业有效范围以及抓取能力。

Description

一种四足双臂机器人及其运行模式

技术领域

本发明涉及一种具有四足双臂的协作型处置液压机器人，属于液压四足机器人领域。

背景技术

轮臂式机器人可以在平坦地形上顺利作业，但是在穿越复杂地形进行作业时，轮臂式机器人就会无能为力，而足臂式机器人在此方面具有很大的发展潜力。

在执行复杂多样的灵巧操作任务时，四足单臂机器人会存在自由度少，工作空间小，单臂负载能力不足等问题，无法顺利执行任务。相比于四足单臂机器人，四足双臂机器人具有更多的自由度、更大的工作空间、更强的负载能力，适用于完成此类任务。

目前，四足机器人在实际应用中比较成熟的拓扑结构共分四种：前膝后肘、前肘后膝、双肘式和双膝式；双臂机器人在实际应用中的机械臂布局多为人马式，这种机械臂布局需要配重来保持平衡，而且工作空间较小。

四足双臂可以完成更为复杂的任务，相应的对机器人的设计提出了更高的要求，双臂以何种方式装载能够在保持四足机器人平衡的同时具有更大的工作空间，成为了一个非常重要的研究课题。

发明内容

本发明针对现有四足机器人技术存在的不足，提供一种能够增加运动稳定性、协同作业有效范围以及抓取能力的四足双臂机器人。

本发明的四足双臂机器人，采用以下技术方案。

该四足双臂机器人，包括两个机械臂、前腿和后腿；两个机械臂集成安装在四足平台上，两个机械臂前后布置，单个机械臂为三臂俯仰运动的五自由度机械臂，分别安装在前腿处机身上方与后腿处机身上方；前腿和后腿设置于四足平台的下部。

所述机械臂采用开链式关节型结构，包括基座、大臂、小臂、手腕和手爪，基座与所述四足平台固定连接，大臂的一端连接基座，小臂一端连接大臂，一端连接手腕，手腕与手爪连接。大臂、小臂、手腕和手爪之间均可旋转。

所述前腿和后腿为驱动、传感、管路的结构一体化腿，参见CN110816707A公开的《液压驱动足式机器人驱动、传感、管路的结构一体化腿》。

所述五自由度分别为腰部回转关节、肩部俯仰关节、肘部俯仰关节、腕部回旋关节以及手爪旋转关节。五自由度可以使得末端手爪实现空中不同位姿，且手爪最大开合达到300mm，能够保证液压双臂机器人协同作业。

所述前腿和后腿为双肘式结构。

上述四足双臂机器人的运行模式为：

静态时两机械臂收缩处于交叉状态；动态作业时，两个机械臂具有独立工作、同步工作以及协同工作三种工作模式；进行前后方向的操作任务时，由单臂独立完成；进行侧方向的操作任务时，由双臂协作完成。

所述独立工作模式，是指每个机械臂独立工作，只要工作过程中没有碰撞和干涉，各个机械臂独立规划自己的运动和逻辑。

所述同步工作(半协同工作)，是指机械臂在工作过程中有严格的时序要求或者基于点位的相对位置要求，分成两大类协同，一种是两个机械臂在工作的过程中，针对特定的工作点与区域和/或特定的工作工件有严格的时序要求，或者要求交替工作，或者要求并行工作；一种是两个机械臂在工作过程中有相对的点位位置要求，一个机械臂工作时需要另一个机械臂在某一个确定的位置，或者在既定轨迹上的非实时同步工作。

所述协同工作，是指两个机械臂在工作过程中有基于实时的严格位置同步要求，分成两大类，一是两个机械臂在位置同步协同过程中没有直接的接触或者通过第三方(工件等)的接触连接，允许机械臂在协同过程中不考虑机构运动学、动力学和控制的误差；二是两个机械臂直接接触或者通过工件建立接触与连接，必须通过辅助智能感知(力、视觉等)补偿双臂的机械误差(运动学和动力学)和控制误差。

本发明中两个机械臂前后布置，静态时两个机械臂保持交叉状态，，这样的足臂布局以及运行模式，使得机器人结构更加紧凑，不需要配重就可以保持机器人的平衡，很大程度上减轻了自身重量，增加了机器人的运动稳定性，增加了机器人协同作业有效范围以及抓取能力，使得四足双臂可稳定地协同抓取大重量物品。

附图说明

图1是本发明中四足双臂机器人的结构(两个机械臂的前后布置)示意图。

图2是本发明中的腿部拓扑结构图。

图3是本发明中的驱动、传感、管路的结构一体化腿的结构示意图。

图4是本发明中单个机械臂的结构示意图。

图5是本发明中的上层液压作业臂的结构示意图。

图6是机器人进行前后方作业任务时机械臂伸高抓取的状态示意图。

图7是机器人进行前后方作业任务时机械臂较低位置抓取的状态示意图。

图8是机器人进行前后方作业任务时机械臂“跪姿”下探抓取的状态示意图。

图9是机器人进行侧方向作业任务时机械臂伸高抓取的状态示意图。

图10是机器人进行侧方向作业任务时机械臂较低位置抓取的状态示意图。

图11是机器人进行侧方向作业任务时机械臂“跪姿”下探抓取的状态示意图。

图12是器人侧方向作业时两机械臂的工作空间重叠的状态示意图。

图中：1.前机械臂，2.后机械臂，3.前腿，4.后腿，5.四足平台；

6.基座，7.大臂，8.小臂，9.手腕，10.手爪；

11.基座油缸，12.大臂油缸，13.二臂油缸，14.小臂油缸，15.手腕油缸，16.手爪油缸。

具体实施方式

本发明并非“人马形”四足双臂机器人，而是将前机械臂1和后机械臂2两个液压机械臂集成安装在液压四足平台5上，参见图1，两个机械臂前后布置，静态时两个机械臂保持交叉状态，这样的集成安装方式不需要配重就可以保持机器人的平衡，很大程度上减轻了自身重量，增加了机器人的运动稳定性。液压四足平台5的下部设置两条前腿3和两条后腿4。

前机械臂1和后机械臂2两个机械臂前后布置，分别安装在前腿处机身上方与后腿处机身上方，静态时两机械臂收缩处于交叉状态，双臂所占空间的长度宽度与四足液压平台机身的长宽相仿，机器人整体长1500mm，宽700mm，站高700mm，总高1400mm，液压四足平台重180Kg，双臂重60Kg，机器人总重240Kg。双臂前后布置地布局方式能够使机器人在不需要配重地情况下保持平衡，有效地减轻了自身重量，增强了机器人的运动稳定性。

四足机器人在行走时，前腿3主要是承受竖直方向的支撑力，而后腿4除承受竖直方向的支撑力外，还要承受大部分的沿运动方向的驱动力。从布局上讲，双肘式结构要比前膝后肘式的“外弓型”结构更加的紧凑。因此，本发明的液压四足平台采用双肘式结构，其拓扑结构图如图2所示。

本发明使用驱动、传感、管路的结构一体化腿，其结构如图3所示，具体结构参见CN110816707A公开的《液压驱动足式机器人驱动、传感、管路的结构一体化腿》。该腿将液压缸、电液伺服阀、位移传感器、力传感器集成安装到机械腿壳体内部，形成一体化结构，能够减轻足底力对小腿液压缸的缸杆的冲击，减轻腿部结构的复杂程度和自身重量，摆脱液压系统复杂的油管和管路对机器人运动空间的影响，解决液压油管泄露以及管路挤压的问题。

机械臂采用开链式关节型结构，单个机械臂结构如图4所示，由基座6、大臂7、小臂8、手腕9和手爪10组成。基座6与四组平台固定连接。大臂7的一端连接基座6，可绕基座6旋转。小臂8一端连接大臂7，一端连接手腕9，手腕9与手爪10连接。大臂7、小臂8、手腕9和手爪10之间均可旋转。单个机械臂设有五个自由度，分别为能够转动的腰部回转关节①、肩部俯仰关节②、肘部俯仰关节③、腕部回旋关节④、手爪旋转关节⑤，可以使得末端手爪可以实现空中不同位姿，且手爪最大开合达到300mm，能够保证液压双臂机器人协同作业。

作为四足机器人载体的上层液压作业臂，相比较传统的固定基座作业臂或其它轮式、履带式机载作业臂，在机构稳定性、运动性能和结构重量等方面有更严格苛刻的要求，以提高动作的准确性、驱动的高效性和整机的轻量化水平。

本发明中的上层液压作业臂，结构如图5所示，共有六个油缸，分别为基座油缸11、大臂油缸12、二臂油缸13、小臂油缸14、手腕油缸15和手爪油缸16。大臂油缸12、二臂油缸13和小臂油缸14三个油缸分别控制三臂杆件的俯仰运动，基座油缸11和手腕油缸15两个油缸通过齿轮齿条机构分别控制整个作业臂绕垂直轴线的回转和机械手绕第三臂轴线的回转，机械手的抓握动作由手爪油缸16一个液压缸进行控制。

在三臂俯仰运动机构的基础上，通过机械动力学分析确定三臂整个工作范围内铰接点集中载荷最大、各臂杆工作弯矩最大等典型工况载荷；综合考虑三臂及联结杆件的强度、刚度要求，进行结构拓扑优化设计，以降低作业臂重量，实现高负载自重比。

基础的刚度和固有振动特性对作业臂的运动可靠性和可控性具有重要的影响，通过采集、分析整机的激励特性，基于有限元和模态分析方法对基础结构进行刚度和动力学性能优化，提高作业臂的运动稳定性和可控性。

当机器人进行前(后)方的作业任务时，机器人移动至靠近目标处，面(背)朝操作对象，对于较高位置的操作对象，四足机器人调整腿部站高仰起头部，前(后)方机械臂伸高完成抓取任务，最高极限抓取高度为2000mm(足端接触水平地面高度为0)，如图6所示。对于较低位置的操作目标，四足机器人调整腿部站高俯身，前(后)方机械臂下探完成抓取任务，最低极限抓取高度为-400mm(足端接触水平地面高度为0)，如图7所示。当任务操作对象位于障碍物底部时，此时站姿无法抓取，四足机器人可以调整至“跪姿”，前(后)方机械臂下探完成抓取后将操作对象从障碍物底部拖出，如图8所示。

当机器人进行侧方向的作业任务时，机器人移动至靠近目标处，操作目标位于机器人侧方，双臂旋转至侧方同时朝向操作对象，对于较高位置的操作对象，四足机器人调整站高使机身以头部与尾部的连线为轴翻转一定的角度，使靠近目标一侧的机身向上倾斜，随后双臂可以同时向上伸长至目标处，也可以按顺序依次向上伸长至目标处，协同抓取同一目标，双臂协同作业的最高极限抓取高度为1500mm(足端接触水平地面高度为0)，如图9所示。对于较低位置的操作对象，四足机器人调整站高使机身以头部与尾部的连线为轴翻转一定的角度，使靠近目标一侧的机身向下倾斜，随后双臂可以同时向上伸长至目标处，也可以按顺序依次向上伸长至目标处，协同抓取同一目标，双臂协同作业的最低极限抓取高度为-150mm(足端接触水平地面高度为0)，如图10所示。当任务操作对象位于障碍物底部时，此时站姿无法抓取，四足机器人可以调整至“跪姿”，双臂下探协作完成抓取后将操作对象从障碍物底部拖出，如图11所示。

侧方向作业时，可以根据操作对象的大小调节双臂的距离，在机身中间部分两条机械臂的工作空间重叠，可以直接接触，实现更灵巧的抓取操作，如图12所示。

Claims (8)

1.一种四足双臂机器人，其特征是：包括两个机械臂、前腿和后腿；两个机械臂集成安装在四足平台上，两个机械臂前后布置，单个机械臂为三臂俯仰运动的五自由度机械臂，分别安装在前腿处机身上方与后腿处机身上方；前腿和后腿设置于四足平台的下部。

2.根据权利要求1所述的四足双臂机器人，其特征是：所述机械臂包括基座、大臂、小臂、手腕和手爪，基座与所述四足平台固定连接，大臂的一端连接基座，小臂一端连接大臂，一端连接手腕，手腕与手爪连接。

3.根据权利要求1所述的四足双臂机器人，其特征是：所述五自由度分别为能够转动的腰部回转关节、肩部俯仰关节、肘部俯仰关节、腕部回旋关节以及手爪旋转关节。

4.根据权利要求1所述的四足双臂机器人，其特征是：所述前腿和后腿为双肘式结构。

5.一种权利要求1所述四足双臂机器人的运行模式，其特征是：静态时两机械臂收缩处于交叉状态；动态作业时，两个机械臂具有独立工作、同步工作以及协同工作三种工作模式；进行前后方向的操作任务时，由单臂独立完成；进行侧方向的操作任务时，由双臂协作完成。

6.根据权利要求5所述四足双臂机器人的运行模式，其特征是：所述独立工作模式，是指每个机械臂独立工作，只要工作过程中没有碰撞和干涉，各个机械臂独立规划自己的运动和逻辑。

7.根据权利要求5所述四足双臂机器人的运行模式，其特征是：所述同步工作，是指机械臂在工作过程中有严格的时序要求或者基于点位的相对位置要求，分成两大类协同，一种是两个机械臂在工作的过程中，针对特定的工作点与区域和/或特定的工作工件有严格的时序要求，或者要求交替工作，或者要求并行工作；一种是两个机械臂在工作过程中有相对的点位位置要求，一个机械臂工作时需要另一个机械臂在某一个确定的位置，或者在既定轨迹上的非实时同步工作。

8.根据权利要求5所述四足双臂机器人的运行模式，其特征是：所述协同工作，是指两个机械臂在工作过程中有基于实时的严格位置同步要求，分成两大类，一是两个机械臂在位置同步协同过程中没有直接的接触或者通过第三方的接触连接，允许机械臂在协同过程中不考虑机构运动学、动力学和控制的误差；二是两个机械臂直接接触或者通过工件建立接触与连接，必须通过辅助智能感知补偿双臂的机械误差和控制误差。

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