CN114313053B - 一种分布式驱动的液压机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式驱动的液压机器人，包括身架和移动腿，移动腿包括髋关节，大腿，小腿，髋关节包括第一支架和第一电液作动器，第一支架沿身架的长度方向设置，且与身架转动连接，第一电液作动器沿垂直于身架长度方向连接身架和第一支架；大腿包括第二支架和第二电液作动器，第二支架与第一支架一端铰接，第二电液作动器安装于第一支架内，第二电液作动器通过第一大腿关节连杆与第二支架铰接；小腿包括第三支架和第三电液作动器，第三支架与第二支架端部铰接，第三电液作动器安装于第二支架内，第三电液作动器通过第一小腿关节连杆与第三支架铰接。本发明结构简单，灵活性好，且重量轻、噪音小。

Description

一种分布式驱动的液压机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种分布式驱动的移动机器人。

背景技术

现有的移动机器人主要分为轮式、履带式和足式等几种类型，其中，轮式机器人在运动过程中对地面平整度要求较高，需行走的地面连续平整，因而难以适应未知的复杂路面；履带式机器人在运动过程中由于转弯半径较大，因而灵活度很低；而足式机器人是通过“腿”与地面间断接触，因而，可以灵活地跨过崎岖程度较高的障碍，具备较高的越障能力，满足在复杂非结构地形环境下运动的要求。

足式机器人国内外目前常用的驱动形式主要有电动和液压。由于液压驱动具有负载能力强、功率密度高、无极变速、能承受较大冲击、系统的刚度高和响应快等优点，成为高性能户外重载四足机器人的首要选择。

现有的液压控制机器人为实现驱动，通常需要背负液压泵站，且连接有复杂的油液管路，为了方便与油液管路的连接，液压驱动结构通常采用四连杆结构与肢体相连，使得机器人重量大、结构复杂、灵活性差，且机器人运动过程中泵站的噪音大。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中液压驱动机器人重量大、噪声大的缺陷，提供一种分布式驱动的液压机器人，结构简单，灵活性好，且重量轻、噪音小。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式驱动的液压机器人，包括身架，所述身架具有相对的前端和后端，所述身架沿前端向后端安装有至少两组机械腿组件，每组机械腿组件均包括对称设置的两条移动腿；所述移动腿包括：

髋关节，所述髋关节包括第一支架和第一电液作动器，所述第一支架沿所述身架的长度方向设置，且与所述身架转动连接，所述第一电液作动器沿垂直于所述身架长度方向连接所述身架和第一支架；

大腿，所述大腿包括第二支架和第二电液作动器，所述第二支架与所述第一支架一端铰接，所述第二电液作动器安装于所述第一支架内，所述第二电液作动器与所述第二支架铰接；

小腿，所述小腿包括第三支架和第三电液作动器，所述第三支架与所述第二支架端部铰接，所述第三电液作动器安装于所述第二支架内，所述第三电液作动器与所述第三支架铰接。

在本发明的一个实施例中，所述机械腿组件设置有两组，位于所述身架前端的机械腿组件中，所述第二支架铰接于所述第一支架的前端，位于所述身架后端的机械腿组件中，所述第二支架铰接于所述第一支架的后端。

在本发明的一个实施例中，相邻所述机械腿组件的宽度不同。

在本发明的一个实施例中，所述身架包括与所述机械腿组件位置对应的安装板，所述安装板之间通过板簧相连，所述安装板下方连接有腿连接架，所述第一支架与所述腿连接架铰接。

在本发明的一个实施例中，所述板簧侧边间隔设置有若干肋骨架，所述肋骨架与所述板簧固定连接。

在本发明的一个实施例中，所述大腿和小腿分别通过第一连杆组件和第二连杆组件与所述第二电液作动器和第三电液作动器铰接。

在本发明的一个实施例中，所述第一连杆组件包括第一大腿关节连杆和第二大腿关节连杆，所述第二连杆组件包括第一小腿关节连杆和第二小腿关节连杆，所述第二电液作动器和第三电液作动器通过鱼眼轴承连接有转轴，所述第一大腿关节连杆和第一小腿关节连杆的一端分别与所述第二支架和第三支架铰接，另一端与所述转轴转动连接，所述第二大腿关节连杆和第二小腿关节连杆的一端分别与所述第一支架和第二支架铰接，另一端与所述转轴转动连接。

在本发明的一个实施例中，所述第三支架包括膝关节支架和小腿关节支架，所述小腿关节支架与所述膝关节支架固定连接，所述膝关节支架分别与所述第二支架和第三电液作动器铰接。

在本发明的一个实施例中，所述第三支架末端连接有脚部，所述脚部包括压力传感器。

在本发明的一个实施例中，所述第一电液作动器、第二电液作动器和第三电液作动器均包括电机、液压泵和液压缸，所述第一电液作动器中所述液压缸与所述电机和液压泵并排设置，所述第二电液作动器和第三电液作动器中，所述电机、液压泵和液压缸同轴设置。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的液压机器人结构简单，灵活性好，且重量轻、噪音小。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构仰视图；

图3是本发明的机械腿组件示意图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的侧视图；

图6是本发明的移动腿剖视图；

说明书附图标记说明：10、身架；11、安装板；12、腿连接架；13、板簧；14、肋骨架；

20、机械腿组件；

30、移动腿；

40、髋关节；41、第一支架；42、第一电液作动器；43、转轴；

50、大腿；51、第二支架；52、第二电液作动器；53、第一大腿关节连杆；54、第二大腿关节连杆；

60、小腿；61、第三支架；62、第三电液作动器；63、第一小腿关节连杆；64、第二小腿关节连杆；65、小腿关节支架；66、膝关节支架；67、脚部。

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，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。本发明的实施例中以面对纸面的左侧为前端，右侧为后端。

参照图1、图2和图3所示，为本发明的一种分布式驱动的液压机器人整体结构示意图。本发明的机器人包括身架10，所述身架10具有相对的前端和后端，所述身架10沿前端向后端安装有至少两组机械腿组件20，每组机械腿组件20均包括对称设置的两条移动腿30；所述移动腿30包括：

髋关节40，所述髋关节40包括第一支架41和第一电液作动器42，所述第一支架41沿所述身架10的长度方向设置，且与所述身架10转动连接，所述第一电液作动器42沿垂直于所述身架10长度方向连接所述身架10和第一支架41；

大腿50，所述大腿50包括第二支架51和第二电液作动器52，所述第二支架51与所述第一支架41一端铰接，所述第二电液作动器52安装于所述第一支架41内，所述第二电液作动器52与所述第二支架51铰接；

小腿60，所述小腿60包括第三支架61和第三电液作动器62，所述第三支架61与所述第二支架51端部铰接，所述第三电液作动器62安装于所述第二支架51内，所述第三电液作动器62与所述第三支架61铰接。

在本实施例中，通过设置多组机械腿组件20，并且机械腿组件20中的移动腿30沿身架10的左右两侧对称布置，使得液压机器人在运动时可以更加平稳。

髋关节40能够相对身架10外展，使得移动腿30能够在身架10的左右方向摆动，满足仿生学和运动控制的需求。外展时，通过第一电液作动器42向外推动第一支架41，使得第一支架41绕其与身架10的连接处转动，实现了移动腿30在身架10的左右方向的位置调整，使液压机器人能够适应复杂地形。

第二电液作动器52设置于第一支架41内，第二电液作动器52的输出端与第二支架51连接，带动第二支架51绕其与第一支架41相连的第一连接轴沿身架10的前后方向摆动，由于小腿60通过第三支架61与第二支架51相连，因而大腿50绕第一连接轴在身架10前后方向摆动的同时带动小腿60沿身架10的前后方向摆动。且第三电液作动器62设置在第二支架51内，第三电液作动器62的输出端与第三支架61连接，带动第三支架61绕其与第二支架51相连的第二连接轴沿身架10的前后方向摆动，因而小腿60能够单独沿身架10的前后方向摆动。根据大腿50与小腿60的的配合摆动，实现液压机器人在前后方向的运动。

本发明中通过电液作动器控制第一支架41、第二支架51和第三支架61的运动，无需设置泵站及油液管路，大大减轻了液压机器人的重量，简化了液压机器人的结构。且电液作动器具有自反馈系统且驱动力大、体积小，因此无需通过四连杆机构等对各支架进行间接驱动，能够保证运行位置准确，从而实现对机器人运动的精确控制。同时本实施例中第一支架41和第二支架51的截面均为U型，使得电液作动器能够设置在第一支架41和第二支架51内，一方面，减轻了移动腿30的重量，另一方面，电液作动器既能够作为驱动件实现移动腿30的动作，又能够作为第一支架41和第二支架51的填充，提高了移动腿30的强度。

在本发明的其他实施例中，关节可以不限于大腿和小腿，具体根据运动需要设置，关节间驱动通过电液作动器实现。

作为本发明的优选实施例，所述机械腿组件20设置有两组，即有四条移动腿30，形成四足机器人。四足机器人的结构仿照自然界中四足哺乳动物的身体结构设计，其在移动速度和环境适应性方面都有极佳的表现，运动步态丰富，不仅能克服复杂地形对机器人稳定性的影响，而且能在动态的情况下实现高速运动，非常适合在复杂非结构化地形环境下的工作。为使得四足液压机器人的结构更加紧凑，位于所述身架10前端的机械腿组件20中，所述第二支架51铰接于所述第一支架41的前端，位于所述身架10后端的机械腿组件20中，所述第二支架51铰接于所述第一支架41的后端。使得在前后方两条移动腿30中负责机器人前后移动的大腿50和小腿60之间具有一定的距离，且在此基础上，机器人的身架10长度不会过长。

本实施例中，第一电液作动器42驱动第一支架41转动，以带动大腿50和小腿60向身架10外侧展开或收回，第二电液作动器52和第三电液作动器62分别驱动第二支架51和第三支架61沿身架10的长度方向摆动，四只移动腿30配合动作，模仿猎豹、狗或马行走的姿态，实现液压机器人在各种复杂地形和环境下移动。

在本发明的其他实施例中，为了提高液压机器人的负载能力，机械腿组件20可以设置有三组或更多组，通过控制各移动腿30的配合，实现液压机器人的正常移动。

作为本发明的优选实施例，参照图4所示，为液压机器人的俯视图，其中相邻所述机械腿组件20的宽度不同。从而前后腿可以做到交叉避让，利于跑动时前后腿的运动。

本实施例中，以四足液压机器人为例，位于身架10前端的机械腿组件20中的两个移动腿30之间的距离，大于位于身架10后端的机械腿组件20中的两个移动腿30之间的距离。当随着机器人的移动，位于前端的移动腿30转动到后方，位于后端的移动腿30向前迈步，由于两只移动腿30处于不同的平面，因此两者之间不会产生干涉，从而形成像猎豹奔跑时一样的后腿伸到前腿的前面，提高移动速度。

在本发明的其他实施例中，还可以位于前端的机械腿组件20的宽度小于位于后端的机械腿组件20的宽度。在存在三个或三个以上的机械腿组件20时，各机械腿组件20的宽度交叉设置。例如，位于奇数位置和偶数位置的机械腿组件20宽度不同，位于奇数位置的机械腿组件20的宽度一致，位于偶数位置的机械腿组件20宽度一致。当然还可以是其他能够实现交叉避让的设置方式。

作为本发明的优选实施例，参照图5所示，为机器人侧视图。所述身架10包括与所述机械腿组件20位置对应的安装板11，所述安装板11之间通过板簧13相连，所述安装板11下方连接有腿连接架12，所述第一支架41与所述腿连接架12铰接。板簧13、安装板11及腿连接架12之间的连接形成悬挂式连接。由于腿连接为细长结构，因此腿连接架12在与安装板11连接固定后，腿连接架12端部相对安装板11能够产生一定的振荡，从而对移动腿30的抬起和放下形成缓冲。且减小了安装板11的尺寸，提高了液压机器人的美观度。又由于板簧13具有弹性，从而能够在前后两机械腿组件20之间形成缓冲。同时在液压机器人快速移动时，机器人的后腿能够伸到前腿的前面，当后腿落地时，相当于机器人的前后两端向中间挤压，板簧13由于挤压而高高地拱起。在板簧13由于自身弹性而伸展开时，就会产生巨大的推力，推动前腿向前移动，进一步提高液压机器人的速度，增加其灵活性。

本实施例中，第一电液作动器42与安装板11铰接安装，第一电液作动器42的驱动端铰接第一支架41，由于电液作动器具有一定的长度，为减小液压机器人的宽度，左右两侧的两个电液作动器交叉设置。具体的，两个电液作动器与安装板11的铰接座分别位于腿连接架12两侧。腿连接架12为工字形，第一支架41转动连接于工字形两横边的下方。由于第一支架41具有一定的长度，因此横边的设置能够保证连接的稳定，同时可以保证第一电液作动器42与第一支架41的连接处趋近第一支架41的中部，从而驱动第一支架41转动无需过大的驱动力。第二电液作动器52和第三电液作动器62驱动大腿50和小腿60摆动，实现向前移动。大腿50和小腿60摆动时抬离地面再放下，在此过程中会产生冲击力，工字形的腿连接架12能够振动以抵消冲击力，形成缓冲。在本发明的其他实施例中，腿连接架12中连接两横边的纵边也设置为板簧13，从而提供能好的缓冲性能。在机器人移动的过程中，前后腿交错向前，连接两安装板11的板簧13能够对机器人前后端形成缓冲，且能够在机器人快速移动时提供一定的推力，增加机器人的稳定性和灵活性。进一步的，所述板簧13侧边间隔设置有若干肋骨架14，所述肋骨架14与所述板簧13固定连接。由于肋骨架14间隔设置，因此不会对机器人的运动造成影响，且在安装板11、腿连接架12和板簧13在机器人运动过程中会发热，与板簧13连接的肋骨架14还能够形成有效的散热。

作为本发明的优选实施例，参照图6所示，为移动腿的剖视图。大腿50和小腿60摆动时，是第二电液作动器52和第三电液作动器62驱动第二支架51和第三支架61绕连接轴转动，从而第二电液作动器52和第三电液作动器62具有一定的摆动幅度，故第二电液作动器52和第三电液作动器62与第一支架41和第二支架51铰接安装。此时由于第二电液作动器52和第三电液作动器62仅有一端铰接，因此另一端的活动自由度大，为防止大腿50和小腿60摆动角度过大，所述大腿50和小腿60分别通过第一连杆组件和第二连杆组件与所述第二电液作动器和第三电液作动器铰接。

具体的，所述第一连杆组件包括第一大腿关节连杆53和第二大腿关节连杆54，所述第二连杆组件包括第一小腿关节连杆63和第二小腿关节连杆64，所述第二电液作动器52和第三电液作动器62通过鱼眼轴承连接有转轴43，所述第一大腿关节连杆53和第一小腿关节连杆63的一端分别与所述第二支架51和第三支架61铰接，另一端与所述转轴43转动连接，所述第二大腿关节连杆54和第二小腿关节连杆64的一端分别与所述第一支架41和第二支架51铰接，另一端与所述转轴43转动连接。此时，由于第二大腿关节连杆54和第二小腿关节连杆64的限制，第二电液作动器52和第三电液作动器62的推出范围被限制，从而与第二电液作动器52和第三电液作动器62相连的第二支架51和第三支架61的摆动角度被限制。

作为本发明的优选实施例，所述第三支架61包括膝关节支架66和小腿关节支架65，所述小腿关节支架65与所述膝关节支架66固定连接，所述膝关节支架66分别与所述第二支架51和第三电液作动器62铰接。

本实施例中，控制小腿60摆动的第三电液作动器62设置在第二支架51内，第三支架61内无需设置驱动件，故将第三支架61分为能够与第三电液作动器62相连的膝关节支架66和小腿关节支架65，使得小腿关节支架65能够采用更细的实心结构，提高小腿关节支架65的强度。

作为本发明的优选实施例，所述第三支架61末端连接有脚部67，所述脚部67包括压力传感器。压力传感器采集移动腿30与地面之间的压力，进而对第一电液作动器42、第二电液作动器52和第三电液作动器62的输出强度进行精密控制，进一步提高液压机器人的控制精度。

作为本发明的优选实施例，所述第一电液作动器42、第二电液作动器52和第三电液作动器62均包括电机、液压泵和液压缸，所述第一电液作动器42中所述液压缸与所述电机和液压泵并排设置，所述第二电液作动器52和第三电液作动器62中，所述电机、液压泵和液压缸同轴设置。

本实施例中，第一电液作动器42连接身架10和第一支架41，第一电液作动器42倾斜设置，一方面第一电液作动器42安装于安装板11下方，第一支架41安装于腿连接架12下方，第一电液作动器42的安装位置高于第一支架41，另一方面倾斜设置的第一电液作动器42更节省空间，使得两移动腿30之间的距离能够设置的较小。因此第一电液作动器42的长度需要设置的较短，本实施例中将第一电液作动器42中液压缸与电机和液压泵并排设置，大大减小了第一电液作动器42的长度。而第一支架41和第二支架51本身具有一定的长度，因此第二电液作动器52和第三电液作动器62能够完全设置于第一支架41和第二支架51内，电机、液压泵和液压缸同轴设置使得电液作动器完全填充第一支架41和第二支架51，增加第一支架41和第二支架51的强度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种分布式驱动的液压机器人，包括身架，所述身架具有相对的前端和后端，其特征在于，所述身架沿前端向后端安装有至少两组机械腿组件，每组机械腿组件均包括对称设置的两条移动腿；所述移动腿包括：

髋关节，所述髋关节包括第一支架和第一电液作动器，所述第一支架沿所述身架的长度方向设置，且与所述身架转动连接，所述第一电液作动器沿垂直于所述身架长度方向连接所述身架和第一支架；

大腿，所述大腿包括第二支架和第二电液作动器，所述第二支架与所述第一支架一端铰接，所述第二电液作动器安装于所述第一支架内，所述第二电液作动器与所述第二支架铰接；

小腿，所述小腿包括第三支架和第三电液作动器，所述第三支架与所述第二支架端部铰接，所述第三电液作动器安装于所述第二支架内，所述第三电液作动器与所述第三支架铰接；

所述第一电液作动器、第二电液作动器和第三电液作动器均包括电机、液压泵和液压缸，左右两侧的两个所述第一电液作动器交叉设置。

2.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述机械腿组件设置有两组，位于所述身架前端的机械腿组件中，所述第二支架铰接于所述第一支架的前端，位于所述身架后端的机械腿组件中，所述第二支架铰接于所述第一支架的后端。

3.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，相邻所述机械腿组件的宽度不同。

4.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述身架包括与所述机械腿组件位置对应的安装板，所述安装板之间通过板簧相连，所述安装板下方连接有腿连接架，所述第一支架与所述腿连接架铰接。

5.根据权利要求4所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述板簧侧边间隔设置有若干肋骨架，所述肋骨架与所述板簧固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述大腿和小腿分别通过第一连杆组件和第二连杆组件与所述第二电液作动器和第三电液作动器铰接。

7.根据权利要求6所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述第一连杆组件包括第一大腿关节连杆和第二大腿关节连杆，所述第二连杆组件包括第一小腿关节连杆和第二小腿关节连杆，所述第二电液作动器和第三电液作动器通过鱼眼轴承连接有转轴，所述第一大腿关节连杆和第一小腿关节连杆的一端分别与所述第二支架和第三支架铰接，另一端与所述转轴转动连接，所述第二大腿关节连杆和第二小腿关节连杆的一端分别与所述第一支架和第二支架铰接，另一端与所述转轴转动连接。

8.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述第三支架包括膝关节支架和小腿关节支架，所述小腿关节支架与所述膝关节支架固定连接，所述膝关节支架分别与所述第二支架和第三电液作动器铰接。

9.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述第三支架末端连接有脚部，所述脚部包括压力传感器。

10.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的液压机器人，其特征在于，所述第一电液作动器中所述液压缸与所述电机和液压泵并排设置，所述第二电液作动器和第三电液作动器中，所述电机、液压泵和液压缸同轴设置。

Images