CN114906249B - 一种十二自由度并联仿生四足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种十二自由度并联仿生四足机器人，包括，身体主框架、控制机构、驱动机构、动力传递机构和腿部运动机构；控制机构与驱动机构连接，且均安装于身体主框架上；腿部运动机构通过动力传递机构连接驱动机构；动力传递机构固定于身体主框架；腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件，第一杆件下端与第二杆件上端串联铰接，第一杆件上端与第三杆件上端并联铰接在动力传递机构上，第三杆件下端与第四杆件上端串联铰接，第二杆件下端与第四杆件下端并联铰接；在驱动机构的驱动下，每个腿部运动机构实现三个自由度的转动。本发明具有结构紧凑、操作简单、机械强度高、自由度高、传动平稳等优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种十二自由度并联仿生四足机器人。
背景技术
科学界对四足仿生机器人的研究在不断地加深；随着我国经济的飞速发展，机器人在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。地球陆地表面除了人为修筑的平坦地面和天然的平原地带外，更多的是各种崎岖地形，包括山地、丘陵、峭壁等，传统的轮式与履带式车辆难以在这样复杂的地形中行走，而哺乳动物却能在其上行走自如，充分的展示了腿足移动方式的灵活性与强大的适应性。因此，研究能够完成哺乳动物基本运动动作的四足机器人具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
目前的仿生机械狗，有很大一部分只达到8个自由度，运动的形态十分受限。对于一些地形复杂、工作环境恶劣的情况，其低自由度控制和常规的驱动减速方式都使得机械狗的运动效果及稳定性很难满足需求。而且现有的腿足式机械狗往往是基于仿生学的原理模仿现有动物的运动，其控制理论复杂，机械结构繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有结构紧凑、操作简单、机械强度高、自由度高、传动平稳性高的十二自由度并联仿生四足机器人。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种十二自由度并联仿生四足机器人，包括：身体主框架、控制机构、驱动机构、动力传递机构和腿部运动机构；控制机构与驱动机构连接，且均安装于身体主框架上；腿部运动机构通过动力传递机构连接驱动机构；动力传递机构固定于身体主框架；
腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括第一杆件、第二杆件、第三杆件和第四杆件，所述第一杆件的下端与第二杆件的上端串联铰接，第一杆件的上端与第三杆件的上端并联铰接在动力传递机构上，第三杆件的下端与第四杆件的上端串联铰接，第二杆件的下端与第四杆件的下端并联铰接；在驱动机构的驱动下，每个腿部运动机构实现三个自由度的转动。
作为本发明的进一步改进，所述动力传递机构包括第一绞盘组件和第二绞盘组件，所述驱动机构包括电机，所述第一绞盘组件和第二绞盘组件用于实现电机的输出减速；所述第一杆件的上端通过第二绞盘组件与电机连接，所述第三杆件的上端通过第一绞盘组件与电机连接。
作为本发明的进一步改进，所述电机包括第一电机、第二电机和第三电机；所述第一杆件的上端通过第二绞盘组件与第二电机的输出端连接，所述第三杆件的上端通过第一绞盘组件与第一电机的输出端连接，在第一电机和第二电机的驱动下，第一杆件和第三杆件分别带动第二杆件和第四杆件运动，以实现腿部运动机构在平面上的二维运动；所述第三电机用于实现腿部运动机构在平面上进行内外翻转运动。
作为本发明的进一步改进，所述第一电机的输出端设有第一输出轴，第一输出轴与第一绞盘组件连接；所述第二电机的输出端设有第二输出轴，第二输出轴与第二绞盘组件连接。
作为本发明的进一步改进，所述动力传递机构还包括驱动板，所述控制机构包括控制板，所述驱动板与控制板连接，所述驱动板用于控制第一电机、第二电机和第三电机的运行。
作为本发明的进一步改进，所述第一电机、第二电机和第三电机均采用无刷电机。
作为本发明的进一步改进，所述身体主框架包括第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板；所述第一支撑板两端分别与第三支撑板插接，所述第一支撑板两侧分别与第二支撑板插接。
作为本发明的进一步改进，所述控制板安装于第一支撑板顶部，所述驱动板安装于第二支撑板顶部；所述第一电机和第二电机安装于第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板围合成的凹槽内，所述第三电机安装于两块第二支撑板围合成的空腔内。
作为本发明的进一步改进，所述身体主框架还包括第四支撑板，所述第四支撑板插接于两块第一支撑板中间，用于增强身体主框架的机械强度。
作为本发明的进一步改进，所述第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板和第四支撑板上均设有镂空结构，以减轻身体主框架的重量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的十二自由度并联仿生四足机器人，通过将控制机构与驱动机构共同安装于身体主框架上，腿部运动机构通过动力传递机构连接驱动机构，动力传递机构固定于身体主框架，具有结构紧凑、安装便捷、传动稳定等优点；采用并联的腿部运动机构，可以减轻机器人运动时产生的抖动，实现精确控制；进一步地，机器人的单条腿具有3个自由度，整个机器人结构具有12个自由度，在简化机器人结构设置的同时尽可能仿生狗腿的结构，满足了理想的运动姿态。
2、本发明的十二自由度并联仿生四足机器人，通过两个电机共同承担单条腿的负载，对于电机的负荷更小，可以使得机器人本身能够承载更大的重量，并且拥有更长的寿命；与此同时，通过采用两个驱动轴同轴嵌套的方式，极大程度节省了空间、压缩了体积。
3、本发明的十二自由度并联仿生四足机器人，通过采用绞盘组件构成的线精密传动机构给电机的输出进行减速，进而提高了电机的输出力矩，提高了电机的驱动能力，并且具有精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、寿命长、易于安装和维护等优点，可较好地适应特殊环境对机器人安静、稳定、灵活运行的需求；此外，通过绞盘组件这个减速器可以进一步提高机器人的载荷能力。
4、本发明的十二自由度并联仿生四足机器人，通过在腿部运动机构采用铰链铰接，在身体主框架中采用“榫卯”式的拼插结构，把所有的结构拆分成多片的板件，整体结构如同积木一般进行搭建，组合受力，在保证孤立零件强度的同时最大程度强化框架的强度；通过这种方式，降低了结构件的制造难度，提高了制造速度，并且降低了加工精度对机器人结构稳定性的影响。同时通过巧妙设计，这些拼插的结构兼具了束线(优化电路走线)功能，提高了机器人的整体机械强度，并且降低了机器人的整体重量。
附图说明
图1为本发明十二自由度并联仿生四足机器人的立体结构原理示意图。
图2为本发明十二自由度并联仿生四足机器人的结构原理示意图。
图3为本发明中身体主框架的立体结构原理示意图。
图4为本发明中身体主框架的结构原理示意图。
图5为本发明中腿部运动机构的立体结构原理示意图。
图6为本发明中腿部运动机构的结构原理示意图。
图例说明：1、第一杆件；2、第二杆件；3、第三杆件；4、第四杆件；5、第一输出轴；6、第一绞盘组件；7、第二输出轴；8、第二绞盘组件；9、电机；91、第一电机；92、第二电机；93、第三电机；10、控制板；11、驱动板；12、第一支撑板；13、第二支撑板；14、第三支撑板；15、第四支撑板。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例
如图1至图6所示，本发明的一种十二自由度并联仿生四足机器人，具体是一种仿生机械狗，包括：身体主框架、控制机构、驱动机构、动力传递机构和腿部运动机构；控制机构与驱动机构连接，且均安装于身体主框架上；腿部运动机构通过动力传递机构连接驱动机构；动力传递机构固定于身体主框架；
腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括第一杆件1、第二杆件2、第三杆件3和第四杆件4，第一杆件1的下端与第二杆件2的上端串联铰接，第一杆件1的上端与第三杆件3的上端并联铰接在动力传递机构上，第三杆件3的下端与第四杆件4的上端串联铰接，第二杆件2的下端与第四杆件4的下端并联铰接；在驱动机构的驱动下，每个腿部运动机构实现三个自由度的转动。
可以理解，本实施例的仿生机械狗可以通过操作人员来进行主动遥控，也可以进行自主运动。当仿生机械狗进行自主运动时，可以使用深度相机来识别机械狗周围环境的深度信息，建立环境点云地图和不同层的栅格地图，识别障碍物信息，规划机械狗运行路线。
本实施例中，通过将控制机构与驱动机构共同安装于身体主框架上，腿部运动机构通过动力传递机构连接驱动机构，动力传递机构固定于身体主框架，具有结构紧凑、安装便捷、传动稳定等优点。采用并联的腿部运动机构，可以减轻仿生机械狗运动时产生的抖动，实现精确控制。进一步地，仿生机械狗的单条腿具有3个自由度，整个机器人结构具有12个自由度，在简化仿生机械狗结构设置的同时尽可能仿生狗腿的结构，满足了理想的运动姿态。
如图2所示，本实施例中，动力传递机构包括第一绞盘组件6和第二绞盘组件8，驱动机构包括电机9，第一绞盘组件6和第二绞盘组件8用于实现电机9的输出减速；第一杆件1的上端通过第二绞盘组件8与电机9连接，第三杆件3的上端通过第一绞盘组件6与电机9连接。可以理解，绞盘组件中使用的传动介质是绞线，绞线具有较长的寿命和较高的强度；进一步地，使用绞盘组件的减速机构中，由于使用的是可以任意弯曲的细绞线，可以在很小的空间内实现很高的减速比，使得仿生机械狗的体积可以设计的更加小巧。
进一步地，本实施例中，电机9包括第一电机91、第二电机92和第三电机93。第一杆件1的上端通过第二绞盘组件8与第二电机92的输出端连接，第三杆件3的上端通过第一绞盘组件6与第一电机91的输出端连接，在第一电机91和第二电机92的驱动下，第一杆件1和第三杆件3分别带动第二杆件2和第四杆件4运动，以实现腿部运动机构在平面上的二维运动。第三电机93用于实现腿部运动机构在平面上进行内外翻转运动。可以理解，第一电机91、第二电机92和第三电机93均可以采用无刷电机，为腿部运动机构的运动提供驱动力。
本实施例中，仿生机械狗前进的实现原理为：每条腿都通过位置控制，控制足尖画相同的摆线，而四条腿通过每条腿的摆线的相位不同，比如左上和右下的腿作为第一组，画相同的摆线，右上和左下的腿作为第二组，画相同的摆线；当第一组的腿处于支撑相时，第二组的腿处于摆动相，两组腿部运动机构依次执行摆动相与支撑相，以此实现仿生机械狗前进，后退也是如法炮制。
如图1和图6所示，第一电机91的输出端设有第一输出轴5，第一输出轴5与第一绞盘组件6连接，利用第一绞盘组件6实现减速传动；第二电机92的输出端设有第二输出轴7，第二输出轴7与第二绞盘组件8连接，利用第二绞盘组件8实现减速传动。在第一电机91和第二电机92的驱动下，第一绞盘组件6和第二绞盘组件8分别带动第一杆件1和第三杆件3在平面内转动，进而带动第二杆件2和第四杆件4转动，最终实现仿生机械狗的脚在腿平面上的两个自由度的运动。如图3所示，第三电机93设置在身体主框架的侧部，与第一电机91和第二电机92的设置方向相互垂直，用于带动仿生机械狗的脚在腿平面进行内外摆动，以完成第三个自由度的运动。具体地，第三电机93直接通过插接+顶丝的方式与腿部运动机构进行传动连接。
本实施例中，通过第一电机91和第二电机92这两个电机共同承担仿生机械狗单条腿的负载，对于电机的负荷更小，可以使得仿生机械狗本身能够承载更大的重量，并且拥有更长的寿命；与此同时，通过采用第一输出轴5和第二输出轴7这两个驱动轴同轴嵌套的方式，极大程度节省了空间、压缩了体积。
进一步地，通过采用绞盘组件构成的线精密传动机构给电机的输出进行减速，进而提高了电机的输出力矩，提高了电机的驱动能力，并且具有精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、寿命长、易于安装和维护等优点，可较好地适应特殊环境对机器人安静、稳定、灵活运行的需求；此外，通过绞盘组件这个减速器可以进一步提高机器人的载荷能力。
本实施例中，动力传递机构还包括驱动板11，控制机构包括控制板10，驱动板11与控制板10连接，驱动板11用于控制第一电机91、第二电机92和第三电机93的运行。通过控制板10与驱动板11相互配合，以实现对机械狗姿态的控制，提高机械狗对环境的适应性。
如图3和图4所示，本实施例中，身体主框架包括第一支撑板12、第二支撑板13和第三支撑板14。第一支撑板12两端分别与第三支撑板14进行榫卯插接，第一支撑板12两侧分别与第二支撑板13进行榫卯插接。进一步地，两块第一支撑板12分别构成了机械狗身体主框架的顶部和底部，两块第三支撑板14分别构成了机械狗身体主框架的头部和尾部，两块第二支撑板13分别设置在第一支撑板12两侧。除必要的连接开孔外，在第一支撑板12和第三支撑板14均上设有镂空结构，以减轻机械狗本身的重量。
本实施例中，控制板10安装于第一支撑板12顶部，驱动板11安装于第二支撑板13顶部。第一电机91和第二电机92安装于第一支撑板12、第二支撑板13和第三支撑板14围合成的凹槽内，第三电机93安装于两块第二支撑板13围合成的空腔内。
如图3所示，本实施例中，进一步地，身体主框架还包括第四支撑板15，第四支撑板15榫卯插接于两块第一支撑板12中间，并且第四支撑板15端部榫卯插接在第三支撑板14中部，用于增强机械狗身体主框架的机械强度。
进一步地，第一支撑板12、第二支撑板13、第三支撑板14和第四支撑板15上均设有镂空结构，在确保身体主框架机械强度的前提下，以减轻身体主框架的重量，提高机械狗的移动灵活性。
本实施例中，通过在腿部运动机构和身体主框架中采用“榫卯”式的插接结构，把所有的结构拆分成多片的板件，整体结构如同积木一般进行搭建，机械狗的身体主框架具有严格的对称性，实现了组合受力，在保证孤立零件强度的同时最大程度强化框架的强度；通过这种方式，降低了结构件的制造难度，提高了制造速度，并且降低了加工精度对机械狗结构稳定性的影响。同时通过巧妙设计，这些榫卯插接的结构兼具了束线(优化电路走线)功能，提高了机器人的整体机械强度，并且降低了机器人的整体重量。
虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，包括：身体主框架、控制机构、驱动机构、动力传递机构和腿部运动机构；控制机构与驱动机构连接，且均安装于身体主框架上；腿部运动机构通过动力传递机构连接驱动机构；动力传递机构固定于身体主框架；
腿部运动机构呈四边形，腿部运动机构包括第一杆件(1)、第二杆件(2)、第三杆件(3)和第四杆件(4)，所述第一杆件(1)的下端与第二杆件(2)的上端串联铰接，第一杆件(1)的上端与第三杆件(3)的上端并联铰接在动力传递机构上，第三杆件(3)的下端与第四杆件(4)的上端串联铰接，第二杆件(2)的下端与第四杆件(4)的下端并联铰接；在驱动机构的驱动下，每个腿部运动机构实现三个自由度的转动；
所述动力传递机构包括第一绞盘组件(6)和第二绞盘组件(8)，所述驱动机构包括电机(9)，所述第一绞盘组件(6)和第二绞盘组件(8)用于实现电机(9)的输出减速；所述第一杆件(1)的上端通过第二绞盘组件(8)与电机(9)连接，所述第三杆件(3)的上端通过第一绞盘组件(6)与电机(9)连接；
所述电机(9)包括第一电机(91)、第二电机(92)和第三电机(93)；所述第一杆件(1)的上端通过第二绞盘组件(8)与第二电机(92)的输出端连接，所述第三杆件(3)的上端通过第一绞盘组件(6)与第一电机(91)的输出端连接，在第一电机(91)和第二电机(92)的驱动下，第一杆件(1)和第三杆件(3)分别带动第二杆件(2)和第四杆件(4)运动，以实现腿部运动机构在平面上的二维运动；所述第三电机(93)用于实现腿部运动机构在平面上进行内外翻转运动；
所述第一电机(91)的输出端设有第一输出轴(5)，第一输出轴(5)与第一绞盘组件(6)连接；所述第二电机(92)的输出端设有第二输出轴(7)，第二输出轴(7)与第二绞盘组件(8)连接。
2.根据权利要求1所述的十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，所述动力传递机构还包括驱动板(11)，所述控制机构包括控制板(10)，所述驱动板(11)与控制板(10)连接，所述驱动板(11)用于控制第一电机(91)、第二电机(92)和第三电机(93)的运行。
3.根据权利要求1所述的十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，所述第一电机(91)、第二电机(92)和第三电机(93)均采用无刷电机。
4.根据权利要求2所述的十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，所述身体主框架包括第一支撑板(12)、第二支撑板(13)和第三支撑板(14)；所述第一支撑板(12)两端分别与第三支撑板(14)插接，所述第一支撑板(12)两侧分别与第二支撑板(13)插接。
5.根据权利要求4所述的十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，所述控制板(10)安装于第一支撑板(12)顶部，所述驱动板(11)安装于第二支撑板(13)顶部；所述第一电机(91)和第二电机(92)安装于第一支撑板(12)、第二支撑板(13)和第三支撑板(14)围合成的凹槽内，所述第三电机(93)安装于两块第二支撑板(13)围合成的空腔内。
6.根据权利要求5所述的十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，所述身体主框架还包括第四支撑板(15)，所述第四支撑板(15)插接于两块第一支撑板(12)中间，用于增强身体主框架的机械强度。
7.根据权利要求6所述的十二自由度并联仿生四足机器人，其特征在于，所述第一支撑板(12)、第二支撑板(13)、第三支撑板(14)和第四支撑板(15)上均设有镂空结构，以减轻身体主框架的重量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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