CN115303381A - 基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人 - Google Patents

基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人 Download PDF

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Abstract

基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，它涉及一种高速低能耗六足机器人。本发明为了解决现有的腿足式机器人存在载重能力差和能耗高的问题。本发明每个腿部单体末端均转动安装在机体上，并能在120°的工作空间内摆动不干涉，六个腿部单体呈椭圆式布置在机体的两侧；每个腿部单体均包括根关节、摆动杆、大腿、小腿和髋关节组件，根关节转动安装在机体上，且根关节的转动轴线与Z轴方向同轴，摆动杆的一端与根关节转动连接，摆动杆的另一端通过髋关节组件转动安装在大腿的下部，小腿转动安装在大腿的上部形成膝关节，小腿的下端为落足点，所述落足点位于X轴方向上的髋关节组件和膝关节之间。本发明用于野外复杂地形以及星球探测。

Description

基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人
技术领域
本发明涉及一种高速低能耗六足机器人，具体涉及一种基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人。
背景技术
新技术的发展使许多腿足式机器人都展示出了在崎岖地形下运动的优异的运动能力，例如MIT cheetah系列四足机器人在户外环境高速奔跑；ETH Anymal四足机器人展示出腿足使机器人在工厂巡检场合中的潜力，腿足式机器人通过放置在工厂中的充电设备进行再次充电，完成长距离的工作。其中，腿足式机器人相比于许多轮式机器人适合更多的场景，如：灾后废墟，野外复杂地形(例如洞穴、森林)以及星球探测等场景下，由于无法提前放置充电设备，高功耗问题使得腿足式机器人无法在不进行再次充电的场合下完成长距离的工作。因此高速、重载、低能耗的足式机器人是我们应该去探索的方向，而不是仅具有其中的两项或一项优势。
现有轮式履带式设备地形通过能力有限，腿足式机器人具有很好的复杂地形通过能力，目前已经有许多具有高动态性能的腿足式机器人得到了开发和应用。然而，现有足式机器人大都采用串联机械臂式的腿结构，其在运动时为了保证有足够的足端工作空间，腿和地面不能垂直站立，需保持一定夹角，夹角导致足端到关节转轴的力臂增加，随着力臂的增加关节需要提供的力矩加大，为了获取足够的工作空间导致的承载力臂增长问题使得现有腿足式机器人存在载重能力差的问题，而关节电机的力矩和其能耗息息相关，力矩随力臂增大使得现有腿足式机器人还存在能耗高的问题，使其难以进行高载重任务和不能一次充电长时间工作，严重限制了腿足式机器人的进一步应用。
综上所述，现有的腿足式机器人存在载重能力差和能耗高的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的腿足式机器人存在载重能力差和能耗高的问题。进而提供一种基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人。
本发明的技术方案是：基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人包括机体，它还包括六个腿部单体，每个腿部单体末端均转动安装在机体上，并能在120°的工作空间内摆动不干涉，六个腿部单体呈椭圆式布置在机体的两侧；每个腿部单体均包括根关节、摆动杆、大腿、小腿和髋关节组件，根关节转动安装在机体上，且根关节的转动轴线与Z轴方向同轴，摆动杆的一端与根关节转动连接，摆动杆的另一端通过髋关节组件转动安装在大腿的下部，摆动杆与X轴方向之间设有夹角，所述夹角为15°-50°，小腿转动安装在大腿的上部形成膝关节，小腿的下端为落足点，所述落足点位于X轴方向上的髋关节组件和膝关节之间。
进一步地，摆动杆与X轴方向之间的夹角为30°。
进一步地，根关节包括固定座轴承压板、固定座轴承、根关节旋转轴、根关节固定座和根关节电机，根关节电机安装在根关节固定座的下端面上，根关节电机的输出轴与安装在根关节固定座内的根关节旋转轴连接，固定座轴承套装在根关节旋转轴上，固定座轴承压板盖装在根关节固定座上端的根关节旋转轴上。
进一步地，摆动杆包括摆动杆外壳一、髋关节电机、髋关节电机法兰、髋关节输入链轮、摆动杆外壳二、髋关节输出链轮、髋关节垫块一和髋关节垫块二，髋关节电机通过髋关节电机法兰安装在摆动杆外壳二上，髋关节输入链轮安装在髋关节电机的输出轴上，摆动杆外壳一扣装在摆动杆外壳二上，髋关节垫块一、髋关节输出链轮和髋关节垫块二作为一个整体内嵌在摆动杆外壳一和摆动杆外壳二一侧的内孔中，髋关节输入链轮和髋关节输出链轮之间通过链条连接。
进一步地，根关节旋转轴在轴线方向上开设有摆动杆安装孔。
进一步地，大腿包括膝关节输出链轮、膝关节轴承一、膝关节轴承二、链传动保护壳、膝关节输入链轮、膝关节电机法兰、膝关节电机、大腿外壳一和膝关节外壳二，膝关节轴承二安装在膝关节外壳二上，膝关节电机安装在膝关节外壳二的中部，膝关节电机法兰安装在膝关节电机的输出轴上，大腿外壳一扣装在膝关节电机上，膝关节轴承一安装在大腿外壳一内，且膝关节轴承一与膝关节轴承二的轴线位于同一条直线上，膝关节输出链轮位于膝关节轴承一的上方，膝关节输出链轮与膝关节输入链轮之间通过链条连接，链传动保护壳扣装在膝关节输出链轮与膝关节输入链轮上。
进一步地，小腿包括小腿连接件、小腿碳管和球形足，小腿连接件、小腿碳管和球形足依次连接成一体。
进一步地，小腿连接件为L形连接件。
进一步地，髋关节组件包括髋关节轴承一和髋关节轴承二，髋关节轴承一和髋关节轴承二分别安装在摆动杆上的髋关节垫块一和髋关节垫块二的两侧，实现大腿与摆动杆另一端的转动连接。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明提出了一种具有高速、重载、低能耗的六足式腿足机器人，其与传统的腿足式机器人(如图10所示)不同，本发明针对现有昆虫式构型腿部结构进行了改进，采用更长的摆动杆，如图11所示，使得机器人在站立和运动时，足端相对于髋关节和膝关节处在死点和接近死点得位置，髋关节和膝关节力臂接近于0，极大的降低了髋关节和膝关节所需力矩，实现重载和低能耗；当机体与地面平行时，根关节转轴和足端力支撑力方向平行，因此根关节不需要产生自身重力导致的反作用扭矩，所以对根关节可采用更小扭矩，更大极限速度的关节，配合长摆动杆提供的更大的往复距离，以实现高速。
2、本发明具有死点支撑效应的腿部构型：本发明相对传统昆虫式构型(如图10所示)具有较长的摆动杆，以实现在常规站立和行走时腿的位姿处在或接近髋关节和膝关节力臂为0的死点位置，机构简图如图11所示。在和传动昆虫式构型腿采用相同的髋关节和膝关节电机的情况下，本发明能实现更大的往复半径，较长的摆动杆配合高速的根关节实现快速和大幅度的迈步；摆动杆并非水平，与水平方向呈30°角以抬高机体底盘，增加机体的通过性能；为了减小末端转动惯量将电机放置在靠近关节旋转轴的一侧通过链传动与输出杆相连。
3、本发明考虑了极限速度实现的紧凑式布局方法：本发明采用椭圆式布局，以保证满足各腿部相对于根关节120°摆动范围内的运动空间不相互干涉的同时，尽可能减小整机尺寸。
附图说明
图1是本发明的轴测图；图2是图1的俯视图；图3是本发明六足机器人重载及低能耗受力分析示意图；图4是摆动杆与水平方向夹角示意图。图5是腿部单体的示意图；图6是腿部单体的爆炸图；图7是摆动杆的剖视图；图8是大腿的剖视图；图9是小腿的结构示意图。图10是传统昆虫式构型腿的原理示意图；图11是本发明昆虫式构型腿的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人包括机体1，它还包括六个腿部单体2，每个腿部单体2末端均转动安装在机体1上，并能在120°的工作空间内摆动不干涉，六个腿部单体2呈椭圆式布置在机体1的两侧；每个腿部单体2均包括根关节201、摆动杆202、大腿203、小腿204和髋关节组件，根关节201转动安装在机体1上，且根关节201的转动轴线与Z轴方向同轴，摆动杆202的一端与根关节201转动连接，摆动杆202的另一端通过髋关节组件转动安装在大腿203的下部，摆动杆202与X轴方向之间设有夹角，所述夹角为15°-50°，小腿204转动安装在大腿203的上部形成膝关节B，小腿204的下端为落足点A，所述落足点A位于X轴方向上的髋关节组件和膝关节B之间。
机器人分为机体和腿部，机器人共有六条腿且每条腿结构相同，腿部末端的安装座通过螺栓安装在机体上，六条腿呈现椭圆式布置，保证各腿在摆关节120°的工作空间内不存在干涉。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的摆动杆202与X轴方向之间的夹角为30°。如此设置，相比于已有的六足设计方案，本发明应保证根关节与髋关节的连线，即摆动杆202与X方向具有一定夹角，所述夹角能够实现提高机体底盘离地面的高度，。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图图3、图5至图6说明本实施方式，本实施方式的根关节201包括固定座轴承压板201-1、固定座轴承201-2、根关节旋转轴201-3、根关节固定座201-4和根关节电机201-5，根关节电机201-5安装在根关节固定座201-4的下端面上，根关节电机201-5的输出轴与安装在根关节固定座201-4内的根关节旋转轴201-3连接，固定座轴承201-2套装在根关节旋转轴201-3上，固定座轴承压板201-1盖装在根关节固定座201-4上端的根关节旋转轴201-3上。
如此设置，零件少易于产品化装配，并且使得固定座201与摆动腿202和摆动腿202与大腿203以简支结构相连，相同尺寸下能承受更大的载荷。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式的摆动杆202包括摆动杆外壳一202-1、髋关节电机202-2、髋关节电机法兰202-3、髋关节输入链轮202-4、摆动杆外壳二202-5、髋关节输出链轮202-6、髋关节垫块一202-7和髋关节垫块二202-8，髋关节电机202-2通过髋关节电机法兰202-3安装在摆动杆外壳二202-5上，髋关节输入链轮202-4安装在髋关节电机202-2的输出轴上，摆动杆外壳一202-1扣装在摆动杆外壳二202-5上，髋关节垫块一202-7、髋关节输出链轮202-6和髋关节垫块二202-8作为一个整体内嵌在摆动杆外壳一202-1和摆动杆外壳二202-5一侧的内孔中，髋关节输入链轮202-4和髋关节输出链轮202-6之间通过链条连接。
如此设置，将电机安装在更靠近根关节旋转轴的一侧，能够降低转动过程中的转动惯量；电机通过链传动与实际输出链轮相连，可以通过调整链传动的减速比，在不更换电机的情况下调整单腿的性能，使发明能更廉价的适应不同应用场合。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式的根关节旋转轴201-3在轴线方向上开设有摆动杆安装孔201-6。如此设置，将根关节转轴部分和摆动部分拆开为两个零件加工，降低了加工成本；拆开后结构更规则，易于保证加工精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图8说明本实施方式，本实施方式的大腿203包括膝关节输出链轮203-1、膝关节轴承一203-2、膝关节轴承二203-3、链传动保护壳203-4、膝关节输入链轮203-5、膝关节电机法兰203-6、膝关节电机203-7、大腿外壳一203-8和膝关节外壳二203-9，膝关节轴承二203-3安装在膝关节外壳二203-9上，膝关节电机203-7安装在膝关节外壳二203-9的中部，膝关节电机法兰203-6安装在膝关节电机203-7的输出轴上，大腿外壳一203-8扣装在膝关节电机203-7上，膝关节轴承一203-2安装在大腿外壳一203-8内，且膝关节轴承一203-2与膝关节轴承二203-3的轴线位于同一条直线上，膝关节输出链轮203-1位于膝关节轴承一203-2的上方，膝关节输出链轮203-1与膝关节输入链轮203-5之间通过链条连接，链传动保护壳203-4扣装在膝关节输出链轮203-1与膝关节输入链轮203-5上。如此设置，将电机安装在更靠近根关节旋转轴的一侧，能够降低转动过程中的转动惯量；电机通过链传动与实际输出链轮相连，可以通过调整链传动的减速比，在不更换电机的情况下调整单腿的性能，使发明能更廉价的适应不同应用场合。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图9说明本实施方式，本实施方式小腿204包括小腿连接件204-1、小腿碳管204-2和球形足204-3，小腿连接件204-1、小腿碳管204-2和球形足204-3依次连接成一体。如此设置，对于不需要安装过多零件的小腿，采用相同质量下强度更高的碳纤维杆代替金属零件，能够进一步减轻小腿重量。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式的小腿连接件204-1为L形连接件。如此设置，可以将小腿和大腿偏置，实现小腿可360°连续旋转；同时，能够更加简单的实现对小腿的固定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图2和图6说明本实施方式，本实施方式的髋关节组件包括髋关节轴承一205和髋关节轴承二206，髋关节轴承一205和髋关节轴承二206分别安装在摆动杆202上的髋关节垫块一202-7和髋关节垫块二202-8的两侧，实现大腿203与摆动杆202另一端的转动连接。
如此设置，使得大腿和摆动杆以简支结构相连，相同尺寸下能承受更大的载荷。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。
结合图1-至图9说明本发明所提出的高速重载低能耗的实现原理为：
(1)通过对根关节使用小减速比4-12以实现根关节的高速摆动，202-摆动杆具体较长的尺寸，使得根关节的摆动可以产生长距离的前进，最终实现机体的快速运动。
(2)重载和低能耗的实现原理如图3所示，首先机器人应具有较长的摆动杆，且保证机器人的腿部在支撑机体时，使落足点位于髋关节和膝关节沿X方向之间。导致腿足式机器人承载能力低的原因在于机器人在承载式需要关节部分电机提供较大的扭矩，而本设计的六足式机器人，根关节转轴方向沿Z方向，在机器人站立时不需要提供沿Z方向的力矩，故Z方向不承担机体重力导致的Z方向载荷，根关节只需要提供运动的加速度，因此在根关节电机选型时可以选择高速小扭矩的电机；由于机器人的落足点位于膝关节和髋关节之间，并且203-大腿和204-小腿尽量保持竖直状态，使得髋关节和膝关节的力臂L1和L2很短，因此相比于已有的腿足式机器人，在使用相同的电机时，本设计能极大的提升机器人的承载能力，实现重载，在承担相同的载荷时，所需的电机功率更小，实现低能耗。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，它包括机体(1)，其特征在于：它还包括六个腿部单体(2)，每个腿部单体(2)末端均转动安装在机体(1)上，并能在120°的工作空间内摆动不干涉，六个腿部单体(2)呈椭圆式布置在机体(1)的两侧；
每个腿部单体(2)均包括根关节(201)、摆动杆(202)、大腿(203)、小腿(204)和髋关节组件，根关节(201)转动安装在机体(1)上，且根关节(201)的转动轴线与Z轴方向同轴，摆动杆(202)的一端与根关节(201)转动连接，摆动杆(202)的另一端通过髋关节组件转动安装在大腿(203)的下部，摆动杆(202)与X轴方向之间设有夹角，所述夹角为15°-50°，小腿(204)转动安装在大腿(203)的上部形成膝关节(B)，小腿(204)的下端为落足点(A)，所述落足点(A)位于X轴方向上的髋关节组件和膝关节(B)之间。
2.根据权利要求1所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：摆动杆(202)与X轴方向之间的夹角为30°。
3.根据权利要求2所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：根关节(201)包括固定座轴承压板(201-1)、固定座轴承(201-2)、根关节旋转轴(201-3)、根关节固定座(201-4)和根关节电机(201-5)，
根关节电机(201-5)安装在根关节固定座(201-4)的下端面上，根关节电机(201-5)的输出轴与安装在根关节固定座(201-4)内的根关节旋转轴(201-3)连接，固定座轴承(201-2)套装在根关节旋转轴(201-3)上，固定座轴承压板(201-1)盖装在根关节固定座(201-4)上端的根关节旋转轴(201-3)上。
4.根据权利要求3所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：摆动杆(202)包括摆动杆外壳一(202-1)、髋关节电机(202-2)、髋关节电机法兰(202-3)、髋关节输入链轮(202-4)、摆动杆外壳二(202-5)、髋关节输出链轮(202-6)、髋关节垫块一(202-7)和髋关节垫块二(202-8)，
髋关节电机(202-2)通过髋关节电机法兰(202-3)安装在摆动杆外壳二(202-5)上，髋关节输入链轮(202-4)安装在髋关节电机(202-2)的输出轴上，摆动杆外壳一(202-1)扣装在摆动杆外壳二(202-5)上，髋关节垫块一(202-7)、髋关节输出链轮(202-6)和髋关节垫块二(202-8)作为一个整体内嵌在摆动杆外壳一(202-1)和摆动杆外壳二(202-5)一侧的内孔中，髋关节输入链轮(202-4)和髋关节输出链轮(202-6)之间通过链条连接。
5.根据权利要求4所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：根关节旋转轴(201-3)在轴线方向上开设有摆动杆安装孔(201-6)。
6.根据权利要求5所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：大腿(203)包括膝关节输出链轮(203-1)、膝关节轴承一(203-2)、膝关节轴承二(203-3)、链传动保护壳(203-4)、膝关节输入链轮(203-5)、膝关节电机法兰(203-6)、膝关节电机(203-7)、大腿外壳一(203-8)和膝关节外壳二(203-9)，
膝关节轴承二(203-3)安装在膝关节外壳二(203-9)上，膝关节电机(203-7)安装在膝关节外壳二(203-9)的中部，膝关节电机法兰(203-6)安装在膝关节电机(203-7)的输出轴上，大腿外壳一(203-8)扣装在膝关节电机(203-7)上，膝关节轴承一(203-2)安装在大腿外壳一(203-8)内，且膝关节轴承一(203-2)与膝关节轴承二(203-3)的轴线位于同一条直线上，膝关节输出链轮(203-1)位于膝关节轴承一(203-2)的上方，膝关节输出链轮(203-1)与膝关节输入链轮(203-5)之间通过链条连接，链传动保护壳(203-4)扣装在膝关节输出链轮(203-1)与膝关节输入链轮(203-5)上。
7.根据权利要求1或6所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：小腿(204)包括小腿连接件(204-1)、小腿碳管(204-2)和球形足(204-3)，小腿连接件(204-1)、小腿碳管(204-2)和球形足(204-3)依次连接成一体。
8.根据权利要求7所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：小腿连接件(204-1)为L形连接件。
9.根据权利要求1或8所述的基于死点支撑效应的高速低能耗六足机器人，其特征在于：髋关节组件包括髋关节轴承一(205)和髋关节轴承二(206)，髋关节轴承一(205)和髋关节轴承二(206)分别安装在摆动杆(202)上的髋关节垫块一(202-7)和髋关节垫块二(202-8)的两侧，实现大腿(203)与摆动杆(202)另一端的转动连接。
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