CN117415857B - 一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，包括位置补偿组件、连接臂组件、回转组件、立柱以及底座。连接臂组件能够绕立柱圆心做旋转运动和绕立柱顶端的摆动运动，其长度通过一套管结构调整以适应不同规格的腿足式机器人，位置补偿组件固连于连接臂组件末端，以补偿连接臂组件的摆动所带来的径向位移，位置补偿组件设有安装接口以安装待测试的腿足式机器人。本发明采用圆环运动模式能够释放运动距离限制，设有运动补偿机构，使得腿足式机器人运动时的高低起伏能够在同一平面不受测试平台的干扰。该平台能够实现腿足式机器人的多种运动模式，并为液压管路的布置留有结构，有益于电动和液压驱动的腿足式机器人的性能验证。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台。
背景技术
腿足式机器人是移动机器人的一个重要分支，当前主要有电驱和液压驱动两类。凭借离散的落足点实现对地形的灵活适应，腿足式机器人被广泛应用于地形勘探、武器装备、物资运输等领域。
目前的腿足式机器人大多依据仿生学，参照自然界中的足类动物结构进行设计开发，其运动依靠腿足的摆动。腿足式机器人的运动性能依靠腿足单元，为了降低开发成本，减轻开发压力，腿足单元的运动性能测试对于腿足式机器人整机的运动性能提升具有重要意义。
为了在有限的测试场地空间内尽可能地还原机器人的真实运动，实现多功能的测试，当前的腿足式机器人测试平台主要有如下两种：第一种通过平台框架将腿足单元限定在垂直方向或一有限的垂直平面，第二种通过框架将机器人限定在一个环形的运动空间内，在有限的空间内模拟无限距离的直线运动测试。
以上第一种试验台结构简单，自由度数目较少，不能够真实还原腿足单元的运动特性，无法获得有效的测试数据。第二种试验台没有考虑到腿足运动时高度起伏不定，框架会在径向对机器人产生拉力或推力，产生了冗余约束，没有办法对真实腿足单元的直线运动进行还原。此外，大多数测试平台没有考虑液压机器人的管路布置，无法进行液压机器人的测试。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，能够满足腿足式机器人的腿足单元性能测试需求；测试整机或单腿的运动性能，包括跳跃、行走；测试机械系统疲劳性等等。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，包括位置补偿组件、连接臂组件、回转组件、立柱以及底座；底座位于最下方，固定于一可靠的平面，立柱下端与底座相连，回转组件圆环端同立柱上端相连，另一端同连接臂组件相连，位置补偿组件同连接臂组件另一末端相连，腿足式机器人固连于位置补偿组件末端，位置补偿组件带动腿足式机器人在沿立柱径向移动，以补偿腿足式机器人运动时受连接臂组件牵引造成的径向位移。
进一步地，所述位置补偿组件由机器人接口、凸轮槽板件、轴安装板、法兰转轴一、管接头一、管接头二、键槽转轴、法兰盘、角码、安装板以及布置在安装板上正反两面的三组滑轨滑块、凸轮组成：机器人接口侧面的六个安装孔与腿足式机器人的相固连，该机器人接口平行面与滑轨滑块相连，滑轨滑块固定在安装板上，使得机器人接口能够相对于安装板平移，此外，机器人接口上垂直且对称布置于两侧的两个耳状结构中安装有凸轮，分别置于对称布置的两个凸轮槽板件的圆弧凹槽中，相对于凹槽滚动；凸轮槽板件与法兰盘固连，同时法兰盘与键槽转轴固连；键槽转轴通过键与管接头二相配合；法兰转轴一与管接头一盘状部分固连；法兰转轴一和键槽转轴都安装于轴安装板上，轴安装板通过角码垂直于安装板相连，对称布置；同时，管接头一和管接头二分别与平行布置的连接臂组件中的小连接臂一段固连。
进一步地，所述的键槽转轴通过连接臂组件驱动旋转，带动凸轮槽板件旋转驱动凸轮，进而带动机器人接口在滑轨滑块上平移，进而带动足式机器人在径向移动，以补偿腿足式机器人跳跃时受连接臂牵引造成的径向位移，并使其在跳跃时不受到径向力的影响；凸轮凹槽所补偿的位移与水平面的旋转角度之间的关系为：
（1）
式中为连接臂组件长度，/>为补偿的位移，/>为旋转角度，以法兰连接处为旋转中心，绘制对应的凹槽曲线，曲线坐标为：
（2）
式中、/>对应曲线坐标，/>为凸轮凹槽基圆半径；根据不同的绕立柱运动半径长度，应替换相对应的凸轮凹槽曲线，重新定制凸轮槽板件。
进一步地，所述连接臂组件包括两组平行布置的小连接臂、卡头和大连接臂：小连接臂与大连接臂套接，并通过卡头固定，通过调整小连接臂伸出长度能够调整连接臂组件长度，以适应不同尺寸的腿足式机器人和实现不同运动半径的运动；小连接臂和大连接臂分别与位置补偿组件中两个垂直布置的管接头一、管接头二以及回转组件中的两个垂直布置的管接头三相连，组成平行四边形连杆机构，实现机器人围绕立柱上端的摆动，并保证末端的运动补偿组件的姿态垂直，保证运动稳定。
进一步地，所述回转组件由法兰轴承座、法兰转轴二、管接头三、轴承外圈固定板、轴承安装台、轴承、橡胶圈和摆动支座组成：轴承内圈与轴承安装台突起平台固连，外圈上下两平面分别安装橡胶圈；橡胶圈另一平面与轴承外圈固定板相连；摆动支座一侧与两个轴承外圈固定板相连，另一侧板状部分上安装两组同心、共四个法兰轴承座；两个法兰轴二分别安装于两组法兰轴承座中；两个管接头三与法兰轴二的法兰部分固连。
进一步地，固定于轴承外圈的零件能够相对于轴承安装台旋转，以实现腿足式机器人绕立柱的转动；布置的橡胶圈在平台运行时提供部分缓冲。
进一步地，腿足式机器人连接位置补偿组件中的机器人接口，围绕着立柱进行模拟的前进或跳跃运动，以测试其运动性能。
进一步地，所述底座、立柱、回转组件、连接臂组件、位置补偿组件均设有通过液压油管的空间；具体的，油管从底座的凹槽穿进入中空的立柱内部，从另一侧穿出并从回转组件中的摆动支座中的槽口穿过，通过管接头三的槽口进入大连接臂和小连接臂中，并从管接头一穿出，连接至液压腿足式机器人上，油管布置于该发明内部且实现同轴旋转，能够使液压腿足式机器人能够摆脱油管限制，实现无限长度的运动测试。
本发明的有益效果：
1. 本发明提供的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测平台可以将机器人约束于一环形面中运动，近似实现了无限运动距离的运动，解除运动距离限制，缩小了实验空间，简化了实验设备。
2. 本发明提供的位置补偿组件针对因连接臂组件上下摆动时造成的半径变化产生的径向力，通过根据回转半径特定设计的凸轮机构补偿，去除了移动、跳跃时平台的干扰，还原真实运动情况。
3. 本发明提供的连接臂组件可以通过套接位置的调整来改变机器人的运动半径，以适应不同尺寸的机器人和不同条件的运动。
4. 本发明提供的回转组件中安装有橡胶圈，以起到吸震缓冲的作用，增加了该发明的稳定性，消除了该发明对机器人运动的干扰。
5. 本发明考虑了液压机器人的输油管布置，通过预留接口可以油管布置于该发明内部且实现同轴旋转，能够使液压腿足式机器人能够摆脱油管限制，实现无限长度的运动测试。
6. 本发明能够实现足式机器人（肢腿单元或整机）的多功能测试，功能包括：测足端行走、跳跃落足点；测量关节角度；测试机器人行走、跳跃功能等等与足式机器人运动性能相关的功能测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明提供的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台示意图。
图2是本发明提供的位置补偿组件的结构示意图。
图3是本发明提供的位置补偿组件的部分结构示意图。
图4是本发明提供的连接臂组件的部分结构示意图。
图5是本发明提供的回转组件的结构示意图。
图6是本发明提供的回转组件部分结构爆炸示意图。
图7是本发明实施例中凸轮凹槽曲线图。
其中，(1)位置补偿组件，(2)连接臂组件，(3)回转组件，(4)立柱，(5)底座，(1-1)机器人接口，(1-2)凸轮槽板件，(1-3)轴安装板，(1-4)法兰转轴一，(1-5)管接头一，(1-6)管接头二，(1-7)键槽转轴，(1-8)法兰盘，(1-9)角码，(1-10-1)安装板，(1-10-2)滑轨滑块，(1-11)凸轮，(2-1)小连接臂，(2-2)卡头，(2-3)大连接臂，(3-1)法兰轴承座，(3-2)法兰转轴二，(3-3)管接头三，(3-4)轴承外圈固定板，(3-5)轴承安装台，(3-6)轴承，(3-7)橡胶圈，(3-8)摆动支座。
具体实施方式
接下来将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在如下描述中，特别说明术语“上”、“下”、“内”、“外”、“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，包括位置补偿组件1、连接臂组件2、回转组件3、立柱4以及底座5。其特征在于，底座5位于最下方，固定于一可靠的平面，立柱4下端与其相连，回转组件3圆环端同立柱4上端相连，另一端同连接臂组件2相连，位置补偿组件1同连接臂组件2另一末端相连，腿足式机器人固连于位置补偿组件1末端。
本发明中，如图1所示，立柱最终稳定可靠地安装于底座，底座用于保证测试平台在腿足式机器人运动过程中保持稳定可靠。
本发明中，如图2、图3所示，位置补偿组件1由机器人接口1-1、凸轮槽板件1-2、轴安装板1-3、法兰转轴一1-4、管接头一1-5、管接头二1-6、键槽转轴1-7、法兰盘1-8、角码1-9、安装板1-10-1以及布置在其上正反两面的三组滑轨滑块1-10-2、凸轮1-11组成：机器人接口1-1侧面的六个安装孔可以与腿足式机器人的相固连，该接口平行面与滑轨滑块1-10-2相连，滑轨滑块固定在安装板1-10-1上，使得机器人接口1-1可以相对于安装板1-10-1平移，此外，其上垂直且对称布置于两侧的两个耳状结构空中安装有凸轮1-11，分别置于对称布置的两个凸轮槽板件1-2的圆弧凹槽中，可相对于凹槽滚动；凸轮槽板件1-2与法兰盘1-8的法兰段固连，同时法兰盘1-8与键槽转轴1-7固连；键槽转轴1-7通过键与管接头二1-6相配合，必要的，设置有轴套等零部件；法兰转轴一1-4与管接头一通过法兰固连；法兰转轴一1-4和键槽转轴1-7都安装于轴安装板上，必要的，设置有轴承等零部件，轴安装板通过角码1-9垂直于安装板1-10-1相连；此外，管接头一1-5和管接头二1-6分别与平行布置的小连接臂一段固连。
本发明中，如图2、图3所示，所述的凸轮槽板件1-2绕键槽转轴1-7旋转驱动凸轮1-11，进而带动机器人接口1-1在滑轨滑块1-10-2上平移，以补偿腿足式机器人跳跃时受连接臂牵引造成的径向位移，使其在跳跃时不受到径向力的影响。凸轮凹槽所补偿的位移与水平面的旋转角度之间的关系为：
（1）
式中为连接臂组件长度，/>为补偿的位移，/>为旋转角度，以法兰连接处为旋转中心，绘制对应的凹槽曲线，曲线坐标为：
（2）
式中、/>对应曲线坐标，/>为凸轮凹槽基圆半径。本实施例中，设置连接臂组件长度为1000mm，旋转角度为±25度，凸轮基圆半径为70mm，可得凸轮凹槽曲线如图7所示。此外，可以根据不同的绕立柱4运动半径长度，应替换相对应的凸轮凹槽曲线。此外，机器人接口1-1提供了腿足式机器人安装接口，以方便机器人的安装测试。特别的，可以根据不同的腿足式机器人进行不同的接口设计，不局限于本专利所示形式。
本发明中，如图1、图4所示，连接臂组件2包括两组平行布置的小连接臂2-1、卡头2-2、大连接臂2-3：小连接臂2-1与大连接臂2-3套接，并通过卡头2-2固定，通过调整小连接臂2-1伸出长度可以调整该组件长度，以适应不同尺寸的机器人和实现不同运动半径的运动。小连接臂2-1和大连接臂2-3分别与位置补偿组件中两个垂直布置的管接头一1-5、管接头二1-6以及回转组件中的两个垂直布置的管接头三3-3相连，组成平行四边形连杆机构，实现机器人围绕立柱上端的摆动，并保证末端的运动补偿组件的姿态垂直，保证运动稳定。
本发明中，如图5、图6所示，回转组件3由法兰轴承座3-1、法兰转轴二3-2、管接头三3-3、轴承外圈固定板3-4、轴承安装台3-5、轴承3-6、橡胶圈3-7、摆动支座3-8组成：轴承3-6内圈与轴承安装台3-5突起平台固连，外圈上下两平面分别安装橡胶圈3-7；橡胶圈3-7另一平面与轴承外圈固定板3-4相连；摆动支座一侧与两个轴承外圈固定板3-4相连，另一侧板状部分上安装两组同心、共四个法兰轴承座3-1；两个法兰轴二3-2分别安装于两组法兰轴承座3-1中，必要地，补充轴承等零件；两个管接头三3-3与法兰轴二3-2的法兰部分固连。
本发明中，如图5、图6所示，固定于轴承3-6外圈的零件可以与轴承安装台3-5间旋转，以实现腿足式机器人的绕立柱4转动。布置的橡胶圈3-7可以在平台运行时提供部分缓冲，保护结构，提高稳定性。
本发明中，如图1-6所示，腿足式机器人最终可以通过上述机构，围绕着立柱4进行模拟的前进运动，以测试其移动性能。腿足式机器人可以实现原地的垂直跳跃运动，以测试其跳跃性能。
本发明中，如图1-6所示，所述腿足式机器人最终可以通过上述机构，围绕着立柱进行模拟的前进运动，以测试其移动性能。腿足式机器人可以实现原地的垂直跳跃运动，以测试其跳跃性能。
本发明中，如图1-6所示，所述底座、立柱、回转组件、连接臂组件、位置补偿组件均设有通过液压油管的空间。具体的，油管从底座的凹槽穿过，进入中空的立柱内部，从另一侧穿出并从回转组件中的摆动支座中的槽口穿过，通过管接头三的槽口进入大连接臂和小连接臂中，并从管接头一穿出，连接至液压腿足式机器人上，油管布置于该发明内部且实现同轴旋转，能够使液压腿足式机器人能够摆脱油管限制，实现无限长度的运动测试。
本发明所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台具体使用方法为：腿足式机器人同机器人接口1-1通过螺栓可靠连接，实现在本发明上的安装；运行时，腿足式机器人可以在本发明的牵引下做原地垂直跳跃和绕柱的移动；运动时，回转组件3所提供的回转自由度随着腿足式机器人的运动自适应地旋转，同时，连接臂组件2能够按照其四边形连杆机构自适应的实现位置补偿组件1的垂直方向运动；进而，位置补偿组件1通过凸轮机构能够实现垂直运动时的径向位移补偿；最终能够实现对腿足式机器人的牵引。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，包括位置补偿组件(1)、连接臂组件(2)、回转组件(3)、立柱(4)以及底座(5)；底座(5)位于最下方，固定于一可靠的平面，立柱(4)下端与底座(5)相连，回转组件(3)圆环端同立柱(4)上端相连，另一端同连接臂组件(2)相连，位置补偿组件(1)同连接臂组件(2)另一末端相连，腿足式机器人固连于位置补偿组件(1)末端，位置补偿组件(1)带动腿足式机器人在沿立柱(4)径向移动，以补偿腿足式机器人运动时受连接臂组件(2)牵引造成的径向位移；
所述位置补偿组件(1)由机器人接口(1-1)、凸轮槽板件(1-2)、轴安装板(1-3)、法兰转轴一(1-4)、管接头一(1-5)、管接头二(1-6)、键槽转轴(1-7)、法兰盘(1-8)、角码(1-9)、安装板(1-10-1)以及布置在安装板(1-10-1)上正反两面的三组滑轨滑块(1-10-2)、凸轮(1-11)组成：机器人接口(1-1)侧面的六个安装孔与腿足式机器人的相固连，该机器人接口(1-1)平行面与滑轨滑块(1-10-2)相连，滑轨滑块固定在安装板(1-10-1)上，使得机器人接口(1-1)能够相对于安装板(1-10-1)平移，此外，机器人接口(1-1)上垂直且对称布置于两侧的两个耳状结构中安装有凸轮(1-11)，分别置于对称布置的两个凸轮槽板件(1-2)的圆弧凹槽中，相对于凹槽滚动；凸轮槽板件(1-2)与法兰盘(1-8)固连，同时法兰盘(1-8)与键槽转轴(1-7)固连；键槽转轴(1-7)通过键与管接头二(1-6)相配合；法兰转轴一(1-4)与管接头一盘状部分固连；法兰转轴一(1-4)和键槽转轴(1-7)都安装于轴安装板上，轴安装板通过角码(1-9)垂直于安装板(1-10-1)相连，对称布置；同时，管接头一(1-5)和管接头二(1-6)分别与平行布置的连接臂组件(2)中的小连接臂(2-1)一段固连。
2.根据权利要求1所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，所述的键槽转轴(1-7)通过连接臂组件(2)驱动旋转，带动凸轮槽板件(1-2)旋转驱动凸轮(1-11)，进而带动机器人接口(1-1)在滑轨滑块(1-10-2)上平移，进而带动足式机器人在径向移动，以补偿腿足式机器人跳跃时受连接臂牵引造成的径向位移，并使其在跳跃时不受到径向力的影响；凸轮凹槽所补偿的位移与水平面的旋转角度之间的关系为：
Δd＝H/cos(θ)-H (1)
式中H为连接臂组件长度，Δd为补偿的位移，θ为旋转角度，以法兰连接处为旋转中心，绘制对应的凹槽曲线，曲线坐标为：
x＝(Δd+r0)×cos(θ)
y＝(Δd+r0)×sin(θ) (2)
式中x、y对应曲线坐标，r0为凸轮凹槽基圆半径；根据不同的绕立柱(4)运动半径长度，应替换相对应的凸轮凹槽曲线，重新定制凸轮槽板件(1-2)。
3.根据权利要求1所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，所述回转组件(3)由法兰轴承座(3-1)、法兰转轴二(3-2)、管接头三(3-3)、轴承外圈固定板(3-4)、轴承安装台(3-5)、轴承(3-6)、橡胶圈(3-7)和摆动支座(3-8)组成：轴承(3-6)内圈与轴承安装台(3-5)突起平台固连，外圈上下两平面分别安装橡胶圈(3-7)；橡胶圈(3-7)另一平面与轴承外圈固定板(3-4)相连；摆动支座一侧与两个轴承外圈固定板(3-4)相连，另一侧板状部分上安装两组同心、共四个法兰轴承座(3-1)；两个法兰转轴二(3-2)分别安装于两组法兰轴承座(3-1)中；两个管接头三(3-3)与法兰转轴二(3-2)的法兰部分固连。
4.根据权利要求3所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，所述连接臂组件(2)包括两组平行布置的小连接臂(2-1)、卡头(2-2)和大连接臂(2-3)：小连接臂(2-1)与大连接臂(2-3)套接，并通过卡头(2-2)固定，通过调整小连接臂(2-1)伸出长度能够调整连接臂组件(2)长度，以适应不同尺寸的腿足式机器人和实现不同运动半径的运动；小连接臂(2-1)和大连接臂(2-3)分别与位置补偿组件中两个垂直布置的管接头一(1-5)、管接头二(1-6)以及回转组件中的两个垂直布置的管接头三(3-3)相连，组成平行四边形连杆机构，实现机器人围绕立柱上端的摆动，并保证末端的运动补偿组件的姿态垂直，保证运动稳定。
5.根据权利要求3所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，固定于轴承(3-6)外圈的零件能够相对于轴承安装台(3-5)旋转，以实现腿足式机器人绕立柱(4)的转动；布置的橡胶圈(3-7)在平台运行时提供部分缓冲。
6.根据权利要求1所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，腿足式机器人连接位置补偿组件(1)中的机器人接口(1-1)，围绕着立柱(4)进行模拟的前进或跳跃运动，以测试其运动性能。
7.根据权利要求3所述的一种带位置补偿机构的多功能腿足式机器人测试平台，其特征在于，所述底座(5)、立柱(4)、回转组件(3)、连接臂组件(2)、位置补偿组件(1)均设有通过液压油管的空间；具体的，油管从底座(5)的凹槽穿进入中空的立柱(4)内部，从另一侧穿出并从回转组件(3)中的摆动支座(3-8)中的槽口穿过，通过管接头三(3-3)的槽口进入大连接臂(2-3)和小连接臂(2-1)中，并从管接头一(1-5)穿出，连接至液压腿足式机器人上，油管布置于该测试平台内部且实现同轴旋转，能够使液压腿足式机器人能够摆脱油管限制，实现无限长度的运动测试。
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