CN207550350U - 基于并联机构的滚动机器人 - Google Patents

Abstract

基于并联机构的滚动机器人，主要包括多边形重心调整装置、抱闸装置、并联单元模块、轮毂电机及角度测量装置。多边形重心调整装置的动平台组之间设有轮毂电机，抱闸装置的V刹与多边形重心调整装置的其中一根U型杆上的安装柱形成转动副连接。在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面设有并联单元模块。在重心调整装置的一个动平台中心设有角度测量装置。本实用新型机械结构简单高效，可行性高，在研究、娱乐、探测等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于并联机构的滚动机器人

技术领域

本实用新型设计了一种基于并联机构的滚动机器人，涉及到两类并联机构以及抱闸装置的应用，通过重心偏移及动量守恒实现机器人向前滚动。

背景技术

滚动机器人主要应用于研究、娱乐、探测等领域，是区别于轮式、足式机器人的一种通过重心调整实现行走的新型机器人。当前典型的滚动机器人大部分采用球形结构，即机器人外部轮廓为一球形，通过球内电机改变活动质量块的位置进而改变质心的位置，最终实现滚动和转弯。该类机器人和地面为点接触且外形不能根据路况改变，虽运动灵活，但对方向的控制较难，且路面质量对其行走影响较大，难以跨越障碍。

轮形的滚动机器人和地面为线接触，一定程度可弥补球形机器人的不足。中国专利CN200520022908.9公开了一种基于平面四杆机构的轮形滚动机器人，通过自身平行四边形的变形和机构在自身杆件的运动惯性完成翻滚行进。中国专利CN201210127096公开了一种包括一个连接杆、两个独立的类车轮六边形机构组成的机器人，通过改变共用一个顶点的三个平行四边形内角的变化，改变每个类车轮六边形机构的形状，实现机构变形并翻滚。上述轮形滚动机器人主要为平面连杆机构，存在转弯困难、承载能力不强、驱动方式单一等缺点，不利于大型化应用。

空间并联机构通常具有自由度灵活、刚度大，承载能力强，动态响应好、结构简单等优点。文献《液压驱动缩放支链的并联式滚动机器人》(机械工程学报,2015,51(19):28-39)描述了一种基于采用经典的3-RPS并联机构的滚动机器人，设计上应用平面缩放支链作为伸缩比放大机构以获得大变形能力并实现翻转，但滚动效果不明显。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种刚度大、能转弯、滚动效果明显、路况适应性强且具有多种驱动模式的基于并联机构的滚动机器人。

本实用新型主要包括多边形重心调整装置、抱闸装置、并联单元模块、轮毂电机及角度测量装置。

其中，多边形重心调整装置的动平台组之间设有轮毂电机，抱闸装置的V刹与多边形重心调整装置的其中一根U型杆上的安装柱形成转动副连接。在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面设有并联单元模块。在多边形重心调整装置的一个动平台中心设有角度测量装置。

多边形重心调整装置主要包括有：多边形框架、底座、角件、双输出轴舵机、驱动轴A、驱动连杆、从动连杆、动平台、U型杆、固定杆、摄像头、总控控制板和电池A。多边形框架由6、9或12个中空的棱面组成，使机器人便于滚动的同时内部空间便于其他零部件的安装。在相邻的多边形框架面的连接处固定连接角件，以增加多边形框架的刚度。在每个棱面上设有若干通孔。底座及双输出轴舵机通过棱面上的通孔安装在多边形框架中任意成120度布置的三个中空棱面的内壁上，其轴线与多边形框架棱线平行且位于棱面中垂面上。两根驱动轴A分别与双输出轴舵机的两驱动轴通过法兰连接，两根驱动连杆的一端分别对应与两根驱动轴A固定连接，驱动轴A相对于底座安装孔可实现转动，实现对驱动连杆的回转驱动。两根驱动连杆的另一端分别通过销轴A与从动连杆的一端构成转动副连接，销轴A轴线与双输出轴舵机的输出轴轴线平行，驱动连杆与销轴A通过过盈配合进行固定。动平台组由两个动平台组成，两个动平台与从动连杆、U型杆的连接方式相同。两个动平台分别通过销轴B与对应的从动连杆的另一端相连，形成转动副，销轴B的轴线与双输出轴舵机的输出轴轴线平行，动平台与销轴B通过过盈配合进行固定。在动平台上设有3个固定杆，每根固定杆的侧面设有通孔，U型杆的两个开口端的侧面设有通孔，U型杆与两动平台应用该通孔实现固定连接进而将两个动平台固定，增加了系统强度，其中一根U型杆的两个开口端处设有通孔，且在通孔内过盈连接安装柱。多边形框架、驱动连杆、从动连杆、动平台、U型杆组成一个具有两个移动自由度和一个转动自由度的平面并联3-RRR机构。摄像头固定在其中一个动平台中心，角度测量装置固定在另一个动平台中心，摄像头和角度测量装置呈对称分布。总控控制板和电池A固定在多边形框架的内壁上。

在动平台组的两个动平台之间设有轮毂电机，两个动平台的中心与轮毂电机安装轴通过过盈配合形成固定连接，轮毂电机可相对两个动平台的中心连线做回转运动。

抱闸装置对轮毂电机的回转运动进行限制，抱闸装置主要由V刹、电磁铁和刹车绳组成。V刹的两个活动端通过刹车绳与伸缩电磁铁固定连接。

并联单元模块主要由单元模块定平台、单元模块动平台、舵机A、舵机B、舵机C、控制板、电池B、法兰盘、分支杆A和分支杆B组成。单元模块定平台的外壁固定在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面，在两个单元模块定平台A的内侧固定连接舵机A、舵机C、万向节、控制板和电池B，在单元模块动平台的内壁固定有舵机B，舵机A、舵机B和舵机C分别通过法兰盘与对应的分支杆A的一端固连，分支杆A的另一端与分支杆B的一端形成转动副连接。与舵机A、舵机C对应的分支杆B的另一端通过万向节固定在单元模块动平台的内壁上。与舵机B对应的分支杆B的另一端通过万向节固定在单元模块定平台的内壁上。

角度测量装置由绝对值编码器、安装法兰和重力块组成，绝对值编码器通过安装法兰固定连接在其中一个动平台上，与安装在另一动平台上的摄像头对称分布，在绝对值编码器的转轴上连接重力块驱动其回转。

本实用新型在使用时，在双输出轴舵机的驱动下两个动平台可实现同步运动，通过调节动平台移动自由度使多边形重心调整装置质心偏移从而对支撑点形成翻转力矩，进而实现第一种滚动驱动。动平台所具有的转动自由度可实现对固连在动平台上的摄像头等设备进行角度调节。充分利用多边形重心调整装置中心空间，轮毂电机可相对于动平台中心连线做回转运动；在连接两个动平台的U型杆上设置抱闸装置对轮毂电机的回转运动进行限制，电磁铁的伸缩运动控制V刹的闸片松开、紧贴轮毂电机的轮毂，实现刹车的自动控制。当轮毂电机相对于动平台高速回转时，抱闸装置在伸缩电磁铁的作用下通过摩擦力使轮毂电机瞬间停止，根据角动量守恒定律，机器人整体将向前进行滚动，实现第二种滚动驱动。多边形框架棱线垂直的轴线的运动，机器人将变成梯形棱柱，可以使机器人实现转弯运动；多边形框架棱线平行的轴线的运动，并联单元模块定平台及其连接的多边形框架棱面将与地面呈一定角度，即机器人质心超出该并联单元模块的动平台的表面，最终实现第三种滚动驱动。并联单元模块移动自由度可以使单元模块的两个底板间距离改变，从而可以改变轮子的直径，使得在相同转动速度下实现不同的滚动速度，同时也可保证在质心高度不变的同时适应凹凸的路面。滚动机器人控制方式采用每个单元模块独立控制，通过总控控制板对独立单个控制板进行控制。总控控制板根据机器人自身状况发送控制指令给并联单元模块，为了判断当前与地面接触的并联单元模块，在重心调整装置的动平台上的中心位置固定安装角度测量装置。

本实用新型与现有技术相比，机械结构简单高效，可行性高，在研究、娱乐、探测等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为基于并联机构的滚动机器人的立体示意简图；

图2为两转一移三自由度并联单元模块的立体示意简图；

图3为多边形重心调整装置的立体示意简图；

图4为轮毂电机及抱闸装置的立体示意简图；

图5角度测量装置剖视图；

图6并联单元模块运动过程示意图。

图中，1-六边形框架、2-驱动连杆、3-从动连杆、4-U型杆、5-电池A、6-双输出轴舵机、7-动平台、8-轮毂电机、9-单元模块定平台、10-舵机A、11-控制板、12-万向节、13-单元模块动平台、14-法兰盘、15-舵机B、16-舵机C、17-底座、18-总控制板、19-V刹、20-电磁铁、21-刹车绳、22-绝对值编码器、23-安装法兰、24-电池B、25-角件、26-驱动轴A、27-固定杆、28-分支杆A、29-分支杆B、30-重力块、31-摄像头。

具体实施方式

在图1至图6的本发明的示意见图中，本实用新型主要包括多边形重心调整装置、抱闸装置、并联单元模块、轮毂电机及角度测量装置。

多边形重心调整装置的动平台组之间设有轮毂电机，抱闸装置的V刹与多边形重心调整装置的其中一根U型杆上的安装柱形成转动副连接。在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面设有并联单元模块。在多边形重心调整装置的一个动平台中心设有角度测量装置。

多边形重心调整装置主要包括有：多边形框架1、底座17、角件25、双输出轴舵机6、驱动轴A26、驱动连杆2、从动连杆3、动平台7、U型杆4、固定杆27、摄像头31、总控制板18和电池A。多边形框架1由6、9或12个中空的棱面组成，使机器人便于滚动的同时内部空间便于其他零部件的安装。在相邻的多边形框架面的连接处固定连接角件25，以增加多边形框架的刚度。在每个棱面上设有若干通孔。底座17通过棱面上的通孔安装在多边形框架中任意成120度布置的三个中空棱面的内壁上，固连于内壁与多边形框架棱线平行的中心线上的两侧，底座上设有安装孔，安装孔轴线与多边形框架棱线平行；多边形框架中任意成120度布置的三个中空棱面的内壁中心处固定连接双输出轴舵机6，双输出轴舵机的轴线与多边形框架棱线平行且位于棱面中垂面上。两根驱动轴A26分别与双输出轴舵机6的两驱动轴通过法兰连接，两根驱动连杆2的一端分别对应与两根驱动轴A固定连接，驱动轴A相对于底座17的安装孔可实现转动，实现对驱动连杆的回转驱动。两根驱动连杆的另一端分别通过销轴A与从动连杆3的一端构成转动副连接，销轴A轴线与双输出轴舵机的输出轴轴线平行，驱动连杆与销轴A通过过盈配合进行固定。动平台组由两个动平台组成，两个动平台7与从动连杆、U型杆4的连接方式相同。两个动平台分别通过销轴B与对应的从动连杆的另一端相连，形成转动副，销轴B的轴线与双输出轴舵机的输出轴轴线平行，动平台与销轴B通过过盈配合进行固定。在动平台上设有3个固定杆27，每根固定杆的侧面设有通孔，U型杆的两个开口端的侧面设有通孔，U型杆与两动平台应用该通孔实现固定连接进而将两个动平台固定，增加了系统强度，其中一根U型杆的两个开口端处设有通孔，且在通孔内过盈连接安装柱。多边形框架、驱动连杆、从动连杆、动平台、U型杆组成一个具有两个移动自由度和一个转动自由度的平面并联3-RRR机构。摄像头固定在其中一个动平台中心，角度测量装置固定在另一个动平台中心，摄像头和角度测量装置呈对称分布。总控控制板18和电池A5固定在多边形框架的内壁上。

在动平台组的两个动平台之间设有轮毂电机8，两个动平台的中心与轮毂电机安装轴通过过盈配合形成固定连接，轮毂电机可相对两个动平台的中心连线做回转运动。

抱闸装置对轮毂电机的回转运动进行限制，抱闸装置主要由V刹19、电磁铁20和刹车绳21组成。V刹的两个活动端通过刹车绳与伸缩电磁铁固定连接。

并联单元模块主要由单元模块定平台、单元模块动平台、舵机A、舵机B、舵机C、控制板、电池B、法兰盘、分支杆A和分支杆B组成。单元模块定平台9的外壁固定在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面，在两个单元模块定平台A的内侧固定连接舵机A10、舵机C16、万向节12、控制板11和电池24，在单元模块动平台的内壁固定有舵机B15，舵机A、舵机B和舵机C16分别通过法兰盘14与对应的分支杆A的一端相连，分支杆A28的另一端与分支杆B29的一端形成转动副连接。与舵机A、舵机C对应的分支杆B的另一端通过万向节固定在单元模块动平台的内壁上。与舵机B对应的分支杆B的另一端通过万向节固定在单元模块定平台的内壁上。

角度测量装置由绝对值编码器22、安装法兰23和重力块30组成，绝对值编码器通过安装法兰固定连接在其中一个动平台上，与安装在另一动平台上的摄像头对称分布，在绝对值编码器的转轴上连接重力块驱动其回转。

Claims (4)

1.基于并联机构的滚动机器人，主要包括多边形重心调整装置、抱闸装置、并联单元模块、轮毂电机及角度测量装置，其特征在于：多边形重心调整装置的动平台组之间设有轮毂电机，抱闸装置的V刹与多边形重心调整装置的其中一根U型杆上的安装柱形成转动副连接，在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面设有并联单元模块，在重心调整装置的一个动平台中心设有角度测量装置，在动平台组的两个动平台之间设有轮毂电机，两个动平台的中心与轮毂电机安装轴通过过盈配合形成固定连接，轮毂电机可相对两个动平台的中心连线做回转运动，抱闸装置对轮毂电机的回转运动进行限制，抱闸装置主要由V刹、电磁铁和刹车绳组成，V刹的两个活动端通过刹车绳与伸缩电磁铁固定连接，并联单元模块主要由单元模块定平台、单元模块动平台、舵机A、舵机B、舵机C、控制板、电池B、法兰盘、分支杆A和分支杆B组成。

2.根据权利要求1中所述的基于并联机构的滚动机器人，其特征在于：多边形重心调整装置主要包括有：多边形框架、底座、角件、双输出轴舵机、驱动轴A、驱动连杆、从动连杆、动平台、U型杆、固定杆、摄像头、总控控制板和电池A，多边形框架由6、9或12个中空的棱面组成，使机器人便于滚动的同时内部空间便于其他零部件的安装，在相邻的多边形框架面的连接处固定连接角件，以增加多边形框架的刚度，在每个棱面上设有通孔，底座及双输出轴舵机通过棱面上的通孔安装在多边形框架中任意成120度布置的三个中空棱面的内壁上，其轴线与多边形框架棱线平行且位于棱面中垂面上，两根驱动轴A分别与双输出轴舵机的两驱动轴通过法兰连接，两根驱动连杆的一端分别对应与两根驱动轴A固定连接，驱动轴A相对于底座安装孔可实现转动，两根驱动连杆的另一端分别通过销轴A与从动连杆的一端构成转动副连接，销轴A轴线与双输出轴舵机的输出轴轴线平行，动平台组由两个动平台组成，两个动平台与从动连杆、U型杆的连接方式相同，两个动平台分别通过销轴B与对应的从动连杆的另一端相连，形成转动副，销轴B的轴线与双输出轴舵机的输出轴轴线平行，在动平台上设有3个固定杆，每根固定杆的侧面设有通孔，U型杆的两个开口端的侧面设有通孔，U型杆与两动平台应用该通孔实现固定连接进而将两个动平台固定，增加了系统强度，其中一根U型杆的两个开口端处设有通孔，且在通孔内过盈连接安装柱，多边形框架、驱动连杆、从动连杆、动平台、U型杆组成一个具有两个移动自由度和一个转动自由度的平面并联3-RRR机构，摄像头固定在其中一个动平台中心，角度测量装置固定在另一个动平台中心，摄像头和角度测量装置呈对称分布，总控控制板和电池A固定在多边形框架的内壁上。

3.根据权利要求1所述的基于并联机构的滚动机器人，其特征在于：总控控制板和电池A固定在多边形框架的内壁上，角度测量装置由绝对值编码器、安装法兰和重力块组成，绝对值编码器通过安装法兰固定连接在其中一个动平台上，与安装在另一动平台上的摄像头对称分布，在绝对值编码器的转轴上连接重力块驱动其回转。

4.根据权利要求1所述的基于并联机构的滚动机器人，其特征在于：单元模块定平台的外壁固定在多边形重心调整装置的每个棱面的外表面，在两个单元模块定平台A的内侧固定连接舵机A、舵机C、万向节、控制板和电池B，在单元模块动平台的内壁固定有舵机B，舵机A、舵机B和舵机C分别通过法兰盘与对应的分支杆A的一端固连，分支杆A的另一端与分支杆B的一端形成转动副连接，与舵机A、舵机C对应的分支杆B的另一端通过万向节固定在单元模块动平台的内壁上，与舵机B对应的分支杆B的另一端通过万向节固定在单元模块定平台的内壁上。