CN216070256U - 一种采用平面式并联腿的机器人 - Google Patents

Abstract

一种采用平面式并联腿的机器人，属于机器人技术领域。所述采用平面式并联腿的机器人包括机器人身体部分以及设置于机器人身体部分的平面式并联腿，平面式并联腿与机器人身体部分通过传动系统连接，平面式并联腿为由连杆腿、支撑腿、外大腿和内大腿依次转动连接而成的平面四连杆结构，外大腿和内大腿均与传动系统连接。所述采用平面式并联腿的机器人结构简单、刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动态响应性能好、运动稳定性高、避免产生附加力矩、增长使用寿命，提高运输速度、降低人工成本。

Description

一种采用平面式并联腿的机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种采用平面式并联腿的机器人。

背景技术

轮式和履带式机器人常用于工业现场领域以进行运输、救援等工作，但是，在遇到崎岖不平地面环境时，轮式和履带式机器人由于具有连续的支撑路径，导致其存在移动困难的弊端。相对比于轮式和履带式机器人，腿足式机器人拥有独立的落点，其复杂地形的通过性明显优于轮式和履带式机器人，因此，腿足式机器人在农业运输、生活运输、军事运输领域均得到应用。

传统腿足式机器人的腿多采用串联腿，存在刚度差、稳定性差、承载能力弱、稳定性差、以及运动精度低的缺点。采用传统并联腿的腿足式机器人，由于其并联腿为交叉式结构，会产生附加扭矩，剪切应力过大，导致其稳定性差、磨损增大、缩短使用寿命。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种采用平面式并联腿的机器人，其结构简单、刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小、动态响应性能好、运动稳定性高、避免产生附加力矩、增长使用寿命，提高运输速度、降低人工成本。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种采用平面式并联腿的机器人，包括机器人身体部分以及设置于所述机器人身体部分的平面式并联腿，所述平面式并联腿与机器人身体部分通过传动系统连接；

所述平面式并联腿为由连杆腿、支撑腿、外大腿和内大腿依次转动连接而成的平面四连杆结构，所述外大腿和内大腿均与所述传动系统连接。

进一步的，所述内大腿靠近外大腿的一端设置有空心轴，所述外大腿设置有与所述空心轴对应的套筒，所述套筒与空心轴转动连接。

进一步的，所述连杆腿为二连杆，其一端与内大腿端部的U型槽转动连接，其另一端与支撑腿内的长槽转动连接。

进一步的，所述支撑腿靠近连杆腿一端设置有橡胶垫，用于行走；所述支撑腿的另一端与外大腿的U型槽转动连接。

进一步的，所述连杆腿、支撑腿、外大腿和内大腿均设置镂空结构。

进一步的，所述传动系统包括驱动电机一和驱动电机二，所述驱动电机一输出端的带轮一与套装于所述套筒外部的带轮二通过同步带连接；所述驱动电机二输出端的带轮三与套装于所述空心轴外部的带轮四通过同步带连接。

进一步的，所述驱动电机一和驱动电机二均设置于电机架，所述电机架通过固定板与机器人身体部分固定连接。

优选的，所述平面式并联腿设置有四个，四个平面式并联腿对称设置于机器人身体部分的两侧。

优选的，所述机器人身体部分为长方形箱体结构。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型的采用平面式并联腿的机器人结构简单，具有刚度大、承载能力强、精度高、自重负荷比小及动态响应性能好等优点，能够应用于救援运输的场景，提高运输速度、降低人工成本、避免人工直接参与，改善工人工作环境，工作效率高，节能环保，大大降低了能源损耗，有较高的应用前景；

2本实用新型的平面式并联腿与交错式设计相比，能够避免产生派生扭矩，且四肢连接螺栓所受的剪切应力为交错式并联腿机构的二分之一，避免扭矩和剪切力过大，提高机器人运动稳定性，减小轴向力，增大构件使用寿命，减小磨损；

3)本实用新型采用平面式并联腿，其结构简单，在后续的使用控制中，能够简化编程难度，降低制造成本。

本实用新型的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种采用平面式并联腿的机器人的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的平面式并联腿的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的外大腿的结构示意图一；

图4是本实用新型实施例提供的外大腿的结构示意图二；

图5是本实用新型实施例提供的内大腿的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的连杆腿的结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的支撑腿的结构示意图；

图8是本实用新型实施例提供的传动系统的结构示意图一；

图9是本实用新型实施例提供的传动系统的结构示意图二；

图10是本实用新型实施例提供的机器人身体部分的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-机器人身体部分，2-平面式并联腿，3-连杆腿，4-支撑腿，5-外大腿，6-内大腿，7-空心轴，8-套筒，9-驱动电机一，10-驱动电机二，11-带轮一，12-带轮二，13-带轮三，14-带轮四，15-同步带，16-固定板，17-电机架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图10所示，本实用新型提供了一种带有平面式并联腿2的机器人，包括机器人身体部分1以及设置于机器人身体部分1的平面式并联腿2，平面式并联腿2与机器人身体部分1通过传动系统连接；

平面式并联腿2为由连杆腿3、支撑腿4、外大腿5和内大腿6依次转动连接而成的平面四连杆结构，外大腿5和内大腿6均与传动系统连接。

如图1所示，作为优选实施例，平面式并联腿2设置有四个，四个平面式并联腿2对称设置于机器人身体部分1的两侧，对机器人身体部分1进行支撑。具体的，四个平面式并联腿2的结构相同，位于机器人身体部分1两侧的平面式并联腿2相对于身体部分的中垂面呈镜像对称，提高结构的稳定性，能够解决腿部派生力矩造成结构稳定性变差的问题，当时，在实际使用时，根据需要平面式并联腿2也可设置五个、六个或者多个。

如图1和图2所示，平面式并联腿2为平面的四连杆结构，即连杆腿3、支撑腿4、外大腿5和内大腿6之间相邻连接的位置没有出现交错，而是同轴连接成平面，该平面的四连杆结构能够避免轴向力过大，避免扭矩和剪切力过大，通过铰接，减小轴向力，增大构件使用寿命，减小磨损。根据剪切应力公式：

能够得到，本实用新型的平面式并联腿2的连接螺栓所受的剪切应力为交错式并联腿机构连接螺栓所受剪切应力的二分之一，式中，τ为两个腿部连杆之间连接螺栓所受的剪切应力，F_s为两个腿部连杆之间的剪切力；A剪切面积，即螺栓的横截面积。

如图3至图5所示，内大腿6靠近外大腿5的一端设置有空心轴7，外大腿5设置有与空心轴7对应的套筒8，套筒8与空心轴7转动连接。具体的，套筒8套装于空心轴7的外部，并且套筒8与空心轴7之间设置有滚动轴承，并通过轴套完成相对定位，以实现相对转动，通过空心轴7以实现腿部轻量化。

如图6所示，连杆腿3为二连杆，其一端与内大腿6端部的U型槽转动连接，其另一端与支撑腿4内的长槽转动连接，具体的，连杆腿3的两端均通过轴承、轴套、螺栓和螺母实现与内大腿6和支撑腿4的转动连接，连杆腿3采用二连杆，使其受力沿连杆腿3的长度方向。

如图7所示，支撑腿4靠近连杆腿3一端设置有橡胶垫，用于行走；支撑腿4的另一端与外大腿5的U型槽转动连接，具体的，支撑腿4的另一端通过轴承、轴套、螺栓和螺母实现与外大腿5的转动连接。

作为优选实施例，连杆腿3、支撑腿4、外大腿5和内大腿6均设置镂空结构，实现机器人的轻量化，使机器人腿部可转动部分质量占机器人总质量的比例小于10％，方便分析、控制，使得机器人质心位置更稳定。

如图8和图9所示，传动系统包括驱动电机一9和驱动电机二10，驱动电机一9输出端的带轮一11与套装于套筒8外部的带轮二12通过同步带15连接；驱动电机二10输出端的带轮三13与套装于空心轴7外部的带轮四14通过同步带15连接。驱动电机一9和驱动电机二10均设置于电机架17，电机架17通过固定板16与机器人身体部分1固定连接。具体的，固定板16通过四个螺栓固定于机器人身体部分1内侧，电机架17通过四个螺栓固定于固定板16，驱动电机一9和驱动电机二10均通过螺栓安装于电机架17上的电机凹槽内，固定板16与套筒8之间设置有轴承，以实现转动连接。

本实施例中，传动系统结构简单，传动系统位于机器人身体部分1内部使机器人重心与机器人身体部分1的中心重合，通过两个驱动电机驱动实现四连杆机构完成设定的运动。套筒8与带轮二12、以及空心轴7与带轮四14均通过键连接，并采用同步带15进行力矩的传递，实现驱动电机一9和驱动电机二10分别对外大腿5和内大腿6的驱动，同步带15在保证传动精度、传递较大力矩的同时起到防冲击的作用，对驱动电机具有保护作用。

如图10所示，机器人身体部分1为长方形箱体结构，本实施例中，组成机器人身体部分1的六个平板均为铝合金板，六个平板通过螺栓方式拼接成身体框架，并通过螺栓连接的方式与其内部的传动系统的固定板16固定连接，进而实现与平面式并联腿2的固定。

本实用新型的具体实施方式公开了所要保护的带有平面式并联腿2的机器人的具体结构，其他结构和控制可参考现有技术。

本实用新型的一种带有平面式并联腿2的机器人在实际使用时，驱动电机一9和驱动电机二10均采用大疆M3508直流无刷减速电机，大疆M3508直流无刷减速电机集成了减速比为19：1的减速箱，是专为中小型机器人量身打造的高性能伺服电机，具有体积小、重量轻、输出扭矩大、稳定性高可直接不适用外置减速器的优点，减少减速器的使用，降低机器人重量，提高电能效率，提高设备使用可靠度。驱动电机一9和驱动电机二10通过1：3传动比的同步带15驱动外大腿5和内大腿6运动，完成动力传输，采用驱动电机一9和驱动电机二10分别施加在外大腿5和内大腿6上即可实现四连杆的运动控制，即，通过八个驱动电机为四个平面式并联腿2提供动力，大疆M3508直流无刷减速电机搭配RoboMasterC620电调，实现电机正弦驱动，并且，电机自带位置传感器、温度检测传感器，可提供位置反馈、防止电机因温度过高损坏。

为了实现自动控制，本实用新型的一种带有平面式并联腿2的机器人可在机器人身体部分1内设置电源和控制器，电源为机器人供电，控制器采用STM32F407控制器。机器人在运行过程中，控制器(STM32F407)通过电调(RoboMasterC620)分别向八个大疆M3508直流无刷减速电机发送控制指令，四条平面式并联腿2的驱动电机一9和驱动电机二10均按照指令做出动作，通过同步带15为传动机器人每条腿的外大腿5和内大腿6传递动力，平面式并联腿2具有确定的动作，进而完成抬腿、迈步、落地动作，保证每条腿程序相同根据每个步态不同的特点设置四条腿动作时差，在一个周期内四条腿均有一次动作即可完成机器人的行走控制。STM32F407控制器自带的两路CAN通信，CAN1、CAN2分别连接两对角四个电机向电调发送电流指令，并根据电调返回的速度、以及当前外大腿5和内大腿6之间角度，利用PID算法根据与设定目标值的误差实时补偿，与适用在控制器上的嵌入式实时操作系统的程序相结合，以降低电机延时。还可通过机器人两侧足端步长差别实现机器人的拐弯动作。本实用新型采用平面四连杆结构的平面式并联腿2提高了结构稳定性与机器人的荷载能力、并简化机器人的控制程序。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，包括机器人身体部分以及设置于所述机器人身体部分的平面式并联腿，所述平面式并联腿与机器人身体部分通过传动系统连接；

所述平面式并联腿为由连杆腿、支撑腿、外大腿和内大腿依次转动连接而成的平面四连杆结构，所述外大腿和内大腿均与所述传动系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述内大腿靠近外大腿的一端设置有空心轴，所述外大腿设置有与所述空心轴对应的套筒，所述套筒与空心轴转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述连杆腿为二连杆，其一端与内大腿端部的U型槽转动连接，其另一端与支撑腿内的长槽转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述支撑腿靠近连杆腿一端设置有橡胶垫，用于行走；所述支撑腿的另一端与外大腿的U型槽转动连接。

5.根据权利要求1所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述连杆腿、支撑腿、外大腿和内大腿均设置镂空结构。

6.根据权利要求2所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述传动系统包括驱动电机一和驱动电机二，所述驱动电机一输出端的带轮一与套装于所述套筒外部的带轮二通过同步带连接；所述驱动电机二输出端的带轮三与套装于所述空心轴外部的带轮四通过同步带连接。

7.根据权利要求6所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述驱动电机一和驱动电机二均设置于电机架，所述电机架通过固定板与机器人身体部分固定连接。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述平面式并联腿设置有四个，四个平面式并联腿对称设置于机器人身体部分的两侧。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种采用平面式并联腿的机器人，其特征在于，所述机器人身体部分为长方形箱体结构。

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