CN217372340U - 一种新型四足机器人腰部机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型四足机器人腰部机构，包括前身连接板、后身连接板、三条支链，三条支链由第一简单支链、第二简单支链、第三简单支链组成；所述三条支链的一端与前身连接板连接，三条支链的另一端与后身连接板连接；所述第一简单支链、第二简单支链均为能实现空间6自由度运动的串联链且不对前身连接板运动产生约束，所述第三简单支链为对前身连接板产生三个约束，使得前身连接板相对于后身连接板只有三维运动；其中，三维运动指的是一维移动和两维转动运动。本实用新型采用三条支链连接前身连接板和后身连接板来构建四足机器人腰部机构，该结构简单，能实现空间一维移动和两维转动，是四足机器人机构领域的延伸和发展。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新型四足机器人腰部机构，属于仿生四足机器人技术领域。
背景技术
哺乳动物经过亿万年的进化，自然选择和进化的结果使其具备优异的骨骼结构和运动性能。效仿自然成为人类孜孜不倦的探索方向，目前在仿生领域科学家们研究了许多先进的四足机器人。例如Bigdog等高性能机器人。然而绝大多数四足仿生机器人腰部均为刚性躯体，不符合动物的运动规律。
通过观察四足哺乳动物可知，动物依靠自身的腰部结构进行能量的存储和释放，这样能够加快奔跑过程中的速度。同时腰部结构的存在使得其前身能够相对其后身产生俯仰运动、左右转动和伸缩运动。通过以上的分析可以看出腰部结构的存在对哺乳动物的运动性能具有绝定性的作用。因此有必要设计具备产生俯仰运动、左右转动和伸缩运动的仿生型四足机器人腰部机构。
发明内容
本实用新型提供了一种新型四足机器人腰部机构，通过三条支链实现了前身连接板P相对于后身连接板Q的一维移动和两维转动，并进一步用于仿生机器人的俯仰运动、左右转动和伸缩运动。
本实用新型的技术方案是：一种新型四足机器人腰部机构，包括前身连接板P、后身连接板Q、三条支链，三条支链由第一简单支链、第二简单支链、第三简单支链组成；所述三条支链的一端与前身连接板P连接，三条支链的另一端与后身连接板Q连接；所述第一简单支链、第二简单支链均为能实现空间6自由度运动的串联链且不对前身连接板P运动产生约束，所述第三简单支链为对前身连接板P产生三个约束，使得前身连接板P相对于后身连接板Q只有三维运动；其中，三维运动指的是一维移动和两维转动运动。
所述三条支链一端的运动副分别与前身连接板P连接，三条支链另一端分别与后身连接板Q的三个角连接，三条支链在运动过程中不相交。
与前身连接板P三个角连接的三条支链一端分别为：第一简单支链为虎克铰U13，第二简单支链为虎克铰U23，第三简单支链为虎克铰U32；三条支链另一端与后身连接板Q三个角的连接为：第一简单支链另一端采用球副S11与后身连接板Q连接，第二简单支链另一端采用球副S21与后身连接板Q连接，第三简单支链另一端与后身连接板Q连接；三条支链同时采用移动副作为驱动副，三条支链的移动副轴线相互平行；其中，虎克铰U13和/或虎克铰U23能替换为球副，球副S11和/或球副S21能替换为虎克铰；且满足：当采用虎克铰U13时，则球副S21不能采用虎克铰；当采用虎克铰U23形式时，则球副S21不能采用虎克铰。
采用虎克铰U13、虎克铰U23、虎克铰U32、球副S11和球副S21的形式时，虎克铰U13、虎克铰U23和虎克铰U32的水平轴线均相互平行于球副S11和球副S21的连线，而虎克铰U13、虎克铰U23和虎克铰U32的竖直轴线均垂直于球副S11和球副S21的连线。
所述后身连接板Q采用任意三角形形式配置；前身连接板P采用任意三角形形式配置。
所述第一简单支链的串联链为SPU结构，第一简单支链由球副S11、移动副P12、虎克铰U13、第一连接杆1和第二连接杆2组成；其中，第一连接杆1一端通过球副S11与后身连接板Q连接，第一连接杆1另一端通过移动副P12与第二连接杆2一端连接，第二连接杆2另一端通过虎克铰U13与前身连接板P连接；或者将虎克铰U13替换为球副S13；或者将虎克铰U13替换为球副S13且将球副S11替换为虎克铰U11。
所述第二简单支链的串联链为PSU结构，第二简单支链由球副S21、移动副P22、虎克铰U23、第三连接杆3和第四连接杆4组成；第三连接杆3一端通过球副S21与后身连接板Q连接，第三连接杆3另一端通过移动副P22与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4另一端通过虎克铰U23与前身连接板P连接；或者将虎克铰U23替换为球副S23；或者将虎克铰U23替换为球副S23且将球副S21替换为虎克铰U11。
所述第三简单支链的串联链为PU结构，第三简单支链由移动副P31、虎克铰U32、第五连接杆5和第六连接杆6组成；其中，第五连接杆5一端与后身连接板Q连接，第五连接杆5的另一端通过移动副P31与第六连接杆6连接，第六连接杆6另一端通过虎克铰U32与前身连接板P连接。
本实用新型的有益效果是：本实用新型采用三条支链连接前身连接板和后身连接板来构建四足机器人腰部机构，该结构简单，能实现空间一维移动和两维转动，是四足机器人机构领域的延伸和发展。如果将其用于各类四足仿生机器人中，可使得机器人的前身相对于后身能达到俯仰运动、左右转动和伸缩运动的效果，这样搭建的四足机器人平台的腰部才能具有柔性，更加接近自然界动物的运动模式，达到仿生的效果。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图中各标号为：P-前身连接板、Q-后身连接板、1-第一连接杆、2-第二连接杆、3-第三连接杆、4-第四连接杆、5-第五连接杆、6-第六连接杆，Ⅰ-第一简单支链、Ⅱ-第二简单支链、Ⅲ-第三简单支链。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种新型四足机器人腰部机构，包括前身连接板P、后身连接板Q、三条支链，三条支链由第一简单支链Ⅰ、第二简单支链Ⅱ、第三简单支链Ⅲ组成；所述三条支链的一端与前身连接板P连接，三条支链的另一端与后身连接板Q连接；所述第一简单支链、第二简单支链均为能实现空间6自由度运动的串联链且不对前身连接板P运动产生约束，所述第三简单支链为对前身连接板P产生三个约束，使得前身连接板P相对于后身连接板Q只有三维运动；其中，三维运动指的是一维移动和两维转动运动。
进一步地，可以设置所述三条支链一端的运动副分别与前身连接板P连接，三条支链另一端分别与后身连接板Q的三个角连接，三条支链在运动过程中不相交。
进一步地，可以设置与前身连接板P三个角连接的三条支链一端分别为：第一简单支链为虎克铰U13，第二简单支链为虎克铰U23，第三简单支链为虎克铰U32；三条支链另一端与后身连接板Q三个角的连接为：第一简单支链另一端采用球副S11与后身连接板Q连接，第二简单支链另一端采用球副S21与后身连接板Q连接，第三简单支链另一端与后身连接板Q直接焊接连接；三条支链同时采用移动副作为驱动副，三条支链的移动副轴线相互平行(即移动副P12、移动副P22、移动副P31轴线相互平行)；其中，虎克铰U13和/或虎克铰U23能替换为球副，球副S11和/或球副S21能替换为虎克铰；且满足：当采用虎克铰U13时，则球副S21不能采用虎克铰；当采用虎克铰U23形式时，则球副S21不能采用虎克铰(第一简单支链、第二简单支链不采用UPU结构)。
进一步地，可以设置采用虎克铰U13、虎克铰U23、虎克铰U32、球副S11和球副S21的形式时，虎克铰U13、虎克铰U23和虎克铰U32的水平轴线均相互平行于球副S11和球副S21的连线，而虎克铰U13、虎克铰U23和虎克铰U32的竖直轴线均垂直于球副S11和球副S21的连线。即第一简单支链、第二简单支链都采用SPU结构时，通过该设置可以减少衍生运动。
进一步地，可以设置所述后身连接板Q采用任意三角形形式配置；前身连接板P采用任意三角形形式配置，可采用与后身连接板Q相同的形式。
进一步地，可以设置所述第一简单支链的串联链为SPU结构，第一简单支链由球副S11、移动副P12、虎克铰U13、第一连接杆1和第二连接杆2组成；其中，第一连接杆1一端通过球副S11与后身连接板Q连接，第一连接杆1另一端通过移动副P12与第二连接杆2一端连接，第二连接杆2另一端通过虎克铰U13与前身连接板P连接；或者将虎克铰U13替换为球副S13(即第一简单支链的串联链为SPS结构)；或者将虎克铰U13替换为球副S13且将球副S11替换为虎克铰U11(即第一简单支链的串联链为UPS结构)。
进一步地，可以设置所述第二简单支链的串联链为PSU结构，第二简单支链由球副S21、移动副P22、虎克铰U23、第三连接杆3和第四连接杆4组成；第三连接杆3一端通过球副S21与后身连接板Q连接，第三连接杆3另一端通过移动副P22与第四连接杆4一端连接，第四连接杆4另一端通过虎克铰U23与前身连接板P连接；或者将虎克铰U23替换为球副S23(即第二简单支链的串联链为SPS结构)；或者将虎克铰U23替换为球副S23且将球副S21替换为虎克铰U11(即第二简单支链的串联链为UPS结构)。
具体而言，即第一简单支链可以选用上述任一结构形式，第二简单支链也可以选用上述任一结构形式，且两条简单支链的结构可以相同或者不同。
进一步地，可以设置所述第三简单支链的串联链为PU结构，第三简单支链由移动副P31、虎克铰U32、第五连接杆5和第六连接杆6组成；其中，第五连接杆5一端与后身连接板Q焊接连接，第五连接杆5的另一端通过移动副P31与第六连接杆6连接，第六连接杆6另一端通过虎克铰U32与前身连接板P连接。
本实用新型的工作原理是：
第一简单支链为自由度为6的串联链，其不对前身连接板P产生约束，其存在是为了增加机构本身的强度和刚度，同时安装在第一简单支链上的移动副P12可选为驱动副。第二简单支链为自由度为6的串联链，其不对前身连接板P产生约束，其存在是为了增加机构本身的强度和刚度，同时安装在简单支链II上的移动副P22可选为驱动副，因此第一简单支链和第二简单支链实际上不对前身连接板P产生约束。第三简单支链的作用是使得前身连接板P相对于后身连接板Q的一个转动和两个移动受到约束，此时前身连接板P具备一移动二转动(1T2R)运动。第一简单支链、第二简单支链与第三简单支链求交集，共同约束了前身连接板P相对于后身连接板Q的两个移动和一个转动，此时该前身连接板P的输出运动为一维移动两维转动。其中一维移动指的是前身连接板P相对于后身连接板Q的伸缩运动，两维转动指的是前身连接板P相对于后身连接板Q的俯仰运动和左右转动。位于三个支链上的三个移动副P12、P22、P31应同时为驱动副。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种新型四足机器人腰部机构，其特征在于：包括前身连接板(P)、后身连接板(Q)、三条支链，三条支链由第一简单支链、第二简单支链、第三简单支链组成；所述三条支链的一端与前身连接板(P)连接，三条支链的另一端与后身连接板(Q)连接；所述第一简单支链、第二简单支链均为能实现空间6自由度运动的串联链且不对前身连接板(P)运动产生约束，所述第三简单支链为对前身连接板(P)产生三个约束，使得前身连接板(P)相对于后身连接板(Q)只有三维运动；其中，三维运动指的是一维移动和两维转动运动。
2.根据权利要求1所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：所述三条支链一端的运动副分别与前身连接板(P)连接，三条支链另一端分别与后身连接板(Q)的三个角连接，三条支链在运动过程中不相交。
3.根据权利要求2所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：与前身连接板(P)三个角连接的三条支链一端分别为：第一简单支链为虎克铰U13，第二简单支链为虎克铰U23，第三简单支链为虎克铰U32；三条支链另一端与后身连接板(Q)三个角的连接为：第一简单支链另一端采用球副S11与后身连接板(Q)连接，第二简单支链另一端采用球副S21与后身连接板(Q)连接，第三简单支链另一端与后身连接板(Q)连接；三条支链同时采用移动副作为驱动副，三条支链的移动副轴线相互平行；其中，虎克铰U13和/或虎克铰U23能替换为球副，球副S11和/或球副S21能替换为虎克铰；且满足：当采用虎克铰U13时，则球副S21不能采用虎克铰；当采用虎克铰U23形式时，则球副S21不能采用虎克铰。
4.根据权利要求3所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：采用虎克铰U13、虎克铰U23、虎克铰U32、球副S11和球副S21的形式时，虎克铰U13、虎克铰U23和虎克铰U32的水平轴线均相互平行于球副S11和球副S21的连线，而虎克铰U13、虎克铰U23和虎克铰U32的竖直轴线均垂直于球副S11和球副S21的连线。
5.根据权利要求1所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：所述后身连接板(Q)采用任意三角形形式配置；前身连接板(P)采用任意三角形形式配置。
6.根据权利要求1所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：所述第一简单支链的串联链为SPU结构，第一简单支链由球副S11、移动副P12、虎克铰U13、第一连接杆(1)和第二连接杆(2)组成；其中，第一连接杆(1)一端通过球副S11与后身连接板(Q)连接，第一连接杆(1)另一端通过移动副P12与第二连接杆(2)一端连接，第二连接杆(2)另一端通过虎克铰U13与前身连接板(P)连接；或者将虎克铰U13替换为球副S13；或者将虎克铰U13替换为球副S13且将球副S11替换为虎克铰U11。
7.根据权利要求1所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：所述第二简单支链的串联链为PSU结构，第二简单支链由球副S21、移动副P22、虎克铰U23、第三连接杆(3)和第四连接杆(4)组成；第三连接杆(3)一端通过球副S21与后身连接板(Q)连接，第三连接杆(3)另一端通过移动副P22与第四连接杆(4)一端连接，第四连接杆(4)另一端通过虎克铰U23与前身连接板(P)连接；或者将虎克铰U23替换为球副S23；或者将虎克铰U23替换为球副S23且将球副S21替换为虎克铰U11。
8.根据权利要求1所述的新型四足机器人腰部机构，其特征在于：所述第三简单支链的串联链为PU结构，第三简单支链由移动副P31、虎克铰U32、第五连接杆(5)和第六连接杆(6)组成；其中，第五连接杆(5)一端与后身连接板(Q)连接，第五连接杆(5)的另一端通过移动副P31与第六连接杆(6)连接，第六连接杆(6)另一端通过虎克铰U32与前身连接板(P)连接。
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