WO2021027572A1 - 主被动差动混联支腿、基于重力封闭的混联支腿及六自由度调姿机器人平台 - Google Patents

主被动差动混联支腿、基于重力封闭的混联支腿及六自由度调姿机器人平台 Download PDF

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Abstract

一种主被动差动混联支腿、基于重力封闭的混联支腿及六自由度调姿机器人平台，采用多支腿分布并联形式构建成六自由度调姿机器人平台，其包括车架（2、20）、分布式控制器（3、30）以及多支链并联腿，其中多支链并联腿通过基座（11、110）与车架（2、20）固联，将全向运动与调姿融合在一起，解决了现有调姿平台固定或运动不灵活、结构过度复杂、占用空间高度过大、运动误差大的问题，有效扩展了六自由度调姿机器人平台的使用范围。

Description

主被动差动混联支腿、基于重力封闭的混联支腿及六自由度调姿机器人平台 技术领域
本发明涉及重载装备对接和装配辅助设备技术领域，具体涉及一种主被动差动混联支腿、六自由度调姿平台及基于重力封闭的混联支腿。
背景技术
在飞机、轮船、电力等重载装备领域，其产品一般由多个零部件组装而成，因此，在生产过程中常常需要进行零部件之间的对接与装配。但是由于重工领域的零部件体积和质量较大，人工无法直接操作，需要借助六自由度调姿平台进行辅助搬运与装配。
现有的六自由度调姿平台可分为轮式搬运车和麦克纳姆轮搬运车。通常情况下，轮式搬运车和麦克纳姆轮车仅具有平面移动和绕其载物平台法线转动三个自由度，无法实现零部件的空间六自由度位姿调整，因此在零部件对接过程中常常会发生两个零部件无法对接的问题。
现有技术中，例如，公开号CN109231065A的专利文献中公开了一种基于全向移动模块的六自由度调姿系统，其将并联机构与车体结合，通过在搬运车上安装多自由度并联调姿机构，实现搬运车的六自由度调姿。通过将多自由度并联调姿机构安装到车体上，虽然可以实现零部件的六自由度调姿，但增加的并联机构使得搬运车的高度大大增加，降低了搬运车的通过性，使其无法完成一些低矮空间的设备对接和装配；并且由搬运车和并联机构组成的调姿系统，其本质上仍属于两套独立的系统，搬运车和并联机构在工作过程中所产生的运动误差相互累加，进而降低了六自由度调姿平台末端的运动精度，不利于零部件的高精度对接和装配。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种主被动差动混联支腿、基于重力封闭的混联支腿及六自由度调姿机器人平台，其属于重载大部件对接和装配操作设备技术领域，是一种适用于低矮空间的主动差动或被动差动混联支腿及六自由度调姿平台；其通过主被动差动混联支腿及六自由度调姿平台将全向运动与调姿融合一起，解决了现有调姿平台固定或运动不灵活、结构过度复杂、占用空间高度过大、运动误差大的问题，有效扩展了六自由度调姿平台的使用范围。
本发明的主被动差动混联支腿包括基座、转向台、升降台、车轮座、车轮及电机减速传动系统；其中转向台与所述基座转动连接，形成转动副Rz；升降台与所述转向台滑动连接，形成移动副Pz，且移动副Pz为主动副，由直线驱动器驱动；车轮座与所述升降台转动连接，形成转动副Rx，属于被动副；所述车轮包括第一车轮和第二车轮，分别位于转动副Rx的两侧，所述第一车轮与车轮座转动连接，形成转动副Ry1；所述第二车轮与车轮座转动连接，形成转动副Ry2，所述第一车轮与所述第二车轮分别由两台电机减速传动系统独立驱动。第一车轮和第二车轮形成同步驱动或主动差动机构驱动，或者单电机驱动差动锥齿轮机构实现同步驱动或被动差速驱动。
六自由度调姿机器人平台采用多支腿分布并联形式构建而成，具体地，其包括车架、分布式控制器以及多支链并联腿即三支腿、或四支腿、或六支腿，其中多支腿通过基座与车架固联，所有各支腿的转动副Rz彼此平行，所有各支腿的移动副Pz的导轨彼此平行；三支腿的六自由度调姿机器人平台的支腿采用三角形分布；四支腿的六自由度调姿机器人平台的支腿采用正方形或长方形或菱形布局；六支腿六自由度调姿机器人平台的支腿采用日字形布局。
本发明还提供了一种基于重力封闭的混联支腿，其为适用于低矮空间的混联支腿及六自由度全向移动精密调姿平台，解决了现有调姿平台高度过大、全向运动与精密调姿运动分离、系统复杂即操作不连续、运动误差大的等问题，有效拓展了移动调姿平台的使用范围。
本发明的技术方案如下：
一种主被动差动混联支腿，其包括基座、转向台、升降台、车轮座、车轮、转向电机， 所述转向台通过转盘轴承转动连接至所述基座，所述转盘轴承的外周设置有轮齿，所述转向电机设置在所述基座内，所述转向电机输出轴上的传动齿轮与所述轮齿配合进行所述转向台转动及定位；所述升降台上设置有导轨，所述转向台上设置有滑块，所述升降台固连升降电机，所述升降电机通过同步带传动带动直线驱动器进行动作，从而带动所述滑块与所述导轨配合使所述升降台与所述转向台滑动连接，所述车轮座转动连接所述升降台，所述车轮座与升降台转动连接处设有摆动轴承；各车轮转动连接至所述车轮座；所述基座上设有抱闸或离合器，以便控制锁定转向台防止其相对基座转动；所述基座上还设有角度传感器，所述角度传感器连接检测齿轮，检测所述转向台相对所述基座之间的转角。
优选地，所述直线驱动器包括螺母、丝杆、升降电机、轴承座以及同步带，所述螺母与所述转向台固连，所述丝杆的两端均设有轴承座，轴承座与所述升降台固连，所述升降电机通过同步带带动所述丝杆运动从而实现升降台的升降。
优选地，所述升降电机固连至所述升降台，所述升降电机的输出轴连接主动带轮，通过所述同步带带动被动带轮运动，所述被动带轮连接直线驱动器输入端即所述丝杆。也就是说，被动带轮与丝杆输入端固连。
优选地，所述第一车轮与所述车轮座转动连接处设有第一轮轴承，所述第二车轮与车轮座转动连接处设有第二轮轴承。
优选地，当所述混联支腿为驱动腿时，第一车轮和第二车轮中至少有一个为主动轮，或两车轮均为主动。
优选地，所述第一车轮和第二车轮转动运动由行走双电机减速器分别主动差动驱动或由行走单电机通过差动轮系间接驱动。
优选地，所述差动轮系包括与第一车轮固连的第一锥齿轮，与第二车轮固连的第二锥齿轮，同时与第一锥齿轮、第二锥齿轮相啮合的行星锥齿轮，所述行星锥齿轮铰接于行星架上，所述行星架固连于大齿轮的一端面，所述大锥齿轮与车轮座转动连接，且大锥齿轮由与其啮合的驱动小齿轮驱动，所述驱动小锥齿轮与行走单电机的输出轴固连。
优选地，在差动轮系的外壳体上、与行走单电机输出轴线重合位置，与第一第二车轮轴线垂直相交对称设置两转动副，与所述升降台构成转动连接，形成转动副Rx。
优选地，所述升降台与所述转向台之间布置独立悬挂，所述独立悬挂连接升降台与转向台；所述独立悬挂由悬挂固定板、弹簧、弹簧撞块、升降撞块、导向柱组成，弹簧压缩行程小于升降台升降行程，升降运动与独立悬挂为并联关系，且升降运动行程大于弹簧长度；所述升降台升降距离大于弹簧长度时，混联支腿为升降电机控制的刚性主动悬挂减振；所述升降台升降距离小于弹簧长度时，升降撞块与弹簧撞块接触，升降电机抱闸打开，混联支腿为基于弹簧的独立悬挂的柔性被动减振；所述主被动减振构成刚柔耦合减振结构；所述独立悬挂结构所述回转台回转中心成中心对称布置，互相抵消对导轨的附加弯矩，不增加对升降导轨的额外载荷。
一种六自由度调姿机器人平台，其包括车架、控制器以及多条混联支腿，各混联支腿中的基座与所述车架固定连接；每条混联支腿中的转动台的转动轴线彼此平行；且每条混联支腿中的升降台的直线导轨彼此平行；至少有两条所述主被动差动混联支腿为驱动腿，所述转向电机、直线驱动器为主动驱动、第一车轮和第二车轮中至少有一个为主动轮或均为主动驱动。所述车架内布置电池组，用于给车架内的分布式控制器和各条混联支腿供电。
所述车架固定连接的全部所述主被动差动混联支腿的所述第一车轮和第二车轮均与地面接触且在接触点垂直地面方向无自由度；所述车架、与所述车架相固定连接的全部所述主被动差动混联支腿与地面构成六自由度调姿平台。
可选地，所述六自由度调姿机器人平台，所述混联支腿的数量为三，且所述混联支腿为主被动差动混联支腿，各主被动差动混联支腿中的基座分别与车架固连。所述三条主被动差动混联支腿呈三角形布置，车架的内部设有分布式控制器及电池组。
可选地，所述的六自由度调姿机器人平台，其特征在于，所述混联支腿的数量为四条，分别设于车架的四个角上，所述四条主被动差动混联支腿中可以有两条或者三条或者四条为均驱动腿。
可选地，所述主被动差动混联支腿数量是六，分别布置于车架的两端或两侧，呈日字形布置，通过增加六自由度调姿平台支腿的数量有效提高平台的承载能力。
可选地，所述车架的四周还可以安装或搭载摄像头、超声波、激光雷达、毫米波雷达等传感器，用来提高六自由度调姿平台对外界环境的感知能力，所述车架上还可以搭载垂直升降台或其他机构或机器人来进一步扩展本六自由度调姿平台的应用范围。
在本发明的另一个实施例中，
一种基于重力封闭的混联支腿，其包括基座、升降台、转向架、车轮座和车轮，所述基座依次与直线驱动器、升降台、转向架和车轮座串联连接，在重力封闭条件下与地面形成局部并联连接；所述车轮包括第一车轮和第二车轮，分别位于车轮架的第一侧或者第二侧，所述第一车轮与车轮座转动连接，形成转动副Ry1；所述第二车轮与车轮座转动连接，形成转动副Ry2；所述升降台与所述基座滑动连接，形成作为主动副的移动副Pz，所述升降台由直线驱动器驱动，并且所述转向架由设置在升降台上的转向电机驱动而形成转动连接，所述转向架与升降台转动连接形成转动副Rz，所述车轮座与所述转向架转动连接形成转动副Rx，所述升降台的直线导轨与转动副Rz的轴线平行，所述转动副Rz的轴线与转动副Rx的轴线垂直；所述转动副Ry1和转动副Ry2的轴线同轴，所述转动副Rx的轴线与转动副Ry1及转动副Ry2的轴线垂直相交；所述转动副Rz的轴线通过所述转动副Rx的轴线与转动副Ry1及转动副Ry2的轴线交点。
在实际使用中，基于重力封闭是指车轮与地面接触点之间无垂直方向移动自由度，所述混联支腿中的第一车轮和第二车轮与地面接触，且可相对地面做纯滚运动或车轮沿宽度某点做纯滚动，若将地面看做固定平台，车轮座看做运动平台，则第一车轮、第二车轮、地面、车轮座则构成局部并联结构。进一步地，所述基座通过升降台和转向架与车轮座串联，从而构成一种基于重力封闭的混联支腿，其机构构型为PzRzRx(Ry1+Ry2)Rp。
优选地，当所述混联支腿为驱动腿时，所述第一车轮和第二车轮中至少有一个为主动轮或两个车轮均为主动构成主动差动运动。
优选地，所述第二车轮为主动轮，第二车轮由行走电机直接驱动或由行走电机通过传动机构间接驱动；优选地，所述第二车轮通过带轮组由行走电机间接驱动，所述行走电机安装于车轮座上，所述带轮组包括第一带轮、同步带,、第二带轮，所述第一带轮与行走电机的输出轴固连，所述第二带轮固连于第二车轮的一侧，所述同步带配合安装于第一带轮与第二带轮上。
优选地，所述第一车轮和第二车轮均为主动轮，所述第一车轮和第二车轮分别由两个独立的行走电机分别驱动，当两个行走电机驱动第一车轮和第二车轮同向转动时，可使混联支腿向前行走，当两个行走电机驱动第一车轮和第二车轮异向转动时，形成主动差动驱动工作状态，可使转向架相对升降台发生转动，改变混联支腿的行进方向。
优选地，所述升降台上还设有角度传感器，用于检测转向架相对升降台之间的转角。
优选地，所述升降台上还设有角度传感器，所述升降台上还可设有抱闸或离合器。
优选地，基于重力封闭的混联支腿，其还包括独立悬挂组件结构，所述升降台与所述转向架之间布置独立悬挂组件，所述独立悬挂组件包括悬挂固定板、弹簧、弹簧撞块、升降撞块、导向柱，连接升降台与转向架；所述独立悬挂组件，弹簧压缩行程小于升降台升降行程，升降运动与独立悬挂为并联关系，且升降运动行程大于弹簧长度；所述升降台升降距离大于弹簧长度时，混联支腿为升降电机控制的刚性主动悬挂减振；所述升降台升降距离小于弹簧长度时，升降撞块与弹簧撞块接触，升降电机抱闸打开，混联支腿为基于弹簧的独立悬挂的柔性被动减振；所述主被动减振构成刚柔耦合减振结构。
一种移动精密调姿平台，其包括车架、控制器以及混联支腿，优选地，所述混联支腿的数量为三条或四条或六条，各混联支腿中的基座与所述车架固定连接；每条混联支腿中的移动副Pz的直线导轨相互平行；每条混联支腿中的转动架的转动轴线彼此平行。
优选地，本发明的移动精密调姿平台，其包括至少有两条基于重力封闭的混联支腿为驱动腿，其中转向电机和直线驱动器为主动驱动、第一车轮和第二车轮中至少有一个为主动或均为主动驱动。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明从机构学的角度来讲，所述六自由度调姿平台中的车体相当于移动平台，地面相当于固定平台，所述各条混联支腿相当于连接固定平台与移动平台的运动支链，从而构成了一种全新的基于开放定平台(地面)的并联机构——六自由度调姿平台：机构学构型3-RzPzRx(Ry1+Ry2)Rp、4-RzPzRx(Ry1+Ry2)Rp、6-RzPzRx(Ry1+Ry2)Rp。
所述车轮包括第一车轮与第二车轮的驱动形式根据实际需求设计为无电机驱动的被动行走、双电机分别驱动第一车轮与第二车轮实现主动同步驱动或主动差动驱动、单电机通过布置在第一车轮与第二车轮之间的差动轮系主动差动驱动，三种驱动结构形式；第一车轮与第二车轮的主动差动运动实现的所述的主被动差动混联支腿的中心回转运动与通过回转电机实现的中心回转运动冗余，可以有效提高主被动差动混联支腿的中心回转运动精度，并且同时实现轮的行走功能。
通过引入开放的地面作为固定平台，并考虑车轮与地面之间的纯滚动运动(滑动摩擦力远远大于滚动摩擦力)。来设计车体的支腿，可使本发明中的混联支腿除了具有常规行走功能外，还具有调节车体姿态的功能，从而将车体的全向移动与姿态调节有机的整合一起，在实现空间六自由度调姿功能的同时，可提高六自由度调姿平台的在结构空间内运动的任意性；同时，由于所构成的并联机构的多冗余结构特点，所述六自由度调姿平台具有极高的运动精度，从根本上解决了移动不能调姿、调姿不能移动或移动与调姿分系统并存导致机械及控制系统极其复杂的困境，使运动与调姿在结构空间内不受限制，并有效降低六自由度调姿平台的整体高度，使其在一些较低矮的空间中，仍能实现六自由度调姿对接和装配。为智能装配领域提供新技术装备。
移动精密调姿平台作为运输、调姿一体的特种设备，在自动化或智能技术系统中扮演重要角色。在运输目标件过程中，具有主动适应较复杂地面变化而保持运输目标件特定姿态不变的能力，且移动灵活、稳定、可靠，路径与轨迹规划不受限制；在调姿过程中，微运动与调姿运动融合、连续，地点状态均不受限制、且具有高精密调姿能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是本发明一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的结构示意图；
图2是本发明一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的俯视图；
图3是本发明一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的构型原理图；
图4是本发明一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的爆炸视图；
图5是本发明又一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的结构示意图；
图6是本发明又一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的结构示意图；
图7是本发明又一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的车轮驱动结构示意图；
图8是本发明又一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的车轮被动差动驱动原理图；
图9是本发明一实施例示出的一种三腿并联六自由度调姿平台的结构示意图；
图10是图9所示的一种三腿并联六自由度调姿平台的内部结构示意图；
图11是本发明又一实施例示出的一种四腿并联六自由度调姿平台的示意图；
图12是图11所示的一种四腿并联六自由度调姿平台的内部结构示意图；
图13是本发明又一实施例示出的一种六腿并联六自由度调姿平台的结构示意图；
图14是本发明又一实施例示出的一种四腿并联六自由度调姿平台机构的构型示意图；
图15是根据本发明的一实施例示出的一种主被动差动混联支腿的独立悬挂组件的结构示意图；
图16是如图15所示的根据本发明的一实施例示出的一种主被动差动混联支腿俯视示意图；
图17是如图15所示的本发明的一实施例示出的一种主被动差动混联支腿结构原理图；
图18是本发明一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿结构示意图；
图19是本发明一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿的结构原理图；
图20是本发明一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿爆炸视图；
图21是本发明又一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿的结构示意图；
图22是本发明又一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿的结构示意图；
图23是本发明又一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿的车轮驱动结构示意图；
图24是本发明又一实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿的车轮驱动原理图；
图25是本发明一实施例示出的一种移动调姿平台结构示意图；
图26是图25所示的一种移动调姿平台内部结构示意图；
图27是本发明又一实施例示出的移动调姿平台示意图；
图28是图27所示的移动调姿平台内部结构示意图；
图29是本发明又一实施例示出的一种移动调姿平台结构示意图；
图30是本发明又一实施例示出的一种移动调姿平台机构构型简图；
图31为又一实施例示出的一种具有独立悬挂组件的基于重力封闭的混联支腿结构示意图；
图32为第四实施例示出的一种具有独立悬挂组件的基于重力封闭的混联支腿俯视示意图；以及
图33为第四实施例示出的一种具有独立悬挂组件的基于重力封闭的混联支腿结构原理图。
附图中，
1-混联支腿，2-车架，3-控制器，4-电池组，11-基座，12-转向台，121-转盘轴承，122-滑块，123-直线导轨，13-升降台，131-摆动轴承，14-车轮座，141-第一轮轴承，142-第二轮轴承，15-第一车轮，16-第二车轮，17-直线驱动器，171-螺母，172-丝杆，173-升降电机，174-轴承座，175-同步带，18-角度传感器，181-检测齿轮，19-转向电机，191-传动齿轮，20-抱闸，21-第一力矩传感器，22-行走单电机，221、222、223-行走电机，231、232-第二力矩传感器，24-带轮组，241-第一带轮，242-同步带，243-第二带轮，25-差动轮系，251-驱动锥齿轮，252-行星架，253-大锥齿轮，254-行星锥齿轮，255-第一锥齿轮，256-第二锥齿轮，5-独立悬挂组件、51-悬挂固定板、52-弹簧、53-弹簧撞块、54-升降撞块、55-导向柱。
10-混联支腿，30-控制器，40-电池组，110-基座，1110-滑块，1120-直线导轨，120-升降台，130-转向架，1310-转向轴承，1320-摆动轴承，140-车轮座，1410-第一轴承，1420-第二轴承，150-第一车轮，160-第二车轮，170-直线驱动器，1710-螺母，1720-丝杆，1730-升降电机，1740-轴承座，1750-同步带，180-角度传感器，190-抱闸，20-车架，210-转向电机，第一力矩传感器200，2210、2220-行走电机，2310、2320-第二力矩传感器，240-带轮组，2410-第一带轮，2420-同步带，2430-第二带轮，250-差动轮系，2510-驱动锥齿轮，2520-行星架，2530-大锥齿轮，2550-第一锥齿轮，2560-第二锥齿轮，50-独立悬挂组件，510-悬挂固定板，520-弹簧，530-弹簧撞块，540-升降撞块，550-导向柱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
根据本发明的第一方面，提供一种主被动差动混联支腿，混联支腿为主被动差动混联支腿，具体地，其包括基座11、转向台12、升降台13、车轮座14、第一车轮15、第二车轮16以及电机转速传动系统；其中转向台12与基座11转动连接，形成转动副Rz；升降台13与转向台12滑动连接，形成移动副Pz，且移动副Pz为主动副，由直线驱动器17驱动；车轮 座14与升降台13采用转动连接，形成转动副Rx，其属于被动副；车轮包括第一车轮15和第二车轮16，第一车轮15和第二车轮16分别位于转动副Rx的两侧。
优选地，第一车轮15与车轮座14转动连接，形成转动副Ry1；第二车轮16与车轮座14转动连接，形成转动副Ry2。第一车轮15和第二车轮16形成同步驱动或主动差动机构驱动，或者单电机驱动差动锥齿轮机构实现同步驱动或被动差速驱动。根据本发明的实施例，第一车轮15和第二车轮16分别由两台电机减速传动系统独立驱动。
转动副Rz的轴线与移动副Pz直线导轨123平行，移动副Pz直线导轨123与转动副Rx轴线垂直；转动副Rx轴线与转动副Ry1及转动副Ry2轴线垂直；转动副Ry1和转动副Ry2的轴线同轴。第一优选地，车轮座14为十字叉结构；具体地，车轮座14为十字叉形连体轴，十字叉形连体轴的两轴线分别为转动副Rx轴线、转动副Ry1及转动副Ry2轴线，其中两轴线相交并彼此垂直。
在实际使用中，在重力作用下与地面构成封闭结构，车轮与地面接触点之间无垂直方向移动自由度，混联支腿中的第一车轮15和第二车轮16与地面接触，且可相对地面做纯滚运动或轮宽度中心纯滚动，若将地面看作固定平台，车轮座14看作运动平台，则第一车轮15、第二车轮16、地面、车轮座14则构成局部并联结构。当地面不平时，第一车轮15与第二车轮16同时绕转动副Rx轴线转动，可随地面变化改变高度，时刻保持两轮压力不变。进一步地，基座11通过转向台12和升降台13与车轮座14串联，从而构成一种主被动差动混联支腿。
优选地，主被动差动混联支腿还包括转向电机19，转向台12的方向及定位由设置在基座11上的转向电机19驱动。通过设置转向电机19，可主动改变混联支腿中第一车轮15与第二车轮16的轴向方向，并保持方向状态稳定性。
为避免转向台12在外部干扰力，来自于地面形状和高度不一致或混联支腿1抬起脱离地面接触的情况下发生转动，影响混联支腿1的位置状态和运动精度，优选地，基座11上还可以设有抱闸20或离合器，替代转向电机19、被动转向并操控锁止动作，可锁定转向台12防止其相对基座11转动，保持原有状态不变，或放开被动转向。
优选地，基座11上还设有角度传感器18，用于检测或记录转向台12相对基座11之间的转角。用于控制或保持多腿的状态或转动副Rx轴线方向彼此平行或形成一定相对关系、满足直线运动或转向、转弯要求。
当主被动差动混联支腿1为驱动腿时，第一车轮15和第二车轮16中应至少有一个为主动轮，即一个为主动另一个为被动或两车轮均为主动。
优选地，第一车轮15和第二车轮16中的主动轮由行走电机221或行走电机222直接驱动，或通过链条、带轮、齿轮等传动方式由行走电机减速器间接驱动。
优选地，第一车轮15和第二车轮16的转动运动由双电机减速器传动系统分别主动差动驱动、或由单电机通过差动轮系间接驱动。
优选地，差动轮系包括与第一车轮15固连的第一锥齿轮255，与第二车轮16固连的第二锥齿轮256，与第一锥齿轮255、第二锥齿轮256相互啮合的行星锥齿轮254。行星锥齿轮254铰接于行星架252上，行星架252固连于大锥齿轮253的一端面，大锥齿轮253与车轮座14转动连接，且大锥齿轮253由与其啮合的驱动锥齿轮251驱动，驱动锥齿轮251与设置于行星轮系外壳固联的行走单电机22的输出轴固连。在差动轮系的外壳体上，第一车轮15、第二车轮16对称位置即与行走单电机22输出轴线重合位置，相对第一车轮15、第二车轮16轴线垂直相交对称设置两转轴段，与升降台13采用转动连接，形成转动副Rx。第一车轮15、第二车轮16运动状态由转向电机19和行走单电机22共同驱动与控制。
优选地，直线驱动器17可以是滚珠丝杠、电机减速器组成，滚珠丝杠中的螺母171与转向台12固连，滚珠丝杠中的丝杆172通过支撑座与升降台13转动连接，且丝杆172由升降台上电机减速器系统驱动。
根据本发明的第二方面，提供一组大承载的六自由度调姿机器人平台，其通过采用多支腿分布并联形式构建而成，其包括车架2、控制器3以及三条、四条、六条的上述任一项中主被动差动混联支腿1，混联支腿1中的基座11与车架2固定连接；每条混联支腿1中的转 动副Rz轴线彼此平行；每条混联支腿1中的移动副Pz直线导轨123彼此平行；三条腿六自由度调姿机器人平台中的三条腿采用等边三角形或等腰三角形布局设置；四条腿六自由度调姿机器人平台中的四条腿采用正方形或长方形布局设置；六条腿六自由度调姿机器人平台中的六条腿采用日字形布局设置。即六自由度调姿机器人平台包括车架、分布式控制器以及多支链并联腿即三支腿、或四支腿、或六支腿，其中多支腿通过基座与车架固联，所有各支腿的转动副Rz彼此平行，所有各支腿的移动副Pz的导轨彼此平行；三支腿的六自由度调姿机器人平台的支腿采用三角形分布；四支腿的六自由度调姿机器人平台的支腿采用正方形或长方形或菱形布局；六支腿六自由度调姿机器人平台的支腿采用日字形布局。
优选地，六自由度调姿机器人平台中至少有两条主被动差动混联支腿1为驱动腿，即转向电机19、直线驱动器17、第一车轮15和第二车轮16中至少有一个为主动轮或均为主动轮。
优选地，车架2内部还设有电池组4，用于给车架1内的分布式控制器3和各条混联支腿1供电。
优选地，主被动差动混联支腿1设有独立悬挂组件5，独立悬挂组件5由悬挂固定板51、弹簧52、弹簧撞块53、升降撞块54和导向柱55，弹簧52压缩行程小于升降台13升降行程，升降运动与独立悬挂为并联关系，且升降运动行程大于弹簧52长度；升降台13升降距离大于弹簧52长度时，混联支腿1为升降电机173控制的刚性主动悬挂减振；升降台13升降距离小于弹簧52长度时，升降撞块54与弹簧撞块53接触，升降电机173抱闸打开，混联支腿1为基于弹簧52的独立悬挂的柔性被动减振；主被动减振构成刚柔耦合减振结构；独立悬挂组件5与回转台回转中心成中心对称布置，互相抵消对直线导轨123的附加弯矩，不增加对直线导轨123的额外载荷。
下面结合附图，对本发明中的主被动差动混联支腿及六自由度调姿机器人平台进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
坐标系说明，如图1到图17所示，采用同一直角坐标系，Z轴垂直于水平面，X轴、Y轴位于水平面内，第一车轮、第二车轮轴向方向为Y轴，滚动方向为X轴。
图1和图2中示出了根据本发明一示例性实施例示出的主被动差动混联支腿1的结构示意图，其中混联支腿1的机构构型原理图参见图3。参照图1和图2，混联支腿1包括基座11、转向台12、升降台13、车轮座14、第一车轮15、第二车轮16和直线驱动器17。转向台12转动连接至基座11，升降台13与转向台12连接且升降台能够沿着转向台12滑动，升降台13与直线驱动器17相连，升降台13依靠直线驱动器17进行驱动。车轮座14与升降台13转动连接，各车轮分别位于车轮座14的两侧，第一车轮15与车轮座转动连接，第二车轮16与车轮座转动连接。转动台上设置有导轨，例如，直线轨道123，直线驱动器驱动升降台在转向台沿着直线导轨123进行滑动。
优选地，基座11为中空的无盖盒体，基座的下表面设置有圆形开口，转动台设置有第一开口，各开口配置用于供升降台13以及直线驱动器与转动台进行连接。转向台12通过转盘轴承121可转动安装至基座11，转盘轴承的外圈设置有轮齿，基座内设置有角度传感器18和转向电机19，转向电机19的输出轴连接传动齿轮191，角度传感器18，例如，输入端，连接有检测齿轮181，检测齿轮与传动齿轮均与转盘轴承外圈的轮齿配合，转向电机19通过检测齿轮181带动转盘轴承121进行转动，通过检测齿轮181随动，并通过角度传感器输出转盘轴承所转动的角度。
具体地，其中转向台12与基座11转动连接，形成转动副Rz；升降台13与转向台12滑动连接，形成移动副Pz，移动副Pz为主动运动副，升降台13由直线驱动器17驱动。车轮座14与升降台13转动连接形成转动副Rx，第一车轮15和第二车轮16位于转动副Rx的两侧，且第一车轮15与车轮座14转动连接形成转动副Ry1，第二车轮16与车轮座14转动连接形成转动副Ry2。第一车轮15与地面接触形成滚动副Rp1，第二车轮16与地面接触形成滚动副Rp2。
如图3所示，混联支腿1中各零件之间形成的运动副满足特定的几何关系，具体地，其中转动副Rz轴线与移动副Pz轴线不垂直，Rz轴线与Pz轴线最小夹角≤50度；移动副Pz轴 线与转动副Rx轴线不平行，Pz轴线与Rx轴线最小夹角≥50度；转动副Rx轴线与转动副Ry1或转动副Ry2轴线不平行，Rx轴线与Ry1或Ry2轴线最小夹角≥50度；转动副Ry1和转动副Ry2的轴线平行。
优选地，如图1和图2所示，转动副Rz轴线与移动副Pz导轨平行，移动副Pz导轨与转动副Rx轴线垂直；转动副Rx轴线与转动副Ry1或转动副Ry2轴线垂直。转动副Ry1和转动副Ry2的轴线同轴。
如图4和图5所示，在一实施例中，直线驱动器17为滚珠丝杠，直线驱动器17包括螺母171、丝杆172、升降电机173、轴承座174以及同步带175，螺母171与转向台12固连，螺母171设置在转向台12的上表面，优选地，螺母171通过第一支撑板进行支撑固定；丝杆172两端设有轴承座174，轴承座174与升降台固连，具体地，轴承座174固连于升降台13的一侧，升降电机173通过同步带175驱动丝杆172旋转。优选地，直线驱动器17也可以是其他能够实现本发明功能的驱动结构，例如，液压缸、直线模组和/或类似物，可根据实际情况进行合理选择，液压缸、直线模组和/或类似物固定连接在升降台上，连接升降台与转向台。
如图4所示，为本发明一实施例提供的混联支腿1的爆炸结构视图，为减少混联支腿1各零部件连接处的摩擦力，转向台12与基座11通过转盘轴承121连接。
升降台13与转向台12之间通过滑块122和直线导轨123滑动连接，滑块122与转向台12固连，具体地，滑块122设置在转向台12的上表面且滑块122通过第一支撑板进行固定，滑块的滑动方向垂直于转向台12。
直线导轨123固连于升降台13上，升降电机173固连至升降台13，升降电机173的输出轴连接主动带轮，通过同步带175带动被动带轮运动，被动带轮连接直线驱动器17，更进一步地，被动带轮连接至丝杆172上端的轴承座的外侧，带动直线驱动器进行动作。具体地，升降台13为H型结构，升降台13的横梁处连接到连接杆，通过连接杆与车轮座14相连，车轮座14与升降台13转动连接处设有摆动轴承131；第一车轮15与车轮座14转动连接处设有第一轮轴承141，第二车轮16与车轮座14转动连接处设有第二轮轴承142。
优选地，直线导轨123设置在升降台13的远离升降电机173的竖梁的侧部。
通过在移动副Pz处设置滑块122以及导轨，例如直线导轨123，在转动副Rz、转动副Rx、转动副Ry1和转动副Ry2处设置各轴承，有效减小混联支腿1在运动过程中所产生的摩擦阻力。
优选地，基座11上还设有抱闸20，如图5所示，所通过抱闸20控制转向台12相对基座11转动或锁死，从而避免转向台12在外部干扰力或混联支腿1抬起的情况下发生转动，影响混联支腿1的运动精度，其中抱闸20也可以用离合器等替代。
为提高混联支腿1的控制精度，转向台12与基座11转动连接处还可以选择安装角度传感器18，角度传感器18的输出端安装有检测齿轮181，检测齿轮181与转盘轴承121外周的轮齿啮合，用来实时监测转向台12的转角大小。
如图6所示，在一可选实施例中，基座11上还设有转向电机19，转向台12由转向电机19驱动转动。具体地，转向电机19的输出端安装有传动齿轮191，传动齿轮191与转盘轴承121外周的轮齿啮合，通过控制转向电机19可主动改变转向台12的转动方向和转动位置，进而控制第一车轮15和第二车轮16的行进方向。转向电机19的输出端还可以进一步设有第一力矩传感器21，用来实时监测转向台12相对基座11之间的转向转矩。
当混联支腿1为驱动腿时，第一车轮15和第二车轮16中至少有一个为主动轮或两个车轮均为主动轮构成主动差动运动。在一可选实施例中，第二车轮16为主动轮，第二车轮16可由行走电机222直接驱动，也可由行走电机222通过链条、带轮、齿轮等传动方式间接驱动，在图6所示的实施例中，第二车轮16通过带轮组24由行走电机222间接驱动，行走电机222安装于车轮座14上，带轮组24包括第一带轮241、同步带242和第二带轮243，第一带轮241与行走电机222的输出轴固连，第二带轮243固连于第二车轮16的一侧，同步带242配合安装于第一带轮241与第二带轮243上。
如图7所示，在一可选实施例中，第一车轮15和第二车轮16均为主动轮，第一车轮15和第二车轮16分别由两个独立的行走电机221、222分别驱动，当两个行走电机221、222驱 动第一车轮15和第二车轮16同向转动时，可使混联支腿1向前或后行走，当两个行走电机221、222驱动第一车轮15和第二车轮16差动或异向转动时，可使升降台13相对转向台12转动，改变混联支腿1的行进方向。为进一步提高第一车轮15和第二车轮16的控制精度，行走电机221、222的输出端还可安装第二力矩传感器231、232，实时监测第一车轮15或第二车轮16的轮上转矩。
如图8所示，在一可选实施例中，第一车轮15和第二车轮16通过差动轮系25由行走电机223间接驱动。通过一个行走电机223同时驱动第一车轮15和第二车轮16，解决在转向过程中第一车轮15和第二车轮16转速不同的被动差动问题。
其中，差动轮系25包括与第一车轮15固连的第一锥齿轮255，与第二车轮16固连的第二锥齿轮256，与第一锥齿轮255、第二锥齿轮256同时相互啮合的行星锥齿轮254，行星锥齿轮254与行星架252转动连接，行星架252固连与大锥齿轮253上，大锥齿轮253与第一车轮15的轴转动连接，且大锥齿轮253由与其啮合的驱动锥齿轮251驱动，驱动锥齿轮251与行走电机223的输出轴固连。第一车轮15固连的第一锥齿轮255轴线与第二车轮16固连的第二锥齿轮256的轴线同轴，并通过转动副支撑在车轮座14上，行走电机223及驱动锥齿轮251的轴线与行星锥齿轮254轴线同轴，在车轮座14上分别设置两段转轴与升降台13构成转动连接，即构成Rx转动副并与行星锥齿轮254轴线同轴。
如图9和图10所示是本发明提供的六自由度调姿机器人平台的一实施例，六自由度调姿机器人平台包括车架2和混联支腿1，当混联支腿的数量为三个时，且混联支腿为主被动差动混联支腿，各主被动差动混联支腿1中的基座11分别与车架2固连。三条主被动差动混联支腿1呈三角形布置，车架2的内部设有分布式控制器3及电池组4。
优选地，三条主被动差动混联支腿1中可以有两条或者三条为驱动腿，各驱动腿中的第一车轮15或第二车轮16至少有一个为主动轮，分别由驱动电机221或222带动主动轮转动。车架2为由型材焊接而成的框架式结构，可有效提高车架2的承载力，且车架2的外周面安装有装饰板。三条主被动差动混联支腿1即1a、1b、1c应满足姿态条件，姿态条件即为每条主被动差动混联支腿中的转动副Rz轴线彼此平行、移动副Pz导轨彼此平行。
进一步地，为提高六自由度调姿机器人平台的适用范围，车架2的内部还设有电池组4，用来给控制器3和各个混联支腿1供电，使本六自由度调姿机器人平台在外部电源供电下工作，特定环境，在车载电池供电的情况下，依然可以正常工作。
六自由度调姿机器人平台具有普通运载车的运载功能，可实现沿地面任意方向的移动，以及绕z轴及平行z轴的任意轴线的转动。同时本六自由度调姿机器人平台还具有调节车架2空间姿态的功能，通过控制三条混联支腿1中的直线驱动器17同步上下运动，可实现车架2的上下升降运动；控制三条混联支腿1中的直线驱动器17异步运动时，可使车架2相对地面发生任意方向倾斜。
具体地，如图9所示，为区别各个混联支腿，将不同位置的混联支腿分别命名为1a、1b和1c，当控制混联支腿1a和混联支腿1b升高，同时使混联支腿1c降低，可使车架2绕x轴转动，当然也可令混联支腿1a和混联支腿1b降低，令混联支腿1c升高来实现绕x轴的反向转动。当控制混联支腿1a升高或降低，对应地令混联支腿1b降低或升高，可实现车架2绕y轴的转动。
上述只是对车架2的姿态调节控制的简单描述，在实际控制中，当车架2的姿态发生改变时，混联支腿中的第一车轮15和第二车轮16也会发生相应的运动。这是因为将地面当作固定平台时，第一车轮15和第二车轮16与地面接触所形成的滚动副Rp1和滚动副Rp2参与了车架2的自由度构建，因此对车架2的姿态进行调整时，还需要控制第一车轮15和第二车轮16进行相应的微运动补偿。
如图11和图12所示是本发明提供的六自由度调姿机器人平台的又一实施例，在本实施例中车架2上连接有四条主被动差动混联支腿1，分别设于车架2的四个角上，通过设置四条主被动差动混联支腿1，可有效提高六自由度调姿机器人平台的承载面积和承载力，四条主被动差动混联支腿1中可以有两条或者三条或者四条为均驱动腿。
在本实施例中，四条主被动差动混联支腿1中有一条为冗余支腿，通过设置冗余支腿， 一方面可以提高六自由度调姿机器人平台的承载力，另一方面可以提高六自由度调姿平台的稳定性。当四条主被动差动混联支腿中，有一条支腿发生故障时，冗余支腿可代替该故障支腿继续工作或短时保持状态，不影响六自由度调姿机器人平台的正常工作，这对卫星、火箭等重要产品的安装对接安全性至关重要。在每一条主被动差动混联支腿1中均设置有位移和力的检测传感器。位移监测用于调姿过程控制位子与姿态精度，而力监测用于避免出现虚拟腿或过载腿。
车架2的四周还可以安装或搭载摄像头、超声波、激光雷达和毫米波雷达，用来提高六自由度调姿机器人平台对外界环境的感知能力，车架2上还可以搭载垂直升降台或其他机构或机器人来进一步扩展本六自由度调姿机器人平台的应用范围。
如图13所示是本发明提供的六自由度调姿机器人平台的又一实施例，在本实施例中车架2上连接有六条主被动差动混联支腿1，分别设于车架2的两端或两侧，通过增加六自由度调姿机器人平台支腿的数量可有效提高平台的承载能力，进一步提高六自由度调姿机器人平台的运动稳定性及移动精度。
如图15、图16和图17所示，在一实施例中，升降台13与转向台12之间布置独立悬挂组件5，其中独立悬挂组件5包括悬挂固定板51、弹簧52、弹簧撞块53、升降撞块54以及导向柱55，弹簧52可以是压缩弹簧、蝶形弹簧或者空气弹簧，根据负载与悬挂行程进行合理选择。
如图15所示，是本发明又一实施例提供的具有独立悬挂组件的主被动差动混联支腿结构示意图，独立悬挂组件5连接升降台13与转向台12，且布置两组，与Pz为并联关系；悬挂固定板5与转向台12固定连接；弹簧52与弹簧撞块53固定连接；导向柱55与悬挂固定板51固定连接，且穿过弹簧52、弹簧撞块53，形成滑动连接；升降撞块53与升降台13固定连接，且升降撞块53与导向柱55滑动连接。
如图16所示，是又一实施例示出的一种具有独立悬挂组件的主被动差动混联支腿俯视示意图；独立悬挂组件5相对回转台12回转中心成中心对称布置，互相抵消对导轨的附加弯矩，不增加对升降导轨的额外载荷。
如图17所示，是又一实施例示出的一种具有独立悬挂组件的主被动差动混联支腿结构原理图；弹簧52压缩形成小于升降台13升降行程，升降运动与独立悬挂为并联关系，且升降运动行程L1大于弹簧长度L2；当升降台13升降距L1离大于弹簧52长度L2时，混联支腿为升降电机173控制的刚性主动悬挂减振；当升降台13升降距离L1小于弹簧52长度L2时，升降撞块54与弹簧撞块53接触，升降电机173抱闸打开，混联支腿为基于弹簧52的独立悬挂的柔性被动减振，且压缩弹簧可以有效降低丝杠172承受载荷，当弹簧压缩量最大时，丝杠载荷为零；主被动减振构成刚柔耦合减振结构。
需要说明的是，所述六自由度调姿机器人平台的支腿的数量可以根据实际工况进行选择，并不局限上图8至图12中所示出的几种实施案例。所有支腿必须满足姿态条件即为每条主被动差动混联支腿中的转动副Rz轴线彼此平行、移动副Pz导轨彼此平行。
另一种实施方式,
本实施例提供一种基于重力封闭的主被动差动混联支腿，包括基座110、升降台120、转向架130、车轮座140、第一车轮150和第二车轮160；其中升降台120与基座110滑动连接，形成移动副Pz，且移动副Pz为主动副，由直线驱动器170驱动；转向架130与升降台120转动连接，形成转动副Rz；车轮座140与转向架130转动连接，形成转动副Rx；第一车轮150和第二车轮160，分别位于转动副Rx的第一、第二两侧，第一车轮150与车轮座140转动连接，形成转动副Ry1；第二车轮160与车轮座140转动连接，形成转动副Ry2。
移动副Pz直线导轨与转动副Rz轴线平行，转动副Rz轴线与转动副Rx轴线交错垂直；转动副Rx轴线与转动副Ry1轴线或转动副Ry2轴线垂直或正交，转动副Ry1和转动副Ry2的轴线方向同轴。
在实际使用中，混联支腿中的第一车轮150和第二车轮160与地面接触，且可相对地面 做纯滚运动或车轮沿宽度某点圆做纯滚动，若将地面看做固定平台，车轮座看做运动平台，则第一车轮150、第二车轮160、地面、车轮座140构成局部并联结构。进一步地，基座110通过升降台120和转向架130与车轮座140串联，从而构成一种基于重力封闭的混联支腿，其机构构型为PzRzRx(Ry1+Ry2)Rp。
基于重力封闭的混联支腿还包括转向电机，转向架130由设置在升降台120上的转向电机210，通过设置转向电机210，可主动改变混联支腿中车轮的轴线方向，即转动副Ry1和转动副Ry2的轴线的方向。
为避免转向架130在外部干扰力或混联支腿抬起的情况下发生转动，影响混联支腿的运动精度及多腿协调性，优选地，升降台120上还设有抱闸190或离合器，替代转向电机，可锁定转向架130防止其相对升降台120转动。
升降台120上还设有角度传感器180，用于检测转向架130相对升降台120之间的转角，并用于实现多腿运动协调控制。即用于控制或保持多腿的状态或转动副Rx轴线方向彼此平行或形成一定相对协条关系、满足直线运动或转向、转弯或曲线轨迹运动要求。
当基于重力封闭的混联支腿为驱动腿时，第一车轮150和第二车轮160中应至少有一个为主动轮。即一个为主动另一个为被动或两车轮均为主动。优选地，第一车轮150和第二车轮160中的主动轮由行走电机2210或行走电机2220直接驱动，或通过链条、带轮、齿轮等传动方式由行走电机2210或行走电机2220间接驱动。或者，第一车轮150和第二车轮160由两个行走电机2210、2220分别驱动形成主动差动驱动或由单电机通过差动轮系间接驱动。
差动轮系包括与第一车轮150固连的第一锥齿轮2550、与第二车轮160固连的第二锥齿轮2560、与第一锥齿轮2550及第二锥齿轮2560同时相互啮合的行星锥齿轮2540、大锥齿轮2530、驱动锥齿轮2510、行星架2520。行星锥齿轮2540铰接于行星架2520上，行星架2520固连于大锥齿轮2530上，大锥齿轮2530与车轮座140转动连接，可自由转动，且大锥齿轮2530由与其啮合的驱动锥齿轮2510驱动，驱动锥齿轮2510与行走电机2230的输出轴固连。在差动轮系的外壳体上、相对第二车轮160等距位置即与行走电机2230输出轴线重合位置，相对第二车轮160轴线垂直相交、对称设置两转轴段，与转向架130采用转动连接，形成转动副Rx。第二车轮160运动状态由转向电机210和行走电机2230共同驱动与控制。
优选地，直线驱动器170可以是滚珠丝杠，滚珠丝杠中的螺母与基座110固连，滚珠丝杠中的丝杆与升降台120转动连接，且丝杆由升降电机1730驱动。
优选地，基于重力封闭的混联支腿设有独立悬挂组件50，独立悬挂组件50包括悬挂固定板510、弹簧520、弹簧撞块530、升降撞块540和导向柱550，弹簧520压缩行程小于升降台120升降行程，升降运动与独立悬挂组件为并联关系，且升降运动行程大于弹簧520长度；升降台120升降距离大于弹簧520长度时，混联支腿10为升降电机1730控制的刚性主动悬挂减振；升降台120升降距离小于弹簧520长度时，升降撞块540与弹簧撞块530接触，升降电机1730抱闸打开，混联支腿为基于弹簧520的独立悬挂组件的柔性被动减振；主被动减振构成刚柔耦合减振结构；独立悬挂组件50结构转向架130回转中心成中心对称布置，互相抵消对直线导轨1120的附加弯矩，不增加对直线导轨1120的额外载荷。
根据本发明的第二方面，提供一种全向移动精密调姿平台，包括车架20、控制器30以及三条或四条或六条腿的上述任一项中基于重力封闭的混联支腿10，混联支腿10中的基座110与车架20固定连接。每条混联支腿10中的移动副Pz导轨彼此平行；每条混联支腿10中的转动副Rz轴线彼此平行；三条腿的六自由度移动精密调姿平台中的三条腿采用三角形布局设置；四条腿的六自由度移动精密调姿平台中的四条腿采用正方形或长方形或菱形布局设置；六条腿的六自由度移动精密调姿平台中的六条腿采用日字形布局设置。
优选地，六自由度移动精密调姿平台中至少有两条基于重力封闭的混联支腿10整条腿为驱动腿，即转向电机210、直线驱动器170、第一车轮150和第二车轮160中至少有一个为主动轮或均为主动轮。
优选地，车架内部还设有电池组40，用于无外部电源时给车架内的控制器和各条混联支腿供电。
坐标系说明，图18到图19，采用同一直角坐标系，Z轴垂直于水平面，X轴、Y轴位于 水平面内，第一车轮、第二车轮轴向方向为Y轴，滚动方向为X轴。
如图18所示，是本发明一示例性实施例示出的一种基于重力封闭的混联支腿的结构示意图，图18展示了混联支腿10的具体结构，实施例中混联支腿10的机构构型原理图可参见图19。混联支腿10包括基座110、升降台120、转向架130、车轮座140、第一车轮150、第二车轮160和直线驱动器170。升降台120与基座110相连，升降台120能够沿着垂直于基座110的方向往复滑动，转向架130可转动地连接至升降台120，车轮座140可转动地连接至转向架130，通过转向架带动车轮座140实现转动，从而带动车轮改变运动方向。
其中升降台120与基座110之间滑动连接形成移动副Pz，移动副Pz为主动运动副，由直线驱动器170驱动。转向架130与升降台120转动连接形成转动副Rz，车轮座140与转向架130转动连接形成转动副Rx，第一车轮150例如第一车轮和第二车轮160第二车轮位于转动副Rx的两侧，且第一车轮150与车轮座140转动连接形成转动副Ry1，第二车轮160与车轮座140转动连接形成转动副Ry2。第一车轮150与地面接触形成滚动副Rp1，第二车轮160与地面接触形成滚动副Rp2。
混联支腿10中各零件之间形成的运动副满足一定的几何关系，其中移动副Pz的导轨方向与转动副Rz的轴线方向平行，转动副Rz轴线与转动副Rx轴线垂直，转动副Rx轴线与转动副Ry1及转动副Ry2的轴线垂直，转动副Ry1和转动副Ry2的轴线相互同轴。
基座110为矩形板状结构，升降台120为H形结构件，转向架130为Y形结构件，车轮座140为十字轴结构；混联支腿10中，基座110与升降台120通过直线导轨1120移动连接，升降台120与转向架130转动连接，转向架130与车轮座140转动连接；基座110、升降台120、转向架130和车轮座140，从上至下依次串联连接。第一车轮150和第二车轮160同时与车轮座140连接，分别与车轮座140的十结构两端连接，形成转动副；第一车轮和第二车轮与地面接触，在重力封闭条件下，形成局部并联连接，因此混联支腿10为串并混联结构。
如图20和图21所示，在一实施例中，直线驱动器170是滚珠丝杠，直线驱动器170包括螺母1710、丝杆1720、升降电机1730、轴承座1740和同步带1750，螺母1710与基座110固连，丝杆1720两端设有轴承座1740，且轴承座1740固连于升降台120的一侧，丝杆1720由升降电机1730通过同步带1750及两个同步带轮驱动旋转。直线驱动器170也可以是液压缸、直线模组等其他类型驱动，可根据实际情况进行合理选择。
如图20所示，为本发明一实施例提供的混联支腿的爆炸结构视图，为减少混联支腿10各零部件连接处的摩擦力，升降台120与基座110通过滑块1110和直线导轨1120滑动连接，即形成移动副Pz，滑块1110与基座110固连，直线导轨1120固连于升降台120上且直线导轨的长度方向垂直于升降台120的台面；转向架130与升降台120转动连接处设有转向轴承1310，车轮座140与转向架130转动连接处设有摆动轴承1320；第一车轮150与车轮座140转动连接处设有第一轮轴承1410，第二车轮160与车轮座140转动连接处设有第二轮轴承1420。通过在移动副Pz处设置滑块以及直线导轨，在转动副Rz、转动副Rx、转动副Ry1和转动副Ry2处设置各轴承，能够有效减小混联支腿10在运动过程中所产生的摩擦阻力。
如图21所示，在一实施例中，升降台120上还设有抱闸190，抱闸190的输出端与转向架130连接，通过抱闸190可控制转向架130相对升降台120转动或锁死，从而避免转向架130在外部干扰力或混联支腿10抬起的情况下发生转动，影响混联支腿10的运动精度及多腿状态协调，其中抱闸190也可以用离合器等替代。为提高混联支腿10的控制精度，转向架130与升降台120转动连接处还可以选择安装角度传感器180，用来实时监测转向架130的转角大小。用于控制和协调各腿之间转动副Rx方向及其准确性。
如图22所示，在一可选实施例中，升降台120上还设有转向电机210，转向架130由转向电机210驱动转动，通过控制转向电机210可主动改变转向架130的转动方向，进而控制第一车轮150和第二车轮160的行进方向。转向电机210的输出端还可以进一步设有第一力矩传感器210，用来实时监测转向架130相对升降台120之间的转向转矩。
当混联支腿10为驱动腿时，第一车轮150和第二车轮160中至少有一个为主动轮或两个车轮均为主动构成主动差动运动。如图22，在一可选实施例中，第二车轮160为主动轮，第二车轮160可由行走电机2220直接驱动，也可由行走电机2220通过链条、带轮、齿轮等传 动方式间接驱动，在图22所示的实施例中，第二车轮160通过带轮组240由行走电机2220间接驱动，行走电机2220安装于车轮座140上，带轮组240包括第一带轮2410、同步带2420、第二带轮2430，第一带轮2410与行走电机2220的输出轴固连，第二带轮2430固连于第二车轮160的一侧，同步带2420配合安装于第一带轮2410与第二带轮2430上。
如图23所示，在一可选实施例中，第一车轮150和第二车轮160均为主动轮，第一车轮150和第二车轮160分别由两个独立的行走电机2210、2220分别驱动，当两个行走电机2210、2220驱动第一车轮150和第二车轮160同向转动时，可使混联支腿10向前行走，当两个行走电机2210、222驱动第一车轮150和第二车轮160异向转动时，形成主动差动驱动工作状态，可使转向架130相对升降台120发生转动，改变混联支腿10的行进方向。为进一步提高第一车轮150和第二车轮160的控制精度，行走电机2210、222的输出端还可安装力矩传感器，用来实时监测第一车轮150或第二车轮160的轮上转矩。
如图24所示，在一可选实施例中，第一车轮150和第二车轮160可通过差动轮系250由行走电机2230间接驱动。通过一个行走电机2230同时驱动第一车轮150和第二车轮160，可以解决在转向过程中第一车轮150和第二车轮160转速不同或随意性的问题。
其中，差动轮系250包括与第一车轮150固连的第一锥齿轮2550，与第二车轮160固连的第二锥齿轮2560，同时与第一锥齿轮2550、第二锥齿轮2560相互啮合的行星锥齿轮2540，行星锥齿轮2540与行星架2520转动连接，行星架2520固连于大锥齿轮2530上，大锥齿轮2530与车轮150的轴构成转动连接，且大锥齿轮2530由与其啮合的驱动锥齿轮2510驱动，驱动锥齿轮2510与行走电机2230的输出轴固连。第一车轮150固连的第一锥齿轮2550轴线与第二车轮160固连的第二锥齿轮2560的轴线同轴，并通过转动副支撑在行星轮系壳体即相当于车轮座140上，行走电机2230及驱动锥齿轮2510的轴线与行星锥齿轮254轴线同轴，在车轮座140上外表面分别设置两段转轴与升降台120构成转动连接，即构成Rx转动副并与行星锥齿轮254轴线同轴。转动副Rx的一端与行走电机2230输出轴线重合，形成电机轴在内、Rx在外的复合转动副。行走电机2210、2220的输出端设置有第二力矩传感器2310、2320。
如图25和图26所示，是本发明提供的移动精密调姿平台的一实施例，移动精密调姿平台包括车架20，以及三条混联支腿10，混联支链1中的基座110与车架20固连。三条混联支腿10呈三角形布置，由车架20内部的控制器30控制。三条混联支腿10中可以有两条或者三条为驱动腿，驱动腿中的第一车轮150或第二车轮160至少有一个为主动轮或两个车轮均为主动，由驱动电机221或222或同时独立驱动车轮转动。车架20为由型材焊接而成的框架式结构，可有效提高车架20的承载力，且车架20的外周面安装有装饰板。三条混联支腿10即10a、10b、10c应满足姿态约束条件，姿态条件即为每条混联支腿中的移动副Pz导轨彼此平行、转动副Rz轴线彼此平行。
进一步地，为提高移动调姿平台的适用范围，除外部供电车架20的内部还设有电池组40，用来给控制器30和各个混联支腿10供电，使本移动精密调姿平台可以在无外部供电的情况下，依然可以正常工作。
移动精密调姿平台具有普通运载车的运载功能，可实现沿地面任意方向的移动，以及绕垂直地面方向的转动。同时本移动精密调姿平台还具有调节车架20空间姿态的功能，通过控制三条混联支腿10中的直线驱动器170同步上下运动，可实现车架20的上下升降运动；控制三条混联支腿10中的直线驱动器170异步运动时，可使车架20相对地面发生倾斜。即实现俯仰运动、横滚运动。
具体地，如图26所示，为区别各个混联支腿，将不同位置的混联支腿分别命名为10a、10b和10c，当控制混联支腿10a和混联支腿10b升高，同时使混联支腿10c降低，可使车架20绕x轴转动，当然也可令混联支腿10a和混联支腿10b降低，令混联支腿10c升高来实现绕x轴的反向转动。当控制混联支腿10a升高或降低，对应地令混联支腿10b降低或升高，可实现车架20绕y轴的转动。
上述只是对车架20的姿态调节控制的简单描述，在实际控制中，当车架20的姿态发生改变时，混联支腿中的第一车轮150和第二车轮160也会发生相应的运动。这是因为将地面当作固定平台时，第一车轮150和第二车轮160与地面接触所形成的滚动副Rp1和滚动副Rp2 参与了车架20的自由度构建，因此对车架20的姿态进行调整时，还需要控制第一车轮150和第二车轮160进行相应的附加微运动。
如图27、图28和图30所示是本发明提供的移动精密调姿平台的又一实施例，在本实施例中车架20上连接有四条混联支腿10，分别设于车架20的四个角上，呈正方形或长方形布置，通过设置四条混联支腿10，可有效提高移动精密调姿平台的承载面积，四条混联支腿10中可以有两条或者三条或者四条为驱动腿。四条混联支腿之间应满足位置与姿态约束条件，姿态条件即为每条混联支腿中的移动副Pz导轨彼此平行、转动副Rz轴线彼此平行。
在本实施例中，四条混联支腿10中有一条为冗余支腿，通过设置冗余支腿，一方面可以提高移动调姿平台的承载力，另一方面可以提高移动精密调姿平台的稳定性。当四条混联支腿中，有一条支腿发生故障时，冗余支腿可代替该故障支腿继续工作，不影响移动精密调姿平台的正常工作，这对卫星、火箭等重要产品的安装对接至关重要。
车架20的四周还可以安装或搭载摄像头、超声波、激光雷达、毫米波雷达等传感器，用来提高移动精密调姿平台对外界环境的感知能力，车架20上还可以搭载垂直升降台或功能性机构或机器人来进一步扩展本移动精密调姿平台的应用范围。
如图29所示是本发明提供的移动精密调姿平台的又一实施例，在本实施例中车架20上连接有六条混联支腿10，分别设于车架20的两端或两侧，通过增加移动精密调姿平台支腿的数量可有效提高平台的承载力，进一步提高移动调姿平台的稳定性、可靠性。本实施例针对大重载荷工况，如运载火箭、大型运输机、重型机器精密调姿对接与安装。
优选地，如图31、图32和图33所示，在一实施例中，升降台120与转向架130之间布置独立悬挂组件50，其中独立悬挂组件50包括悬挂固定板510、弹簧520、弹簧撞块530、升降撞块540以及导向柱550，弹簧520可以是压缩弹簧、蝶形弹簧或者空气弹簧，根据负载与悬挂行程进行合理选择。
如图31所示，是本发明又一实施例提供的具有独立悬挂组件的基于重力封闭的混联支腿结构示意图，独立悬挂组件50连接升降台120与转向架130，且布置两组，与Pz为并联关系；悬挂固定板510与转向架130固定连接；弹簧520与弹簧撞块530固定连接；导向柱550与悬挂固定板510固定连接，且穿过弹簧520、弹簧撞块530，形成滑动连接；升降撞块530与升降台120固定连接，且升降撞块530与导向柱550滑动连接。
如图32所示，是又一实施例示出的一种具有独立悬挂组件的基于重力封闭的混联支腿俯视示意图；独立悬挂组件50相对转向架130回转中心成中心对称布置，互相抵消对导轨的附加弯矩，不增加对升降导轨的额外载荷。
如图33所示，是又一实施例示出的一种具有独立悬挂组件的基于重力封闭的混联支腿结构原理图；弹簧520压缩形成小于升降台120升降行程，升降运动与独立悬挂组件为并联关系，且升降运动行程L1大于弹簧长度L2；当升降台120升降距L1离大于弹簧520长度L2时，混联支腿为升降低电机173控制的刚性主动悬挂减振；当升降台120升降距离L1小于弹簧520长度L2时，升降撞块540与弹簧撞块530接触，升降电机1730抱闸打开，混联支腿为基于弹簧520的独立悬挂组件50的柔性被动减振，且压缩弹簧可以有效降低丝杠1720承受载荷，当弹簧压缩量最大时，丝杠载荷为零；主被动减振构成刚柔耦合减振结构。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

  1. 一种主被动差动混联支腿，其包括基座、升降台、车轮座和独立悬挂组件，其特征在于，所述基座通过转盘轴承转动连接有转向台，所述转盘轴承的外周设置有轮齿，转向电机设置在所述基座内，所述转向电机的输出轴上的传动齿轮与所述轮齿配合进行所述转向台转动及定位；
    所述升降台上设置有导轨，所述转向台上设置有滑块，所述升降台固连升降电机，所述升降电机通过同步带传动带动直线驱动器进行动作，从而带动所述滑块与所述导轨配合使所述升降台与所述转向台滑动连接；
    所述车轮座转动连接所述升降台，所述车轮座与升降台转动连接处设有摆动轴承；所述车轮座设置有转动连接的第一车轮和第二车轮；第一车轮和第二车轮中至少有一个为主动轮，或第一车轮和第二车轮均为主动轮；所述第一车轮和第二车轮的转动运动由行走双电机减速器分别主动同步驱动或者差动驱动，或者由行走单电机通过差动轮系间接驱动；以及
    所述独立悬挂组件设置在所述升降台与所述转向台之间，所述独立悬挂组件包括悬挂固定板、弹簧、弹簧撞块、升降撞块和导向柱；在所述独立悬挂组件中，所述弹簧的压缩行程小于升降台的升降行程，升降运动与独立悬挂为并联关系，且升降运动行程大于弹簧长度；所述升降台升降距离大于弹簧长度时，能够为升降电机控制的刚性主动减振；所述升降台的升降距离小于弹簧长度时，升降撞块与弹簧撞块接触，升降电机的抱闸打开，能够因基于弹簧的独立悬挂的柔性而被动减振，且上述主动减振和被动减振构成刚柔耦合减振结构。
  2. 根据权利要求1所述的主被动差动混联支腿，其特征在于，所述直线驱动器包括螺母、丝杆、升降电机、轴承座以及同步带，所述螺母与所述转向台固连，所述丝杆的两端均设有轴承座，所述轴承座与所述升降台固连，所述升降电机通过同步带带动所述丝杆运动从而实现升降台的升降；所述升降电机固连至所述升降台，所述升降电机的输出轴连接主动带轮，通过所述同步带带动被动带轮运动，所述被动带轮连接直线驱动器输入端，所述输入端为所述丝杆。
  3. 根据权利要求2所述的主被动差动混联支腿，其特征在于，所述差动轮系包括与第一车轮固连的第一锥齿轮，与第二车轮固连的第二锥齿轮和同时与第一锥齿轮、第二锥齿轮相啮合的行星锥齿轮，所述行星锥齿轮铰接于行星架上，所述行星架固连于大锥齿轮的一端面，所述大锥齿轮与车轮座转动连接，且大锥齿轮由与其啮合的驱动锥齿轮驱动，所述驱动锥齿轮与行走单电机的输出轴固连；在差动轮系的外壳体上、与行走单电机输出轴线重合位置，与第一车轮轴线、第二车轮轴线垂直相交对称设置有两转动副，与所述升降台构成转动连接，形成转动副Rx。
  4. 一种含有权利要求1所述主被动差动混联支腿的六自由度调姿机器人平台，其特征在于，其包括车架、控制器以及多条所述主被动差动混联支腿，
    所述车架与多条所述主被动差动混联支腿中的基座固定连接；
    所述车架设有电池组，用来给所述控制器和所述主被动差动混联支腿供电；
    每条所述主被动差动混联支腿中的转动台的转动轴线彼此平行；且每条所述主被动差动混联支腿中的升降台的直线导轨彼此平行；至少有两条所述主被动差动混联支腿为驱动腿，所述转向电机、直线驱动器为主动驱动，第一车轮和第二车轮中至少有一个为主动轮或均为主动轮；与所述车架固定连接的所述主被动差动混联支腿的所述第一车轮和第二车轮均与地面接触且在接触点垂直地面方向无自由度，所述车架、与所述车架相固连的所述主被动差动混联支腿与地面构成六自由度调姿平台。
  5. 根据权利要求4所述的六自由度调姿机器人平台，其特征在于，所述主被动差动混联支腿的数量为三条时，各主被动差动混联支腿中的基座分别与车架固连，三条主被动差动混联支腿呈三角形布置；
    或者当所述主被动差动混联支腿的数量为四条时，分别设于车架的四个角上，四条所述主被动差动混联支腿中有两条或者三条或者四条均为驱动腿；
    或者当所述主被动差动混联支腿的数量为六条时，分别布置于车架的两端或两侧且呈日字形布置。
  6. 根据权利要求4所述的六自由度调姿机器人平台，其特在在于，所述车架的四周安装 或搭载摄像头、超声波、激光雷达或者毫米波雷达，用来提高六自由度调姿平台对外界环境的感知能力，所述车架上还设有搭载垂直升降台或机器人从而扩展应用范围。
  7. 一种基于重力封闭的混联支腿，其特征在于，其包括基座、升降台、转向架、车轮座和车轮，所述基座依次与直线驱动器、升降台、转向架和车轮座串联连接，在重力封闭条件下形成局部并联连接；
    所述车轮包括第一车轮和第二车轮，分别位于车轮架的两侧，所述第一车轮与车轮座转动连接，形成转动副Ry1；所述第二车轮与车轮座转动连接，形成转动副Ry2；所述车轮与地面接触点之间无垂直方向移动自由度；以及
    所述升降台与所述基座滑动连接，形成作为主动副的移动副Pz，所述升降台由直线驱动器驱动，并且所述转向架由设置在升降台上的转向电机驱动而形成转动连接，所述转向架与升降台转动连接形成转动副Rz，所述车轮座与所述转向架转动连接形成转动副Rx，所述升降台的直线导轨与转动副Rz的轴线平行，所述转动副Rz的轴线与转动副Rx的轴线垂直；所述转动副Ry1和转动副Ry2的轴线同轴，所述转动副Rx的轴线与转动副Ry1及转动副Ry2的轴线垂直相交；所述转动副Rz的轴线通过所述转动副Rx的轴线与转动副Ry1及转动副Ry2的轴线交点。
  8. 根据权利要求7所述的基于重力封闭的混联支腿，其特征在于，当作为驱动腿时，所述第二车轮为主动轮，或所述第一车轮和第二车轮均为主动轮从而构成主动差动运动；当所述第二车轮为主动轮时，第二车轮由行走电机直接驱动或由行走电机通过传动机构间接驱动；当所述第二车轮通过带轮组由行走电机间接驱动时，所述行走电机安装于车轮座上，所述带轮组包括第一带轮、同步带和第二带轮，所述第一带轮与行走电机的输出轴固连，所述第二带轮固连于第二车轮的一侧，所述同步带配合安装于第一带轮与第二带轮上；或者，当所述第一车轮和第二车轮均为主动轮时，所述第一车轮和第二车轮分别由两个独立的行走电机驱动；当两个独立的行走电机驱动第一车轮和第二车轮同向转动时，使第一车轮和第二车轮向前行走，当两个行走电机驱动第一车轮和第二车轮异向转动时，形成主动差动驱动工作状态，使转向架相对升降台发生转动，改变第一车轮和第二车轮的行进方向。
  9. 根据权利要求7所述基于重力封闭的混联支腿，其特征在于，其还包括设置在所述升降台与所述转向架之间的独立悬挂组件，所述独立悬挂组件包括悬挂固定板、弹簧、弹簧撞块、升降撞块和导向柱，连接升降台与转向架；在所述独立悬挂组件中，弹簧的压缩行程小于升降台的升降行程，升降运动与独立悬挂为并联关系，且升降运动行程大于弹簧长度；所述升降台升降距离大于弹簧长度时，能够为升降电机控制的刚性主动减振；所述升降台的升降距离小于弹簧长度时，升降撞块与弹簧撞块接触，升降电机的抱闸打开，能够因基于弹簧的独立悬挂的柔性而被动减振，且上述主动减振和被动减振构成刚柔耦合减振结构。
  10. 根据权利要求7所述基于重力封闭的混联支腿，其特征在于，在所述主动差动运动中，差动轮系包括与第一车轮固连的第一锥齿轮、与第二车轮固连的第二锥齿轮和同时与第一齿锥轮、第二锥齿轮相啮合的行星锥齿轮、大锥齿轮、驱动锥齿轮和行星架；所述行星架铰接于行星锥齿轮上，所述行星架固连于大锥齿轮上，所述大锥齿轮与第一车轮轴转动连接，且大锥齿轮由与其啮合的驱动锥齿轮驱动，所述驱动锥齿轮与行走电机的输出轴固连；所述升降台上还设有角度传感器，所述角度传感器用于检测所述转向架相对升降台之间的转角。
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