CN105109572A - 一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，运用仿生机构原理模仿蟑螂，对前三个关节：臀关节、髋关节、膝关节布置；后三个操作关节为第一～第三踝关节。其中前三关节的舵机与腿节部分直接连接驱动旋转；第一踝关节的驱动电机也采用直驱的方式；后两个关节，由于单腿总长的限制及避免运动干涉的需求，第二踝关节采用蜗轮蜗杆来进行驱动，第三踝关节则使用齿轮传递动力。上述膝关节与第一踝关节间设置有滚轮，可实现轮行与步行模式间的切换。本发明的优点为：末端位姿丰富，站立或步行时可采用的姿态众多，无论机器人进行单腿臂融合操作或者双腿臂协调时，可选的路径规划方法多，灵活度高。

Description

一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构

技术领域

本发明涉及机构学及仿生学，可用于多足机器人领域，具体来说，是一种可实现大输出自由度并且可进行轮腿切换及臂式抓取操作的仿生机构。

背景技术

随着科学技术的不断发展，移动机器人在人类生产工作中扮演着越来越多的角色。相对于单一运动结构的移动机器人，比如足式机器人，轮式机器人等，混合轮腿形式的移动机器人有着功能和结构上的优越性。这种混合形式的移动机器人能更好的适应复杂地形，在较为平坦的地面可使用轮行模式，具有较高的移动速度，效率高；在较崎岖的地形下又可切换形式进行腿式行走，并且可实现越障，翻倒自恢复等功能。除了移动性能外，移动机器人解决实际应用的需求也被所研究，机器人的操作性能和移动性能同样重要，这样对于单腿的高输出自由度及末端的操作器设计也成为目前研究的难点。

近年来对于满足腿臂融合操作机器人单腿结构的设计研究成果越来越丰富，美国JPL实验室研制的ATHLETE系列机器人便是其中典型的代表，但是这些机器人有着输出自由度低、轮腿切换困难、操作性能差的各种问题。

发明内容

为了解决多足机器人腿部设计面临的一系列问题，基于机构学及仿生学原理发明了一种

能够实现单腿高输出自由度、轮腿平顺切换、操作简单的轮腿式机器人的单腿结构。

本发明用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，由腿根部至腿前部依次为臀关节、髋关节、膝关节、第一踝关节、第二踝关节、第三踝关节，依次通过第一～第六驱动机构驱动转动。

其中，臀关节与髋关节的转动轴线垂直；髋关节、膝关节、第一踝关节的转动轴线平行；第二踝关节的转动轴线垂直于髋关节的转动轴线；第三踝关节的转动轴线与第二踝关节转动轴线垂直，且第三踝关节上安装有手爪，通过手爪驱动机构控制手爪开合；

上述臀关节与髋关节间通过臀关节连接件相连；髋关节与膝关节间通过大腿杆相连；膝关节与第一踝关节间通过小腿杆相连，小腿杆上安装有滚轮，滚轮的转动轴线与髋关节平行；第一踝关节与第二踝关节间通过踝腿杆相连。

应用本发明单腿结构的机器人可进行轮行与步行模式间的切换：

当机器人进行步行运动时，单腿结构作为机器人的支撑腿，此时调节臀关节、髋关节、膝关节、第一踝关节可以调整站立时的姿态；通过控制臀关节、髋关节及膝关节转动，实现单腿摆动或迈步，第一踝关节、第二踝关节及第三踝关节在机器人行走时一般锁定不动，且手爪的支撑面着地。

当机器人需要改变构态进行轮行运动时，调整臀关节，使机器人两侧的单腿结构以矢状面为中心分为等数量两对，并且在矢状面及冠状面上都相互对称；再调各条单腿结构髋关节及膝关节使滚轮着地，继续微调第一踝关节使每条单腿结构间不干涉，一般轮行模式下第二踝关节及第三踝关节也锁定不动。

本发明的优点在于：

1、本发明单腿结构输出自由度高，末端执行器(手爪)位姿丰富，站立或步行时可采用的姿态众多，无论机器人进行单腿臂融合操作或者双腿臂协调时，可选的路径规划方法多，灵活度高。

2、本发明单腿结构，滚轮的布置方式易于实现；轮行、步行时的切换平顺；并且不似一般的轮腿式机器人将轮子布置在足底，减少了轮子在步行时的磨损；轮子位于中分面上使腿的质量分布均匀，对步行、操作时的影响也较小。

3、本发明单腿结构，末端执行器(手爪)的设计综合了步行和操作的需求，并且便于实现，操作简单。

附图说明

图1为本发明单腿结构的站立姿态整体结构示意图；

图2为本发明单腿结构的轮形姿态整体结构示意图；

图3为本发明单腿结构中第一～第三驱动机构的驱动舵机连接方式示意图；

图4为本发明单腿结构中滚轮的驱动方式示意图；

图5为本发明单腿结构中第四驱动机构结构示意图；

图6为本发明单腿结构中第五驱动机构结构示意图；

图7为本发明单腿结构中第六驱动机构结构示意图；

图8为本发明单腿结构中一体化结构传动轴与齿轮箱结构示意图；

图9为本发明单腿结构中手爪驱动机构结构示意图；

图10为本发明单腿结构中手爪驱动机构结构剖视图；

图11为本发明单腿结构中手爪的结构及安装方式示意图。

图中：

1-臀关节连接件2-大腿杆3-小腿杆

4-滚轮5-踝腿杆6-手爪驱动机构

7-手爪8-滚轮电机套筒9-滚轮驱动电机

10-关节驱动电机11-关节电机套筒12-齿轮箱A

13-第五关节蜗杆14-第五关节蜗轮15-传动轴A

16-齿轮箱B17-锥齿轮18-转轴

19-传动轴B20-垫板601-手爪驱动电机

602-手爪驱动蜗杆603-手爪被动蜗轮604-手爪电机套筒

605-手爪连接杆606-连接头701-支撑面

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明单腿结构具有6个关节，由腿根部至腿前部依次为臀关节、髋关节、膝关节、第一踝关节、第二踝关节、第三踝关节，依次通过第一～第六驱动机构驱动转动，如图1、图2所示，同时还包括臀关节连接件1、大腿杆2、小腿杆3、滚轮4、踝腿杆5、手爪驱动机构6与手爪7。

所述第一驱动机构采用舵机，舵机的输出轴直接与由两块侧板构成的臀关节连接件1后端两端直接固连，形成臀关节；可通过第一驱动机构驱动臀关节的转动。

第二驱动机构采用舵机，固定安装于臀关节连接件1前端，输出轴轴线与第一驱动机构的输出轴轴线垂直设置，且输出轴两端直接与两个侧板构成的大腿杆2的后端固连，形成髋关节；可通过第二驱动舵机驱动髋关节转动。

第三驱动机构同样采用舵机，输出轴轴线与第二驱动机构输出轴轴线平行设置，且第三驱动机构的输出轴两端直接与大腿杆2两个侧板的前端固连，形成膝关节；可通过第三驱动机构驱动膝关节转动。

上述第一～第三驱动机构的驱动舵机输出轴与连接部件间通过内外花键配合定位，通过螺钉固定；同时在舵机输出轴上套接垫板20，如图3所示，将垫板20与所连接部件间通过轴承相连，防止舵机驱动连接部件转动时产生较大的间隙振动。

所述小腿杆3由两块侧板构成，作为滚轮4的安装框架；两块侧板的后端固定于第三驱动机构的前端面上。如图4所示，滚轮4设置于两块侧板间，套在滚轮电机套筒8上，与滚轮电机套筒8周向间存在间隙；滚轮电机套筒两端固定于两块侧板上。滚轮4的驱动与支撑通过滚轮驱动电机9实现；滚轮驱动电机9固定安装于滚轮电机套筒8内，输出轴与固定于滚轮4上。

所述踝腿杆6同为两块侧板构成，通过第四驱动机构与小腿杆3的前端相连，形成第一踝关节；可通过第四驱动机构驱动第一踝关节转动。踝腿杆6与小腿杆3间的具体连接方式如图5所示，为：小腿杆3的前端两侧外壁设计有突起；踝腿杆6的左右侧板前端内壁设计有凹槽，使突起与凹槽配合，并通过轴承相连。第四驱动机构采用关节驱动电机10驱动，输出轴轴线与第三驱动机构输出轴轴线平行设置。关节驱动电机10同轴固定安装于关节电机套筒11内；关节电机套筒11两端分别与小腿杆3的两块侧板前端固定。关节驱动电机10的输出轴由关节电机套筒11端部伸出后与小腿杆3的一个侧板固连。

所述第五关节驱动机构采用蜗轮蜗杆驱动结构，如图6所示，安装于齿轮箱A12内，齿轮箱A12固定于踝腿杆6的两块侧板前端。第五关节蜗杆13的轴线与第四驱动机构轴线平行设置，一端与齿轮箱A12两侧壁间通过滚动轴承相连，另一端通过联轴器与驱动电机相连，驱动第五关节蜗杆转动。第五关节蜗轮14与第五关节蜗杆13啮合，固定于传动轴A15上；传动轴A15通过轴承与齿轮箱A12进行轴向固定。

所述第六关节驱动机构采用双锥齿轮驱动结构，如图7所示，安装于齿轮箱B16内，齿轮箱B16固定于第五关节驱动机构中传动轴A15输出端上。第六关节驱动机构中，两个锥齿轮17分别为锥齿轮A与锥齿轮B；锥齿轮A固定于转轴18上，转轴18与齿轮箱B16侧壁间通过滚动轴承相连，另一端与固定与齿轮箱B16上的驱动电机输出轴相连，由驱动电机驱动转动。锥齿轮B与锥齿轮A啮合，固定安装在传动轴B19上，传动轴B19与齿轮箱B16间通过滚动轴承相连。

上述结构第五关节驱动机构中传动轴A15与第四驱动机构输出轴轴线垂直，端部与第六关节驱动机构的齿轮箱B16固定，形成第二踝关节，通过第五关驱动机构驱动第二踝关节转动。本发明中传动轴A15与齿轮箱B16设计为一体结构，如图8所示，避免单腿着地时的径向力造成的误差，且便于传动轴A15的轴向固定，简化装配的复杂度。

上述结构第六关节驱动机构中的传动轴B19端部安装有手爪驱动机构6，形成第三踝关节，通过第六关节驱动机构驱动第三踝关节转动。所述手爪驱动机构6用于驱动手爪运动，如图9、10所示，包括手爪驱动电机601、手爪驱动蜗杆602与手爪被动蜗轮603。其中，手爪驱动电机601设置于手爪电机套筒604内，手爪电机套筒604后端固定于传动轴B19端部。手爪驱动电机601输出轴通过联轴器与手爪驱动蜗杆602一端固定；手爪驱动蜗杆602通过滚动轴承与手爪电机套筒604前端相连。手爪被动蜗轮603为两个，均与手爪驱动蜗杆602啮合。如图11所示，两个手爪被动蜗轮603分别通过键连接固定在两个手爪连接杆605上；两个手爪连接杆605分别穿过电机套筒604前端设计的连接头606。

所述手爪7由两个半爪构成，末端分别与两个手爪连接杆605通过键连接固定。由此通过手爪驱动电机601驱动手爪驱动蜗杆602转动，带动两个手爪被动蜗轮603转动，进而带动两个手爪连接杆605转动，最终带动两个半爪转动，实现两个半爪间的开闭运动。上述两个半爪中，一个半爪的前端设计为平面，作为支撑面701，用于单腿结构在平面上的支撑。在机器人的步行模式下两个半爪闭合且相互契合锁紧，此时通过支撑面701的支撑，使手爪可作为足进行行走；当驱动电机带动两个半爪张开时，又可以作为执行器进行夹持操作。

本发明中各个腿节(包括大腿杆2、小腿杆3、踝腿杆5以及第二踝关节与第三踝关节间的垂直距离)间的尺寸不同，各腿节的比例均根据仿生学进行优化。根据自由度分析原理，对于本发明关节排布方式，手爪的输出的自由度可分解为转动自由度λ_r和移动自由度λ_t，并且有：λ＝λ_r+λ_t＝λ_r+λ_tt+λ_tr，其中，λ_tt为手爪原有移动自由度，λ_tr为由手爪转动衍生的移动自由度；再由λ的计算准则，在本发明的关节布置情况下，λ_r＝3，λ_tt＝3，而空间中输出的最大自由度为6，该构型末端输出自由度为6，为满输出自由度。

本发明单腿结构中滚轮4的安放位置非常重要，直接影响到切换的可行性及效率；因此将滚轮4放置在膝关节和第一踝关节之间，且滚轮4的中心位于单腿结构的中分平面上，即小腿杆3的两侧板垂直连线的中分线所在平面。

本发明单腿结构进行操作时，首先由臀关节、髋关节、膝关节与第一～第三踝关节将手爪移动到目标附近，再由第一～第三踝关节进行微调，使手爪进入目标物体的可操作范围内。

应用本发明单腿结构的机器人可进行轮行与步行模式间的切换：

当机器人进行步行运动时，单腿结构作为机器人的支撑腿，站立姿势如图1所示，此时调节臀关节、髋关节、膝关节、第一踝关节可以调整站立时的姿态；通过控制臀关节、髋关节及膝关节转动，实现单腿摆动或迈步(取决于不同步态)，第一踝关节、第二踝关节及第三踝关节在机器人行走时一般锁定不动，且手爪7的两个半爪须闭合锁死，支撑面701着地，若行走面较光滑，可在支撑面701上增加橡胶垫等来增大行走摩擦力。

当机器人需要改变构态进行轮行运动时，以六足机器人为例，调整臀关节，将六条单腿结构以矢状面为中心分为两对，每对三条，并且在矢状面及冠状面上都相互对称；再调各条单腿结构髋关节及膝关节使滚轮4着地，如图2所示，继续微调第一踝关节使每条单腿结构间不干涉，一般轮行模式下第二踝关节及第三踝关节也锁定不动。

Claims (7)

1.一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：由腿根部至腿前部依次为臀关节、髋关节、膝关节、第一踝关节、第二踝关节、第三踝关节，依次通过第一～第六驱动机构驱动转动；

其中，臀关节与髋关节的转动轴线垂直；髋关节、膝关节、第一踝关节的转动轴线平行；第二踝关节的转动轴线垂直于髋关节的转动轴线；第三踝关节的转动轴线与第二踝关节转动轴线垂直，且第三踝关节上安装有手爪，通过手爪驱动机构控制手爪开合；

上述臀关节与髋关节间通过臀关节连接件相连；髋关节与膝关节间通过大腿杆相连；膝关节与第一踝关节间通过小腿杆相连，小腿杆上安装有滚轮，滚轮的转动轴线与髋关节平行；第一踝关节与第二踝关节间通过踝腿杆相连。

2.如权利要求1所述一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：所述第一～第三驱动机构均采用舵机驱动方式；第四驱动机构采用电机驱动方式；第五驱动机构采用涡轮蜗杆驱动方式；第六驱动机构采用齿轮传动方式。

3.如权利要求1所述一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：所述滚轮的中心位于单腿结构的中分平面上。

4.如权利要求1所述一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：所述第五关节驱动机构安装于齿轮箱A内，齿轮箱A固定于踝腿杆上，第五关节蜗杆两端分别与齿轮箱A侧壁间通过轴承相连；第五关节蜗杆输入端安装驱动电机；第五关节蜗轮与第五关节蜗杆啮合，第五关节蜗轮固定于传动轴A上；传动轴A通过轴承与齿轮箱A轴向固定；第六关节驱动机构安装于齿轮箱B内，齿轮箱B固定于第五关节驱动机构中传动轴A输出端上；第六关节驱动机构采用两个锥齿轮传动，两个锥齿轮啮合，分别固定于转轴和传动轴B上，转轴与齿轮箱B侧壁间通过轴承相连，输入端安装驱动电机。传动轴B与齿轮箱B间通过轴承相连。

5.如权利要求4所述一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：所述传动轴A与齿轮箱B设计为一体结构。

6.如权利要求1所述一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：所述手爪驱动机构包括手爪驱动电机、手爪驱动蜗杆与手爪被动蜗轮；其中，手爪驱动电机设置于手爪电机套筒内；手爪驱动电机输出轴与手爪驱动蜗杆一端固定；手爪驱动蜗杆通过轴承与手爪电机套筒前端相连；手爪被动蜗轮为两个，均与手爪驱动蜗杆啮合；两个手爪被动蜗轮分别通过键连接固定在两个手爪连接杆上；两个手爪连接杆分别穿过电机套筒前端设计的连接头，两个手爪连杆用来连接手爪。

7.如权利要求1所述一种用于腿臂融合操作的轮腿式机器人的单腿结构，其特征在于：所述手爪由两个半爪构成，且一个半爪的前端设计为平面。