CN105539786B - 轮‑腿复合并联腿机构及水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮‑腿复合并联腿机构及水下机器人，属于机器人领域。所述轮‑腿复合并联腿机构包括静平台和动平台，所述静平台和动平台之间设置有RUPU运动支链、RPRU运动支链和RUR中间运动传递支链。本发明中，位于两侧的RUPU运动支链和RPRU运动支链以及位于中间的RUR中间运动传递支链共同构成了一种新型的球面二自由度的轮‑腿复合并联机构。本发明利用新型球面并联机构改变了轮的空间运动姿态，从而实现了水下机器人行走时的转向和越障的姿态调整动作。本发明具有结构简单，安装便利，控制方便，转向、越障性能好等特点。

Description

轮-腿复合并联腿机构及水下机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是指一种轮-腿复合并联腿机构及具有该机构的水下机器人。

背景技术

地形沟壑纵横，高低不平，且存在障碍物，因此具有单一功能的移动机器人(例如轮式、腿足式和履式)也就不能够满足具有多重特征的海洋环境。轮-腿复合移动方式兼有轮式移动的高效性及腿式移动的良好越障性能，是复合式当中研究较多的一种。但遗憾的是，现有轮-腿复合移动方式只实现了轮子和腿足间功能上的简单组合，而结构上两者是完全独立的，并没有融合为一体，因此它们在不同地形条件下实现不同移动方式间的转换，一般还须增加专门的辅助机构，这样使得腿机构更加复杂且不够灵活。

更为严重的是，大多数轮-腿复合式腿机构采用串联机构，这样不仅使关节驱动电机密闭封装困难，而且存在转弯半径小、自重负荷比大和姿态单调等不足之处。与一般轮-腿复合移动方式不同，并联多腿足姿态调整的轮-腿复合移动方式除了能提供轮子转动驱动外，还能根据机器人移动操纵任务需求产生其它多维方向上的轮子空间姿态调整运动，从而使海洋移动机器人能以形态各异的轮子空间姿态自适应海洋环境，这极大地提高了机器人的地形适应和避障能力。少自由度并联机构具有自由度少、刚度重量比大、运动姿态丰富、动态性能和承载能力强等优点，为此提出基于少自由度轮-腿复合式并联腿机构创新设计理念。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轮-腿复合并联腿机构及具有该机构的水下机器人，其能够实现轮腿多姿态的球面工作空间，提高水下机器人转向和越障能力。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种轮-腿复合并联腿机构，包括静平台和动平台，其中：

所述静平台为横向设置的长条形，所述动平台为方块形；

所述静平台的一端和所述动平台的一端之间依次设置有第一转动副、第一万向节、第一移动副和第二万向节，从而形成RUPU运动支链，其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的并联机构驱动电机驱动；

所述静平台的另一端和所述动平台的另一端之间依次设置有第二转动副、第二移动副、第三转动副和第三万向节，从而形成RPRU运动支链，其中所述第二转动副的一端固定设置在所述静平台上；

所述静平台的中部设置有第一传动轴，所述动平台的中部设置有第二传动轴，所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第四万向节，从而形成RUR中间运动传递支链，所述第二传动轴的末端设置有轮子。

另一方面，提供一种水下机器人，包括机器人外壳，所述机器人外壳的下部设置有上述的轮-腿复合并联腿机构，所述机器人外壳内设置有主轴电机，所述主轴电机经差速器驱动连接所述轮-腿复合并联腿机构的第一传动轴。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，位于两侧的RUPU运动支链和RPRU运动支链以及位于中间的RUR中间运动传递支链共同构成了一种新型的球面二自由度的轮-腿复合并联机构。本发明利用新型球面并联机构改变了轮的空间运动姿态，从而实现了水下机器人行走时的转向和越障的姿态调整动作；该并联机构只有两个自由度，结构简单，控制方便；中间运动传递支链实现了主轴电机与轮子之间的旋转运动传递。该球面并联机构与轮有机结合，实现了该机构多姿态的运动功能，与传统的串联机构相比，省去了很多关节和驱动，使水下机器人的轮-腿复合结构更加紧凑，同时该机构可单套安装使用，具有模块化应用、便于批量生产的优点；本发明的球面并联机构在电机和液压的控制下能够实现精确控制，响应速度快，使轮子快速实现各种姿态的调整。

附图说明

图1为本发明的具有轮-腿复合并联腿机构的水下机器人的总体结构示意图一；

图2为本发明的具有轮-腿复合并联腿机构的水下机器人的总体结构示意图二；

图3为本发明的具有轮-腿复合并联腿机构的水下机器人的总体结构示意图三；

图4为本发明的轮-腿复合并联腿机构的结构示意图；

图5为图1、2和3中所采用的差速器的结构简图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种轮-腿复合并联腿机构，如图1-4所示，包括静平台24和动平台15，其中：

静平台24为横向设置的长条形，动平台15为方块形；

静平台24的一端和动平台15的一端之间依次设置有第一转动副11、第一万向节12、第一移动副13和第二万向节14，从而形成RUPU运动支链，其中第一转动副11由设置在静平台24上的并联机构驱动电机10驱动；

静平台24的另一端和动平台15的另一端之间依次设置有第二转动副21、第二移动副20、第三转动副19和第三万向节18，从而形成RPRU运动支链，其中第二转动副21的一端固定设置在静平台24上(无电机驱动)；

静平台24的中部设置有第一传动轴23，动平台24的中部设置有第二传动轴17，第一传动轴23和第二传动轴17之间设置有第四万向节22，从而形成RUR中间运动传递支链，第二传动轴17的末端设置有轮子16。

本发明中，位于两侧的RUPU运动支链和RPRU运动支链以及位于中间的RUR中间运动传递支链共同构成了一种新型的球面二自由度的轮-腿复合并联机构。RUPU运动支链所连接的并联机构驱动电机10驱动第一转动副11，把扭矩通过第一万向节12、第一移动副13、第二万向节14传递到动平台15，实现对动平台15的单自由度扭动，第一移动副13实现直线运动，推动动平台15实现与上述扭转方向垂直的以第四万向节22为圆心的单自由度扭动；RPRU运动支链为被动约束支链，第二转动副21限制了动平台的Z方向的转动自由度，使动平台15只能绕X、Y轴转动，第二移动副20、第三转动副19、第三万向节18作为RUPU运动支链和中间运动传递支链的被动约束(均无动力源)，保证机构整体的稳定。通过并联机构驱动电机10的转速以及第一移动副13的位移控制实现轮子16前进时所需的多种姿态。本发明在静平台24和动平台15之间增加了一条RUR中间运动传递支链，用来将主轴电机的转矩和运动传递到轮子16上。该新型球面并联机构具有球面机构特点，各支链位置布局简易，为轮子转向和越障提供了极大地方便。

本发明利用新型球面并联机构改变了轮的空间运动姿态，从而实现了水下机器人行走时的转向和越障的姿态调整动作；该并联机构只有两个自由度，结构简单，控制方便；中间运动传递支链实现了主轴电机与轮子之间的旋转运动传递。该球面并联机构与轮有机结合，实现了该机构多姿态的运动功能，与传统的串联机构相比，省去了很多关节和驱动，使水下机器人的轮-腿复合结构更加紧凑，同时该机构可单套安装使用，具有模块化应用、便于批量生产的优点；本发明的球面并联机构在电机和液压的控制下能够实现精确控制，响应速度快，使轮子快速实现各种姿态的调整。

为了更好的实现RPRU运动支链的约束功能，第二转动副21的轴线优选沿竖向方向，第三转动副19的轴线优选沿第二移动副20的移动方向。而且，动平台15的长度优选小于静平台24的长度，动平台15的长度一般小于轮子的直径，静平台24的长度一般为轮子直径的2-3倍为佳，当然，本领域技术人员还可以根据实际情况需要综合灵活设置动平台15和静平台24的长度。

为了方便控制，RUPU运动支链和RPRU运动支链优选均位于水平面上。而且，第一移动副13具体可以采用液压缸驱动。另外，第一万向节12、第二万向节14、第三万向节18和第四万向节20具体实施时均可以包括两个正交传动铰链。

另一方面，本发明提供一种水下机器人，如图1-5所示，包括机器人外壳2，机器人外壳2的下部设置有上述的轮-腿复合并联腿机构1，机器人外壳2内设置有主轴电机7，主轴电机7经差速器6驱动连接轮-腿复合并联腿机构1的第一传动轴23。

优选的，轮-腿复合并联腿机构的数量为4个，对称前后分布在机器人外壳2的两侧，形成四足机器人。4个轮-腿复合并联腿机构可以两两之间通过差速器链接，以实现在转向和越障过程中两个轮子实现不同的转速，以防止打滑和卡死的状况。

进一步的，机器人外壳2的上部可以设置有升降螺旋桨3，以实现在水中游动状态使的驱动与转向(控制两个螺旋桨的转速来实现)，机器人外壳2的后部可以设置有推进螺旋桨4，具体可以为两个，负责机器人在水中的升降。

图1、2和3所示实施例中，机器人外壳2分为上下两部分，上方主要布置推进和升降机构，下部主要布置路面行走装置；4个轮-腿复合并联腿机构通过静平台24固定在机器人外壳2的两侧，并联机构驱动电机5、10固定在机器人外壳2内，两个轮-腿复合并联机构分别通过一个差速器6连接，用一个主轴电机7驱动；两个推进螺旋桨4安装在尾部，通过两个推进电机9驱动，用于水中的推进与转向；一个升降螺旋桨3安装在机器人外壳2顶部，由一个升降电机8驱动。

图5为图1、2和3中所采用的差速器的结构简图，其中25为输入轴齿轮，26为差速器框架，27为输出轴齿轮(对称2个)，28为输出轴传动齿轮，29为齿轮架，30为输入轴传动齿轮。此处，差速器的结构仅为举例，其还可以采用本领域中常见的各种其他结构。

综上，本发明的水下机器人采用轮-腿复合并联机构与螺旋桨推进、升降机构结合的方案，使该机器人既可以靠螺旋桨在水中游动，也可以在复杂的海底路面上越障行走；本发明结构简单，两侧两条支链为非对称支链，该并联机构自由度少，只有两个，控制简单；本发明具有结构简单，安装便利，控制方便，转向、越障性能好等特点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轮-腿复合并联腿机构，其特征在于，包括静平台和动平台，其中：

所述静平台为横向设置的长条形，所述动平台为方块形；

所述静平台的一端和所述动平台的一端之间依次设置有第一转动副、第一万向节、第一移动副和第二万向节，从而形成RUPU运动支链，其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的并联机构驱动电机驱动；

所述静平台的另一端和所述动平台的另一端之间依次设置有第二转动副、第二移动副、第三转动副和第三万向节，从而形成RPRU运动支链，其中所述第二转动副的一端固定设置在所述静平台上；

所述静平台的中部设置有第一传动轴，所述动平台的中部设置有第二传动轴，所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第四万向节，从而形成RUR中间运动传递支链，所述第二传动轴的末端设置有轮子。

2.根据权利要求1所述的轮-腿复合并联腿机构，其特征在于，所述第二转动副的轴线沿竖向方向，所述第三转动副的轴线沿所述第二移动副的移动方向。

3.根据权利要求1所述的轮-腿复合并联腿机构，其特征在于，所述动平台的长度小于所述静平台的长度。

4.根据权利要求1所述的轮-腿复合并联腿机构，其特征在于，所述RUPU运动支链和RPRU运动支链均位于水平面上。

5.根据权利要求1-4中任一所述的轮-腿复合并联腿机构，其特征在于，所述第一移动副采用液压缸驱动。

6.根据权利要求5所述的轮-腿复合并联腿机构，其特征在于，所述第一万向节、第二万向节、第三万向节和第四万向节均包括两个正交传动铰链。

7.一种水下机器人，其特征在于，包括机器人外壳，所述机器人外壳的两侧下部设置有权利要求1-6中任一所述的轮-腿复合并联腿机构，所述机器人外壳内设置有主轴电机，所述主轴电机经差速器驱动连接所述轮-腿复合并联腿机构的第一传动轴。

8.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述轮-腿复合并联腿机构的数量为4个，对称前后分布在所述机器人外壳的两侧，形成四足机器人。

9.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述机器人外壳的上部设置有升降螺旋桨，所述机器人外壳的后部设置有推进螺旋桨。