CN107175650B - 轮-腿复合球面并联机构及具有该机构的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮‑腿复合球面并联机构及具有该机构的水下机器人，属于机器人领域。所述轮‑腿复合球面并联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第一驱动支链、第二驱动支链和RUR中间运动传递支链。本发明中，第一驱动支链、第二驱动支链和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-腿复合球面并联机构及具有该机构的水下机器人

本申请为分案，原申请的申请日：2016.03.07，申请号：201610128319.1，发明创造名称：二自由度轮-腿复合球面机构及水下机器人。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是指一种轮-腿复合球面并联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-腿复合球面并联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-腿复合球面并联机构，包括静平台和动平台，其中：

所述静平台的侧面和动平台的侧面之间仅设置有第一驱动支链和第二驱动支链，所述第一驱动支链为主动驱动支链，所述第二驱动支链为主动驱动支链或被动驱动支链；

所述静平台的中部以转动副的形式设置有第一传动轴，所述动平台的中部以转动副的形式设置有第二传动轴，所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第一万向节，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-腿复合球面并联机构。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，第一驱动支链、第二驱动支链和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为本发明的轮-腿复合球面并联机构一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的轮-腿复合球面并联机构另一实施例的结构示意图；

图3为本发明的轮-腿复合球面并联机构又一实施例的结构示意图。

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-腿复合球面并联机构，如图1-3所示，包括静平台10、10’、10”和动平台14、14’、14”，其中：

静平台10、10’、10”的侧面和动平台14、14’、14”的侧面之间仅设置有第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链为主动驱动支链，第二驱动支链为主动驱动支链或被动驱动支链；

静平台10、10’、10”的中部以转动副的形式设置有第一传动轴19、19’、19”，动平台14、14’、14”的中部以转动副的形式设置有第二传动轴15、15’、15”，第一传动轴19、19’、19”’和第二传动轴15、15’、15”之间设置有第一万向节18、18’、18”，从而形成RUR中间运动传递支链，第二传动轴15、15’、15”的末端设置有轮子。

本发明中，第一驱动支链、第二驱动支链和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。

下面以三个具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例中，静平台10为长条形，动平台14为方块形；

第一驱动支链为RUHR运动支链，第二驱动支链为RUPU运动支链，第一驱动支链和第二驱动支链均为主动驱动支链，RUHR运动支链和RUPU运动支链对称布置；

静平台10的一端和动平台14的一端之间依次设置有第一转动副12、第二万向节110、第一螺旋副113和第三转动副13，从而形成RUHR运动支链，其中第一转动副12由设置在静平台10上的第一电机11驱动；

静平台10的另一端和动平台14的另一端之间依次设置有第二转动副17、第三万向节111、第一移动副16和第四万向节112，从而形成RUPU运动支链，其中第二转动副17由设置在所述静平台10上的第二电机114驱动。

本实施例中，位于两侧的RUHR运动支链和RUPU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。RUHR运动支链所连接的并联机构驱动第一电机11驱动第一转动副12，把扭矩通过第二万向节110传递到第一螺旋副113，把扭矩转化为第一螺旋副113的直线运动，推动动平台14，实现对动平台14以第一万向节18为圆心的单自由度扭动，第三转动副13限制了动平台14的Z方向的转动自由度，使动平台14只能绕X、Y轴转动；RUPU运动支链所连接的并联机构驱动第二电机114驱动第二转动副17，把扭矩通过第三万向节111、第一移动副16、第四万向节112传递到动平台14，实现对动平台14另一自由度扭动，优选的，第四万向节112的末端固定在动平台14上，轴线与动平台14平行，第一移动副16起被动约束作用，保证机构整体的稳定。通过并联机构驱动第一电机11和第二电机114的转速及转向控制实现轮子前进时所需的多种姿态。本实施例在静平台10和动平台14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上。该新型球面并联机构具有球面机构特点，两条驱动支链都为主动驱动支链且对称布置在同一水平面上，两个驱动都为电机，控制简单，为轮子转向和越障提供了极大地方便。

实施例二：

如图2所示，本实施例中，静平台10’为1/4圆形，动平台14’为方块形；

第一驱动支链为RUPU运动支链，第二驱动支链为RUPR运动支链，第一驱动支链为主动驱动支链，第二驱动支链为被动驱动支链；RUPU运动支链和RUPR运动支链垂直布置；

静平台10’的弧形的一端和动平台14’的一侧之间依次设置有第一转动副12’、第二万向节110’、第一移动副16’和第四万向节112’，从而形成RUPU运动支链，其中第一转动副12’由设置在静平台10’上的第一电机11’驱动；

静平台10’的弧形的另一端和动平台14’的相应侧之间依次设置有第二转动副17’、第三万向节111’、第二移动副210’和第三转动副13’，从而形成RUPR运动支链。

本实施例中，位于两侧的RUPU运动支链和RUPR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第一电机11’驱动第一转动副12’，把扭矩通过第二万向节110’、第一移动副16’、第四万向节112’传递到动平台14’，实现对动平台14’与之连接的第四万向节112’末端的单自由度扭动，优选的，第四万向节112’的末端固定在动平台14’上，轴线与动平台14’平行，第一移动副16’通过液压驱动实现直线运动，推动动平台14’实现与上述扭转方向垂直的以第一万向节18’为圆心的单自由度扭动；RUPR运动支链为被动约束支链，第三转动副13’限制了动平台14’的Z方向的转动自由度，使动平台14’只能绕X、Y轴转动，第二移动副210’、第三万向节111’、第二转动副17’作为RUPU运动支链和中间运动传递支链的被动约束，保证机构整体的稳定。通过并联机构驱动第一电机11’的转速以及液压驱动的第一移动副16’的位移控制实现轮子前进时所需的多种姿态。本实施例在静平台10’和动平台14’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上。该新型球面并联机构具有球面机构特点，两条驱动支链垂直布置，驱动设置在一条支链上，控制简单，为轮子转向和越障提供了极大地方便。

实施例三：

如图3所示，本实施例中，静平台10”为长条形，动平台14”为方块形；

第一驱动支链和第二驱动支链均为RRPR运动支链，第一驱动支链为主动驱动支链，第二驱动支链为被动驱动支链，第一驱动支链和第二驱动支链对称布置；

静平台10”的一端和动平台14”的一端之间依次设置有第一转动副12”、第四转动副310”、第一移动副16”和第五转动副311”，从而形成第一驱动支链，其中第一转动副12”由设置在静平台10”上的第一电机11”驱动；

静平台10”的另一端和动平台14”的另一端之间依次设置有第二转动副17”、第六转动副312”、第二移动副210”和第三转动副13”，从而形成第二驱动支链。

本实施例中，位于两侧的第一驱动支链和第二驱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。第一驱动支链所连接的并联机构驱动第一电机11”驱动第一转动副12”(具体可以通过一对啮合锥齿轮313”)，把扭矩通过与第一转动副12”轴线垂直固联的第四转动副310”传递到动平台14”，实现对动平台14”的单自由度扭动，第一移动副16”通过液压驱动实现直线运动，推动动平台14”实现与上述扭转方向垂直的以第一万向节18”为圆心的单自由度扭动，优选的，第一万向节18”的轴线与第一转动副12”和第二转动副17”的轴线在同一平面上；第二驱动支链为被动约束支链，第三转动副13”和第五转动副311”限制了动平台的Z方向的转动自由度，使动平台14”只能绕X、Y轴转动，第二移动副210”、第六转动副312”、第二转动副17”作为第一驱动支链’和中间运动传递支链的被动约束，保证机构整体的稳定。通过并联机构驱动第一电机11”的转速以及液压驱动的第一移动副16”的位移控制实现轮子前进时所需的多种姿态。本发明在静平台10”和动平台14”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上。该新型球面并联机构具有球面机构特点两条驱动支链垂直布置，驱动设置在一条支链上，控制简单，为轮子转向和越障提供了极大地方便。

本发明中，为了更好的实现第二驱动支链的约束功能，动平台14、14’、14”的长度优选小于静平台10、10’、10”的长度，动平台14、14’、14”的长度一般小于轮子的直径，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14、14’、14”和静平台10、10’、10”的长度。另外，为了方便控制，各万向节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，包括机器人外壳，机器人外壳的下部设置有上述的轮-腿复合球面并联机构。

优选的，轮-腿复合球面并联机构的数量为4个，对称前后分布在机器人外壳的两侧，形成四足机器人。4个轮-腿复合球面并联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，机器人外壳的上部可以设置有升降螺旋桨，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)，机器人外壳的后部可以设置有推进螺旋桨，具体可以为两个，负责机器人在水中的升降。

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 (8)

1.一种轮-腿复合球面并联机构，其特征在于，包括静平台和动平台，其中：

所述静平台的侧面和动平台的侧面之间仅设置有第一驱动支链和第二驱动支链，所述第一驱动支链为主动驱动支链，所述第二驱动支链为被动驱动支链；

所述静平台的中部以转动副的形式设置有第一传动轴，所述动平台的中部以转动副的形式设置有第二传动轴，所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第一万向节，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；

所述静平台为1/4圆形，所述动平台为方块形；

所述第一驱动支链为RUPU运动支链，所述第二驱动支链为RUPR运动支链，所述第一驱动支链为主动驱动支链，所述第二驱动支链为被动驱动支链；所述RUPU运动支链和RUPR运动支链垂直布置；

所述静平台的弧形的一端和所述动平台的一侧之间依次设置有第一转动副、第二万向节、第一移动副和第四万向节，从而形成所述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第一电机驱动；

所述静平台的弧形的另一端和所述动平台的相应侧之间依次设置有第二转动副、第三万向节、第二移动副和第三转动副，从而形成所述RUPR运动支链。

2.根据权利要求1所述的轮-腿复合球面并联机构，其特征在于，所述第四万向节的末端固定在所述动平台上且所述末端的轴线与所述动平台平行。

3.根据权利要求2所述的轮-腿复合球面并联机构，其特征在于，所述动平台的长度小于所述静平台的半径长，各万向节均包括两个正交传动铰链。

4.一种轮-腿复合球面并联机构，其特征在于，包括静平台和动平台，其中：

所述静平台的侧面和动平台的侧面之间仅设置有第一驱动支链和第二驱动支链，所述第一驱动支链为主动驱动支链，所述第二驱动支链为被动驱动支链；

所述静平台的中部以转动副的形式设置有第一传动轴，所述动平台的中部以转动副的形式设置有第二传动轴，所述第一传动轴和第二传动轴之间设置有第一万向节，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；

所述静平台为长条形，所述动平台为方块形；

所述第一驱动支链和第二驱动支链均为RRPR运动支链，所述第一驱动支链为主动驱动支链，所述第二驱动支链为被动驱动支链，所述第一驱动支链和第二驱动支链对称布置；

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、第四转动副、第一移动副和第五转动副，从而形成所述第一驱动支链，其中所述第一转动副由设置在所述静平台上的第一电机驱动；

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、第六转动副、第二移动副和第三转动副，从而形成所述第二驱动支链。

5.根据权利要求4所述的轮-腿复合球面并联机构，其特征在于，所述第一万向节的轴线与所述第一转动副和第二转动副的轴线在同一平面上；

所述第一电机通过一对啮合的锥齿轮驱动连接所述第一转动副。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的轮-腿复合球面并联机构，其特征在于，所述动平台的长度小于所述静平台的长度，各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，所述机器人外壳的下部设置有权利要求6所述的轮-腿复合球面并联机构。

8.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述轮-腿复合球面并联机构的数量为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；

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。

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