CN108127654B - 一种用于多足机器人的手足通用机构 - Google Patents

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Abstract

一种用于多足机器人的手足通用机构，它涉及一种多足机器人，以解决传统多足机器人腿部末端仅仅拥有行走功能而操作能力欠佳的问题，它包括腿部、对接模块、驱动模块、被动柔顺模块和欠驱动手爪模块；对接模块安装在腿部的末端，驱动模块安装在对接模块上，被动柔顺模块由驱动模块驱动实现直线运动，欠驱动手爪模块由被动柔顺模块带动实现开合运动。本发明用于多足机器人行走和目标物抓取。

Description

一种用于多足机器人的手足通用机构
技术领域
本发明涉及一种多足机器人，具体涉及一种将传统多足机器人腿部末端被动柔顺机构与欠驱动手爪高度融合的手足通用机构。
背景技术
在仿生机器人领域，目前大多数多足机器人腿部末端安装有被动柔顺机构以适应复杂非结构地形，这种结构设计有利于机器人更好地行走，但也因此使多足机器人腿部末端丧失了操作功能，为了实现多足机器人替代人类在危险地区工作的目标，部分多足机器人在躯干或者腿部分支上安装了手爪以实现多足机器人的操作功能；但这种方式只是解决了部分工程问题，与仿生学追求的目标相去甚远，毕竟人们熟知的诸如螃蟹的多足生物，腿部在拥有行走能力的同时还能使用腿部末端进行灵活的操作任务。
为了改善多足机器人的质量分布特性，通常要求机器人腿部从躯干至腿部末端方向在空间上和质量上越来越小，从而提高多足机器人运动的灵活性和稳定性。
发明内容
本发明是为解决传统多足机器人腿部末端仅仅拥有行走功能而操作能力欠佳的问题，进而提供一种用于多足机器人的手足通用机构。该机构将传统多足机器人腿部末端的被动柔顺模块与欠驱动手爪模块高度融合，该机构拥有对于复杂非结构地形的适应性的同时，能够适应各种形状的目标物并执行抓取操作任务。
本发明为解决上述问题采用的技术方案是：
一种用于多足机器人的手足通用机构包括腿部、对接模块、驱动模块、被动柔顺模块和欠驱动手爪模块；
对接模块安装在腿部的末端，驱动模块安装在对接模块上，被动柔顺模块由驱动模块驱动实现直线运动，欠驱动手爪模块由被动柔顺模块带动实现开合运动。
进一步地，驱动模块包括直流电机、减速机和滑动丝杠；直流电机输出端与减速机输入端连接，减速机的输出端与滑动丝杠连接。
进一步地，被动柔顺模块包括丝杠螺母和驱动杆，丝杠螺母旋拧在滑动丝杠上，驱动杆与丝杠螺母铰接。
进一步地，丝杠螺母与驱动杆之间还布置有一对预紧弹簧。
进一步地，欠驱动手爪模块包括连架杆、连杆、欠驱动连杆、指根和指尖；驱动杆两端分别安装有一套欠驱动手爪模块，连架杆与驱动杆铰接，连杆与连架杆铰接，欠驱动连杆两端分别与连杆和指尖铰接，指根与指尖铰接，连杆和指根分别与基座铰接。
进一步地，连杆与欠驱动连杆之间还布置有欠驱动弹簧。
本发明相比现有技术的有益效果是：
欠驱动手爪拥有机构简单、驱动数少和出力大等优点，适合于安装在多足机器人腿部末端，执行抓取操作任务。此外，欠驱动手爪以其高适应性能够抓取不规则形状的目标物，灵活地选择抓取方式，安装在多足机器人腿部末端可以提高多足机器人抓取操作的灵活性。因此，本发明按照仿生学的设计思路，设计出一种将传统多足机器人腿部末端被动柔顺机构与欠驱动手爪高度融合的机构，该机构在不破坏多足机器人腿部末端对于复杂非结构地形适应性的同时，使机器人腿部末端拥有良好的抓取操作能力。具体为：利用丝杠螺母与驱动杆构成的被动柔顺模块驱动欠驱动手爪模块的张开与闭合运动，在这一过程中，被动柔顺模块与欠驱动手爪模块的各自功能被全部保留，从而使得使多足机器人真正拥有一款手足通用的机构。此外，本发明改变了传统欠驱动手爪的欠驱动位置，同时优化了欠驱动手爪模块的各组成部分的杆件参数，使得欠驱动弹簧在手足通用机构作为手爪包络抓取目标时能够被拉伸，实现该机构作为手爪的包络抓取功能；于此同时，手足通用机构作为机器人的足部模块，在指尖受到地面的接触反力时，欠驱动弹簧依然能够被拉伸，从而缓和多足机器人腿部与地面的刚性冲击，实现该机构作为足的缓冲功能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为欠驱动手爪模块放大图；
图4为图1的仰视图；
图5为本发明的轴侧***图；
图6为本发明包络抓取复杂形状目标示意图；
图7为本发明精确捏取微小目标示意图；
图8为本发明接触复杂非结构地形示意图；
图9为图6包络抓取复杂形状目标的机构简图；
图10为图7精确捏取微小目标的机构简图；
图11为图8接触复杂非结构地形的机构简图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。
参见图1、图2和图3说明，一种用于多足机器人的手足通用机构包括腿部1、对接模块2、驱动模块3、被动柔顺模块4和欠驱动手爪模块6；
对接模块2安装在腿部1的末端，驱动模块3安装在对接模块2上，被动柔顺模块4由驱动模块3驱动实现直线运动，欠驱动手爪模块6由被动柔顺模块4带动实现开合运动。
对接模块2用于手足通用机构的机械连接和电气连接；被动柔顺模块4在驱动模块3的驱动下，带动欠驱动手爪模块6的张开与闭合；除了驱动功能之外，被动柔顺模块4同时能够自适应不对称形状的目标物和复杂非结构地形；欠驱动模块6除多模式抓取目标物的功能之外，能够利用其中的欠驱动弹簧缓和地面冲击，增大接触面积，使其包络接触复杂非结构地形，尽量减小足端滑移概率。
参见图1和图5说明，上述实施例中，为了进一步提高运动的可靠性。被动柔顺模块4包括丝杠螺母9和驱动杆16，丝杠螺母9旋拧在滑动丝杠5上，驱动杆16与丝杠螺母9铰接。驱动杆16和丝杠螺母9采用绞约束连接，丝杠螺母9与驱动杆16之间还布置有一对预紧弹簧C。使用两个相同对称的预紧弹簧C限制二者之间的自由度，只有在欠驱动手爪模块6遇到左右不对称的作用反力时，丝杠螺母9和驱动杆16之间的转动自由度显现，从而被动柔顺地适应不规则形状目标；本实施例在驱动杆16侧面还可布置霍尔开关用来限制驱动杆的极限位置；此外，在驱动杆16的上下表面的两侧分别对称布置有应变片，构成力传感器。当该机构抓取目标物时可以估算抓取力，当指尖13与地面接触之后，力传感器可以立即检测到地面作用反力并估算其大小，从而为六足机器人的行走所需的反馈控制提供良好的硬件设备。
参见图3说明，欠驱动手爪模块6包括连架杆10、连杆11、欠驱动连杆15、指根14和指尖13；驱动杆16两端分别安装有一套欠驱动手爪模块6，连架杆10与驱动杆16铰接，连杆11与连架杆10铰接，欠驱动连杆15两端分别与连杆11和指尖13铰接，指根14与指尖13铰接，连杆11和指根14分别与基座12铰接。其中，连架杆10两端通过绞约束连接驱动杆16和连杆11，从而将驱动杆16的移动运动转化为连杆11的旋转运动，欠驱动连杆15两端分别与指尖13和连杆11通过绞约束连接，从而驱动欠驱动手爪模块6的指尖13的张开和闭合。除此之外，欠驱动连杆15与连杆11通过欠驱动弹簧D和机械限位构成欠驱动约束，欠驱动连杆15和连杆11的转动自由度在包络抓取目标和接触复杂非结构地形时显现，实现自适应不规则形状的目标物和复杂非结构地形。为了适应不同环境以便于抓取目标物或接触复杂地形，在基座12底部分别安装LED灯17和摄像头18，如此能够快捷的获取外界图像，实时传送给控制***，以确保通用机构快速准确的捕获目标，尤其是微小目标。
工作原理
参见图1-图5以及图9-图11说明，直流电机8经过行星齿轮减速机7减速后，带动滑动丝杠5旋转运动，滑动丝杠5具有自锁功能，保证该机构可靠地保持抓取状态。滑动丝杠5带动丝杠螺母9上下运动，丝杠螺母9带动驱动杆16上下运动，由于，欠驱动手爪模块6各组成部分之间由绞约束连接，连架杆10两端通过绞约束连接驱动杆16和连杆11，从而将驱动杆16的移动运动转化为连杆11的旋转运动，欠驱动连杆15两端分别与指尖13和连杆11通过绞约束连接，连杆11和指根14与基座12通过绞约束连接，从而驱动欠驱动手爪模块6的指尖13的闭合与张开。本发明的被动柔顺模块4也能够在执行抓取操作任务时自适应不对称形状的目标物。除此连杆11与欠驱动连杆15之间除了铰约束之外，还存在由机械限位与欠驱动弹簧D构成的欠驱动约束，在欠驱动手爪模块6不受目标物或地面的作用反力时，限制连杆11与欠驱动连杆15的相对转动自由度，而在欠驱动手爪模块6受到目标物或地面的作用反力时，欠驱动弹簧D会被拉伸，连杆11与欠驱动连杆15发生相对旋转运动，从而实现该机构在抓取模式下的抓取灵活性，同时该机构在行走模式下欠驱动弹簧作为缓和地面对于多足机器人腿部的刚性冲击，同时使其包络接触地面，增大其与地面的接触面积，减小足尖滑移的概率。图6为本发明用于包络抓取复杂形状目标示意图，图7为本发明用于精确捏取微小目标的示意图，由上述可知，本发明具备作为手爪的包络抓取功能。图8为本发明接触复杂非结构地形示意图。由上可知，本发明具备用于多足机器人的包络抓取通用功能。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (4)

1.一种用于多足机器人的手足通用机构，其特征在于：包括腿部(1)、对接模块(2)、驱动模块(3)、被动柔顺模块(4)和欠驱动手爪模块(6)；
对接模块(2)安装在腿部(1)的末端，驱动模块(3)安装在对接模块(2)上，被动柔顺模块(4)由驱动模块(3)驱动实现直线运动，欠驱动手爪模块(6)由被动柔顺模块(4)带动实现开合运动；所述驱动模块(3)包括滑动丝杠(5)，被动柔顺模块(4)包括丝杠螺母(9)和驱动杆(16)；丝杠螺母(9)旋拧在滑动丝杠(5)上，驱动杆(16)与丝杠螺母(9)铰接，丝杠螺母(9)与驱动杆(16)之间还布置有一对预紧弹簧(C)；
欠驱动手爪模块(6)包括连架杆(10)、连杆(11)、欠驱动连杆(15)、指根(14)和指尖(13)；驱动杆(16)两端分别安装有一套欠驱动手爪模块(6)，连架杆(10)与驱动杆(16)铰接，连杆(11)与连架杆(10)铰接，欠驱动连杆(15)两端分别与连杆(11)和指尖(13)铰接，指根(14)与指尖(13)铰接，连杆(11)和指根(14)分别与基座(12)铰接，连杆(11)与欠驱动连杆(15)之间还布置有欠驱动弹簧(D)。
2.根据权利要求1所述一种用于多足机器人的手足通用机构，其特征在于：所述驱动模块(3)还包括直流电机(8)和减速机(7)；直流电机(8)输出端与减速机(7)输入端连接，减速机(7)的输出端与滑动丝杠(5)连接。
3.根据权利要求1或2所述一种用于多足机器人的手足通用机构，其特征在于：在驱动杆(16)的上下表面的两侧分别对称布置有应变片。
4.根据权利要求2所述一种用于多足机器人的手足通用机构，其特征在于：所述减速机(7)为行星齿轮减速机。
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