CN108858120B - 一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，由倒置的并联六自由度运动结构和足端驱动轮组件组成；倒置的并联六自由度运动结构中每条电动缸均通过上虎克铰连接机器人部分机身，通过下虎克铰连接足端轮固定基座，通过对电动缸的伸缩控制驱动足端轮固定基座的六自由度运动；足端驱动轮组件中驱动电机固连在机器人机身，驱动电机通过传动组件带动减速机运动，减速机输出轴与轮胎同轴固连，弹簧阻尼器与减速机本体和足端轮固定基座绞连，构成单自由度弹簧‑阻尼悬挂。使用本发明能够解决单腿在负载能力和足端动态特性上的不足。

Description

一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置

技术领域

本发明属于轮足复合式机器人领域，尤其涉及一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置。

背景技术

移动机器人的运动方式主要包括足式、轮式、履带式和蠕动式等，其中以足式和轮式应用最广泛。轮式运动具有较高的运动速度、稳定性和负载能力，是最为成熟的运动形式，但是其避障能力和非结构化环境中运动性能不够理想。足式运动速度和效率较低，但是其足端轨迹是一系列离散点，可利用孤立的地面支撑，因此具有很强的避障能力和地形适应性。

移动机器人应用领域的迅猛扩展对其运动性能的要求日益提高，特别在无人作战平台、战地保障、残障服务、抢险救灾、资源勘探等特殊领域，要求机器人具有很好的运动速度、稳定性、负载能力和地形适应性，因此，出现了具备多种运动形式的复合式移动机器人。

轮足复合式移动机器人兼具了足式和轮式的运动优势，具有优异的机动性能、越障能力以及较高的负载能力，成为了复合式移动机器人中备受关注的类型。近年来各国学者针对轮足复合式移动机器人开展了大量的研究，代表性的研究成果主要包括：巴黎第六大学研制的HYLOS、美国波士顿动力工程公司(BDI)研制的Handle、哈尔滨工业大学研制的轮足复合四足机器人以及清华大学研制的轮腿式变结构移动机器人等。

上述轮足复合式移动机器人大多足端安装车轮，采用串联式关节机构驱动足端运动，采用轮毂电机驱动足端轮运动，造成了单腿在负载能力和足端动态特性上存在不足。其缺点具体表现为以下四个方面：上述基于串联式机械结构的轮腿，足关节刚度较小，难以承受高承载任务；串联关节造成位置控制误差的累积，影响控制精度与稳定性；若为提高单腿的负载能力需采用液压驱动，存在液压动力源的噪声问题，为减小噪声，采用电动驱动，又会使得承载能力不足；为提高机器人轮式运动驱动能力，需要提高轮毂电机的功率，大功率轮毂电机的质量和体积都比较大，使得机器人足端质量较大，机器人足式运动的动态特性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，解决单腿在负载能力和足端动态特性上的不足。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，由倒置的并联六自由度运动结构和足端驱动轮组件组成；

倒置的并联六自由度运动结构由上虎克铰、6条电动缸、下虎克铰、足端轮固定基座组成；6条电动缸并联布置，每条电动缸均通过上虎克铰连接机器人部分机身，通过下虎克铰连接足端轮固定基座，通过对电动缸的伸缩控制驱动足端轮固定基座的六自由度运动；

足端驱动轮组件包括驱动电机、传动组件、减速机、弹簧阻尼器和轮胎；驱动电机固连在机器人机身，驱动电机通过传动组件带动减速机运动，减速机输出轴与轮胎同轴固连，弹簧阻尼器与减速机本体和足端轮固定基座绞连，构成单自由度弹簧-阻尼悬挂。

优选地，6条电动缸并联布置在传动组件周围。

优选地，足端轮固定基座开有过孔，传动组件穿过足端轮固定基座的过孔，与位于足端轮固定基座下方的减速机的输入端相连。

优选地，足端轮固定基座中央固连导向花键的键套；所述键套套住固连于减速机8上平面的导向花键键杆。

优选地，所述弹簧阻尼器成对设计，对称排布。

优选地，弹簧阻尼器末端加装力传感器，用于测量足端受力大小，作为触地检测和足端力控制的反馈量。

优选地，6条电动缸、上虎克铰、下虎克铰、机器人机身和足端轮固定基座，构成Stewart型并联六自由度结构。

优选地，所述传动组件采用传动连杆。

有益效果：

(1)本发明采用并联式六自由度结构，足端刚度较大，承载能力强；

(2)并联式六自由度结构没有关节之间的串联关系，不存在位置误差的积累，并且足端位置对应电动缸伸缩量的空间位置逆解确定且唯一，控制精度高，稳定性强；

(3)本发明采用电动驱动方式，噪声小，同时，各个驱动元件呈并联关系，承载能力强，解决了串联式机械结构轮腿难以同时满足噪声小、承载能力强的问题；

(4)本发明的轮式驱动电机固连在机器人机身，通过传动连杆传动到足端减速机，提高驱动电机功率的同时，不再增加足端质量，实现了提高轮式驱动能力的同时不再影响足式运动的动态特性。

(5)足端触地后，通过弹簧阻尼器进行缓冲，将足端的冲击力引入控制***，通过控制电动缸的伸缩形成主-被动柔顺***，从而为足部机构加入可调整的刚度和阻尼，实现足部对外界受力的适应性，作为足式柔顺触地和轮式驱动轮悬挂的重要基础。

(6)减速机上平面固定安装垂直导向花键键杆，键杆的自由端由下至上穿过安装在足端轮固定基座上的键套，导向花键能够限制减速机只能相对于足端轮固定基座垂直方向运动，避免其他自由端的运动，从而提升主-被动减震***的控制效果。

(7)在弹簧阻尼器末端加装力传感器，用于测量足端受力大小，为柔顺触地的电控提供数据来源。

附图说明

图1是用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置三维装配图；

图2是倒置的并联六自由度运动结构三维装配图；

图3是足端驱动轮组件三维装配图；

图4是本发明的控制***示意图。

图中：1—驱动电机，2—机身，3—上虎克铰，4—传动连杆，5—电动缸，

6—下虎克铰，7—足端轮固定基座，8—减速机，9—弹簧阻尼器，10—轮胎，11—键套，12—过孔，13—键杆。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，其由倒置的并联六自由度运动结构和足端驱动轮组件组成。并联六自由度运动结构包饶在足端驱动轮组件周围，从而充分利用空间，缩小整个轮足装置的体积，适用于小体积的应用场合。而且，通过单自由度弹簧-阻尼悬挂的设计，可以为足部机构加入可调整的刚度和阻尼，实现足部对外界受力的适应性，是足式柔顺触地和轮式驱动轮悬挂的重要基础。

如图3所示，足端驱动轮组件包括驱动电机1、传动连杆4、减速机8、弹簧阻尼器9和轮胎10。驱动电机1采用交流伺服电机，本体固连在机器人机身2上，使得重量上移，不再增加足端质量，即便采用驱动能力较高的电机，也不影响足式运动的动态特性。驱动电机1通过作为传动组件的传动连杆4连接减速机8的输入轴，减速机8的输出轴与轮胎10同轴固连，使得驱动电机1通过传动连杆带动减速机8，驱动轮胎10转动，实现轮式驱动。这里采用传动连杆作为传动组件的好处是：传动连杆可以传递固连于机身的轮式驱动电机的动能到足端减速机，使得提高驱动电机功率的同时，不增加足端质量，实现了提高轮式驱动能力的同时不影响足式运动的动态特性；相比于链式传动或其他传动方式，传动连杆不影响单腿的足端运动，结构简洁，稳定性强。

弹簧阻尼器9通过两端的耳轴与减速机8本体和并联六自由度运动结构中的足端轮固定基座7绞连，构成单自由度弹簧-阻尼悬挂，能起到减震效果，也可以调节预紧力的大小。本实施例中，设置了一对弹簧阻尼器9，围绕足端轮固定基座7安装，在保证所提供的阻尼对称的情况下，尽量减少器件的使用。

弹簧阻尼器9末端加装力传感器，用于测量足端受力大小，作为触地检测和足端力控制提供反馈量，从电控的角度实现柔顺触地控制。

如图2所示，倒置的并联六自由度运动结构由上虎克铰3、6条电动缸5、下虎克铰6、足端轮固定基座7组成。足端轮胎10采用实心橡胶材料增大与地面摩擦力。电动缸5为交流伺服电动缸，通过滚柱轴承将内部电机的旋转运动转化为缸杆的直线运动。6条电动缸并联布置在传动连杆周围，与上下虎克铰、机器人机身和足端轮固定基座共同构成Stewart型并联六自由度结构。每条电动缸5的杠杆和缸筒分别通过上虎克铰3和下虎克铰6连接机器人部分机身2和足端轮固定基座7。这样的设计，相当于机身是固定端，足端轮固定基座是相对于机身运动的六自由度摇摆台，通过对电动缸5的伸缩控制驱动足端轮固定基座7的六自由度运动，从而实现足端的空间移动，进而控制足端轨迹，实现机器人腿部运动。而且，6条电动缸的使用，使得空间六自由度的运动完全解耦，足式运动时，足端平台不会产生旋转运动，为足端安装轮胎提供了基础。

本实施例中，足端轮固定基座7的上平面提供了6个下虎克铰6的安装位置，外沿提供2处弹簧阻尼器9的安装耳轴基座，中央固连导向花键的键套11，键套内部是中空、穿透基座的。基座相应位置提供传动连杆4的过孔12供传动连杆4穿过足端轮固定基座7与减速机8相连。过孔的大小满足传动连杆运动所需空间即可。固连于足端轮固定基座7中央的导向花键键套套住固连于减速机8上平面的导向花键键杆13，使得足端轮固定基座7与减速机8呈单自由度连接，导向花键限制减速机只能相对于足端轮固定基座垂直方向运动。该导向花键配合并联的弹簧阻尼器9构成被动减震机构，结合6条电动缸5可构成主-被动减震***，起到柔顺触地的效果。本实施例中，足端轮固定基座7分成了上下两部分，这两部分焊接在一起，在实际中可以采用一体化结构。

本用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置的工作过程：

步骤一：***上电

为整个***上电，通过电源组件中的逆变器将供电电池的直流电源变为220v交变电源为电动缸和伺服电机供电，控制器(非本装置中的组成)、传感器等通过相应直流电源供电。

步骤二、轮式驱动过程

驱动电机1通过传动连杆4带动减速机8的输入轴转动，输出轴与轮胎10同转速转动，达到轮式驱动效果。

步骤三、足式驱动过程

通过对并联六自由度结构的逆解算法将足端轮固定基座7围绕三维空间X-Y-Z的平移和旋转共六个自由度的运动解算为六条并联电动缸5的位移给定，然后通过驱动电动缸5杠杆进行伸缩驱动足端延给定轨迹移动，达到足式驱动效果。

步骤四、轮足复合式驱动过程

同时驱动轮式驱动电机1和足式驱动电动缸5，可以实现轮式运动过程中调整轮胎10相对于机身的位置，实现转向控制、调整轮距、调整轴距和调整机身高度。轮式行进过程中可以进行腿部主动柔顺实现主被动隔振，实现不平路况下机身姿态维稳。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，其特征在于，由倒置的并联六自由度运动结构和足端驱动轮组件组成；

倒置的并联六自由度运动结构由上虎克铰（3）、6条电动缸（5）、下虎克铰（6）、足端轮固定基座（7）组成；6条电动缸并联布置，每条电动缸（5）均通过上虎克铰（3）连接机器人机身（2），通过下虎克铰（6）连接足端轮固定基座（7），通过对电动缸（5）的伸缩控制驱动足端轮固定基座（7）的六自由度运动；

足端驱动轮组件包括驱动电机（1）、传动组件（4）、减速机（8）、弹簧阻尼器（9）和轮胎（10）；驱动电机（1）固连在机器人机身（2），使得重量上移，驱动电机（1）通过传动组件（4）带动减速机（8）运动，减速机（8）输出轴与轮胎（10）同轴固连，弹簧阻尼器（9）与减速机（8）本体和足端轮固定基座（7）铰连，构成单自由度弹簧-阻尼悬挂；

所述传动组件（4）采用具有两个关节的三段式传动连杆，中间段可伸缩；足端轮固定基座（7）开有过孔，传动组件（4）穿过足端轮固定基座的过孔，与位于足端轮固定基座下方的减速机（8）的输入端相连；过孔的大小满足传动连杆运动所需空间即可；足端轮固定基座（7）中央固连导向花键的键套；所述键套套住固连于减速机（8）上平面的导向花键键杆。

2.根据权利要求1所述的用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，其特征在于，6条电动缸并联布置在传动组件周围。

3.根据权利要求1所述的用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，其特征在于，所述弹簧阻尼器（9）成对设计，对称排布。

4.根据权利要求1所述的用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，其特征在于，弹簧阻尼器（9）末端加装力传感器，用于测量足端受力大小，作为触地检测和足端力控制的反馈量。

5.根据权利要求1所述的用于轮足机器人的并联式柔顺轮足装置，其特征在于，6条电动缸（5）、上虎克铰（3）、下虎克铰（6）、机器人机身（2）和足端轮固定基座（7），构成Stewart型并联六自由度结构。

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