CN110962957A - 一种双腿双轮复合运动机器人 - Google Patents
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Abstract
一种双腿双轮复合运动机器人，包括躯干部分、两条机械腿和两条机械臂；躯干部分包括躯干和胯部，躯干和胯部通过旋转关节连接，躯干和胯部之间连接有躯干‑胯部液压缸；两条机械腿布置在胯部两侧，每条机械腿通过旋转关节与胯部连接，每条机械腿的底端安装有驱动轮；两条机械臂布置在躯干两侧，与躯干通过旋转关节连接。上述机器人具备双足机器人直立行走，跳跃能力和轮式机器人的高移动速度。同时机械臂可以实现抓取、搬运等功能；当行走在平坦路面上时，机器人可使用驱动轮驱动运动，加快行进速度，提高能量的利用效率；当要实现跨越障碍物的功能时，机器人可发挥双足运动模式的优点，实现跳跃、下蹲、落地缓冲等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种由双腿和双轮复合驱动的机器人,属于腿-轮式移动机器人技术领域。
背景技术
腿足式机器人与传统的轮式或履带式相比，具有适应复杂地形、灵活运动和越障能力强等优点，但是现有的腿足式机器人具有行走速度慢、驱动效率低等缺点；而轮式机器人具有行走速度快、驱动效率高等优点，但是地形适应能力以及越障能力有限。当前的研究主要集中在腿足式和轮式两种机器人的方面，不能集中利用两种机器人地形适应力强和运动速度快的优点，难以满足实际应用需求。
机器人常用的驱动方式有液压驱动和电机驱动，液压驱动具有较快的动态响应和较高的功率密度，使机器人具有较强的灵活运动能力和较大的负重能力。
中国专利文献CN110217308A公开的内部走油的轮腿式仿人形机器人，每条腿具有两个前后摆动关节，均通过液压油缸、导轨和连杆驱动，每条机械臂的小臂摆动通过液压油缸、导轨和连杆驱动，肩部关节运动通过液压油缸、导轨、齿条、齿轮驱动。这种关节驱动方式较为复杂简单，而髋关节处自由度没有侧摆自由度。
CN108128366A公开的具有悬挂结构的人形轮式机器人，仅有躯干和下肢机构，每条腿膝关节具有1个前后摆动自由度，髋关节具有1个前后摆动自由度、1个侧摆自由度和1个扭转自由度，均由液压油缸驱动。但没有躯干俯仰自由度，在复杂地形不能实现双足机器人的走、跳等运动形式，不具有较高的运动速度以及较强的环境适应能力和越障能力。
发明内容
针对现有腿足运动效率低而轮式运动地形适应能力不足的问题，本发明提出一种腿轮复合运动机器人，该机器人使用驱动轮代替传统腿足结构中的足，在平坦路面使用驱动轮控制运动，在复杂地形能实现双足机器人的走、跳等运动形式，同时具有较高的运动速度以及较强的环境适应能力和越障能力，同时机器人躯干上还装有两条机械臂，可以实现抓取、搬运等功能。
为了实现上述目的，本发明的双腿双轮复合运动机器人采用以下技术方案：
该机器人，包括躯干部分、两条机械腿和两条机械臂；躯干部分包括躯干和胯部，躯干和胯部通过旋转关节连接，躯干和胯部之间连接有躯干-胯部液压缸；两条机械腿布置在胯部两侧，每条机械腿通过旋转关节(机械腿-胯部连接件)与胯部连接，每条机械腿的底端安装有驱动轮；两条机械臂布置在躯干两侧，与躯干通过旋转关节连接。
所述机械腿，包括大腿和小腿，大腿通过髋关节与所述胯部连接，小腿通过膝关节与大腿连接；髋关节为两自由度关节，包括一个侧摆和一个俯仰自由度，由两个液压油缸驱动，侧摆驱动油缸布置在胯部内部，俯仰驱动油缸布置在大腿内部；膝关节为单自由度俯仰关节，驱动油缸布置在大腿内部。
所述机械臂，包括肩部、大臂、小臂和机械手，肩部通过肩关节与大臂连接，大臂通过肘关节与小臂连接；肩关节为两自由度关节，包括一个旋转和一个俯仰自由度，由两个液压油缸驱动，旋转驱动油缸两端分别布置在躯干内部和肩部，俯仰驱动油缸布置在大臂内部；肘关节为单自由度俯仰关节，由一个液压油缸驱动，液压油缸布置在大臂内部；机械手与小臂的连接为局部自由度，由小臂内部的液压缸控制开合。
所述驱动轮与电机连接，电机固定连接在机械腿的底部(小腿下端)。所述电机转轴处装有编码器，用于检测转动角位移。
所述机械腿和机械臂中的各关节处均装有编码器，用于检测旋转关节的角位移。
所述机械腿和机械臂中的液压缸的输出端均装有力传感器，用于检测液压缸的输出力。
所述机械手与小臂连接处设置有六维力传感器，用于检测机械臂输出力。
上述机器人各关节均采用液压油缸直接驱动，比现有机器人的关节驱动方式更简单，而髋关节处增加1个侧摆自由度，减少了1个扭转自由度，增加1个躯干俯仰自由度和2组上肢机构。
上述腿轮式复合运动机器人主要面向野外丛林等复杂地形，满足自主移动需求。当行走在平坦路面上时，机器人可使用驱动轮驱动运动，加快行进速度，提高能量的利用效率；当要实现跨越障碍物的功能时，机器人可发挥双足运动模式的优点，实现跳跃、下蹲、落地缓冲等功能。
本发明可根据具体地形使用不同的运动方式，通过液压缸控制腿部三个自由度的运动，以及将大腿及小腿摆动到合适的位置使用轮式行进方式，具备双足机器人直立行走，跳跃能力和轮式机器人的高移动速度。同时机械臂可以实现抓取、搬运等功能。
附图说明
图1是本发明双腿双轮复合运动机器人的结构示意图；
图2是图1的后视图；
图3是图2的侧视图；
图4是本发明中机械腿的结构示意图；
图5是本发明机械腿的***零件图；
图6是本发明机械臂的结构示意图；
图7是本发明机械臂的***零件图；
图8是本发明驱动轮的***零件图；
图9是本发明驱动轮的总装图。
图中：1.躯干，2.胯部，3.大腿，4.小腿，5.肩部，6.大臂，7.小臂，8.机械手，9.电机，91.外壳，92.定子，93.转子，94.转子轴，95.轴承盖，96.外盖，97.深沟球轴承，10.驱动轮，101.轮毂，102.轮胎外皮，11.躯干-胯部液压缸，12.大腿液压缸，13.小腿液压缸，14.机械腿-胯部液压缸，15.机械腿-胯部连接件，16.第一连杆，17.第二连杆，18.肩部液压缸，19.大臂液压缸，20.小臂液压缸，21.六维力传感器，22.电机连接件。
具体实施方式
本发明提出的机器人各关节均采用液压油缸直接驱动，比现有技术的关节驱动方式更简单，而比现有技术在髋关节处多了1个侧摆自由度，少了1个扭转自由度，增加了1个躯干俯仰自由度和2组上肢机构。
本发明的双腿双轮复合运动机器人，如图1、图2和图3所示，包括躯干部分、机械腿、驱动轮10和机械臂。躯干部分由躯干1和胯部2组成，躯干1和胯部2通过旋转关节连接，两者之间连接有躯干-胯部液压缸11(参见图2)，由躯干-胯部液压缸11控制躯干1的俯仰自由度。两条机械腿布置在胯部2两侧，每条机械腿通过机械腿-胯部连接件15(起到旋转关节的作用，参见图3、图4和图5)与胯部2连接。两条机械臂布置在躯干1两侧，并通过肩部5与躯干1连接。每条机械腿的底端(也就是小腿4的下端))安装有驱动轮10，驱动轮10与电机9连接，电机9通过电机连接件22固定连接在小腿4的下端。
机械腿的结构参见图4和图5，包括大腿3和小腿4，大腿3通过机械腿-胯部连接件15与胯部2连接，小腿4与大腿3铰接(铰轴为膝关节)。大腿3的一端与机械腿-胯部连接件15铰接，机械腿-胯部连接件15与胯部2铰接，胯部2内设置有机械腿-胯部液压缸14(侧摆驱动油缸)，机械腿-胯部液压缸14的活塞杆与机械腿-胯部连接件15铰接。机械腿-胯部液压缸14控制机械腿的侧摆自由度。大腿3内安装有大腿液压缸12和小腿液压缸13。大腿液压缸12的活塞杆与机械腿-胯部连接件15铰接，大腿液压缸12控制大腿4的俯仰自由度。小腿液压缸13的活塞杆与第一连杆16和第二连杆17的一端铰接，第一连杆16和第二连杆17另一端与均小腿4连接，小腿液压缸13控制小腿4的俯仰自由度。三处旋转关节均安装有编码器，用于检测三处关节的角位移。大腿液压缸12、小腿液压缸13和机械腿-胯部液压缸14三个液压缸的输出端均安装有力传感器，用于检测三处直线油缸的输出力，各油缸均为直线液压缸。
上述机械腿中各个关节的工作过程如下：
机械腿-胯部液压缸14收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动机械腿-胯部连接件15相对于胯部2转动，由于机械腿-胯部连接件15与大腿3连接处没有侧摆自由度，机械腿-胯部连接件15的转动会带动大腿3产生相同方向的转动，从而实现对机械腿侧摆自由度的控制。大腿液压缸12收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动大腿3相对于机械腿-胯部连接件15转动，实现大腿3俯仰自由度的控制。小腿液压缸13收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，该伸缩运动带动第一连杆16和第二连杆17构成的连杆机构运动(使用连杆机构的可是扩大小腿4的摆动范围)，从而带动小腿4相对于大腿3转动，实现对小腿4俯仰自由度的控制。
机械臂的结构如图6和图7所示，主要包括肩部5、大臂6、小臂7和机械手8，肩部5通过肩关节与大臂6连接，大臂6通过肘关节与小臂7连接，肩关节和肘关节为旋转关节，旋转关节均安装有编码器，用于检测三处关节的角位移。肩部5与躯干1之间连接肩部液压缸18，肩部液压缸18控制肩关节的旋转自由度。大臂6的一端与肩部5铰接。大臂6内安装有大臂液压缸19和小臂液压缸20；大臂液压缸19的活塞杆与肩部5铰接，控制大臂的俯仰自由度；小臂液压缸20的活塞杆与小臂7连接，控制小臂的俯仰自由度。机械手8通过六维力传感器21与小臂7连接，六维力传感器21用于检测机械臂的输出力。机械手8存在局部自由度，由小臂7内部的液压缸控制机械手9的开合。肩部液压缸18，大臂液压缸19，小臂液压缸20三个液压缸输出端均安装有力传感器，用于检测三处直线油缸的输出力。
上述机械臂中各个关节的工作过程如下：
肩部液压缸18收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，带动肩部18相对于躯干1转动，从而控制与其连接的整条机械臂的旋转运动，实现对旋转自由度的控制。大臂液压缸19收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，直线油缸的伸缩运动带动大臂6相对于肩部5转动，实现对大臂6俯仰自由度的控制。小臂液压缸19收到一定流量和方向的液压油，被驱动产生相应的伸缩运动，直线油缸的伸缩运动带动小臂7相对于大臂6转动，实现对小臂7俯仰自由度的控制。机械手8受到小臂7内部的液压缸控制，实现手部的开合运动。在具体的工作过程中，通过肩部5、大臂6、小臂7三个关节自由度的运动控制机械手8到达给定位置，并配合机械手8处的局部自由度实现对目标物体的抓取和搬运等功能。
如图8和图9所示，驱动轮10由轮毂101和轮胎外皮102组成，轮毂101与电机9的转子轴94连接，受电机9驱动转动。驱动轮10与电机9连接，电机9固定连接在小腿4的下端。电机9包括外壳91、定子92、转子93、转子轴94、轴承盖95、外盖96和深沟球轴承97。外壳91内固定设置有定子92，外壳91的外端设置有外盖96，外盖96外端设置有轴承盖95。转子轴94通过深沟球轴承97安装在外壳91和外盖96之间，使转子轴94能相对于两者转动。转子轴94上设置有转子93。定子92、转子93和转子轴94位于外壳91和外盖96之内，受两者保护。外壳91和外盖96上连接有电机连接件21，通过电机连接件21使整个电机连接在小腿4下端。
Claims (8)
1.一种双腿双轮复合运动机器人，其特征是：包括躯干部分、两条机械腿和两条机械臂；躯干部分包括躯干和胯部，躯干和胯部通过旋转关节连接，躯干和胯部之间连接有躯干-胯部液压缸；两条机械腿布置在胯部两侧，每条机械腿通过旋转关节与胯部连接，每条机械腿的底端安装有驱动轮；两条机械臂布置在躯干两侧，与躯干通过旋转关节连接。
2.根据权利要求1所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述机械腿，包括大腿和小腿，大腿通过髋关节与所述胯部连接，小腿通过膝关节与大腿连接；髋关节为两自由度关节，包括一个侧摆和一个俯仰自由度，由两个液压油缸驱动，侧摆驱动油缸布置在胯部内部，俯仰驱动油缸布置在大腿内部；膝关节为单自由度俯仰关节，驱动油缸布置在大腿内部。
3.根据权利要求1所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述机械臂，包括肩部、大臂、小臂和机械手，肩部通过肩关节与大臂连接，大臂通过肘关节与小臂连接；肩关节为两自由度关节，包括一个旋转和一个俯仰自由度，由两个液压油缸驱动，旋转驱动油缸两端分别布置在躯干内部和肩部，俯仰驱动油缸布置在大臂内部；肘关节为单自由度俯仰关节，由一个液压油缸驱动，液压油缸布置在大臂内部；机械手与小臂的连接为局部自由度，由小臂内部的液压缸控制开合。
4.根据权利要求1所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述驱动轮与电机连接，电机固定连接在机械腿的底部。
5.根据权利要求4所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述电机转轴处装有编码器。
6.根据权利要求1所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述机械腿和机械臂中的各关节处均装有编码器。
7.根据权利要求1所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述机械腿和机械臂中的液压缸的输出端均装有力传感器。
8.根据权利要求1所述的双腿双轮复合运动机器人，其特征是：所述机械手与小臂连接处设置有六维力传感器。
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| PB01 | Publication | ||
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