CN112829849B - 一种四足步行机器人 - Google Patents

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Abstract

一种四足步行机器人，它包括机身、四条结构相同的单自由度并联机械腿和电控模块，其中，所述四条单环并联机械腿固定连接在机身上；所述电控模块固定安装在机身上；所述每条单环并联机械腿包括三自由度驱动***、平行四边形机构和足趾；所述平行四边形机构的两个驱动连杆分别和三自由度驱动***的两个输出连杆为同一连杆；所述足趾固接于平行四边形机构输出杆的末端。三自由度驱动***驱动平行四边形机构，使得平行四边形机构的输出连杆具有两转一移三个自由度。本发明的四足步行机器人机械腿所有电机均安装在基座上，运动灵活，运动速度快，机构简单，工作空间大，承载能力强，易于防护。

Description

一种四足步行机器人
技术领域
本发明专利属于机器人技术领域，特别涉及一种四足步行机器人。
背景技术
步行机器人由于落足点离散，能够适应复杂的路面，适应能力强，运动灵活等优点在探测，巡检等领域具有较为广泛的运用前景。现有的步行机器人的机械腿有单自由度多连杆机构，二自由度平面机构，多自由度串联机构，并联机构，串并混联机构，这些机构都被广泛的研究，其中一些被成功的用于设计步行机器人。然而，这些机械腿既有自己的优点又各自的不足，一些机械腿控制简单但灵活性差，灵活性好但承载能力差，承载能力好但工作空间小、结构复杂等。这些问题导致了步行机器人在一些工程应用中的局限性，不能满足如结构简单紧凑、承载能力好、工作空间大等要求。因此设计一种机构简单紧凑、工作空间大、承载能力好、各项性能均衡的四足步行机器人，可拓展步行机器人在工程实际领域的运用。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种机构简单紧凑、工作空间大、承载能力好、各项性能均衡的四足步行机器人。发明的四足步行机器人的每条腿为三自由度单环并联机构，具有两个转动和一个移动自由度，运动灵活。
本发明解决技术问题采用的方案是：
一种四足步行机器人包括机身、四条结构相同的单环并联机械腿和电控模块，其特征在于：
所述每条单环并联机械腿包括三自由度驱动***、平行四边形机构和足趾。
所述三自由度驱动***包括基座、第一驱动电机支座、第一驱动电机、第一驱动连杆、第四连杆、第六连杆、第二驱动电机支座、第二驱动电机、第二驱动连杆、第一转轴、第五输出连杆、公共转轴、第七输出连杆、第三驱动电机支座、第三驱动电机、第三驱动连杆、第二转轴、第三转轴。
进一步的，所述第一驱动电机支座通过螺栓固定安装在基座上；所述第一驱动电机通过螺栓固定安装在第一驱动电机支座上；所述第一驱动连杆与第一驱动电机输出转轴固定连接；第二驱动电机支座通过螺栓固定安装在基座上；所述第二驱动电机通过螺栓固定安装在第二驱动电机支座上；所述第二驱动连杆与第二驱动电机输出转轴固定连接；所述第四连杆通过第一转轴与第二驱动连杆连接形成转动副；所述第五输出连杆通过第二转轴与第四连杆连接形成转动副；所述第三驱动电机支座通过螺栓固定安装在基座上；所述第三驱动电机通过螺栓固定安装在第三驱动电机支座上；所述第三驱动连杆与第三驱动电机输出转轴固定连接；所述第六连杆通过第三转轴与第三驱动连杆连接形成转动副；所述第七输出连杆与第六连杆连接形成转动副；所述第一驱动连杆的末端、第五输出连杆、第七输出连杆通过公共转轴连接形成共轴复合转动副。
所述平行四边形机构包括第五输出连杆、公共转轴、第七输出连杆、第四转轴、第八连杆、第五转轴、第九输出连杆、第六转轴。
进一步的，所述第五输出连杆通过公共转轴与第七输出连杆连接形成转动副；所述第八连杆通过第四转轴与第七输出连杆相连形成转动副；所述第九输出连杆通过第六转轴与第五输出连杆连接形成转动副；所述第九输出连杆通过第五转轴与第八连杆连接形成转动副。
进一步的，所述平行四边形机构的第五输出连杆和三自由度驱动***的第五输出连杆为同一连杆；所述平行四边形机构的第七输出连杆和三自由度驱动***的第七输出连杆为同一连杆；所述足趾固接在平行四边形机构的第九输出连杆的末端；所述四条单环并联机械腿通过螺栓固定连接在机身上；所述电控模块固定安装在机身上，用于控制驱动电机；所述所有驱动电机均安装于基座减少机械腿的惯性。
本发明的一种四足步行机器人，每条机械腿为具有两转一移运动的三自由度的单环并联机械腿，其有益技术效果是：1、设计了一种三自由度驱动***，所有电机均安装在机身上，减少了机械腿惯性，且易于防护。2、单环并联机械腿结构简单，承载能力好，工作空间大。3、四足步行机器人能够全向运动，运动灵活，运动速度快，地面适应能力强。
附图说明
图1是本发明的一种四足步行机器人的整体结构示意图；
图2是本发明的三自由度单环并联机械腿的结构示意图；
图3是本发明的三自由度驱动***的结构示意图(一)；
图4是本发明的三自由度驱动***的结构示意图(二)；
图5是本发明的平行四边形机构的结构示意图；
1.机械腿，2.机械腿，3.机械腿，4.机械腿，5.机身，6.电控模块
7.三自由度驱动***，8.平行四边形机构，9.足趾
701.基座，702.第一驱动电机支座，703.第一驱动电机，704.第一驱动连杆，705.第四连杆，706.第六连杆，707.第二驱动电机支座，708.第二驱动电机，709.第二驱动连杆，710.第一转轴，711.第五输出连杆，712.公共转轴，713.第七输出连杆，714.第三驱动电机支座，715.第三驱动电机，716.第三驱动连杆，717.第二转轴，718.第三转轴
801.第四转轴，802.第八连杆，803.第五转轴，804，第九输出连杆，805.第六转轴
具体实施方式
为进一步了解本发明提供的一种四足步行机器人，下面结合附图和详细实施例对本发明进行具体阐述。
图1为本发明提供的一种四足步行机器人的整体结构示意图，在图1中，四足步行机器人包括四条机构相同的三自由度单环并联机械腿(1、2、3和4)，机身(5)，电控模块(6)。
图2为本发明提供的三自由度单环并联机械腿(1)的整体结构示意图，在图2中，所述三自由度单环并联机械腿(1)包括三自由度驱动***(7)、平行四边形机构(8)、足趾(9)。
图3、4为本发明提供的三自由度单环并联机械腿(1)的三自由度驱动***(7)的结构示意图，在图3、4中，所述三自由度驱动***(7)包括基座(701)、第一驱动电机支座(702)、第一驱动电机(703)、第一驱动连杆(704)、第四连杆(705)、第六连杆(706)、第二驱动电机支座(707)、第二驱动电机(708)、第二驱动连杆(709)、第一转轴(710)、第五输出连杆(711)、公共转轴(712)、第七输出连杆(713)、第三驱动电机支座(714)、第三驱动电机(715)、第三驱动连杆(716)、第二转轴(717)、第三转轴(718)。第一驱动电机支座(702)通过螺栓固定安装在基座(701)上。第一驱动电机(703)通过螺栓固定安装在第一驱动电机支座(702)上。第一驱动连杆(704)与第一驱动电机(703)输出转轴固定连接。第二驱动电机支座(707)通过螺栓固定安装在基座(701)上。第二驱动电机(708)通过螺栓固定安装在第二驱动电机支座(707)上。第二驱动连杆(709)与第二驱动电机(708)输出转轴固定连接。第四连杆(705)通过第一转轴(710)与第二驱动连杆(709)连接形成转动副。第五输出连杆(711)通过第二转轴(717)与第四连杆(705)连接形成转动副。第三驱动电机支座(714)通过螺栓固定安装在基座(701)上。第三驱动电机(715)通过螺栓固定安装在第三驱动电机支座(714)上。第三驱动连杆(716)与第三驱动电机(715)输出转轴固定连接。第六连杆(706)通过第三转轴(718)与第三驱动连杆(716)连接形成转动副。第七输出连杆(713)与第六连杆(706)连接形成转动副。第一驱动连杆(704)的末端、第五输出连杆(711)、第七输出连杆(713)通过公共转轴(712)连接形成共轴复合转动副。
图5为本发明提供的三自由度单环并联机械腿(1)中的平行四边形机构(8)的结构示意图，在图5中，所述平行四边形机构(8)包括第五输出连杆(711)、公共转轴(712)、第七输出连杆(713)、第四转轴(801)、第八连杆(802)、第五转轴(803)、第九输出连杆(804)、第六转轴(805)。第五输出连杆(711)通过公共转轴(712)与第七输出连杆(713)连接形成转动副。第八连杆(802)通过第四转轴(801)与第七输出连杆(713)连接形成转动副。第九输出连杆(804)通过第六转轴(805)与第五输出连杆(711)连接形成转动副。第九输出连杆(804)通过第五转轴(803)与第八连杆(802)连接形成转动副。
本发明提供的三自由度单环并联机械腿(1)的平行四边形机构(8)的第五输出连杆(711)和三自由度驱动***(7)的第五输出连杆(711)为同一连杆。平行四边形机构(8)的第七输出连杆(713)和三自由度驱动***(7)的第七输出连杆(713)为同一连杆。足趾(9)固接在平行四边形机构(8)的第九输出连杆(804)的末端。三自由度单环并联机械腿(1)由三个固定于基座(701)驱动电机(703、708和715)驱动，具有两转一移三个自由度。
本发明的一种四足步行机器人，四条单环并联机械腿(1、2、3和4)通过螺栓固定连接在机身(5)上。电控模块(6)固定安装在机身(5)上，用于控制驱动电机(703、708和715)。所有驱动电机(703、708和715)均安装于基座(701)减少机械腿的惯性。单环并联机械腿(1、2、3和4)具有两转一移运动的三个个自由度，单环并联机械腿(1、2、3和4)结构简单，承载能力好，工作空间大。四足步行机器人运动灵活，运动速度快，地面适应能力强。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此而限制本发明的专利范围，凡是利用说明书及附图内容所作的等效结构或变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种四足步行机器人，其主要结构特征为四条由三自由度驱动***驱动的单环并联机械腿以螺栓连接的形式固定安装在机身上，其机械腿特征为：机械腿包含具有三个自由度和两个输出杆的三自由度驱动***和被动四杆行走机构两个部分，其中三自由度驱动***的七个连杆的关节轴线均交于一点，三自由度驱动***包括基座、第一驱动电机支座、第一驱动电机、第一驱动连杆、第四连杆、第六连杆、第二驱动电机支座、第二驱动电机、第二驱动连杆、第一转轴、第五输出连杆、公共转轴、第七输出连杆、第三驱动电机支座、第三驱动电机、第三驱动连杆、第二转轴和第三转轴，所述第一驱动电机支座通过螺栓固定安装在基座上，所述第一驱动电机通过螺栓固定安装在第一驱动电机支座上，所述第一驱动连杆与第一驱动电机输出转轴固定连接，所述第二驱动电机支座通过螺栓固定安装在基座上，所述第二驱动电机通过螺栓固定安装在第二驱动电机支座上，所述第二驱动连杆与第二驱动电机输出转轴固定连接，所述第四连杆通过第一转轴与第二驱动连杆连接形成转动副，所述第五输出连杆通过第二转轴与第四连杆连接形成转动副，所述第三驱动电机支座通过螺栓固定安装在基座上，所述第三驱动电机通过螺栓固定安装在第三驱动电机支座上，所述第三驱动连杆与第三驱动电机输出转轴固定连接，所述第六连杆通过第三转轴与第三驱动连杆连接形成转动副，所述第七输出连杆与第六连杆连接形成转动副，所述第一驱动连杆的末端、第五输出连杆、第七输出连杆通过公共转轴连接形成共轴复合转动副，三自由度驱动***的两个输出杆作为被动的四杆行走机构的输入形成单环结构，行走机构在平面内运动，驱动***驱动行走机构实现空间三维运动，所述驱动电机均安装在基座上提高了机构的运动学及动力学性能。
2.根据权利要求1所述的四足机器人，其机械腿四杆行走机构的特征为：该机构为单环并联机械腿的被动执行端，其运动由上述三自由度驱动***实现，所述四杆机构包括第五输出连杆、公共转轴、第七输出连杆、第四转轴、第八连杆、第五转轴、第九输出连杆和第六转轴，将第五输出连杆作为两个输出杆中的一个输出杆，将第七输出连杆作为两个输出杆中的另一输出杆，第五输出连杆通过公共转轴与第七输出连杆连接形成转动副，公共转轴一端与第一驱动连杆连接实现空间一转动，第八连杆通过第四转轴与第七输出连杆连接形成转动副，第九输出连杆通过第六转轴与第五输出连杆连接形成转动副，第九输出连杆通过第五转轴与第八连杆连接形成转动副，第二、三驱动连杆通过转动副驱动第五、第七输出连杆实现平面内一维转动和一维移动，第一驱动连杆控制四杆机构沿平面内固定轴线的一维转动，实现二转一移三个自由度，单环并联机械腿足趾能够沿三维空间中任意曲线运动。
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