CN113443041A - 复合腿足机构及3-ups并联轮足复合弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

本发明复合腿足机构及3‑UPS并联轮足复合弹跳机器人，其中，复合腿足机构，包括上半圆环、下半圆环，还包括并联摆动机构，所述上半圆环、下半圆环拼接成圆环时形成车轮，既实现轮式移动又在所述并联摆动机构的控制下实现足式行走；所述上半圆环、下半圆环重叠时实现弹跳移动。其目的在于提供一种灵活性高、承载力强的适用于月球崎岖地面探测的复合腿足机构及3‑UPS并联轮足复合弹跳机器人。

Description

复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人

技术领域

本发明涉及一种有驱动行走推进装置的机器人，特别是涉及一种复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人。

背景技术

四足步行机器人按照腿部结构的不同，可分为串联、并联和混联机器人。现有的轮足复合机器人或是弹跳机器人大多采用串联形式的关节连接方式，造成单腿在负载能力和足端动态特性上存在缺陷。基于串联结构的移动机器人，单腿刚度较小，无法承担承载性要求高的任务；串联关节累计误差影响机器人单腿足端的运动精度；若采用高承载的液压结构，又会产生液压驱动的噪声问题以及使单腿的灵活性降低。

移动机器人按照运动方式分为足式、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。弹跳机器人作为一种移动平台，移动灵活，在崎岖地形具有很大优势，遇到沟壑或者障碍物可以轻松越过，特别是在月球低重力的环境下，其空间移动能力远高于单纯轮式或者足式机器人。

但是，目前复合运动机器人领域发展较慢，缺少能在多种运动模式下运行的复合机器人。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种灵活性高、承载力强的适用于月球崎岖地面探测的复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人。

为了解决上述技术问题，本申请提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种复合腿足机构，包括上半圆环、下半圆环，还包括并联摆动机构，所述上半圆环、下半圆环拼接成圆环时形成车轮，既实现轮式移动又在所述并联摆动机构的控制下实现足式行走；所述上半圆环、下半圆环重叠时实现弹跳移动。

进一步的，包括静平台，所述静平台通过所述并联摆动机构连接动平台，所述动平台与所述上半圆环连接并驱动其转动。

进一步的，所述上半圆环的圆弧部分周向镂空且镂空处内壁设置齿形成圆弧状齿条，所述圆弧状齿条上连接有宽齿轮，所述宽齿轮的轴一端连接齿轮驱动器，另一端连接下半圆环。

进一步的，所述上半圆环的直线部分两端对称间隔开设有一对长孔，所述长孔上滑动连接有弹簧连接块，两个弹簧连接块之间连接一弹簧且分别转动连接第一弹簧杆、第二弹簧杆，所述第一弹簧杆、第二弹簧杆的另一端相互铰接后固定连接弹跳足端。

进一步的，所述并联摆动机构包括对称固定于所述静平台上的基座以及连接于基座上的旋转驱动器、直线驱动器，所述直线驱动器上滑动连接有端部铰接于动平台上的并联杆，所述旋转驱动器、直线驱动器分别驱动所述并联杆上下摆动、伸长缩短并通过动平台带动车轮进行足式行走。

进一步的，所述直线驱动器通过连接块与所述基座转动连接。

另一方面，本发明还提供了一种包括上述任一复合腿足机构的3-UPS并联轮足复合弹跳机器人。

进一步地，3-UPS并联轮足复合弹跳机器人包括机身，所述复合腿足机构对称设置于机身两侧。

进一步地，3-UPS并联轮足复合弹跳机器人还包括姿态调节机构，所述姿态调节机构包括所述机身中心处开设的空腔、滑动连接在所述空腔内的滑块以及设置于所述机身内且与所述空腔连通的若干液体循环通道，所述滑块在液体作用下在所述空腔内缓慢滑动以调节机身的平衡。

进一步地，所述静平台通过螺纹杆与所述机身连接。

与现有技术相比，本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人至少具有以下有益效果：

本发明在复合腿足机构上运用了3-UPS六自由度的并联摆动机构，在增加机器人承载能力的同时不损失移动灵活性，在外太空低重力的环境下，可以根据地面情况灵活调整移动模式，在平坦地面上使用轮式移动，让机器人更快更稳定的到达目的地，而在存在小型障碍的情况下，小步幅的迈步即足式行走能让机器人灵活性大大提高，同时，在一些特殊领域，跳跃的空间移动范围远大于轮式或足式移动，因此，本发明的机器人还可以弹跳前进，满足复杂情况下的行走需求。总之，本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人能够在轮式、足式、弹跳3种模式灵活切换，特别适用于月球崎岖地面探测。

下面结合附图对本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人作进一步说明。

附图说明

图1为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人处于滚动模式和步行模式时的结构示意图；

图2为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人处于滚动模式和步行模式时的侧视结构示意图；

图3为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人处于弹跳模式时的结构示意图；

图4为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人中机身的局部剖面图；

图5为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人中复合腿足机构的结构示意图；

图6为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人中复合腿足机构的另一结构示意图；

图7为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人中复合腿足机构的又一结构示意图；

图8为图7中A处的局部放大图；

图9为本发明复合腿足机构及3-UPS并联轮足复合弹跳机器人中并联摆动机构的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图9所示：

本发明3-UPS并联轮足复合弹跳机器人，包括机身1以及对称设置于机身1两侧的复合腿足机构。本实施例中，机身1呈哑铃状，复合腿足机构共4组，两两成对分置于机身1两侧。下面以1组复合腿足机构为例对其结构进行说明，其余3组同理，不赘述。

复合腿足机构，包括上半圆环4、下半圆环5、静平台2、并联摆动机构、动平台3。上述机身1的长轴两端各固定穿设一根螺纹杆103，螺纹杆103的两端伸出机身1外各固定连接一静平台2，以此将静平台2与机身1固定连接。同时，静平台2通过并联摆动机构连接动平台3。

上半圆环4的圆弧部分周向镂空且镂空处内壁设置齿形成圆弧状齿条，圆弧状齿条上连接有宽齿轮6，宽齿轮6径向两端均与圆弧状齿条啮合，稳定传动。宽齿轮6的轴一端连接齿轮驱动器13，另一端连接下半圆环5。下半圆环5上设置有朝向上半圆环4伸出的固定筒51，宽齿轮6的轴伸入固定筒51内与其转动连接，固定筒51上还一体连接一固定装置7，固定装置7包括直杆部71和垂直固定在直杆部71上的3个杆状的卡爪72，3个卡爪72中，1个一体固定在固定筒51上，其余2个分别卡在上半圆环4的两侧且与上半圆环4间隙配合，宽齿轮6在圆弧状齿条上移动时，通过固定筒51带动下半圆环5一起移动，固定在固定筒51上的固定装置7同时沿圆弧周向滑动，防止下半圆环5随宽齿轮6移动时发生轴向位移，保证上半圆环4、下半圆环5之间轴向间隔距离稳定。宽齿轮6由圆弧状齿条的一端移动至另一端时，上半圆环4、下半圆环5重叠。上半圆环4的直线部分两端对称间隔开设有一对长孔41，长孔41上滑动连接有弹簧连接块8，两个弹簧连接块8之间连接一弹簧9，同时，两个弹簧连接块8分别与第一弹簧杆10、第二弹簧杆11的顶端转动连接，第一弹簧杆10、第二弹簧杆11的底端相互铰接后固定连接弹跳足端12。

上半圆环4、下半圆环5拼接成圆形的车轮100时，弹跳足端12位于下半圆环5的内侧即靠近机身1的一侧。

动平台3靠近静平台2的一侧底部内嵌滚动驱动器30，即电机，上半圆环4的直线部分中部一体设置有朝向动平台3伸出的连杆31，滚动驱动器30的输出轴与连杆31固定连接，电机启动，通过连杆31带动车轮100整体转动实现轮式移动，驱动直接、快捷。

并联摆动机构包括对称固定于静平台2上的3个基座，即第一基座17、第二基座18、第三基座19，3个连接块即第一连接块20、第二连接块21、第三连接块22上均设置有圆柱杆，第一基座17、第二基座18、第三基座19上则设置与该圆柱杆适配的圆孔，圆柱杆分别***相应圆孔内，将第一连接块20、第二连接块21、第三连接块22分别与第一基座17、第二基座18、第三基座19转动连接。第一基座17、第二基座18、第三基座19上分别安装有第一旋转驱动器23、第二旋转驱动器24、第三旋转驱动器25，第一旋转驱动器23、第二旋转驱动器24、第三旋转驱动器25各自的输出轴分别固定连接第一连接块20、第二连接块21、第三连接块22。3个直线驱动器即第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28的一端均为圆球，该圆球径向两端各固定一圆柱杆，第一连接块20、第二连接块21、第三连接块22上设置有与该圆柱杆适配的通孔，圆柱杆***通孔内与其转动连接，由此将第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28分别与第一连接块20、第二连接块21、第三连接块22转动连接。3个直线驱动器各滑动连接一个并联杆，3根并联杆即第一并联杆14、第二并联杆16、第三并联杆15，第一并联杆14、第二并联杆16、第三并联杆15的一端分别与第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28滑动连接，另一端均为球头，3个球头均嵌入动平台3内与其铰接。本实施例中3个直线驱动器均选用电动推杆。第一旋转驱动器23、第二旋转驱动器24、第三旋转驱动器25分别通过第一连接块20、第二连接块21、第三连接块22带动第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28上下摆动，进而使第一并联杆14、第二并联杆16、第三并联杆15上下摆动，摆动到位后，第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28分别驱动第一并联杆14、第二并联杆16、第三并联杆15伸长或缩回，使机器人执行足式行走动作。

为了保持整体平衡，3-UPS并联轮足复合弹跳机器人还包括姿态调节机构，姿态调节机构包括机身1中心处开设的空腔101、滑动连接在空腔101内的滑块29以及设置于机身1内且与空腔101连通的若干液体循环通道102，滑块29在液体作用下在空腔101内缓慢滑动以调节机身1的平衡。液体循环通道102设置多条且管道管径大小不同。在跳起阶段，由于外太空或者空气中杂质的影响，机器人的机身1可能发生倾斜，液体经液体循环通道102由两侧进入空腔101内，利用液体的摩擦和液体在不同管径管道内的压力差给滑块29施加阻力使其缓慢移动，在弹跳过程中，滑块29会在重力以及阻力的协同作用下移动，拉动机身1整体保持平衡，让机器人平稳落地，切实解决了弹跳的过程中机器人发生晃动的问题。

本发明的机器人处于不同移动模式时的工作原理如下：

1、滚动模式：上半圆环4、下半圆环5拼接成圆环形成车轮100，上半圆环4、下半圆环5同轴故合并为一整圆，形成可滚动的车轮100。由于宽齿轮6径向两端均与圆弧状齿条啮合，即宽齿轮6被夹持在镂空部分，在宽齿轮6和固定装置7的限位作用下，车轮100转动过程中上半圆环4、下半圆环5配合状态稳定，保证了机器人的顺利行走，在平坦的路面以及不需要躲避障碍物或者跨过沟壑的情况下，滚动驱动器30驱动车轮100滚动，带动机器人轮式移动前进，让机器人快速通过，提高了机器人在勘测运输或一些特殊情况下的运动效率。

2、步行模式：并联摆动机构为3-UPS机构，有六自由度，更多的运动方式，第一旋转驱动器23、第二旋转驱动器24、第三旋转驱动器25与第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28配合让机器人产生步行步态，例如，通过第一旋转驱动器23驱动第一并联杆14向下旋转，再依靠第一直线驱动器26、第二直线驱动器27、第三直线驱动器28伸长第一并联杆14、第二并联杆16、第三并联杆15，使动平台3竖直平稳下移，实现足式行走。

3、弹跳模式：依靠齿轮驱动器13驱动宽齿轮6旋转，带动下半圆环5转动直至与上半圆环4重合，弹跳足端12露出并着地，通过并联摆动机构经3个并联杆带动动平台3下移，进而通过连杆31使上半圆环4下移，在上半圆环4下移压力作用下，两个弹簧连接块8在长孔41内背向移动，弹簧9被拉伸而产生足够弹力之后，并联摆动机构停止工作，下移压力消失，弹簧9回弹并拉动第一弹簧杆10、第二弹簧杆11顶端复位，此过程中弹跳足端12跳起，如此反复，实现弹跳移动。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合腿足机构，包括上半圆环(4)、下半圆环(5)，其特征在于：还包括并联摆动机构，所述上半圆环(4)、下半圆环(5)拼接成圆环时形成车轮(100)，既实现轮式移动又在所述并联摆动机构的控制下实现足式行走；所述上半圆环(4)、下半圆环(5)重叠时实现弹跳移动。

2.根据权利要求1所述的复合腿足机构，其特征在于：包括静平台(2)，所述静平台(2)通过所述并联摆动机构连接动平台(3)，所述动平台(3)与所述上半圆环(4)连接并驱动其转动。

3.根据权利要求2所述的复合腿足机构，其特征在于：所述上半圆环(4)的圆弧部分周向镂空且镂空处内壁设置齿形成圆弧状齿条，所述圆弧状齿条上连接有宽齿轮(6)，所述宽齿轮(6)的轴一端连接齿轮驱动器(13)，另一端连接下半圆环(5)。

4.根据权利要求3所述的复合腿足机构，其特征在于：所述上半圆环(4)的直线部分两端对称间隔开设有一对长孔(41)，所述长孔(41)上滑动连接有弹簧连接块(8)，两个弹簧连接块(8)之间连接一弹簧(9)且分别转动连接第一弹簧杆(10)、第二弹簧杆(11)，所述第一弹簧杆(10)、第二弹簧杆(11)的另一端相互铰接后固定连接弹跳足端(12)。

5.根据权利要求4所述的复合腿足机构，其特征在于：所述并联摆动机构包括对称固定于所述静平台(2)上的基座(17、18、19)以及连接于基座(17、18、19)上的旋转驱动器(23、24、25)、直线驱动器(26、27、28)，所述直线驱动器(26、27、28)上滑动连接有端部铰接于动平台(3)上的并联杆(14、16、15)，所述旋转驱动器(23、24、25)、直线驱动器(26、27、28)分别驱动所述并联杆(14、16、15)上下摆动、伸长缩短并通过动平台(3)带动车轮(100)进行足式行走。

6.根据权利要求5所述的复合腿足机构，其特征在于：所述直线驱动器(26、27、28)通过连接块(20、21、22)与所述基座(17、18、19)转动连接。

7.一种3-UPS并联轮足复合弹跳机器人，其特征在于：包括根据权利要求1-6中任一项所述的复合腿足机构。

8.根据权利要求7所述的3-UPS并联轮足复合弹跳机器人，其特征在于：包括机身(1)，所述复合腿足机构对称设置于机身(1)两侧。

9.根据权利要求8所述的3-UPS并联轮足复合弹跳机器人，其特征在于：还包括姿态调节机构，所述姿态调节机构包括所述机身(1)中心处开设的空腔(101)、滑动连接在所述空腔(101)内的滑块(29)以及设置于所述机身(1)内且与所述空腔(101)连通的若干液体循环通道(102)，所述滑块(29)在液体作用下在所述空腔(101)内缓慢滑动以调节机身(1)的平衡。

10.根据权利要求9所述的3-UPS并联轮足复合弹跳机器人，其特征在于：所述静平台(2)通过螺纹杆(103)与所述机身(1)连接。

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