[發(fā)明專利]一種基于多級耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人腿

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711433003.4
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN107856758A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周玉林;周琳;劉揚(yáng);梅友恩;楊召;謝運(yùn)濤
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;B62D57/028
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙)13116
• 代理人: 崔鳳英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種四足機(jī)器人腿。

背景技術(shù)

四足機(jī)器人是目前比較普遍的一種機(jī)器人，從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)器人是最佳的足式機(jī)器人形式，四足機(jī)器人的研究深具社會意義和實(shí)用價(jià)值。然而，越障能力往往要求機(jī)器人具有更大且靈活的腿部結(jié)構(gòu)，而快速移動能力不僅要求機(jī)構(gòu)具有更低的重心，也要求機(jī)構(gòu)具有更強(qiáng)的靈活性，因此，越障能力和快速移動能力往往很難同時(shí)滿足，如何在不增大機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的前提下提高機(jī)器人的越障能力很有研究價(jià)值；此外，現(xiàn)有的四足機(jī)器人大多仿照人的腿部或動物腿部而設(shè)計(jì)的串聯(lián)連桿式結(jié)構(gòu)，受限于連桿間約束，越障能力有限，而且不同于人或動物的肌肉組織，連桿式結(jié)構(gòu)往往只有有限個驅(qū)動單元，無法像肌肉群那樣完美協(xié)同工作以達(dá)到最佳的節(jié)能增效，在移動中的能耗也更大，很難實(shí)現(xiàn)快速移動，因此，四足機(jī)器人腿部的設(shè)計(jì)完全依照仿生設(shè)計(jì)的理念未必是最優(yōu)的選擇。

此外，四足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)通常為串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其關(guān)節(jié)質(zhì)量大，快速移動時(shí)轉(zhuǎn)動慣量大，一定程度上制約了其發(fā)展，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)盡管具有剛度大，精度高，動態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但由于受運(yùn)動副，支鏈干涉，空間奇異等影響，直接影響到其工作空間，間接制約著其應(yīng)用，很多學(xué)者嘗試采用多個并聯(lián)機(jī)構(gòu)之間通過共用平臺進(jìn)行簡單串聯(lián)的辦法,即混聯(lián)的方法，意在既保留并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又能彌補(bǔ)工作空間不足。這種方式在理論上確實(shí)對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間有明顯改善的作用，但由于這種連接方式需要在每一級并聯(lián)平臺安裝驅(qū)動單元，使得每一級機(jī)構(gòu)需要承擔(dān)以下各級的自重以外，還需承擔(dān)這些機(jī)構(gòu)驅(qū)動單元的重量，突顯了類似于串聯(lián)機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)體積和重量逐級增大的弊端，實(shí)用性有待進(jìn)一步證實(shí)。因此這樣的機(jī)構(gòu)在工程應(yīng)用中并不常見。此外，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動空間還受到運(yùn)動副自身的工作空間的限制，如球副的工作空間十分有限，使得實(shí)際應(yīng)用中機(jī)構(gòu)的工作空間距離理論工作空間又很大的差距。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號：CN20170155118.5，名稱：一種基于RSR構(gòu)型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的模塊化仿生蛇形機(jī)器人，該專利公開了一種將多個RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)的混聯(lián)機(jī)構(gòu)。末端執(zhí)行器相對于定平臺具有兩轉(zhuǎn)動一移動運(yùn)動的疊加，運(yùn)動方式多樣，長度可調(diào)，身體粗細(xì)可變等特點(diǎn)。然而，與多數(shù)的混聯(lián)機(jī)構(gòu)一樣，都存在后一級驅(qū)動單元的自重成為前一級驅(qū)動負(fù)載從而大大降低了機(jī)構(gòu)動態(tài)特性，同時(shí)又由于增大了前一級驅(qū)動體積，經(jīng)多級串聯(lián)后，結(jié)構(gòu)變得十分臃腫，失去了實(shí)用的意義。而且，隨著混聯(lián)機(jī)構(gòu)中并聯(lián)關(guān)節(jié)數(shù)的增加，運(yùn)動學(xué)正反解難度越來越大，驅(qū)動也變的十分困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種驅(qū)動單元數(shù)量少、能夠提高越障和快速移動能力的基于多級耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四足機(jī)器人腿。

本發(fā)明的四足機(jī)器人腿為多級耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其包括定平臺、動平臺、主動桿、從動桿、全向輪以及連接定平臺和動平臺的三條結(jié)構(gòu)相同的支鏈，其中全向輪與定平臺底部中心固連，三條結(jié)構(gòu)相同的支鏈包括若干耦合連桿、球碗和耦合平臺，定平臺、動平臺和耦合平臺上均設(shè)有三個均布的開口槽，三個主動桿的一端通過設(shè)在開口槽上的轉(zhuǎn)動副與定平臺連接，耦合連桿的兩端均設(shè)有通過轉(zhuǎn)動副連接的球碗，主動桿的另一端通過球副與耦合連桿的一端連接，轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線經(jīng)過球副的轉(zhuǎn)動中心，該耦合連桿的中部通過設(shè)在耦合平臺開口槽上的轉(zhuǎn)動副與耦合平臺連接，該耦合連桿的另一端與另一個耦合連桿的一端通過球副與連接，其它耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的部件和連接方式均與所述耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的部件和連接方式相同，最后一級耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的耦合連桿的另一端與設(shè)在從動桿一端的球碗球副連接，該球碗通過轉(zhuǎn)動副與從動桿連接，轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線經(jīng)過球副的轉(zhuǎn)動中心，該從動桿的另一端通過設(shè)在動平臺開口槽出的轉(zhuǎn)動副與動平臺連接。

可以根據(jù)所需機(jī)械人腿的長短設(shè)定多少級耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、通過采用多級耦合并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人腿部，以及在腿部末端安裝全向輪，使得機(jī)器人可以通過腿部收縮后降低重心的特點(diǎn)以及全向輪的全向移動能力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速移動，且可以通過腿部伸長后大工作空間的運(yùn)動性能達(dá)到優(yōu)秀的越障性能。

2、通過在相鄰兩級并聯(lián)機(jī)構(gòu)同相位支鏈增加耦合運(yùn)動關(guān)系，使得前一級機(jī)構(gòu)輸出角定量傳遞給后一級機(jī)構(gòu)作為輸入角，依照此方法在多級并聯(lián)機(jī)構(gòu)間增加相同的耦合運(yùn)動關(guān)系，使得運(yùn)動逐級傳動，工作空間逐級放大，通過一定級數(shù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的耦合，即可實(shí)現(xiàn)類似串聯(lián)機(jī)械臂的效果。