[發明專利]一種過約束兩棲機器人

有效

• 申請號: 202110265797.8
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113001516B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 宋超陽;馮世豪;顧宇平;郭宇芹;陳銘棟
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J17/00;B62D57/032
• 代理公司: 上海德同律師事務所 31429
• 代理人: 姚瑤

本發明公開了一種過約束兩棲機器人，包括機器人機身和多個過約束運動裝置，所述過約束運動裝置包括同軸驅動裝置和過約束連桿機構，所述同軸驅動裝置包括外驅動器、內驅動器、外輸出軸和內輸出軸。以過約束運動裝置為過約束兩棲機器人提供驅動力，具有在陸地或水底爬行的潛力，還可以作其它物品操作，如抓取或搬運物品，過約束運動裝置通過兩個驅動器驅動過約束連桿機構進行靈巧的三維運動，在避免增加驅動器的情況下，實現靈巧的三維空間運動，進行包括向前、橫向和轉彎在內的全方向多地形移動，利于控制機器人的重量和成本。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種過約束兩棲機器人。

背景技術

現有機器人通常采用解耦機構實現多關節多自由度機器人設計，即機器人的每個自由度單獨安裝一個獨立的驅動器，通過多個連桿上的獨立驅動以及連桿連接形成機構實現多關節運動，如單自由度機器人主要包含一個驅動器和一個連接在該驅動器上的連桿，雙自由度機器人主要包含兩個桿件及每個連桿上的單獨驅動，三自由度機器人主要包含三個桿件及每個桿件上的單獨驅動，以此類推。

在此基礎上，為了滿足機器人在與外部環境交互過程中對運動靈敏度、靈巧型等多方面的需求，往往會采用多個連桿之間的組合，形成一些特殊設計的機構，將驅動去的實際排布位置從該自由度的運動端轉移至其他部位(通常為慣量較大，諸如靠近重心、基座、底盤等)，這樣可以在不顯著增加驅動器負載的情況下，仍然保持機器人的機動性能和整機成本。

目前，主要有以下三種機器人構型，即鏈式構型、平行構型及復合構型。

鏈式構型下，機器人各連桿先后連接，形成一個開環單鏈，具有較好的機構解耦特性，往往需要將驅動器獨立安裝在每個連桿或自由度端，機構本身的自由度數量與驅動器數量保持一致，常見例子包括一般多關節式工業機械臂。

平行構型下，機器人一般通過某種特別設計的機構傳動，兩岸之間一般多形成至少一個閉環，而驅動器則集中排布在靠近重心、基座、底盤的位置，每個驅動器仍然驅動一個自由度，而機構本身的自由度數量與驅動器數量保持一致。最常見機構為平面連桿機構及其變種(包括帶傳動、凸輪機構等)，在一些高速平面運動機械臂及一些足式機器人中較為常見，還有一些球面連桿機構及其變種(各轉軸軸線交叉在空間一個點)，在一些手術機器人上較為常見。

復合構型是同時采用鏈式以及平行機構的一些機器人，往往具有較高的自由度數量(4～7)，在前3個自由度采用平行構型以降低整機轉動慣量，在后幾個自由度上采用鏈式構型進行獨立驅動，在一些重型工業機械臂以及玩具機械臂上較為常見。

現有技術下，往往機構自由度的數量、驅動器的數量、以及實際實現的空間運動自由度之間是保持相等的關系的，這樣的設計的一大優勢是理論分析、機構設計、和控制實現上普遍較為簡單直接，且具有豐富成熟的實際應用案例。存在的主要問題是由于在面對復雜環境交互時，往往需要較高的自由度數量，導致相應需要較多的驅動器數量，使得整機的重量、成本等較高，特別是在足式機器人或多臂、多指機器人上較為明顯。如一臺采用兩自由度平行機構的四足機器人一般需要8個驅動器(Stanford?Doggo,Ghost?Minitaur等)，而采用三自由度復合構型的四足機器人則需要12個驅動器(Boston?Dynamics?Spot?Mini，MIT?Cheetah等)。

目前，比較常見且廣泛應用運動裝置為連桿式機械腿，是一種基于平面連桿機構的機械腿，例如Stanford?Doggo和SpaceBok，采用了一種兩自由度的平面四桿機構作為腿部機構。但是兩自由度的平面機械腿的工作范圍僅能是一個平面，而機器人最終的運動空間是一個三維空間，因此一些特殊的運動(如沿著身體的側向運動，順暢的原地旋轉等)是無法實現的，其轉向也只能依靠兩邊步態的差速進行。對于具有兩自由度平面腿的機器人來說，很難改變運動方向，通常可以實現通過相對較大的轉彎速度半徑，限制了它在狹窄環境中的敏捷性。而有三個自由度的機器人腿，通常需要一個額外的執行器附在兩個自由度支腿的基座上以實現高速機動，但是引入一個額外的執行器，對管理機器人的總重量和成本，提出新的挑戰。