具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構的製作方法

2023-08-02 14:13:56 4

專利名稱：具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種四足機器人移動機構，尤其是一種具有質心調整裝置的液壓 驅動四足機器人移動機構。
背景技術：
目前，地面移動機器人常用的移動方式主要是輪式、履帶式、蠕動式、爬行式和步 行式。輪式移動機構具有摩擦阻力小、速度快等優點，但只適應於相對平坦的地面環境，越 障能力差。履帶式移動機構對地形環境的適應能力強，可翻越障礙、攀爬樓梯、跨越壕溝等， 但傳動效率低。蠕動、爬行和步行式均是模仿動物的仿生運動方式，對地形環境的適應能力 極強，可以在絕大部分地面環境上行走，且以步行方式運動速度最快。步行四足機器人在復 雜地形環境下的軍事物質運輸、反恐裝備底盤、野外勘探和探險、星球探測以及農業生產等 方面具有廣闊的應用前景。美國在1968年由通用電氣公司的Mosher研製出了世界上第一臺現代意義上的、 具有控制功能的四足步行機器人。1977年，美國俄亥俄州立大學的RobertMcGhee研製了 世界上第一臺數字計算機控制的步行仿生機器人。從20世紀80年代起，美國、日本、加拿 大、瑞士、德國等國家的研究機構均開始研究仿哺乳類動物的步行四足移動機器人，另有很 多機構研究仿爬行類動物多足移動機器人。中國專利文獻ZL200820157956. 2公開了 「一種四足步行機器人的行走機構」，該 機器人在機架的前、後、左、右分別對稱設置一套兩足驅動組件和行走腿，每條腿具有一個 在水平面內擺動的自由度和一個在豎直面擺動的自由度。該四足機器人移動機構只能實現 靜態步行，運動速度慢；每條腿只有兩個自由度，運動空間小，越障能力差。中國專利文獻CN101602382A公開了 「一種單驅動四足步行機器人」，該機器人前、 後安裝有兩根平行配置的轉軸，由一個電機通過傳動元件驅動，每根轉軸的左右兩端分別 固定連接曲柄。機器人安裝有四條單腿，每條腿由一個曲柄擺杆機構與交叉平行四邊形串 聯鉸接而成，由每根軸端的連接曲柄驅動。該機器人由一個電機驅動即可實現行走，但四條 腿之間全部由連杆機械連接，腿之間的運動規律固定，只能在平地面上步行，不具有越障能 力，並且只能直行，不能轉向。中國專利文獻ZL03153505. 4公開了 「一種可調整的四足仿生機器人運動結構」， 主要包括頂部基準平板、四條腿、四隻足、驅動裝置和傳感裝置。頂部基準平板上對稱開有 四個分別可供四條腿前後移動的調整槽，四條腿與頂部基準板之間採用吊裝式結構；大腿 和小腿分別由各自的驅動裝置帶動沿各自關節軸擺動。該機器人可實現自由行走、對角行 走、側步、奔跑等典型步態，能夠轉彎，具有爬坡、越障能力。該機器人每條腿有兩個關節，腿 長動態變化範圍小，適應複雜地形環境和越障能力有限；採用電機驅動，其動態響應能力和 負重能力差。發明內容本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種構造簡單、具有越障 能力、能夠轉向、負重能力強、易於維護、動態響應能力強的具有質心調整裝置的液壓驅動 四足機器人移動機構。為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案一種具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其包括軀幹、移動架、質 心調整裝置和四條機器人腿，所述軀幹下部設有四條機器人腿，軀幹上部通過質心調整裝 置與移動架連接。所述每條機器人腿均由三段依次連接的腿節和小腿組成，小腿設置於三段腿節的 下部，三段腿節之間以及腿節與小腿之間均通過軸線沿軀幹橫向的轉動副和伺服油缸連 接，最上部的腿節通過軸線沿軀幹縱向的轉動副與軀幹連接，前述四個轉動副為每條腿的 四個主動關節；所述小腿下部設有一個被動的伸縮關節。所述小腿包括小腿外筒，小腿外筒內部上端裝有一高壓氣囊，下端裝有兩個直線 軸承，直線軸承內孔安裝有小腿伸縮杆，小腿伸縮杆的下端安裝有橡膠套，橡膠套內設有六 維力傳感器。所述伺服油缸包括液壓油缸、伺服閥、位移傳感器和力傳感器，力傳感器安裝在液 壓油缸的缸杆上，位移傳感器安裝液壓油缸的一側。所述質心調整裝置包括雙向螺母支架，雙向螺母支架下部設有與軀幹連接的橫向 移動裝置，上部設有與移動架連接的縱向移動裝置。所述橫向移動裝置包括與雙向螺母支架下部通過螺旋副連接的橫向絲槓，橫向絲 槓一端設有連接板I，另一端通過齒輪機構I與直流電機I連接，齒輪機構I的外部設有 連接板II。所述縱向移動裝置包括平行設置的縱向絲槓和光軸，縱向絲槓和光軸分別通過雙 向螺母支架上部兩側的螺旋副和直線軸承設置於其上；縱向絲槓的一端設有連接板III，另 一端通過齒輪機構II與直流電機II連接，齒輪機構II的外部設有連接板IV ；光軸的兩端分 別設有連接板III。所述的軀幹為一長方形框架。所述移動架為一橫截面為梯形的框架。本實用新型的機器人每條腿有四個主動關節，使機器人足工作空間更大，具有更 強的複雜地形適應能力和越障能力。軀幹下部四角分別對稱安裝四條完全相同的機器人腿，前後兩條腿可以按膝關節 同向安裝或反向安裝，軀幹上部通過質心調整裝置與移動架連接。移動架為一橫截面為梯形的框架結構，其上用來安裝、固定各種傳感器、控制系統 模塊、液壓系統模塊等，並可搭載貨物。當機器人快速行走時，地面對機器人足部有較大衝擊力，使小腿伸縮杆相對小腿 外筒向上運動，高壓氣囊被壓縮，同時吸收地面對足部的衝擊，起到緩衝和減振的作用。六 維力傳感器用來測量地面對足部的作用力。橡膠套用來增加足與地面間的摩擦力，保護六 維力傳感器、並起部分緩衝減振作用。當直流電機通過齒輪機構驅動橫向絲槓時，雙向螺母支架通過縱向絲槓帶動移動架可沿軀幹橫向移動。當直流電機通過齒輪機構驅動縱向絲槓時，移動架相對軀幹可沿縱 向移動。四足機器人在快速動態步行時，常用某種對稱步態。當機器人質心在地面的投影 位於4條腿支撐面積的形心時，有兩條對稱腿的運動學和動力學參數是相同的；當機器人 質心在地面的投影不位於4條腿支撐面積的形心時，兩條對稱腿的動力學參數就不同，這 樣就會增加機器人穩定性控制的難度。質心調整方法是在平坦地面，機器人4條腿直立， 根據4條腿足部的六維力傳感器測量的垂向分力對足支撐面積形心的合力矩確定調整方 向，由質心調整裝置調整移動架及固定在其上的所有質量，直到合力矩為零。本實用新型具有以下特點(1)採用液壓驅動，使機器人具有更大的負重能力；(2)每條腿有四個主動關節，具有冗餘自由度，使機器人具有更強的複雜地形環境 適應能力和越障能力；(3)具有質心調整裝置，且不需要額外的配重，使機器人穩定性更好；(4)機器人16個主動關節採用完全相同的液壓伺服油缸驅動，使機器人結構更加 簡單，易於維護。本實用新型適用於在複雜地形環境下軍事和民用物質的運輸、反恐裝備、野外勘 探和探險、星球探測以及農業生產等方面。

圖1是本實用新型的立體結構示意圖；圖2是機器人一條腿的構成示意圖；圖3是機器人腿與軀幹連接的前視圖；圖4是液壓伺服油缸的構成示意圖；圖5是機器人小腿結構示意圖；圖6是機器人軀幹、質心調整裝置和移動架裝配的爆炸圖；圖7是質心調整裝置構成示意圖；圖中1.移動架，2.質心調整裝置，3.軀幹，4.機器人腿，5.腿節I，6.伺服油 缸，7.轉動副I，8.腿節II，9.轉動副II，10.腿節III，11.轉動副III，12.小腿，13.移動副， 14.轉動副IV，15.液壓油缸，16.電液伺服閥，17.位移傳感器，18.力傳感器，19.小腿外 筒，20.氣囊，21.直線軸承，22.小腿伸縮杆，23.六維力傳感器，24.橡膠套，25.連接板IV， 26.齒輪機構II，27.直流電機II，28.縱向絲槓，29.雙向螺母支架，30.連接板III，31.連接 板II，32.齒輪機構I，33.直流電機I，34.光軸，35.橫向絲槓，36.連接板I。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖1所示，本實用新型包括軀幹3、移動架1、質心調整裝置2和四條機器人腿4。 軀幹3下部設有四條機器人腿4，軀幹3上部通過質心調整裝置2與移動架1連接。其中每條機器人腿由三段腿節(腿節I 5、腿節II 8和腿節III 10)和小腿12組成 (見圖2)，小腿12設置於三段腿節的下部，腿節I 5通過軸線沿軀幹縱向的轉動副IV 14與軀幹3連接(見圖3)，腿節I 5與腿節II 8、腿節II 8與腿節III10、腿節III10與小腿12之間 均通過軸線沿軀幹橫向的轉動副(轉動副I 7、轉動副II 9和轉動副III 11，見圖2)連接，以 上四個關節(即前述的四個轉動副)均通過伺服油缸6驅動，小腿12有一個被動伸縮關節。 機器人每條腿有四個主動關節(轉動副I 7、轉動副II 9、轉動副III 11和轉動副IV 14)，使機 器人足部的工作空間大，具有更強的複雜地形適應能力和越障能力。如圖5所示，機器人小腿12由小腿外筒19、氣囊20、直線軸承21、小腿伸縮杆22、 六維力傳感器23和橡膠套24組成。小腿外筒19內部上端裝有一高壓氣囊20，下端裝有 兩個直線軸承21，直線軸承內孔安裝有小腿伸縮杆22，小腿伸縮杆22的下端安裝有橡膠套 24，橡膠套24內設有六維力傳感器23。當機器人快速行走時，地面對機器人足部有較大衝擊力，使小腿伸縮杆22相對小 腿外筒19向上運動，高壓氣囊20被壓縮，同時吸收地面對足部的衝擊，起到緩衝和減振的 作用。六維力傳感器23用來測量地面對足部的作用力。橡膠套24用來增加足與地面間的 摩擦力，保護六維力傳感器23、並起部分緩衝減振作用。如圖4所示，伺服油缸6由液壓油缸15、電液伺服閥16、位移傳感器17和力傳感 器18組成，力傳感器18安裝在液壓油缸15的缸杆上，位移傳感器17安裝液壓油缸15的一側。質心調整裝置2如圖7所示，包括雙向螺母支架29，雙向螺母支架29下部設有與 軀幹3連接的橫向移動裝置，上部設有與移動架1連接的縱向移動裝置。橫向移動裝置包括與雙向螺母支架29下部通過螺旋副連接的橫向絲槓35，橫向 絲槓35 —端設有連接板I 36，另一端通過齒輪機構I 32與直流電機I 33連接，齒輪機構 I 32的外部設有連接板II 31。縱向移動裝置包括平行設置的縱向絲槓28和光軸34，縱向絲槓28和光軸34分別 通過雙向螺母支架29上部兩側的螺旋副和直線軸承設置於其上；縱向絲槓28的一端設有 連接板III 30，另一端通過齒輪機構II 26與直流電機II 27連接，齒輪機構II 26的外部設有 連接板IV 25 ；光軸的兩端分別設有連接板III 30。橫向絲槓35通過連接板II 31和連接板I 36與軀幹3固定連接，橫向絲槓35與 雙向螺母支架29下部通過螺旋副連接。雙向螺母支架29上部通過螺旋副與縱向絲槓28 連接，通過直線軸承與光軸34連接，縱向絲槓28和光軸34通過連接板IV 25、連接板III 30 與移動架1固定連接。當直流電機I 33通過齒輪機構I 32驅動橫向絲槓35時，雙向螺母支架29通過 縱向絲槓28和光軸34帶動移動架1可沿軀幹3橫向移動。當直流電機II 27通過齒輪機 構II 26驅動縱向絲槓28時，移動架1相對軀幹3可沿縱向移動。四足機器人在快速動態步行時，常用某種對稱步態。當機器人質心在地面的投影 位於四條腿支撐面積的形心時，有兩條對稱腿的運動學和動力學參數是相同的；當機器人 質心在地面的投影不位於四條腿支撐面積的形心時，兩條對稱腿的動力學參數就不同，這 樣就會增加機器人穩定性控制的難度。質心調整方法是在平坦地面，機器人四條腿直立， 根據四條腿足部的六維力傳感器23測量的垂向分力對足支撐面積形心的合力矩確定調整 方向，由質心調整裝置2調整移動架1及固定在其上的所有質量，直到合力矩為零。軀幹3為一長方形框架(見圖6 )，軀幹3下部四角分別對稱安裝4條完全相同的機器人腿4，前後兩條腿可以按膝關節(即轉動副II 9)同向安裝或反向安裝，軀幹3上部通過 質心調整裝置2與移動架1連接。 移動架1為一橫截面為梯形的框架結構(見圖6)，用來安裝、固定各種傳感器、控 制系統模塊、液壓系統模塊等，並可搭載貨物。
權利要求一種具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵在於其包括軀幹、移動架、質心調整裝置和四條機器人腿，所述軀幹下部設有四條機器人腿，軀幹上部通過質心調整裝置與移動架連接。
2.根據權利要求1所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述每條機器人腿均由三段依次連接的腿節和小腿組成，小腿設置於三段腿節的下 部，三段腿節之間以及腿節與小腿之間均通過軸線沿軀幹橫向的轉動副和伺服油缸連接， 最上部的腿節通過軸線沿軀幹縱向的轉動副與軀幹連接，前述四個轉動副為每條腿的四個 主動關節；所述小腿下部設有一個被動的伸縮關節。
3.根據權利要求2所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特 徵在於所述小腿包括小腿外筒，小腿外筒內部上端裝有一高壓氣囊，下端裝有兩個直線軸 承，直線軸承內孔安裝有小腿伸縮杆，小腿伸縮杆的下端安裝有橡膠套，橡膠套內設有六維 力傳感器。
4.根據權利要求2所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述伺服油缸包括液壓油缸、伺服閥、位移傳感器和力傳感器，力傳感器安裝在液壓 油缸的缸杆上，位移傳感器安裝液壓油缸的一側。
5.根據權利要求1所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述質心調整裝置包括雙向螺母支架，雙向螺母支架下部設有與軀幹連接的橫向移 動裝置，上部設有與移動架連接的縱向移動裝置。
6.根據權利要求5所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述橫向移動裝置包括與雙向螺母支架下部通過螺旋副連接的橫向絲槓，橫向絲槓 一端設有連接板I，另一端通過齒輪機構I與直流電機I連接，齒輪機構I的外部設有連 接板II。
7.根據權利要求5所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述縱向移動裝置包括平行設置的縱向絲槓和光軸，縱向絲槓和光軸分別通過雙向 螺母支架上部兩側的螺旋副和直線軸承設置於其上；縱向絲槓的一端設有連接板III，另一 端通過齒輪機構II與直流電機II連接，齒輪機構II的外部設有連接板IV ；光軸的兩端分別 設有連接板III。
8.根據權利要求1所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述的軀幹為一長方形框架。
9.根據權利要求1所述的具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，其特徵 在於所述移動架為一橫截面為梯形的框架。
專利摘要本實用新型涉及一種具有質心調整裝置的液壓驅動四足機器人移動機構，包括軀幹、移動架、質心調整裝置和四條機器人腿，軀幹下部設有四條機器人腿，軀幹上部通過質心調整裝置與移動架連接。本實用新型具有以下特點(1)採用液壓驅動，使機器人具有更大的負重能力；(2)每條腿有四個主動關節，具有冗餘自由度，使機器人具有更強的複雜地形環境適應能力和越障能力；(3)具有質心調整裝置，且不需要額外的配重，使機器人穩定性更好；(4)機器人16個主動關節採用完全相同的液壓伺服油缸驅動，使機器人結構更加簡單，易於維護。本實用新型適用於複雜地形環境下軍事和民用物質的運輸、反恐裝備、野外勘探和探險、星球探測以及農業生產等方面。
文檔編號B62D57/02GK201633803SQ20102016795
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者宋勇, 宋洪軍, 宋銳, 徐勤江, 李貽斌, 榮學文, 阮久宏 申請人:山東大學