專利名稱：單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)
動裝置。
背景技術(shù)：
多足機器人是移動機器人和履帶式機器人的一個重要分支。它主要用在多障礙環(huán)境和非規(guī)則地形。它比移動機器人和履帶式機器人有更高的機動性和靈活性。多足機器人大多是根據(jù)仿生學(xué)進行設(shè)計的，因此它能夠具有很多仿生的生物具有的特點。對于多足機器人運動機構(gòu)的研究一直是各國科學(xué)家關(guān)注的焦點之一。近年來，國外研究比較突出的有iSprawl族多足機器人，它是使用氣動活塞作為主要的動力來源；還有RHex族多足機器人，RHex每足僅具有單一旋轉(zhuǎn)自由度，配合使用半圓形且具被動彈性腳的設(shè)計使得RHex是一個可以完成非常多不同表現(xiàn)的自主機器人。我國多足機器人的研制成果主要有1989年北京航空航天大學(xué)開發(fā)的四足步行機，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗。2002年，上海交通大學(xué)對微型多足仿生機器人的研究，該步行機器人外形尺寸為長30mm、寬40mm、高20mm,質(zhì)量僅為6. 3g,步行速度為3mm/s。此外還有清華大學(xué)開發(fā)的DTWN框架式雙三足機器人；華中科技大學(xué)研制了 “4+2”多足步行機器人和MiniQuad多足步行機器人，同時對多足步行機器人的運動規(guī)劃與控制，以及機器人的腿、臂功能融合和模塊化實現(xiàn)的控制體系及其設(shè)計進行了研究。現(xiàn)有多足機器人驅(qū)動形式大多數(shù)由多個電機獨立控制每條腿的抬腿和邁腿動作，因而多足機器人需要很多電機來協(xié)調(diào)動作，重量大、能量利用率低和控制系統(tǒng)復(fù)雜，不利于微小型機器人的發(fā)展，為改善以上缺點，目前微小型多足機器人正朝著欠驅(qū)動的方向發(fā)展，欠驅(qū)動分為兩個或兩個以上驅(qū)動和單一驅(qū)動兩種類型，如六足仿生微型機器人R0ACH，它的重量只有2. 4克，整個機體采用了彈性復(fù)合物材料從而減輕了整個機體的重量，整個操作只有兩個電機驅(qū)動。由美國加州大學(xué)伯克利分校研制的DASH六足機器人，只采用一個電機驅(qū)動，同時可以達到每秒15個身體長度的運行。但是上述采用欠驅(qū)動方式實現(xiàn)機器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動特性難以控制的缺點，從而影響機器人運動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)學(xué)精確描述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、足端軌跡可優(yōu)化、運動的可靠性和穩(wěn)定性高的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，該裝置包括主架、雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)、抓爪、連架、曲柄、動力傳動桿及馬達，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)均布設(shè)在主架的兩側(cè)，所述的髖部機構(gòu)通過抓爪與雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)連接，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)之間通過連架或曲柄互相連接，所述的馬達通過動力傳動桿連接曲柄；馬達帶動動力傳動桿轉(zhuǎn)動,動力傳動桿帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)進行往復(fù)運動，雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的往復(fù)運動通過抓爪帶動各個髖部機構(gòu)前后交替運動；通過增加或減少雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)及連架的數(shù)量就可使該裝置適合雙足以上的各種偶數(shù)足的多足機器人。所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)與抓爪均設(shè)有六個，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)均布設(shè)在主架的兩側(cè)，所述的髖部機構(gòu)通過抓爪與雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)連接，同側(cè)前面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與后面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過連架連接，同側(cè)前面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與中間的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過曲柄連接，兩個曲柄的初始相位相差180° ,兩個曲柄均與動力傳動桿連接,所述的動力傳動桿連接馬達,所述的馬達固定在主架上。同側(cè)前后兩個雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與對側(cè)中間的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)組成三角聯(lián)動機構(gòu)，且組成一個三角聯(lián)動機構(gòu)的三個雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)具有相同的相位。該裝置共有兩個三角聯(lián)動機構(gòu)，這兩個三角聯(lián)動機構(gòu)的相位相差180°。
所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)由兩個平行的四桿機構(gòu)通過中間公共桿并聯(lián)組成。同側(cè)前面和中間的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)由改進的契貝謝夫四桿機構(gòu)將動力傳動桿的運動經(jīng)軌跡優(yōu)化后傳到雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)上，通過改進的契貝謝夫四桿的尺度擬合改變足端步態(tài)軌跡曲線。所述的髖部機構(gòu)包括三個連接活頁、一個握桿、兩個連接橫桿及一個腿，所述的腿的一側(cè)分別與兩個連接橫桿連接，兩個連接橫桿的端部分別通過兩個連接活頁連接主架，上面的連接橫桿通過第三個連接活頁與握桿的一端連接，握桿的另一端連接抓爪。所述的動力傳動桿的兩端為正六邊形結(jié)構(gòu)，所述的曲柄的軸孔為正六邊形結(jié)構(gòu)，動力傳動桿連接在曲柄的軸孔內(nèi)。所述的動力傳動桿通過齒輪與馬達連接。機器人直行運動時，馬達轉(zhuǎn)動帶動動力傳動桿轉(zhuǎn)動,動力傳動桿又帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄又帶動雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)進行往復(fù)運動，由雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的往復(fù)運動通過抓爪帶動各個髖部機構(gòu)按優(yōu)化的軌跡前后運動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果(I)本發(fā)明通過采用機身模塊化聯(lián)動裝置，實現(xiàn)了單電機控制多足的目的；(2)該多足運動軌跡狀態(tài)由于是通過機械的方式運動，故整體運動更加協(xié)調(diào)且成本低；(3)本發(fā)明的裝置能夠調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸對足端軌跡進行優(yōu)化；(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單且減少了大量的控制環(huán)節(jié)，所以其運動的可靠性和穩(wěn)定性都比多電機多足機器人高；(5)本發(fā)明還有一個顯著的特點就是具有很強的延展性，即通過增加或減少雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部結(jié)構(gòu)和連架就可使該機構(gòu)適合雙足以上的各種偶數(shù)足的多足機器人；(6)本發(fā)明的應(yīng)用范圍廣，可以用在航天探測、軍事、災(zāi)難搜救和勘測等領(lǐng)域，具有很強的實用價值。


圖I為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的右視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為優(yōu)化的契貝謝夫四桿機構(gòu)圖；圖4為動力傳動桿與曲柄的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為帶伸出桿雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)(兩側(cè)前面和中間的)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為不帶伸出桿的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)(兩側(cè)后面的)結(jié)構(gòu)示意 圖；圖7為一側(cè)聯(lián)動的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)簡圖；圖8為三角聯(lián)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9為機架結(jié)構(gòu)示意圖； 圖10為抓爪的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為兩側(cè)聯(lián)動的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)示意圖；圖12為髖部機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，如圖I和圖2所示，它包括主架I、第一連架2與第二連架26、第一 第六抓爪3、8、11、17、20、25、第一 第六髖部機構(gòu)4、7、10、18、21、24、第一 第六雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)5、9、12、16、19、23、第一曲柄6、第二曲柄22、馬達固定架13、動力傳動桿14、馬達15 ;馬達15由馬達固定架13固定在主架I上；第一 第六雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)5、9、12、16、19、23均布設(shè)在主架I的兩側(cè)，第一 第六髖部機構(gòu)4、7、10、18、21、24通過第一 第六抓爪3、8、11、17、20、25與第一 第六雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)5、9、12、16、19、23連接，同側(cè)前面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與后面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過連架連接，即第一雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)5和第三雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)12通過第一連架2連接，第四雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)16與第六雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)23通過連架26連接，同側(cè)前面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與中間的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過曲柄連接，且與曲柄之間通過改進的契貝謝夫四桿機構(gòu)將動力傳動桿的運動經(jīng)軌跡優(yōu)化后傳給雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)，即第一雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)5和第二雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)9通過銷釘與第一曲柄6連接，第一曲柄6分別與第一雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)5和第二雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)9之間構(gòu)成改進的契貝謝夫四桿機構(gòu)；第五雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)19與第六雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)23通過銷釘與第二曲柄22連接，第二曲柄22分別與第五雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)19和第六雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)23之間構(gòu)成改進的契貝謝夫四桿機構(gòu)；第一曲柄6與第二曲柄22由動力傳動桿14帶動，且第一曲柄6與第二曲柄22在初始安裝時相位相差180° ;動力傳動桿14通過齒輪減速由馬達15直接驅(qū)動。如圖3所示，該機構(gòu)是改進的契貝謝夫四桿機構(gòu)圖，各桿長度比例為AB : AD : EB : EC : ED = I : 5 : 4 : 4 : 4。該機構(gòu)的特點是可以通過四桿的尺度擬合來改變步態(tài)軌跡曲線實現(xiàn)步態(tài)軌跡優(yōu)化；而該機構(gòu)可以通過抓爪的連接使得頂點C的軌跡與髖部機構(gòu)軌跡一致，圖中27是經(jīng)過一系列的模擬后優(yōu)化的C點軌跡圖，此軌跡圖對應(yīng)的桿長分別為 AB = 2. 5mm，AD = 12. 5mm，EB = EC = ED = 10mnin
圖4為兩個優(yōu)化后的契貝謝夫四桿機構(gòu)與動力傳動桿的連接位置。圖中動力傳動桿14的兩端連著四桿機構(gòu)的曲柄22及曲柄6，曲柄22及曲柄6在安裝時的初始相位相差180°。動力傳動桿14的兩端是正六邊形結(jié)構(gòu)，曲柄6或曲柄22的軸孔也是正六邊形結(jié)構(gòu)，這樣在裝配時很容易獲得相差180°的相位。如圖5所示，是機器人兩側(cè)前面和中間的帶伸出桿雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)，由兩個平行的四桿機構(gòu)通過中間公共桿并聯(lián)組成，且有伸出桿與曲柄相連。如圖6所示，是機器人兩側(cè)后面的不帶伸出桿雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)，由兩個平行的四桿機構(gòu)通過中間公共桿并聯(lián)組成，沒有伸出桿。如圖7所示，同側(cè)的前后兩個雙平行四邊形四桿聯(lián)動機構(gòu)通過連架連接聯(lián)動，使前后兩個雙平行四邊形四桿聯(lián)動機構(gòu)同步運動且具有相同的相位。圖中桿AN、NL、AD和DH組成一個如圖3所示的優(yōu)化的契貝謝夫四桿機構(gòu)。如圖8所示，同側(cè)的前后兩個雙平行四邊形四桿機構(gòu)和對側(cè)中間的雙平行四邊形·四桿機構(gòu)通過動力傳遞桿組成三角聯(lián)動雙平行四邊形四桿機構(gòu)，且這三個雙平行四邊形四桿機構(gòu)具有相同的相位。機器人機架結(jié)構(gòu)如圖9所示。第一 第六抓爪3、8、11、17、20、25的結(jié)構(gòu)均如圖10所示。如圖11所示，是由圖8的兩個三角聯(lián)動雙平行四邊形四桿機構(gòu)組成的兩側(cè)聯(lián)動的雙平行四邊形機構(gòu)圖。一個三角聯(lián)動雙平行四邊形四桿機構(gòu)連接多足機器人的同側(cè)前后兩個髖部機構(gòu)和對側(cè)中間的一個髖部機構(gòu)，另外一個三角聯(lián)動雙平行四邊形四桿機構(gòu)連接多足機器人的剩下的三個髖部機構(gòu)，而安裝在動力傳遞桿上的一側(cè)三角聯(lián)動機構(gòu)與對側(cè)三角聯(lián)動機構(gòu)主動桿曲柄初始安裝時相位相差180°，這樣兩側(cè)三角聯(lián)動機構(gòu)分別帶動多足機器人的三角步態(tài)的三個髖部機構(gòu)交替運動，符合多足機器人行走時的三角步態(tài)運行。髖部機構(gòu)如圖12所示，包括三個連接活頁28、29、30、一個握桿34、兩個連接橫桿
31、32及一個腿33，腿33的一側(cè)分別與兩個連接橫桿31、32連接，兩個連接橫桿31、32的端部分別通過兩個連接活頁29、28連接主架，上面的連接橫桿32通過第三個連接活頁30與握桿34的一端連接，握桿34的另一端連接抓爪。這樣機身雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的運動就通過握桿34傳遞給活頁30，再通過活頁30經(jīng)過連接橫桿31、32傳遞給腿。本發(fā)明的單一驅(qū)動多足機器人機身模塊化聯(lián)動機構(gòu)的運動方式電機轉(zhuǎn)動帶動動力傳動桿轉(zhuǎn)動，動力傳動桿又帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄又帶動兩個三角聯(lián)動雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)按相位差180°往復(fù)運動，由雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的往復(fù)運動通過抓爪帶動各個髖部機構(gòu)按優(yōu)化的軌跡前后交替運動。
權(quán)利要求
1.單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，該裝置包括主架、雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)、抓爪、連架、曲柄、動力傳動桿及馬達，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)均布設(shè)在主架的兩側(cè)，所述的髖部機構(gòu)通過抓爪與雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)連接，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)之間通過連架或曲柄互相連接，所述的馬達通過動力傳動桿連接曲柄； 馬達帶動動力傳動桿轉(zhuǎn)動，動力傳動桿帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)進行往復(fù)運動，雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的往復(fù)運動通過抓爪帶動各個髖部機構(gòu)前后交替運動；通過增加或減少雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)及連架的數(shù)量使該裝置適合雙足以上的各種偶數(shù)足的多足機器人。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)與抓爪均設(shè)有六個，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)均布設(shè)在主架的兩側(cè)，所述的髖部機構(gòu)通過抓爪與雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)連接，同側(cè)前面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與后面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過連架連接，同側(cè)前面的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與中間的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過曲柄連接，兩個曲柄的初始相位相差180°，兩個曲柄均與動力傳動桿連接，所述的動力傳動桿連接馬達，所述的馬達固定在主架上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，同側(cè)前后兩個雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)與對側(cè)中間的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)組成三角聯(lián)動機構(gòu)，且組成一個三角聯(lián)動機構(gòu)的三個雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)具有相同的相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，該裝置共有兩個三角聯(lián)動機構(gòu)，這兩個三角聯(lián)動機構(gòu)的相位相差180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)由兩個平行的四桿機構(gòu)通過中間公共桿并聯(lián)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，所述的雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)通過改進的契貝謝夫四桿的尺度擬合改變足端步態(tài)軌跡曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，所述的髖部機構(gòu)包括三個連接活頁、一個握桿、兩個連接橫桿及一個腿，所述的腿的一側(cè)分別與兩個連接橫桿連接，兩個連接橫桿的端部分別通過兩個連接活頁連接主架，上面的連接橫桿通過第三個連接活頁與握桿的一端連接，握桿的另一端連接抓爪；雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的運動就通過握桿傳遞給活頁，再通過活頁經(jīng)過連接兩個連接橫桿傳遞給腿。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，所述的動力傳動桿的兩端為正六邊形結(jié)構(gòu)，所述的曲柄的軸孔為正六邊形結(jié)構(gòu)，動力傳動桿連接在曲柄的軸孔內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，其特征在于，所述的動力傳動桿通過齒輪與馬達連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單一驅(qū)動的多足機器人機身模塊化聯(lián)動裝置，該裝置包括主架、雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)、髖部機構(gòu)、抓爪、連架、曲柄、動力傳動桿及馬達，雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)均布設(shè)在主架的兩側(cè)，髖部機構(gòu)通過抓爪與雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)連接，雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)之間通過連架或曲柄互相連接，馬達通過動力傳動桿連接曲柄；馬達帶動動力傳動桿轉(zhuǎn)動，動力傳動桿帶動曲柄或連架旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)進行往復(fù)運動，雙平行四邊形聯(lián)動機構(gòu)的往復(fù)運動通過抓爪帶動各個髖部機構(gòu)前后交替運動。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、足端軌跡可優(yōu)化、運動的可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。
文檔編號B62D57/032GK102897245SQ201210424838
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者謝紅, 王濤, 汪旭紅, 李尚 , 韋克凡, 張伶波, 殷其鑫 申請人:同濟大學(xué)