并联六足机器人的腰部结构的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种并联六足机器人的腰部结构。

背景技术：

地球表面约70％的陆地是轮式运输机器无法达到的区域，尤其是在突发灾难的区域，如：地震、塌方、厂房区内毒气泄漏等，一般的器械都无法有效、快速的将探测、救援设备运送到目的地。腿式步行器具有极大的灵巧性和地面适应性，能适应复杂地形下的运输工作。因此，对于军用、民用腿式机器人的研究有着重要的实际意义。

目前世界上各学术机构研制出来的腿式步行器大多采用串联的腿部机构构型，虽然串联机构具有工作空间大的优点，但同时也具有刚性差，承载能力低的缺点，因而目前世界上具有高承载能力的步行机器人还十分罕见。有部分学者尝试采用并联机构作为机器人的腿部构型，并研制出了一款具有高承载能力的六足步行机器人(潘阳.p-p结构六足机器人性能设计与控制实验研究[d].上海交通大学，2014.)，能够同时满足一些救灾作业对机器人灵活性和承载能力的双重要求。然而，由于并联机构固有的工作空间较小的属性，并联腿式机器人尽管在灵巧性和地面适应性方面优于轮式机器人，却比不上串联腿式机器人，难以攀爬较为陡峭的坡和楼梯。为充分利用并联腿式机器人的高承载能力，同时提升灵巧性和地面适应性，须为并联腿式机器人引入腰关节。

目前世界上关于多足机器人腰部关节的研究和设计还比较少，已有的带腰多足机器人大多在腰关节上采用串联铰链的构型设计，虽然结构简单，但刚性较差，而且会使前后躯干产生较大幅度的相对转动。而对于并联六足机器人，由于其腿部的承载能力具有较大的各向异性，其竖直方向承载能力远大于水平方向，为充分利用并联六足机器人的高承载能力，并不希望腰部关节的运动导致前后躯干(也就是腿部基座)产生相对转动。

综上所述，现有的机器人腰部结构设计并不能满足并联六足机器人在提高灵巧性和地面适应性的同时保持高刚性和高承载能力的设计需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种并联六足机器人的腰部结构，以解决并联腿式机器人工作空间狭小的问题，提高并联腿式机器人的灵巧性和地面适应性，同时令机器人躯干依然具有良好的刚性和承载能力。

为达到上述目的，本发明提供一种并联六足机器人的腰部结构，包括：前段躯干、中段躯干、后段躯干、上连杆、下连杆、电机、电机基座、滑动丝杠以及螺母。其中：

前段躯干、中段躯干和后段躯干分别与上连杆通过铰链a连接，前段躯干、中段躯干和后段躯干分别与下连杆通过铰链b连接，电机基座与中段躯干通过铰链c连接，下连杆与螺母通过铰链d连接，铰链a、铰链b、铰链c和铰链d的轴向均沿着机器人身体的侧向；电机和滑动丝杠分别安装在电机基座上，电机通过同步带传动驱动滑动丝杠相对电机基座转动；滑动丝杠与螺母构成螺纹副传动。

依照本发明较佳实施例所述的并联六足机器人的腰部结构，前段躯干、中段躯干和后段躯干上分别设有两块对称的三角形基板，用于安装并联六足机器人的腿部，每段躯干安装两条腿。

依照本发明较佳实施例所述的并联六足机器人的腰部结构，前段躯干、中段躯干和后段躯干与上连杆之间的连接处分别形成上铰接点，前段躯干、中段躯干和后段躯干与下连杆之间的连接处分别形成下铰接点，上、下铰接点之间的距离相等且相对位置相同。

依照本发明较佳实施例所述的并联六足机器人的腰部结构，上连杆与前段躯干、中段躯干和后段躯干之间的连接处分别形成三处铰接点，下连杆与前段躯干、中段躯干和后段躯干之间的连接处分别形成三处铰接点，同一连杆上的三处铰接点三点共线且相对距离相等，使上连杆和下连杆与前段躯干、中段躯干和后段躯干之间构成两组平行四边形机构。

依照本发明较佳实施例所述的并联六足机器人的腰部结构，上连杆和下连杆在结构设计上充分考虑空间干涉的可能性，保证上连杆和下连杆相对于前段躯干、中段躯干和后段躯干的转角范围均为±45度。

依照本发明较佳实施例所述的并联六足机器人的腰部结构，还包括腿部构件，所述腿部构件安装于前段躯干、中段躯干和后段躯干上的三角形基板上。

本发明的工作原理为：电机通过同步带带动滑动丝杠相对于电机基座转动，螺母沿着滑动丝杠的轴向移动，从而带动下连杆相对中段躯干转动。前段躯干、中段躯干、后段躯干、上连杆、下连杆构成两组平行四边形机构，因此下连杆的转动将带动前段躯干和后段躯干相对于中段躯干作平动运动，平动轨迹为圆弧，前段躯干和后段躯干的姿态没有改变，安装在前后躯干上的前后腿的工作空间也随之扩大。

本发明提供的并联六足机器人的腰部结构，上连杆、下连杆分别与前段躯干、中段躯干、后段躯干通过铰链连接，构成双平行四边形机构，电机基座与中段躯干通过铰链连接，下连杆与螺母通过铰链连接，铰链的轴向均是沿着机器人身体的侧向。电机和滑动丝杠分别安装在电机基座上，电机通过同步带传动驱动滑动丝杠相对电机基座转动。滑动丝杠与螺母构成螺纹副传动。本发明能够有效扩大并联六足机器人的腿部工作空间，提高机器人的灵巧性和地面适应性，同时使并联六足机器人保持良好的刚性和承载能力，还具有结构简单、驱动元件少的优点。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用双平行四边形机构实现前、后段躯干的联动，仅需一个驱动元件即可实现前、后段躯干相对于中段躯干的平动，能够有效扩大并联六足机器人的腿部工作空间，提高机器人的灵巧性和地面适应性，同时使机器人的六条腿依旧在承载能力较好的姿态下工作，令机器人与无腰关节的机型相比，没有损失过多刚性和承载能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明并联六足机器人的腰部结构的结构示意图；

图2为本发明并联六足机器人的腰部结构的侧视图。

图3为本发明并联六足机器人的腰部结构的后视图。

图4为本发明并联六足机器人的腰部结构的机构简图。

图5为本发明并联六足机器人的腰部结构在机器人整机上的安装实例。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

以下结合附图，具体说明本实施例技术方案。

请同时参阅图1～图5，一种并联六足机器人的腰部结构，包括：前段躯干1、中段躯干2、后段躯干3、上连杆4、下连杆5、电机6、电机基座7、滑动丝杠8以及螺母9。前段躯干1、中段躯干2、后段躯干3上分别带有两块对称的三角形基板，用于安装并联六足机器人的腿部，每段躯干安装两条腿。上连杆4、下连杆5分别与前段躯干1、中段躯干2、后段躯干3通过铰链连接，电机基座7与中段躯干2通过铰链连接，下连杆5与螺母9通过铰链连接，整个腰部在机构上共有8处铰链，铰链的轴向均是沿着图2的法线方向(即机器人身体的侧向)。电机6和滑动丝杠8分别安装在电机基座7上，电机6通过同步带传动驱动滑动丝杠8相对电机基座7转动。滑动丝杠8与螺母9构成螺纹副传动。

本实施例的核心在于采用双平行四边形机构实现前后段躯干的联动，其中：

前段躯干1、中段躯干2、后段躯干3与连杆连接的上下两个铰接点之间的距离相等，上连杆4和下连杆5与躯干连接的三个铰接点均在同一直线上，构成尺寸相等的两个平行四边形机构，前段躯干1、中段躯干2、后段躯干3、上连杆4和下连杆5这五个构件构成一个单自由度的双平行四边形机构，呈“日”字形，保证前段躯干1和后段躯干3相对于中段躯干2只做平动运动而没有相对转动，而前段躯干1和后段躯干3的运动是关联的，只需要一个驱动。

中段躯干2、下连杆5、电机基座7、滑动丝杠8、螺母9实际构成摆动导杆机构，只是主动构件不是曲柄而是滑块，滑动丝杠8与螺母9的相对运动导致了机器人腰部的转动。

进一步地，本实施例还包括腿部构件，所述腿部构件安装于前段躯干、中段躯干和后段躯干上的三角形基板上。

本实施例的工作原理为：在并联六足机器人爬坡或爬楼梯的时候，由于自身腿部工作空间不足，需要配合腰部的转动，以扩大腿部工作空间。电机6通过同步带带动滑动丝杠8相对于电机基座7转动，由于各处铰链连接保证螺母9没有沿滑动丝杠8轴向的转动自由度，因此螺母9会沿着滑动丝杠8的轴向移动，从而带动下连杆5相对中段躯干2转动。前段躯干1、中段躯干2、后段躯干3、上连杆4、下连杆5构成两组平行四边形机构，因此下连杆5的转动将带动前段躯干1和后段躯干3相对于中段躯干2作平动运动，平动轨迹为圆弧。将机器人身体坐标系建立在中段躯干2上，则由于前段躯干1和后段躯干3能够相对机器人身体坐标系平动，安装在其基板上的前后腿的工作空间也随之扩大。

本实施例采用双平行四边形机构实现腰部的运动，与不带腰关节的六足机器人相比，增大了腿部的实际工作空间，提升了六足机器人的越障能力和地形适应性。前后段躯干通过两根平行的连杆实现联动而不是分别驱动，一方面节省了电机、驱动器和减速机构的数量，简化了结构，节约了成本；另一方面，前后腿施加在腰部的力矩，可通过贯穿身体的两根连杆相互抵消掉一部分，而不会对腰部的驱动电机造成过大负载，因此这种联动的腰部构型设计，比前后躯干单独驱动的方案刚性更好。因此，本实施例具有提升步行机器人工作空间的效果，与现有技术相比，具有结构简单、刚性好的优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。