基于UPR-R结构的混联机器人腿部机构及步行机器人的制作方法

本发明涉及步行机器人技术领域，特别是涉及一种基于upr-r结构的混联机器人腿部机构及步行机器人。

背景技术：

近年来，水下安全检查、渔业养殖、船舶清洗、海洋工程、科教等方面对水下机器人的需求不断增加，在技术革新与市场需求的双重推动下，水下机器人产业发展迅速。目前，水下机器人按行走方式来分主要有轮式机器人、履带式机器人、足式机器人和混合式机器人四种。与其他行走方式的机器人相比，足式机器人对工作环境的要求较低，适应性强，具有较大的使用价值。足式机器人可分为双足机器人、四足机器人、六足机器人和多足机器人，其中四足机器人的平稳性强于双足机器人，又避免了六足、多足机器人的结构复杂、控制复杂等问题。目前，足式机器人的腿部结构多采用串并混联结构，这种腿部结构兼具了串联结构和并联结构的优点，不仅速度很高，刚度较大，定位精度较高，而且工作范围广，工作空间大，工作末端灵活，易控制。

现有的串并混联机器人腿部机构，如中国专利文献cn204296909u中公开了一种类人型机器人混联式机械腿，包括由上至下顺序平行设置的髋关节平台、膝关节平台、踝关节平台和支撑脚，以及连接髋关节平台和膝关节平台的大腿驱动支链，连接膝关节平台和踝关节平台的小腿驱动支链，连接踝关节平台和支撑脚的脚腕驱动支链，各驱动支链分别由万向节与关节平台连接；所述机械腿还设有支撑支链，支撑支链轴向设于关节平台的中心，包括大腿支撑支链、小腿支撑支链和脚腕支撑支链；所述大腿支撑支链与髋关节平台由万向结连接，与膝关节平台固结，所述小腿支撑支链与膝关节平台通过十字联轴器连接，与踝关节平台固结；所述脚腕支撑支链与踝关节平台由万向节连接，与支撑脚固结。上述混联机器人腿部机构具有以下缺陷：①其大腿部分、小腿部分和脚腕部分都是采用多个支链的并联结构，然后三个并联结构又依次串联在一起，可见这种串并混联腿部结构的结构非常复杂，使整体机构的质量很重，影响腿部机构的灵活性，而且由于小腿部分和脚腕部分也都是并联结构的，结构构件数目很多，行走时会产生不可避免的相互约束，此外，大腿支撑支链与膝关节平台固结，小腿支撑支链与踝关节平台固结，这些因素都会导致腿部机构的灵活性较差，行走动作幅度较小，行走速度慢，从而导致机器人的工作效率低下；②初始状态时，髋关节平台、膝关节平台和踝关节平台相互平行设置，大腿部分与小腿部分几乎呈一条直线，开始行走时，特别是在地形环境崎岖不平的情况下，髋关节平台和膝关节平台会受到较大的应力，进而引起整体结构的震动，而且髋关节平台上通常还要设置很多精密仪器，这种震动会影响仪器的测量精度，不利于机器人的正常作业。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的混联机器人腿部机构，结构构件繁多，导致腿部机构的灵活性较差，行走速度慢，而且容易引起机构震动，影响机器人的正常作业，而提供一种结构简化，灵活性好，动作幅度大，行走平稳且速度快，而且能有效保护设置的精密仪器，确保机器人正常工作的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构及步行机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，包括静平台以及与所述静平台连接的大腿组件、与所述大腿组件通过动平台连接的小腿组件，所述大腿组件包括至少三条upr结构的支链，所述静平台上设置有分别驱动各条所述支链的至少三个驱动器，所述小腿组件包括小腿，所述小腿通过所述动平台与所述大腿组件可转动连接；初始状态时，所述静平台与所述大腿组件之间、所述大腿组件与所述小腿组件之间均呈锐角设置。

优选地，所述大腿组件包括第一支链、第二支链和第三支链，所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链的上端分别通过第一u副连接块、第二u副连接块和第三u副连接块与所述静平台连接，所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链的下端分别通过第一转动副连接块、第二转动副连接块和第三转动副连接块与所述动平台连接，所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链内部分别设置有可伸长/收缩的第一螺旋移动副、第二螺旋移动副和第三螺旋移动副。

优选地，所述第一u副连接块、所述第二u副连接块和所述第三u副连接块在所述静平台上的连接点按等边三角形布置；所述第一转动副连接块、所述第二转动副连接块和所述第三转动副连接块在所述动平台上的连接点也按等边三角形布置。

优选地，所述第一转动副连接块、所述第二转动副连接块和所述第三转动副连接块的转动连接孔轴线的夹角均为60°。

优选地，所述小腿组件还包括连接件，所述连接件具有第一连接点、第二连接点和第三连接点，所述小腿与所述连接件的所述第一连接点铰接；

所述大腿组件还包括第一导向支链和第二导向支链，所述第一导向支链和所述第二导向支链的上端分别通过第四u副连接块、第五u副连接块与所述静平台连接，所述第一导向支链的下端通过第四转动副连接块与所述动平台连接，且该连接点位于由所述第一转动副连接块、所述第二转动副连接块和所述第三转动副连接块与所述动平台的连接点形成的等边三角形的中心；所述第二导向支链的下端与所述小腿以及所述连接件的所述第一连接点铰接在一起，所述动平台的下部与所述小腿以及所述连接件的所述第二连接点铰接在一起。

优选地，所述静平台水平设置，其上设置有分别驱动所述第一支链、所述第二支链和所述第三支链的第一电机、第二电机和第三电机，所述动平台上设置有第四电机，所述第四电机的输出轴与所述连接件的所述第三连接点固定连接。

优选地，所述动平台在设置各个所述支链的部位旁边具有豁口，所述第二导向支链的下端穿过所述动平台的所述豁口，与所述小腿以及所述连接件的所述第一连接点铰接在一起；在所述动平台的所述豁口的端部设置所述第四电机。

优选地，所述小腿的足端为球状结构。

一种步行机器人，包括机身，所述机身安装有四个上述的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，四个所述混联机器人腿部机构前后、左右对称设置，形成四足步行机器人。

优选地，所述机身具有四个内部中空的腔体，所述腔体的下部与静平台通过螺纹密封连接。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明提供的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，其中小腿为一个结构简单的单独构件，小腿通过动平台与大腿组件可转动连接，通过对整体腿部机构的合理设计，大大简化了小腿及脚踝部分的结构，不仅使腿部机构的质量大大减轻，而且灵活性大幅提高，在行走过程中动作幅度大，行走平稳且速度快，提高机器人工作效率；另外，初始状态静平台与大腿组件之间、大腿组件与小腿组件之间均呈锐角设置，这种类似于“之”字形结构在机器人开始行走时，能够有效减缓机器人腿部与地面接触所产生的冲击，即使处于地形崎岖不平的恶劣环境中，也能充分缓解接触冲击力，减小静平台和动平台受到的应力，减轻整体机构的震动，使机器人能非常平稳地从静止状态(初始状态)过渡到行走状态，能够有效保护机器人上设置的各种仪器，特别是当机器人加载价格昂贵的精密仪器时，这种平稳过渡过程显得尤为重要。

(2)本发明提供的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，其中大腿组件包括至少三条upr结构的支链，形成并联结构，而大腿组件与小腿组件通过r结构串联，从而构成了串并混联的腿部机构，而且小腿由单独的电机进行控制，实现小腿的抬腿动作，使得小腿部分能够单独灵活地壁障，提高抬腿高度，运动范围大单独控制的方式也提高了控制的灵活度。

(3)本发明提供的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，其中第一u副连接块、第二u副连接块和第三u副连接块在静平台上的连接点按等边三角形布置，第一转动副连接块、第二转动副连接块和第三转动副连接块在动平台上的连接点也按等边三角形布置，特别是第一转动副连接块、第二转动副连接块和第三转动副连接块的转动连接孔轴线的夹角均为60°，这种均匀的排布方式能够保证机构在运动过程中各构件之间互相不发生干涉，确保整体腿部机构的正常工作。

(4)本发明提供的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构及步行机器人，其足端能够实现四个自由度的运动，即绕x方向的转动自由度、绕y方向的转动自由度、绕z方向的转动自由度和y方向的移动自由度，行动灵活自如，能够适应多种复杂地形环境，适用范围广。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明混联机器人腿部机构的示意图一；

图2是本发明混联机器人腿部机构的示意图二；

图3是本发明混联机器人腿部机构的示意图三；

图4是本发明混联机器人腿部部分结构的示意图；

图5是本发明混联机器人腿部机构中动平台各转动副连接块轴线示意图；

图6是本发明步行机器人的整体示意图；

图7是本发明步行机器人的侧视图。

图中附图标记表示为：1-静平台，2-动平台，3-第一支链，4-第二支链，5-第三支链，6-第一u副连接块，7-第二u副连接块，8-第三u副连接块，9-第一转动副连接块，10-第二转动副连接块，11-第三转动副连接块，12-第一螺旋移动副，13-第二螺旋移动副，14-第三螺旋移动副，15-第一导向支链，16-第二导向支链，17-第四u副连接块，18-第五u副连接块，19-第四转动副连接块，20-第一电机，21-第二电机，22-第三电机，23-第四电机，24-连接件，25-机身，26-腔体，27-小腿，28-声纳传感器，a-第一连接点，b-第二连接点，c-第三连接点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，是本发明基于upr-r结构的混联机器人腿部机构的优选实施例，包括静平台1以及与所述静平台1连接的大腿组件、与所述大腿组件通过动平台2连接的小腿组件，初始状态时，所述静平台1与所述大腿组件之间、所述大腿组件与所述小腿组件之间均呈锐角设置。这种类似于“之”字形使整体结构能够在开始行走时有效缓冲腿部机构与地面接触产生的震动。

所述大腿组件包括至少三条upr结构的支链，形成并联结构，所述静平台1上设置有分别驱动各条所述支链的至少三个驱动器。在本实施例中，所述静平台1水平设置，所述大腿组件包括三条upr结构的支链，所述静平台1上设置有分别驱动各条所述支链的三个驱动器。各驱动器分别控制各个支链的伸长和收缩量，各驱动器之间不会发生干涉。

具体地，所述大腿组件包括第一支链3、第二支链4和第三支链5。所述第一支链3、所述第二支链4和所述第三支链5的上端分别通过第一u副连接块6、第二u副连接块7和第三u副连接块8与所述静平台1连接，第一支链3、第二支链4、第三支链5均能够相对于所述静平台1万向转动，增加了大腿部分的动作幅度和灵活性。所述第一支链3、所述第二支链4和所述第三支链5的下端分别通过第一转动副连接块9、第二转动副连接块10和第三转动副连接块11与所述动平台2连接。所述第一支链3、所述第二支链4和所述第三支链5内部分别设置有可伸长/收缩的第一螺旋移动副12、第二螺旋移动副13和第三螺旋移动副14。在所述静平台1上设置有分别驱动所述第一支链3、所述第二支链4和所述第三支链5的第一电机20、第二电机21和第三电机22，具体地说，所述第一电机20、所述第二电机21和所述第三电机22分别控制所述第一螺旋移动副12、第二螺旋移动副13和第三螺旋移动副14的伸长/收缩动作。

如图4所示，为了进一步确保并联机构互不干涉，所述第一u副连接块6、所述第二u副连接块7和所述第三u副连接块8在所述静平台1上的连接点按等边三角形布置；所述第一转动副连接块9、所述第二转动副连接块10和所述第三转动副连接块11在所述动平台2上的连接点也按等边三角形布置，并且所述第一转动副连接块9、所述第二转动副连接块10和所述第三转动副连接块11的转动连接孔轴线的夹角均为60°，如图5所示，图中虚线表示各个转动副连接块的转动连接孔轴线。采用上述稳定的等边三角形结构布置，一方面方便机构的排布设置，另一方面也能确保并联机构互不干涉，使腿部机构平稳流畅地行走。

所述小腿组件包括连接件24和小腿27，所述连接件24具有第一连接点a、第二连接点b和第三连接点c，所述小腿27与所述连接件24的所述第一连接点a铰接。所述小腿27的足端采用球状结构，使落地位置更加精确，缓冲小，提高机器人的工作效率。

为了增强大腿组件对静平台的导向和支撑，使腿部机构在行走时静平台更加稳定，所述大腿组件还包括第一导向支链15和第二导向支链16，所述第一导向支链15和所述第二导向支链16的上端分别通过第四u副连接块17、第五u副连接块18与所述静平台1连接，所述第一导向支链15的下端通过第四转动副连接块19与所述动平台2连接，且该连接点位于由所述第一转动副连接块9、所述第二转动副连接块10和所述第三转动副连接块11与所述动平台2的连接点形成的等边三角形的中心。所述第二导向支链16的下端与所述小腿27以及所述连接件24的所述第一连接点a铰接在一起，所述动平台2的下部与所述小腿27以及所述连接件24的所述第二连接点b铰接在一起，也就是说，所述大腿组件与所述小腿组件通过在所述第二连接点b的铰接构成转动副r结构。如图所示，所述动平台2在设置上述各个所述支链(并联结构)的部位旁边具有豁口，所述第二导向支链16的下端穿过所述动平台2的所述豁口，进而与所述小腿27以及所述连接件24的所述第一连接点a铰接在一起。在所述动平台2的所述豁口的端部设置有第四电机23，所述第四电机23的输出轴与所述连接件24的所述第三连接点c固定连接。

本发明提供的基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，其足端具有四个自由度的运动，即绕x方向的转动自由度、绕y方向的转动自由度、绕z方向的转动自由度和y方向的移动自由度，通过对各个转动驱动器进行控制达到协调运动，实现足端的空间三维输出。其中，通过所述第一电机20、所述第二电机21、所述第三电机22对所述第一支链3、所述第二支链4和所述第三支链5伸长/收缩的控制，实现足端绕x方向的转动自由度、绕y方向的转动自由度、绕z方向的转动自由度和y方向的移动自由度，通过所述第四电机23控制所述小腿27绕所述第二连接点b(转动副r)相对于所述大腿组件转动，也能实现足端绕z方向的转动自由度。利用四个转动驱动电机的分别控制，使得该腿部结构设计完全实现灵活运动，并且互不发生干涉，控制简单，可实现机器人的前进，转弯，避障等功能。此外，本发明基于upr-r结构的混联机器人腿部机构结构稳定牢固，具有一定承载能力，可以进行重载作业。

如图6、7所示，本发明还提供一种步行机器人，包括机身25，所述机身25安装有四个上述基于upr-r结构的混联机器人腿部机构，四个所述混联机器人腿部机构前后、左右对称设置，形成四足步行机器人。

所述机身25具有四个内部中空的腔体26，所述腔体26为圆柱体结构，驱动各个支链的驱动器设置于所述腔体26内，所述腔体26的下部与所述静平台1通过螺纹密封连接。所述机身25兼具搭载平台的作用，为机器人提供外部扩展功能，可将控制器、电源、电机、检测仪等设置在所述腔体26内，所述腔体26具有优良的防水功能，适于水下作业，能有效保护内部装置。而所述机身25的前端还可安装各种勘测装置，如声纳传感器28等，使机器人的功能更加丰富多样。

本发明提供的步行机器人通过控制四个电机使机器人腿部能完成抬起、下落、左偏、右偏、前进、后退的动作，机器人在完成前进、后退、转弯等基本动作的同时，还能有效的避开障碍物，提高机器人的机动性能。本发明提供的步行机器人适应于地形复杂的水下作业行走、侦测、维修、抢险等应用领域，而且具有一定的腿部承载能力，可以进行重载作业。

在其他实施例中，如果对静平台的稳定性要求不那么高，可以不设置两个导向支链，即第一导向支链15和第二导向支链16，同样能够实现本发明的目的。

在其他实施例中，大腿组件可以设置四条、五条甚至更多upr结构的支链，相对的，静平台1上设置分别驱动各条所述支链的四个、五个甚至更多驱动器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。