多机械臂四足机器人的制作方法

本发明涉及一种多机械臂四足式机器人。

背景技术：

现有的轮式及履带式机器人对于崎岖地形适应能力差，无法进行快速的运动，难以在山区等狭窄的地方进行大规模的物资运送和转移。因此，在移动或托运物品时，上方布置有六自由度的机械臂的足式机器人在机器人中相比较于其他的轮式、履带式机器人，其运动时的越障能力较强，可以跨过一定高度的障碍，并且有着很高的自由度，运动灵活性较高，只需要几个离散的空间支撑点，具有比较高的在复杂非结构化地形中的灵活运动能力。但是，目前国内多自由度机械臂仍然具有结构复杂、线路外露以及无安全保护装置的问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种多机械臂四足式机器人，该种机器人的驱动部分为腿部及机械臂液压驱动，腿部结构采取前肘后膝式的配置形式，开环关节连杆机构，分为髋部连接大腿小腿的形式，两两之间配置旋转关节以达到走动目的；机器人机身为钢架结构，具有足够强的刚度与承载能力；六自由度机械臂是由六个旋转关节和不同的关节节段通过一定的构型串联组成的，采用模块化关节机械结构设计，交流伺服电机、中空谐波减速器及失电保护装置的传动方式，中心孔布线，具有标准机械接口，多自由度运行在可达空间里，可以使末端夹持的物体变换到任何位置。这种机器人结构简单、无线路外露，具有较高的安全性。

本发明的技术方案是：该种多机械臂四足机器人，包括主机架1，其独特之处在于：主机架1为梯形钢管结构，主机架1的上方安装两只六自由度机械臂2，主机架1的下边安装四条机械腿3；在所述主机架中间部位上安装机械臂安装底座4，机械臂安装底座4两个相对的侧面上开有4个通孔，通过螺栓连接六自由度机械臂2；

其中，所述六自由度机械臂2，包括若干模块化关节,所述模块化关节包含电机罩5、关节壳体6、轴承、法兰8以及法兰接口,所述法兰接口包括谐波减速器大法兰10和电机连接法兰11；

其中，法兰8位于电机罩5的内部，中间开有通孔用于定位交流伺服电机14；在电机罩5的侧面垂直电机轴线的方向固定具有标准机械接口的法兰，远离法兰一侧罩体与电机罩端盖9连接，靠近法兰8的一侧与关节壳体6相连；所述关节壳体6与电机罩5连接，在关节壳体的另一端与关节透盖12相连；

通过法兰接口与连接件连接电机罩1和下一关节单元，每个单元以此方法安装并依次串联连接，在最后的关节处，连接机械爪13，形成最后完整的六自由度机械臂2；

所述机械腿3即腿部结构，包括髋部组合15、大腿16和小腿17三个主要构件；髋部组合15与大腿16之间、大腿16与小腿17之间有两个旋转关节18和一个侧摆关节19；所述髋部组合15，上边有供轴穿过的轴孔，下部孔位通过旋转关节18连接大腿16部分，中部孔位穿过侧摆关节19的侧摆轴20，上部孔位通过螺纹连接侧摆液压缸21；所述旋转关节18分为髋部组合15与大腿16之间和大腿16与小腿17之间两个，中间利用一根旋转轴22连接相邻的两个模块，旋转轴22通过薄形平键连接和上一模块保持同步转动，通过深沟球轴承和下一模块配合；旋转轴22的一端连接有角度传感器，并通过支撑座23固定到模块上，支撑座23和角度传感器之间连接透盖24，而旋转轴22的另一侧则通过端盖25固定住。

所述大腿16，由大臂26和液压缸30组成；所述大臂26的中间开通并有隔断，所述大臂顶部开有两个通孔，底部开有一个通孔，顶部位置靠上的通孔安置旋转关节18连接髋部组合15，在位置靠下的通孔处，固定连接液压缸30的一侧，液压缸30另一侧连接至小腿17内部，下部也开有一个通孔并安置旋转关节18连接小腿17；所述液压缸30，平行安置于大腿16主体下方并连接于大腿16与小腿17之间。

所述小腿17，包括弹簧单元27和小腿轴28以及足底29，所述弹簧单元27上部开有槽孔，并开通孔，通孔处安置旋转关节18连接大腿16，下部连接小腿轴28与其轴线同轴，通过一个弹簧缓冲结构与小腿轴28相连；所述小腿轴28，上部连接弹簧单元27，下部安置足底29；所述足底29，是在小腿17末端连接的一块橡胶材料。

所述侧摆关节19，包括侧摆液压缸21、侧摆轴20、液压缸30、液压缸支座31以及轴承支座32；其中侧摆液压缸21，通过液压缸支座31横向固定在机架1上，一端绕支座孔中心摆动，另一侧绕髋部组合15孔摆动；所述侧摆轴20，为一根圆柱形实心轴，侧摆轴通过深沟球轴承与两侧轴承支座32连接；液压缸30一侧连接至液压缸支座31，另一侧连接至大腿大臂26内，髋部组合15和液压缸支座31通过键连接；所述轴承支座32，用螺栓固定在机架1上，侧摆轴20通过深沟球轴承与轴承支座32连接，轴承支座32两端安装有透盖24和端盖25。

所述机械腿3在行走运动的时候，由液压缸30提供动力，通过安置在髋部组合15和大腿16以及大腿16和小腿17之间的旋转关节18旋转带动达到行走的效果，液压缸30作为动力源驱动侧摆轴20旋转需要的角度，髋部组合15和液压缸支座31通过键连接和侧摆轴20同步转动，从而实现机械腿3的侧摆。

本发明具有如下有益效果：本发明是能够在复杂非结构化地形下快速移动，完成丛林救援和物资运输等特殊任务的四足机器人，并具有能够在可达空间里可以使末端夹持的物体变换到任何位姿，能够满足绝大多数生产过程的要求的六自由度的机械臂。

下面对有益效果进行详细说明：

首先，该机器人采用四足式，其具有较高地形适应能力，在非结构化地面灵活运动的潜在能力。与双足机器人相比有更好的运动稳定性，又比六足、八足机器人在结构和控制算法上简单的多，综合性能最好，运动过程中足部的落点在空间内是离散的，在工作空间内能够主动选择落点，跨过障碍和深坑的能力较强。无横向运动约束，可以实现空间全方位的移动。足端运动与机架质心运动解耦，在不平整地形移动时能保持机架运动的相对平稳。可以用腿迈过一定高度的障碍物和凹陷，避免质心上下动作所需的能量能耗。

其次，在机器人的腿部设计时，为了简化机器人的结构和控制难度，足部的踝关节被省略了，我们在机械结构上用一个被动自由度代替，用来缓解冲击力。为了提供一定的缓冲和一定储能作用，在四足机器人的腿部结构设计中可以选用一个恰当的弹簧结构来取代足部，设计弹性缓冲环节在小腿位置，与其轴线同轴，通过一个弹簧缓冲结构与小腿轴相连。通过设计和选取适当的弹簧结构，机器人在奔跑或在不平整地面上运动时，足部接触地面时产生的冲击力的峰值将会大大减小。同时，为增加机器人足底的耐磨性和抓地能力，在机器人小腿末端连接有一块橡胶材料作为足部，起到一定的缓冲作用。

再次，对于六自由度机械臂设计，采用中心孔布线，模块化关节的设计采用中心孔布线的设计形式，选用的伺服电机、谐波减速器都有一个较大的中心孔。在布线时，动力线及控制器信号线可以从模块化关节内部的中心孔通过，避免了外部布线引起的问题，而且使机械臂更加美观。且具有标准机械接口，便于安装机械臂。

最后，机械臂采用交流伺服电机、中空谐波减速器及失电保护装置的传动方式，工作可靠，效率高。同时编码器可以内嵌在伺服电机上，结构紧凑，从整体上减小了模块化关节的尺寸。谐波减速器结构简单、尺寸小减速比大、传动效率高，这样在电机的功率及转速满足要求的情况下可以选用扭矩较小的电机，减少了电机的尺寸，从而从整体上减小了模块化关节的尺寸。当关节突然断电时，由于在传动系统中增加了失电保护装置，可以使关节迅速制动，以避免安全事故的发生。

附图说明：

图1是本种多机械臂四足式机器人总装图。

图2是本种多机械臂四足式机器人六自由度机械臂结构图。

图3是本种多机械臂四足式机器人机械臂内置交流伺服电机示意图。

图4是本种多机械臂四足式机器人机械臂内置交流伺服电机所用球面轴承结构图。

图5是本种多机械臂四足式机器人机械臂内置交流伺服电机所用深沟球轴承结构图。

图6是本种多机械臂四足式机器人机械臂连接件之谐波减速器大法兰的结构图。

图7是本种多机械臂四足式机器人机械臂连接件之电机连接法兰的结构图。

图8是本种多机械臂四足式机器人机械腿结构图。

图9是本种多机械臂四足式机器人大腿及小腿结构图。

图10是本种多机械臂四足式机器人侧摆关节液压缸的结构图。

图11是本种多机械臂四足式机器人旋转关节的结构图。

图12是本种多机械臂四足式机器人腿部端盖的结构图。

图13是本种多机械臂四足式机器人支撑座的结构图。

图中1-主机架，2-六自由度机械臂，3-机械腿，4-机械臂安装底座，5-电机罩，6-关节壳体，7a-球面轴承，7b-深沟球轴承，8-法兰接口连接件，9-电机罩端盖，10-谐波减速器大法兰，11-电机连接法兰，12-关节透盖，13-机械爪，14-机械臂内置交流伺服电机，15-髋部组合，16-大腿部分，17-小腿部分，18-旋转关节，19-侧摆关节，20-侧摆轴，21-侧摆液压缸，22-旋转关节旋转轴，23-旋转关节支撑座，24-旋转关节连接透盖，25-旋转关节端盖，26-大腿大臂，27-小腿弹簧单元，28-小腿轴，29-小腿足底，30-大腿液压缸，31-液压缸支座，32-轴承支座。

具体实施方式：

本发明提出了一种新型的多机械臂四足式机器人，其行走机理以哺乳动物为仿生对象，在四足哺乳动物中，腿部主要对身体起支撑作用，并在腿部肌肉的驱动下做俯仰或侧摆运动，带动身体前进。基于此生理结构，在对机器人腿部进行结构设计时，腿部结构包含了髋部、大腿、小腿三个主要构件和髋部与大腿之间、大腿与小腿之间两个旋转关节，使用了连杆代替腿部的骨骼，液压缸代替腿部的肌肉作为驱动，选用一个恰当的弹簧结构来取代足部，使其能够在复杂非结构化地形下快速移动，完成丛林救援和物资运输等特殊任务。六自由度机械臂采用模块化关节机械结构设计，是由六个旋转关节和不同的关节节段通过一定的构型串联组成的，每个关节均采用中空伺服电机驱动中空谐波减速器减速的传动方式，基于定位的需要，前三个关节采用旋转－俯仰－俯仰的结构，后三个关节采用三个相邻关节轴平行的结构，中心孔布线，具有标准机械接口，多自由度运行在可达空间里可以使末端夹持的物体变换到任何位置。为生活生产中解决了许多技术上的问题。

本种多机械臂四足式机器人，包括机体，为仿照四足哺乳类动物而制造，以及为机体提供动力的液压系统，所述机体包括腿部结构，由髋部、大腿以及小腿部分组成，主机架，其作为载体，连接腿部与机械臂，六自由度模块化机械臂，共两只，安装在机架上。

其中，所述机架，机架采用梯形结构，方形钢管和角钢焊接作为骨架，特殊部位焊接钢板的方式，机架中使用了5根相同的方形钢管，其外径为16mm，厚1.5mm。在机架任意方向上都至少有两根钢管支撑，在机架的前中后位置焊接有3块钢板，用来固定侧摆关节的轴承座，侧摆液压缸支座和机械臂底座。所述机械臂安装底座，其形状为一中空棱台，横截面是矩形。两个相对的侧面开有4个通孔，通过螺栓连接六自由度机械臂。底部连接法兰开有6个通孔，用于和四足机器人机架的固连。位于机器人的中心位置，安置在机架的中心平台上。

所述腿部结构，由髋部、大腿、小腿三个主要构件和髋部与大腿之间、大腿与小腿之间两个旋转关节和一个侧摆关节组成。

所述髋部，整体形状为长方体，上边带有供轴穿过的轴孔，单一部件，下部孔位通过旋转关节连接大腿部分，中部孔位穿过侧摆关节的侧摆轴，上部孔位通过螺纹连接侧摆液压缸。所述旋转关节，分为髋部与大腿之间，大腿与小腿之间两个，其结构设计相同，中间利用一根旋转轴连接相邻的两个模块，旋转轴通过薄型平键连接和上一模块保持同步转动，通过深沟球轴承和下一模块配合，实现两者的相对转动。旋转轴的一端连接有角度传感器，并通过支撑座固定到模块上，支撑座和角度传感器之间连接透盖，而旋转轴的另一侧则通过端盖固定住。所述大腿，由大臂和液压缸组成，所述大臂，其形状为不规则长方体，中间开通并有隔断，顶部开有两个通孔，底部开有一个通孔，顶部位置靠上的通孔安置旋转关节连接髋部，在位置靠下的通孔处，固定连接液压缸的一侧，液压缸另一侧连接至小腿内部，下部也开有一个通孔并安置旋转关节连接小腿。所述液压缸，平行安置于大腿主体下方并连接于大腿与小腿之间。所述小腿，由弹簧单元和小腿轴以及足部组成，所述弹簧单元外部为一长方体，上部开有槽孔，并开通孔，通孔处安置旋转关节连接大腿，下部连接小腿轴与其轴线同轴，通过一个弹簧缓冲结构与小腿轴相连。所述小腿轴，形状为一圆柱形，上部连接弹簧单元，下部安置足底。所述足底，是在在机器人小腿末端连接的一块橡胶材料。所述侧摆关节，由侧摆液压缸、侧摆轴、液压缸、液压缸支座、轴承支座组成。其中侧摆液压缸，通过其支座横向固定在机架上，一端绕支座孔中心摆动，另一侧绕髋部孔摆动。所述侧摆轴，为一根圆柱形实心轴，侧摆轴通过深沟球轴承与两侧轴承支座连接。所述液压缸、液压缸支座，液压缸一侧连接至液压缸支座，另一侧连接至大腿大臂内，髋部和液压缸支座通过键连接。所述轴承支座，用螺栓固定在机架上，侧摆轴通过深沟球轴承与轴承支座连接，轴承支座两端都安装有透盖或端盖。

所述六自由度模块化机械臂，由模块化关节及其包含的电机罩、关节壳体、轴承、接口与连接件组成。所述模块化关节，由端盖、交流伺服电机、力矩传感器、薄型平键、关节壳体、推力球轴承、深沟球轴承、套筒、顶盖、转接法兰、透盖、深沟球轴承、关节输出轴、谐波减速器、连接法兰、电磁制动器、电机罩组成。所述电机罩，形状为一圆柱筒形，选用硬铝合金材料，内部有一个法兰，法兰中间开有一个通孔，定位交流伺服电机。法兰外圈开有四个通孔通过螺栓连接伺服电机的法兰，固定电机。内圈有8个通的螺纹孔与电磁制动器、力矩传感器相连，电磁制动器和力矩传感器通孔位置要有45度的夹角。电机罩的侧面垂直电机轴线的方向设有标准机械接口的转接法兰，电机罩远离法兰的一侧，在罩体上开有4个一定深度的螺纹孔，与电机罩端盖连接。电机罩靠近法兰的一侧也开有4个通的螺纹孔，与关节壳体相连。所述关节壳体，形状为一空心圆柱筒，与电机罩连接，选用硬铝合金材料。端面有一个法兰，法兰上有6个通孔，固定谐波减速器的钢轮与关节壳体，并在内部设计1个阶梯孔，对深沟球轴承进行轴向定位，在6个通孔的外圈壳体上开有螺纹孔，通过螺栓与电机罩相连。在关节壳体的另一端也开有螺纹孔，与关节透盖相连。所述连接件，有轴线垂直式和轴线平行式两种模块化连接件，轴线垂直式连接件连接两个轴线平行的模块化关节，轴线平行式连接件连接两个轴线垂直的模块化关节。最后将模块化关节和连接件串联起来，最终形成了六自由度模块化机械臂。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，结合图2、图3、图4、图5、图6以及图7，本种多机械臂四足式机器人，具有主机架1，机架采用梯形结构，使用了5根相同的方形钢管，其外径为16mm，厚1.5mm，任意方向上都至少有两根钢管支撑，前中后位置焊接有3块钢板。主机架1的主要作用是用来固定侧摆关节19的轴承支座32，侧摆液压缸支座31和机械臂安装底座4。此外，该多机械臂四足式机器人上部还包括两只六自由度机械臂2，其通过将模块化关节和连接件串联起来，最终形成了具有六自由度的模块化机械臂，内部通过交流伺服电机14驱动，并在最后一处自由度处连接机械爪13。

六自由度机械臂2，如图2所示，所述六自由度机械臂2由模块化关节，其内部包括：推力球轴承7a、深沟球轴承7b、交流伺服电机14（力矩传感器、薄型平键、电磁制动器），及其包含的电机罩5及其内部输出轴、各关节壳体6、谐波减速器大法兰连接件10、电机连接法兰11、电机罩端盖9，关节透盖12以及机械爪13等组成。所述电机罩5，形状为一圆柱筒形，内部有一个法兰8，法兰8中间开有一个通孔，定位交流伺服电机14。法兰8外圈开有四个通孔通过螺栓连接伺服电机的法兰11。内圈有8个通的螺纹孔与电磁制动器、力矩传感器相连，电磁制动器和力矩传感器通孔位置要有45度的夹角。电机罩5的侧面垂直电机轴线的方向设有标准机械接口的转接法兰11，电机罩5远离法兰11的一侧，在罩体上开有4个一定深度的螺纹孔，与电机罩端盖9连接。电机罩5靠近法兰11的一侧也开有4个通的螺纹孔，与各关节壳体6相连。所述各关节壳体6，形状为一空心圆柱筒，与电机罩5连接，端面有一个法兰8，法兰8上有6个通孔，连接谐波减速器大法兰10，固定谐波减速器的钢轮与各关节壳体6，并在内部设计1个阶梯孔，对深沟球轴承7b进行轴向定位，在6个通孔的外圈壳体上开有螺纹孔，通过螺栓与电机罩5相连。在各关节壳体6的另一端开有螺纹孔，与关节透盖12相连。所述机械爪13，由机械爪爪心，卡住爪心的三指卡盘以及连接最后一个第六关节的连接件组成，自由度随第六关节移动。因为具有六个自由度，所以该臂可以使末端所夹持工件在可达工作空间内变换至任意姿态，关节内传动方案的设计是电机-谐波减速器，当今比较流行的传动方案，选择了谐波减速器作为减速机构，交流伺服电机居中布置，通过谐波减速器直接把动力传给输出轴，电机居中布置。同时减小各关节的转动惯量，以获得更好的运动精度。

机械腿3，参见图8、图9、图10、图11，所述机械腿3，由髋部组合15、大腿部分16、小腿部分17、旋转关节18以及侧摆关节19组成。所述大腿部分16，由大腿大臂26和大腿液压缸30组成，所述大腿大臂26，其形状为不规则长方体，中间开通并有隔断，顶部开有两个通孔，底部开有一个通孔，顶部位置靠上的通孔安置旋转关节18连接髋部组合15，在位置靠下的通孔处，固定连接液压缸30的一侧，液压缸30另一侧连接至小腿部分17内部，下部也开有一个通孔并安置旋转关节18连接小腿部分17。所述液压缸30，平行安置于大腿部分16主体下方并连接于大腿部分16与小腿部分17之间。所述旋转关节18，中间利用一根旋转轴22连接相邻的两个模块，旋转轴22通过薄型平键连接和上一模块保持同步转动，通过深沟球轴承7b和下一模块配合，实现两者的相对转动。旋转轴22的一端连接有角度传感器，并通过支撑座23固定到模块上，支撑座和角度传感器之间连接透盖24，而旋转轴的另一侧则通过端盖25固定住。所述小腿部分17，由弹簧单元27和小腿轴28以及足部29组成，所述弹簧单元27外部为一长方体，上部开有槽孔，并开通孔，通孔处安置旋转关节18连接大腿部分16，下部连接小腿轴28与其轴线同轴，通过一个弹簧缓冲结构与小腿轴28相连。所述小腿轴28，形状为一圆柱形，上部连接弹簧单元27，下部安置足底29。所述足底29，是在在机器人小腿末端连接的一块橡胶材料，所述侧摆关节19，由侧摆轴20、侧摆液压缸21、液压缸30、液压缸支座31、轴承支座32组成。所述侧摆液压缸21，通过其支座31横向固定在机架1上，一端绕支座孔中心摆动，另一侧绕髋部孔摆动。所述侧摆轴20，为一根圆柱形实心轴，侧摆轴20通过深沟球轴承7b与两侧轴承支座32连接。

在机械腿3运行时四条腿选择了前肘后膝式的配置形式，当四条腿的控制电机打开，提供机器人行走的动力，大腿部分16和小腿部分17之间均采用液压伺服油缸驱动，液压缸驱动，大腿部分16运动，同时旋转机构18带动小腿部分17与大腿部分进行相对的转动，通过在小腿17位置的弹性缓冲环节27，机器人在奔跑或在不平整地面上运动时，足部接触地面时产生的冲击力的峰值将会大大减小，从而机器人腿部进行运动。