单动力腿机构四足步行机器人的制作方法
【专利摘要】单动力腿机构四足步行机器人，包括运载架(A)、b至e组腿机构(B、C、D、E)，其中单组腿机构仅需要一个驱动电机，电机整周回转实现机构的步行移动。通过调整上下曲柄杆件相位差，即b至e第四杆(B-4、C-4、D-4、E-4)，可以完成对足端轨迹的调整，改变四足步行机器人的抬腿高度和跨步距离，提升地面通过性能。该机构可以用作星球探测、物资运载和军事侦察等领域。
【专利说明】单动力腿机构四足步行机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种四足步行机构，特别涉及一种单动力腿机构仿生步行机器人，通过调整腿部机构中曲柄杆件的相位改变足端轨迹，增强步行机构的地面适应性。
【背景技术】
[0002]与轮式和履带式地面移动机器人相比较，步行机器人具有良好的地面适应能力。现有的步行机器人腿部多为开链机构，利用多关节独立驱动，经步态规划，实现移动步行，完成一个行走步态需要多个电机协同驱动。该类步行机器人结构简单，但是需要复杂完善的控制系统，腿部机构刚性差，能耗较大。
[0003]另一类四足步行机器人为少自由度驱动，腿部为多连杆闭链机构，单腿仅需要一个电机驱动。中国专利CN102068819A公开了一种“单动力四足步行机构”，该机构单侧腿分两层布置，前后腿共用一个曲柄，该步行机构结构简单，可实现四足步行运动。但是该机构步态固定，无法调节抬腿高度和步距，限制了机构的通过性能和适用范围。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的问题是提供一种单腿单自由度驱动，可调节抬腿高度和步距的四足步行机器人。
[0005]本发明的技术方案:
[0006]单动力腿机构四足步行机器人包括运载架、b至e组腿机构。
[0007]所述的运载架包括:护栏架、车架钢板和牵引前杠。连接方式如下:两个车架钢板分别焊接于护栏架两侧底部，牵引前杠通过端部套环与护栏套合，与护栏架相互固定。
[0008]b、c组腿机构与第d、e组腿机构分别为单动力腿机构四足机器人前、后腿，关节朝向相反，b至e组腿机构与运载架连接关系相同，其中，b组腿机构与运载架通过b第一杆上的四个安装孔固接。
[0009]b至e组腿机构为单自由度连杆机构，分别通过b至e电机独立驱动，实现所述单动力腿机构四足步行机器人的地面运动。
[0010]所述b组腿机构包括:b第一杆至b第七杆、b第一轴至b第七轴、b套筒、b电机、b带轮和b同步带，b组腿机构连接关系如下:
[0011]b电机为双出轴电机，夹在两个b第二杆之间，电机轴分别穿过左右两个b第二杆，通过b第二杆上均布的四个电机安装孔完成b电机与两个b第二杆的固定。b第四轴穿过两个b第二杆中部安装孔，通过内、外侧卡簧槽进行轴向固定。将四个b带轮左右分别穿过b电机两个输出轴、b第四轴两端,通过D型面实现周向固定,轴端卡簧槽安装卡簧实现轴向固定。将b同步带安装在b带轮上,完成同步带传动部分连接。四个b第四杆通过D型孔过盈安装在b电机输出轴、b第四轴端部。两个b第二杆端部夹住b第一杆，b第一轴穿过安装孔，并安装卡簧固定。两个b第二杆另一端安装孔穿过b第五轴，外侧分别与两个b第六杆配合，b第五轴两端安装卡簧实现轴向固定。两个b第三杆一端安装孔分别与b电机输出轴上两个b第四杆上的安装孔配合，b第三轴穿过安装孔，两端用卡簧固定。两个b第三杆另一端安装孔与b第一杆凸台上通孔配合，b第二轴穿过安装孔，b第三杆与凸台之间布置b套筒，b第二轴两端安装卡簧实现轴向固定。两个b第五杆一端安装孔分别与b第四轴上两个b第四杆上的安装孔配合，b第三轴穿过安装孔，两端用卡簧固定。两个b第五杆另一端安装孔与b第六杆中部安装孔配合，b第六轴穿过安装孔，两端用卡簧实现轴向固定。b第六杆另一端安装孔与b第七杆上凸台安装孔相配合，b第七轴穿过安装孔，两端安装卡簧固定。
[0012]所述的b至e组腿机构的零件组成、结构和尺寸、连接关系、自由度完全相同。
[0013]通过上述连接，完成单动力腿机构四足步行机器人的装配。
[0014]本发明和已有技术相比具有的有益效果:
[0015]本发明专利提出一种单动力腿机构四足步行机器人，单个腿以多连杆机构联动代替多关节电机驱动，减少驱动电机数目，成本低廉，简化控制算法，提升系统可靠性。同时该步行机器人通过调节腿部曲柄杆件相位，调整足端轨迹实现抬腿高度和跨步距离的改变，改善了单自由度腿部机构的局限性，提升该类步行机构的地面通过性和应用范围。该步行机器人可用作星球探测、物资运载和军事侦察等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1:单动力腿机构四足步行机器人整体三维图；
[0017]图2:运载架三维图；
[0018]图3:b组腿机构连接外形图；
[0019]图4:b组腿机构驱动电机、带传动和曲柄杆件安装爆炸图；
[0020]图5:曲柄杆件相位差为0°、90°和180°时腿部机构三维图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0022]如图1所示，单动力腿机构四足步行机器人包括运载架A、b至e组腿机构。
[0023]如图2所示，运载架A包括:护栏架A-1、车架钢板A-2和牵引前杠A_3，连接方式如下:两个车架钢板A-2分别焊接于护栏架A-1两侧底部，牵引前杠A-3通过端部套环与护栏套合，与护栏架A-1相互固定。
[0024]b、c组腿机构B、C与第d、e组腿机构D、E分别为单动力腿机构四足机器人前、后腿，关节朝向相反。b至e组腿机构与运载架A连接关系相同，其中，b组腿机构B与运载架A通过b第一杆B-1上的四个安装孔固接。
[0025]b至e组腿机构为单自由度连杆机构，分别通过b至e电机独立驱动，实现所述单动力腿机构四足步行机器人的地面运动。
[0026]如图3所示，b组腿机构B包括:b第一杆至b第七杆、b第一轴至b第七轴、b套筒B-10、b电机B-ll、b带轮B-12和b同步带B-14。
[0027]b第一杆B-1为b组腿机构悬吊，上端面均布四个安装孔，另一面上凸台布置有两个通孔。b第二杆B-2布置四个通孔，靠近中部为电机输出轴孔，电机输出轴孔四周均布四个电机安装孔。b第三杆、b第四杆和b第五杆两端分别各有一个通孔，其中b第四杆B-4为曲柄杆。b第六杆B-6上布置三个通孔。b第七杆B-7为b组腿机构的足端，凸台上布置一个通孔，底部为减震橡胶。
[0028]b组腿机构连接关系如下:
[0029]b电机B-1l为双出轴电机，夹在两个b第二杆B-2之间，电机轴分别穿过左右两个b第二杆B-2，通过b第二杆B-2上均布的四个电机安装孔完成b电机B-1l与两个b第二杆B-2的固定。b第四轴B-15穿过两个b第二杆B-2中部安装孔,通过内外侧卡簧槽进行轴向固定。将四个b带轮B-12左右分别穿过b电机B-1l两个输出轴、b第四轴B-15两端，通过D型面实现周向固定,轴端卡簧槽安装卡簧实现轴向固定。将b同步带B-14安装在b带轮B-12上，完成同步带传动部分连接。四个b第四杆B-4通过D型孔过盈安装在b电机B-1l输出轴、b第四轴B-15端部，上述驱动、传动部分连接如图4所示。两个b第二杆B-2端部夹住b第一杆B-1, b第一轴B-8穿过安装孔,并安装卡簧固定。两个b第二杆B-2另一端安装孔穿过b第五轴B-16，外侧分别与两个b第六杆B-6配合，b第五轴B-16两端安装卡簧实现轴向固定。两个b第三杆B-3—端安装孔分别与b电机B-1l输出轴上两个b第四杆B-4上的安装孔配合，b第三轴B-13穿过安装孔，两端用卡簧固定。两个b第三杆B-3另一端安装孔与b第一杆B-1凸台上通孔配合，b第二轴B-9穿过安装孔，b第三杆B-3与凸台之间布置b套筒B-10, b第二轴B-9两端安装卡簧实现轴向固定。两个b第五杆B-5 —端安装孔分别与b第四轴B-15上两个b第四杆B-4上的安装孔配合，b第三轴B-13穿过安装孔，两端用卡簧固定；两个b第五杆B-5另一端安装孔与b第六杆B-6中部安装孔配合，b第六轴B-17穿过安装孔,两端用卡簧实现轴向固定。b第六杆B-6另一端安装孔与b第七杆B-7上凸台安装孔相配合，b第七轴B-18穿过安装孔,两端安装卡簧固定。所述的b至e组腿机构的零件组成、结构和尺寸、连接关系、自由度完全相同。通过上述连接，完成单自由度b至e组腿机构的装配。
[0030]松开b至e组腿机构上的同步带，通过调整b至e第四轴，可调节上下两个b至e第四杆相位差；安装同步带后实现对足端轨迹的调整。如图5所示为调整后，相位差为0°、90°和180°的腿部机构示意图。
【权利要求】
1.单动力腿机构四足步行机器人，其特征在于: 单动力腿机构四足步行机器人包括运载架(A)、b至e组腿机构(B、C、D、E)； 所述的运载架㈧包括:护栏架(A-1)、车架钢板(A-2)和牵引前杠(A-3);连接方式如下:两个车架钢板(A-2)分别焊接于护栏架(A-1)两侧底部；牵引前杠(A-3)通过端部与护栏架(A-1)相互固定； b、c组腿机构(B、C)与d、e组腿机构(D、E)分别为单动力腿机构四足机器人前、后腿，关节朝向相反；b至e组腿机构(B、C、D、E)与运载架(A)连接方式相同，其中，b组腿机构(B)与运载架㈧通过b第一杆(B-1)上的四个安装孔固接； b至e组腿机构(B、C、D、E)为单自由度连杆机构,分别通过b至e电机(B_l1、C-1l、D-1UE-11)独立驱动，实现所述单动力腿机构四足步行机器人的地面运动。
2.权利要求 1所述的单动力腿机构四足步行机器人，其特征在于: 所述b组腿机构(B)包括:b第一杆至b第七杆(B-l、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7)、b第一轴至 b 第七轴出-8、8-9、8-13、8-15、8-16、8-17、8-18)、13套筒(B-1O) ,b 电机(B-1l),b带轮(B-12)和b同步带(B-14)； b第一杆(B-1)为b组腿机构悬吊，上端面均布四个安装孔，另一面上凸台布置有两个通孔； b第二杆(B-2)布置四个轴孔和四个电机安装孔，电机输出轴孔位于b第二杆(B-2)中部，四个电机安装孔均布于电机输出轴孔四周； b第三杆、b第四杆和b第五杆(B-3、B-4、B-5)两端分别各有一个通孔，其中b第四杆(B-4)为曲柄杆; b第六杆(B-6)上布置三个通孔； b第七杆(B-7)为b组腿机构的足端，凸台上布置一个通孔，底部为减震橡胶； b组腿机构(B)连接关系如下: b电机(B-1l)为双出轴电机，夹在两个b第二杆(B-2)之间，电机轴分别穿过左右两个b第二杆(B-2)，通过b第二杆(B-2)上均布的四个电机安装孔完成b电机(B-1l)与两个b第二杆(B-2)的固定；b第四轴(B-15)穿过两个b第二杆(B-2)中部安装孔，通过内外侧卡簧槽进行轴向固定；将四个b带轮(B-12)左右分别穿过b电机(B-1l)两个输出轴、b第四轴(B-15)两端,通过D型面实现周向固定,轴端卡簧槽安装卡簧实现轴向固定；将13同步带(B-14)安装在同侧b带轮(B-12)上，完成同步带传动部分连接；四个b第四杆(B-4)通过D型孔分别过盈安装在b电机(B-1l)输出轴、b第四轴(B-15)两端；两个b第二杆(B-2)端部夹住b第一杆(B-1), b第一轴(B-8)穿过轴孔,并安装卡簧轴向固定；两个b第二杆(B-2)另一端安装孔穿过b第五轴(B-16)，外侧分别与两个b第六杆(B-6)配合，b第五轴(B-16)两端安装卡簧实现轴向固定；两个b第三杆(B-3) —端安装孔分别与b电机(B-1l)输出轴上两个b第四杆(B-4)上的安装孔通过b第三轴(B-13)配合，b第三轴(B-13)两端用卡簧固定；两个b第三杆(B-3)另一端安装孔与b第一杆(B-1)凸台上通孔通过b第二轴(B-9)配合，b第三杆(B-3)与凸台之间布置b套筒(B-1O)，b第二轴(B-9)两端安装卡簧实现轴向固定；两个b第五杆(B-5) —端安装孔分别与b第四轴(B-15)上两个b第四杆(B-4)上的安装孔通过b第三轴(B-13)配合，b第三轴(B-13)两端用卡簧固定；两个b第五杆(B-5)另一端安装孔与b第六杆(B-6)中部安装孔通过b第六轴(B-17)配合，b第六轴(B-17)两端用卡簧实现轴向固定；b第六杆(B-6)另一端安装孔与b第七杆(B-7)上凸台安装孔通过b第七轴(B-18)配合，b第七轴(B-18)两端安装卡簧固定； 所述的b至e组腿机构(B、C、D、E)的零件组成、结构和尺寸、连接关系、自由度完全相同； 通过上述连接，完成单自由度b至e组腿机构(B、C、D、E)的装配。
3.权利要求1所述的单动力腿机构四足步行机器人，其特征在于: 通过调整b至e第四轴出-15、(:-15、0-154-15)，可调节上下两个13至6第四杆(B-4、C-4、D-4、E-4)相位差；实现对足端轨迹的调整。
【文档编号】B62D57/032GK103979034SQ201410211307
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】姚燕安, 阮强, 武建昫 申请人:北京交通大学