一种大扭矩作业的多足机器人及作业方法

1.本技术属于机器人技术领域，具体涉及一种大扭矩作业的多足机器人及作业方法。


背景技术：

2.在工业厂房、核电站、车辆底盘、管道等场景下存在大扭矩旋拧作业需求，如拧螺栓、阀门等。上述场景具有空间狭小、环境恶劣等特点，机器人易于到达，而工作人员难以抵达。所以采取机器人替代人工作业，提升作业效率。此外，在发生事故后，也需要机器人进入开展救灾作业。灾祸场景的作业往往也需要大扭矩输出，现有相关机器人技术主要依靠机器人自身的高刚度和大重量来提供足够的输出扭矩，难以兼顾灵活移动作业和大扭矩作业的需求。因此，大扭矩作业的机器人设备研究具有重要的现实意义。
3.现有具有作业功能的六足机器人普遍使用机械臂进行作业，或者机械腿和操作臂协同作业。机械臂由多个关节组成、具有一定的长度，而输出扭矩与其刚度和末端电机能力有关，大扭矩输出要求刚度大、末端电机扭矩大，导致机械臂尺寸粗、重量大，难以适应灵活移动作业需求。移动机器人在旋拧作业时依靠自身重力和地面摩擦力平衡旋拧产生的反作用力，在大扭矩作业中会发生机器人重力和摩擦力不足以平衡旋拧反作用力的情况，导致旋拧对象没有运动，而机器人自身发生反向运动，导致机器人难以完成作业。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺点或不足，本技术要解决的技术问题是提供一种大扭矩作业的多足机器人及作业方法。
5.为解决上述技术问题，本技术通过以下技术方案来实现：
6.本技术提出一种大扭矩作业的多足机器人，包括：操作台、操作结构及多个机械腿，所述操作结构设置于所述操作台内且所述操作结构的操作端的外部无遮挡，所述机械腿与所述操作台连接；所述操作结构包括：设置于壳体内的驱动元件、操作端和力传感器，所述操作端与所述驱动元件通过连接件连接，所述力传感器设置于所述驱动元件与所述壳体之间。
7.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述机械腿包括：驱动结构、大腿杆件和小腿杆件，所述驱动结构连接操作台、大腿杆件和小腿杆件；所述驱动结构包括：侧摆驱动、大腿驱动、小腿驱动和传动组件，所述侧摆驱动设置于所述操作台上并与所述大腿杆件连接，所述传动组件连接所述大腿杆件和所述小腿驱动，所述大腿驱动与所述大腿杆件连接，所述小腿驱动通过所述传动组件与所述小腿杆件连接。
8.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述驱动结构还包括：扭矩传感器，所述扭矩传感器分别设置于所述侧摆驱动的输出轴上、所述大腿驱动的输出轴上和所述小腿驱动的输出轴上。
9.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述机械腿还包括：控制模块、
编码器和零位开关，所述编码器和所述零位开关均与所述控制模块连接，所述零位开关和所述编码器均设置于所述驱动结构的外表面上。
10.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述力传感器包括：至少检测一维力和一维扭矩。
11.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述传动组件包括：连杆传动组件、齿轮传动组件、链传动组件或带传动组件。
12.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述连杆传动组件包括：第一连杆、第二连杆、第一偏心轮组、第二偏心轮组、第一轴承和第二轴承，所述第一连杆与所述第二连杆平行设置，所述第一偏心轮组设置于所述第一连杆和所述第二连杆的第一端，所述第二偏心轮组设置于所述第一连杆和所述第二连杆的第二端，所述第一轴承、所述第二轴承与所述大腿杆件连接，所述第一偏心轮组与所述小腿驱动的输出轴连接，所述第二偏心轮组与所述小腿杆件连接。
13.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述机械腿的足尖采用球形足尖。
14.进一步地，上述的大扭矩作业的多足机器人，其中，所述小腿杆件与所述大腿杆件相对转动的角度范围为20
°
～340
°
。
15.本技术还提出一种作业方法，包括如下步骤：
16.根据待执行的大扭矩作业的扭矩值计算机械腿的足尖接触力的期望值；
17.多足机器人移动至待作业对象附近；
18.多足机器人的操作端与待作业对象连接；
19.多足机器人的部分机械腿维持站立，其余部分机械腿则抬起与上方物体或侧方物体相接触；
20.通过导纳控制算法增大抬起的机械腿的足尖与接触物体之间的接触力达到期望值；
21.操作结构提供连续旋转运动，执行完成大扭矩作业；
22.多足机器人完成作业后，抬起的机械腿恢复站立状态，移动至新的待作业对象附近。
23.与现有技术相比，本技术具有如下技术效果：
24.本技术相较现有技术减少了机械臂参与大扭矩作业，从而更能满足大扭矩作业的刚度需求，同时还简化了结构，可适用于工业厂房、核电站、车辆底盘、管道等场景下的拧螺栓、阀门等大扭矩作业；
25.本技术能够将机器人的部分机械腿抬起与上方或侧方物体接触，利用抬起机械腿和站立机械腿同时对上方物体和地面施力，使得各机械腿之间形成相互挤压的态势，增大机械腿的足尖与接触面的接触力，进而提高摩擦力以平衡大作业扭矩。
附图说明
26.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
27.图1：本技术一实施例的结构示意图；
28.图2：本技术一实施例中操作结构的示意图；
29.图3：如图2所示结构的部分示意图；
30.图4：本技术一实施例中机械腿的示意图一；
31.图5：本技术一实施例中机械腿的示意图二；
32.图6：本技术一实施例中连杆传动组件的结构示意图；
33.图7：本技术一实施例中抬起机械腿与上方物体接触的示意图；
34.图8：本技术一实施例中抬起机械腿与侧方物体接触的示意图；
35.图9：本技术一实施例中大腿驱动或小腿驱动的结构示意图一；
36.图10：本技术一实施例中大腿驱动或小腿驱动的结构示意图二；
37.图11：本技术一实施例应用中的示意图；
38.图12：本技术一实施例的结构示意图；
39.图中：操作台1、机械腿2、操作结构3、侧摆驱动4、大腿驱动5、小腿驱动6、大腿杆件7、小腿杆件8、连杆传动组件9、球形足尖10、髋关节轴线11、膝关节轴线12、侧摆关节轴线13、第二轴承14、操作端15、侧方物体16、上方物体17、壳体18、驱动元件19、力传感器20、连接件21、作业零件22、阀门23、第一偏心轮组24、第二偏心轮组25、第一连杆26、第二连杆27、第一轴承28、连接法兰29、零位开关30、扭矩传感器31、减速机32、电机33及编码器34。
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
41.如图1至图3所示，本技术的其中一个实施例，提出一种大扭矩作业的多足机器人，包括：操作台1、操作结构3及多个机械腿2，所述操作结构3设置于所述操作台1内且所述操作结构3的操作端15的外部无遮挡，所述机械腿2与所述操作台1连接；所述操作结构3包括：设置于壳体18内的驱动元件19、操作端15和力传感器20，所述操作端15与所述驱动元件19通过连接件21连接，所述力传感器20设置于所述驱动元件19与所述壳体18之间。
42.在本实施例中，将操作台1设置为对称六边形操作台1，将机械腿2的数量设置为六个且与对称六边形的每个角对应连接，当然本领域技术人员有动机将操作台1的形状设置为正六边形或其它非正六边形，对机械腿2的数量进行适应性的增减设置，或者对机械腿2与操作台1的连接位置进行调整。将操作结构3设置于操作台1的内部，操作结构3的操作端15的外部无遮挡，以便于操作端15外接作业设备，如与阀门23形状相匹配的作业零件22，通过在操作端15上安装作业零件22，使得机器人进行不同情景下的大扭矩作业。操作结构3的壳体18与操作台1的内部固定连接，操作结构3的操作端15与驱动元件19通过连接件21连接，力传感器20设置于驱动元件19的底部与壳体18之间。通过上述设置，本实施例相较现有技术减少了机械臂参与大扭矩作业，从而更能满足大扭矩作业的刚度需求，同时还简化了结构，可适用于工业厂房、核电站、车辆底盘、管道等场景下的拧螺栓、阀门23等大扭矩作业。
43.可选地，所述驱动元件19包括但不限于电机。
44.可选地，所述力传感器20包括但不限于多维力传感器，至少包括一维力和一维扭矩的检测能力，即至少能够感知沿操作端15的力和绕操作端15转动的扭矩。
45.如图4和图5所示，所述机械腿2包括：驱动结构、大腿杆件7和小腿杆件8，所述驱动结构连接操作台1、大腿杆件7和小腿杆件8；所述驱动结构包括：侧摆驱动4、大腿驱动5、小腿驱动6和传动组件，所述侧摆驱动4设置于所述操作台1上并与所述大腿杆件7连接，所述传动组件连接所述大腿杆件7和所述小腿驱动6，所述大腿驱动5与所述大腿杆件7连接，所述小腿驱动6通过所述传动组件与所述小腿杆件8连接。
46.在本实施例中，每个机械腿2利用侧摆驱动4、大腿驱动5和小腿驱动6实现足尖在空间内的三维移动，因此本实施例在三条机械腿2抬起，三条机械腿2站立时，操作台1能够进行六维运动，实现操作结构3与待作业对象之间位置和姿态的六维调整。侧摆驱动4设置于所述操作台1上并与所述大腿杆件7，所述侧摆驱动4的输出轴与所述操作台1的台面相垂直；所述传动组件连接所述大腿杆件7和所述小腿驱动6，所述大腿驱动5的输出轴与所述小腿驱动6的输出轴在一条直线上，即同在髋关节轴线11上，该髋关节轴线11与所述侧摆驱动4的侧摆关节轴线13相垂直设置；所述大腿驱动5与所述大腿杆件7连接，使得所述大腿杆件7绕所述髋关节轴线11转动；所述小腿驱动6通过所述传动组件与所述小腿杆件8连接，使得所述小腿杆件8绕大腿杆件7和小腿杆件8连接处形成的膝关节轴线12转动。
47.可选地，所述传动组件包括但不限于连杆传动组件9、齿轮传动组件、链传动组件或带传动组件。
48.如图6所示，在本实施例中，所述传动组件采用连杆传动组件9，包括：第一连杆26、第二连杆27、第一偏心轮组24、第二偏心轮组25、第一轴承28和第二轴承14，所述第一连杆26与所述第二连杆27长度相等且平行设置，所述第一偏心轮组24的两个不同的偏心位置分别与所述第一连杆26的第一端连接、所述第二连杆27的第一端连接，所述第二偏心轮组25的两个不同的偏心位置分别与所述第一连杆26的第二端连接、所述第二连杆27的第二端连接，由此将第一偏心轮组24绕髋关节轴线11的转动传递到第二偏心轮组25绕膝关节转动；所述第一端通过所述第一轴承28的外圈与所述大腿杆件7连接，所述第一轴承28的内圈与第一偏心轮组24相连，所述第二端通过所述第二轴承14的外圈与所述大腿杆件7连接，所述第二轴承14的内圈与第二偏心轮组25相连；大腿驱动5的输出轴与大腿杆件7固定连接；小腿驱动6的输出轴与第一偏心轮组24固定连接，小腿驱动6带动第一偏心轮组24沿髋关节轴线11转动，小腿杆件8与第二偏心轮组25固定连接，实现小腿杆件8随第二偏心轮组25转动，即绕膝关节转动；通过上述设置，实现第一偏心轮组24、第二偏心轮组25和大腿杆件7运动的分离，小腿杆件8的传动，以及大腿杆件7和小腿杆件8的独立运动。
49.可选地，所述侧摆驱动4能够使机械腿2在
±
45
°
范围内转动。
50.在本实施例中，所述侧摆驱动4能够使机械腿2在
±
30
°
范围内转动。
51.可选地，所述小腿杆件8与所述大腿杆件7相对转动的角度范围为20
°
～340
°
，即膝关节的转动范围为20
°
～340
°
，小腿杆件8相对大腿杆件7能够进行翻转运动。如图7所示，本实施例能够将机器人的三条机械腿2上翻与上方物体17接触，利用上方抬起的三个机械腿2和下方站立的三个机械腿2同时对上方物体17和地面施力，使得各机械腿2之间形成相互挤压的态势，增大六个机械腿2的足尖与接触面的接触力，进而提高摩擦力以平衡大作业扭矩。最大作业扭矩与摩擦力相关，摩擦力与足尖和接触面的接触力相关，因此可以通过调整
足尖与接触面的接触力来调整最大作业扭矩。类似地，如图8所示，也可以将三条机械腿2抬起与侧方物体16接触，利用抬起的三个机械腿2和下方站立的三个机械腿2同时对侧面物体和地面施力，使得各机械腿2之间形成相互挤压的态势，提高摩擦力以平衡大作业扭矩，可通过调整接触力来调整最大作业扭矩。
52.具体地，所述驱动结构还包括：扭矩传感器31，所述扭矩传感器31分别设置于所述侧摆驱动4的输出轴上、所述大腿驱动5的输出轴上和所述小腿驱动6的输出轴上，以获得侧摆关节、髋关节和膝关节力反馈值。
53.具体地，所述机械腿2还包括：控制模块(图中未画出)、编码器34和零位开关30，所述编码器34和所述零位开关30均与所述控制模块连接，所述零位开关30和所述编码器34均设置于所述驱动结构的外表面上。
54.如图9和图10所示，在本实施例中，大腿驱动5或小腿驱动6具体包括：连接法兰29、输出轴、扭矩传感器31、减速机32和电机33，减速机32连接电机33和输出轴，输出轴与所述连接法兰29连接，扭矩传感器31设置于输出轴上，连接法兰29与大腿杆件7固连。为了智能化控制作业，还设置了控制模块、编码器34和零位开关30，编码器34和零位开关30均与控制模块通讯连接，零位开关30和编码器34均设置于驱动结构的外表面上；零位开关30在电机33转到某一特定角度时会发出信号，用来定位电机33的零位；扭矩传感器31可以测量连接法兰29上受到的扭矩；减速机32按减速比降低电机33速度；电机33实现转动驱动；编码器34用于测量电机33的转动角度。
55.优选地，所述机械腿2的足尖采用球形足尖10，球形足尖10能够提供更多与接触面接触的角度，且球心到达各接触面的距离相等，使得对机器人的运动规划变得简单。
56.可选地，球形足尖10采用硬质塑料制成，本实施例采用聚四氟乙烯。
57.本技术另一方面还提出一种大扭矩作业的方法，包括如下步骤：
58.根据待执行的大扭矩作业的扭矩值计算机械腿2的足尖接触力的期望值；
59.多足机器人移动至待作业对象附近；
60.多足机器人的操作端15与待作业对象连接；
61.多足机器人的部分机械腿2维持站立，其余部分机械腿2则抬起与上方物体17或侧方物体16相接触；
62.通过导纳控制算法增大抬起的机械腿2的足尖与接触物体之间的接触力达到期望值；
63.操作结构3提供连续旋转运动，执行完成大扭矩作业；
64.多足机器人完成作业后，抬起的机械腿2恢复站立状态，移动至新的待作业对象附近。
65.具体地，所述多足机器人详见上文描述，这里不再赘述。
66.如图11所示，以下本实施例以拧阀门23作业为例，将操作结构3的操作端15设置于操作台1的上表面，进行说明：
67.根据待执行的大扭矩作业的扭矩值计算机械腿2的足尖接触力的期望值，假设操作结构3的操作端15旋拧需要的扭矩为t，各腿足尖到操作结构3的轴线距离为d，三条站立机械腿2与下方平面的摩擦系数为u1，三条抬起机械腿2与上方平面的摩擦系数为u2，单条抬起机械腿2与上方物体17的接触力在接触面坐标系中的三个分量为f
x
、fy、fz，其中fz是沿垂
直接触面方向的分量，机器人重力为g，则fz的期望值计算公式如下：
[0068][0069]
多足机器人移动至待作业阀门23附近。
[0070]
多足机器人的操作端15连上与阀门23匹配的作业零件22并与阀门23连接。
[0071]
多足机器人的间隔设置的三条机械腿2维持站立，其余三条机械腿2则抬起与上方物体17或侧方物体16相接触。
[0072]
通过导纳控制算法增大抬起的机械腿2的足尖与接触物体之间的接触力达到期望值，具体算法如下：
[0073]
单条机械腿2为三自由度机构，根据机构学理论，可以推导得到单条机械腿2在操作台坐标系中的雅可比矩阵j和操作台坐标系到接触面坐标系的旋转矩阵r，侧摆驱动4、大腿驱动5、小腿驱动6上的扭矩传感器31测量值分别为τ1,τ2,τ3，则fz的实际测量值的计算公式如下：
[0074]
将f
z,desire
和f
z,actual
利用导纳控制算法构成闭环控制系统，实现足尖f
z,desire
的输出。
[0075]
操作结构3提供连续旋转运动，执行完成大扭矩作业。
[0076]
多足机器人完成作业后，抬起的机械腿2恢复站立状态，移动至新的待作业对象附近。
[0077]
如图8所示，操作台坐标系的z轴方向垂直于操作台1的平面，接触面坐标系的z轴方向垂直于接触面。假设站立的机械腿2到操作结构3的轴线距离仍为d，抬起的机械腿2到操作结构3的轴线距离为d2，抬起的机械腿2与侧方物体16的接触力各不相同，分别设为f
z1
、f
z2
、f
z3
，f
z1
、f
z2
、f
z3
与操作台坐标系的x轴的夹角分别为θ1,θ2,θ3，则f
z1
、f
z2
、f
z3
的期望值计算公式如下：
[0078][0079]
后续作业的实施步骤及f
z1
、f
z2
、f
z3
的实际测量值计算方法与前面所述一致，这里不再赘述。
[0080]
在本技术另一实施例中，如图12所示，还可将操作结构3的操作端15设置于操作台1的侧面，甚至将操作结构3的操作端15相对于操作台1斜向设置，均能同样完成大扭矩作业。
[0081]
除旋拧作业外，多足机器人也可以进行水平方向的推拉作业，本技术同样适用此情况，只需增加操作结构3的多维力传感器20相应维度的力感知能力即可。
[0082]
本技术机械腿2具有上翻功能，使得机器人具有远大于现有技术中六脚站立所能提供的输出扭矩，从而本技术能够实现大扭矩作业，其具体原理如下：
[0083]
现有方法中没有上翻机械腿2顶住上方物体17或侧方物体16，fz＝0，因此仅由机器人重力作用在地面上形成的摩擦力提供输出扭矩，最大扭矩为：t1＝u1gd。
[0084]
本技术有了抬起机械腿2之后，上方平面和下方平面均提供摩擦力，最大扭矩为：t2＝u1(g+fz)d+u2fzd＝u1gd+(u1+u2)fzd。或侧方平面和下方平面均提供摩擦力，最大扭矩为：t2＝u1gd+u2(f
z1
+f
z2
+f
z3
)d2。
[0085]
显然t2随着接触力fz的增大可以远大于t1，且可按照上述方法调节该力的大小，机器人作业扭矩变得更大且可调。
[0086]
在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0087]
在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0088]
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
[0089]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本技术进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本技术的权利要求范围内。