CN102615649B - 一种滚动双四平行四边形机器人 - Google Patents
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Abstract
一种滚动双四平行四边形机器人，包括一个连接杆、两个四平行四边形机构及它们的连接。每个四平行四边形机构含有由十二个连杆组成的四个平行四边形，相邻两平行四边形共用一条边，四个平行四边形共用一个顶点，任意相邻的边用转动副连接，当内角均为90°时，外形呈“田”字。杆(1)、(3)、(4)、(20)，杆(4)、(6)、(8)、(10)及杆(10)、(11)、(13)、(14)分别构成平行四边形，其形状分别由电机(2)、(7)、(12)控制；杆(14)、(16)、(18)、(20)构成随动平行四边形，配重(17)与电机同重，使结构对称。控制平行四边形内角的变化，则机构变形并翻滚，两个四平行四边形机构的翻滚速度不同，机器人实现转弯。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种滚动行进的双四平行四边形机器人。
背景技术
平面四连杆机构是结构最简单、应用最广泛的连杆机构，它可以演化成如曲柄摇杆、曲柄滑块、摇杆机构等多种形式。平行四边形机构是一种特殊的双曲柄机构，机架、两个曲柄以及中间连杆的长度都相同，仅用一个驱动即可实现对平行四边形形状的控制。中国专利CN2789106Y提出了一种单动力滚动四杆机构，它使用一个驱动电机，依靠平行四边形的变形与机构自身的惯性实现了四杆机构的整体滚动，结构简单，具有一定运动能力，但是该机构单纯依靠平行四边形的变形不足以实现滚动运动，对驱动电机的加速性能依赖性较强，对电机的性能要求较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：滚动型机器人(如球形或轮式机器人)在滚动过程中一般外形不发生变化，对地面环境及周围空间环境的适应能力差。
本发明的技术方案：一种滚动双四平行四边形机器人包括两个单四平行四边形机器人及中间连杆，其中单四平行四边形机器人外形呈“田”字，由三组等长的连杆即四个电机同步连杆、四个电机座连杆、四个公共连杆通过轴线相互平行的转动副连接形成四个平行四边形。每个平行四边形均包含一个电机同步连杆、一个电机座连杆和两个公共连杆；相邻的平行四边形共用一条边即公共连杆。
第一连接件电机形式上看作一个平行四边形的顶点，第一连接件电机固定在第一电机座连杆上，第一连接件电机的转轴通过第一电机座连杆上的电机轴孔与第一电机同步连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第一个顶丝通过第一电机同步连杆的顶丝孔对第一连接件电机的转轴进行周向的固定。
第二连接件短轴形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第二连接件短轴通过第一电机座连杆的轴孔、第二电机同步连杆的轴孔与第一公共连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第三连接件电机形式上看作一个平行四边形的顶点，第三连接件电机固定在第二电机座连杆上，第三连接件电机的转轴通过第二电机座连杆上的电机轴孔与第二电机同步连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第二个顶丝通过第二电机同步连杆的顶丝孔对第三连接件电机的转轴进行周向的固定。
第四连接件短轴形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第四连接件短轴通过第二电机座连杆的轴孔、第三电机座连杆的轴孔与第二公共连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第五连接件电机形式上看作一个平行四边形的顶点，第五连接件电机固定在第三电机座连杆上，第五连接件电机的转轴通过第三电机座连杆上的电机轴孔与第三电机同步连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第三个顶丝通过第三电机同步连杆的顶丝孔对第五连接件电机的转轴进行周向的固定。
第六连接件短轴形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第六连接件短轴通过第四电机座连杆的轴孔、第三电机同步连杆的轴孔与第三公共连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第七连接件配重形式上看作一个平行四边形的顶点，第七连接件配重固定在第四电机座连杆上，第七连接件配重的转轴通过第四电机座连杆的电机轴孔与第四电机同步连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第八连接件短轴形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第八连接件短轴通过第一电机同步连杆的轴孔、第四电机同步连杆的轴孔与第四公共连杆的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
中间连杆形式上看作四个平行四边形的公共顶点，中间连杆通过四个公共连杆的轴孔以转动副的形式链接，两个并行的四平行四边形机器人通过中间连杆连接在一起，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
本发明的有益效果：本发明所述的翻滚行进的双四平行四边形机器人，通过三个或三个以上的电机分别对两个四平行四边形机构进行驱动和控制实现机构的翻滚运动，双四平行四边形机器人既可以实现直行功能，也可以实现转弯功能，并具有一定的越障能力。该机构结构简单，成本低廉，易于制造和工程实现。为中小学生提供了一个对几何形体及移动机构的认识，可用于制作玩具、教学教具，也可用于制作军用探测机器人。
附图说明
图1滚动行进的双四平行四边形机器人的整体三维图
图2滚动行进的单四平行四边形机器人的整体三维图
图3滚动行进的双四平行四边形机器人的整体俯视图
图4电机的安装图
图5A、图5B、图5C、图5D、图5E、图5F、图5G、图5H是单四平行四边形机器人直行步态的
分解图：
图5A直行步态的起始位姿
图5B直行步态重心偏移起始动作
图5C直行步态重心偏移过程动作
图5D直行步态重心偏移结束动作
图5E直行步态翻滚落地动作
图5F直行步态姿态恢复起始动作
图5G直行步态姿态恢复过程动作
图5H直行步态姿态恢复结束动作
图6A、图6B、图6C、图6D、图6E是双四平行四边形机器人转弯步态的分解图：
图6A转弯步态的起始位姿
图6B转弯步态重心偏移过程动作
图6C转弯步态翻滚落地动作
图6D转弯步态姿态恢复过程动作
图6E转弯步态姿态恢复结束动作
图中：第一电机同步连杆1、第一连接件电机2、第一电机座连杆3、第一公共连杆4、第二连接件短轴5、第二电机同步连杆6、第三连接件电机7、第二电机座连杆8、第四连接件短轴9、第二公共连杆10、第三电机座连杆11、第五连接件电机12、第三电机同步连杆13、第三公共连杆14、第六连接件短轴15、第四电机座连杆16、第七连接件配重17、第四电机同步连杆18、第八连接件短轴19、第四公共连杆20和中间连杆21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
滚动行进的双四平行四边形机器人如图1所示，由两个四平行四边形机器人通过一根中间连杆(21)并行连接在一起，如图2每个四平行四边形机器人从形式上由四个平行四边形组成。
本发明的实施方式：
如图2，第一个平行四边形由第一电机同步连杆(1)、第一电机座连杆(3)、第一公共连杆(4)和第四公共连杆(20)构成，第一电机同步连杆(1)和第一电机座连杆(3)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一电机座连杆(3)和第一公共连杆(4)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一公共连杆(4)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一电机同步连杆(1)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第二个平行四边形由第二电机同步连杆(6)、第二电机座连杆(8)、第二公共连杆(10)和第一公共连杆(4)构成，第二电机同步连杆(6)和第二电机座连杆(8)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机座连杆(8)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一公共连杆(4)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机同步连杆(6)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第三个平行四边形由第三电机同步连杆(13)、第三电机座连杆(11)、第二公共连杆(10)和第三公共连杆(14)构成，第三电机同步连杆(13)和第三电机座连杆(11)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第三电机座连杆(11)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二公共连杆(10)和第三公共连杆(14)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第三电机同步连杆(13)和第三公共连杆(14)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第四个平行四边形由第四电机同步连杆(18)、第四电机座连杆(16)、第三公共连杆(14)和第四公共连杆(20)构成，第四电机同步连杆(18)和第四电机座连杆(16)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第四电机座连杆(16)和第三公共连杆(14)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第三公共连杆(14)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第四电机同步连杆(18)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点。
第一连接件电机(2)形式上看作一个平行四边形的顶点，第一连接件电机(2)固定在第一电机座连杆(3)上，第一连接件电机(2)的转轴通过第一电机座连杆(3)上的电机轴孔与第一电机同步连杆(1)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第一个顶丝通过第一电机同步连杆(1)的顶丝孔对第一连接件电机(2)的转轴进行周向的固定。
第二连接件短轴(5)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第二连接件短轴(5)通过第一电机座连杆(3)的轴孔、第二电机同步连杆(6)的轴孔与第一公共连杆(4)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第三连接件电机(7)形式上看作一个平行四边形的顶点，第三连接件电机(7)固定在第二电机座连杆(8)上，第三连接件电机(7)的转轴通过第二电机座连杆(8)上的电机轴孔与第二电机同步连杆(6)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第二个顶丝通过第二电机同步连杆(6)的顶丝孔对第三连接件电机(7)的转轴进行周向的固定。
第四连接件短轴(9)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第四连接件短轴(9)通过第二电机座连杆(8)的轴孔、第三电机座连杆(11)的轴孔与第二公共连杆(10)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第五连接件电机(12)形式上看作一个平行四边形的顶点，第五连接件电机(12)固定在第三电机座连杆(11)上，第五连接件电机(12)的转轴通过第三电机座连杆(11)上的电机轴孔与第三电机同步连杆(13)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第三个顶丝通过第三电机同步连杆(13)的顶丝孔对第五连接件电机(12)的转轴进行周向的固定。
第六连接件短轴(15)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第六连接件短轴(15)通过第四电机座连杆(16)的轴孔、第三电机同步连杆(13)的轴孔与第三公共连杆(14)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第七连接件配重(17)形式上看作一个平行四边形的顶点，第七连接件配重(17)固定在第四电机座连杆(16)上，第七连接件配重(17)的转轴通过第四电机座连杆(16)的电机轴孔与第四电机同步连杆(18)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
第八连接件短轴(19)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第八连接件短轴(19)通过第一电机同步连杆(1)的轴孔、第四电机同步连杆(18)的轴孔与第四公共连杆(20)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
中间连杆(21)形式上看作四个平行四边形的公共顶点，中间连杆(21)通过四个公共连杆(4、10、14、20)的轴孔以转动副的形式链接，两个并行的四平行四边形机器人通过中间连杆(21)连接在一起，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
电机的安装如附图4所示，第一连接件电机(2)的安装端面与第一电机座连杆(3)的电机座安装端面通过螺钉连接，电机轴与第一电机同步连杆(1)通过顶丝连接；第三连接件电机(7)和第五连接件电机(12)的连接方式与第一连接件电机(2)相同。
具体的使用方法：
滚动行进的双四平行四边形机器人可以实现直行步态。首先滚动行进的双四平行四边形机器人处于如附图5A所示的直行步态的起始位姿，两个相邻平行四边形的相邻边与地面接触；当要直行的时候，以行进方向端平行四边形的边为支撑面，协调其余三个平行四边形的顶点角度，实现如附图5B所示的直行步态重心偏移起始动作，如附图5C所示的直行步态重心偏移过程动作，以及如附图5D所示的直行步态重心偏移结束动作；当差速四平行四边形机器人的重心在地面上的投影超出平衡位置时，实现如图5E所示的直行步态翻滚落地动作；当作为支撑的平行四边形的另一边落地后，协调四个平行四边形的顶点角度，实现如附图5F所示的直行步态姿态恢复起始动作，如附图5G所示的直行步态姿态恢复过程动作以及如附图5H所示的直行步态姿态恢复结束动作。这样就实现了机器人的一个完整直行步态，图5A、图5B、图5C、图5D、图5E、图5F、图5G、图5H是单四平行四边形机器人直行步态的分解图。
滚动行进的双四平行四边形机器人也可以实现转弯步态。首先滚动行进的双四平行四边形机器人处于如附图6A所示的转弯步态的起始位姿，两个并联四平行四边形机器人各自的两个相邻平行四边形的相邻边都与地面接触；当要转弯的时候，以一个独立的四平行四边形机器人为支撑，协调另一个独立的四平行四边形机器人的四个平行四边形的顶点角度，实现如图6B所示的转弯步态重心偏移过程动作，以及如图6C所示的转弯步态翻滚落地动作；当两个并行的四平行四边形机器人都稳定与地面接触后，协调实现翻滚的四平行四边形机器人的四个平行四边形的顶点角度，实现如图6D所示的转弯步态姿态恢复过程动作，以及如图6E所示的转弯步态姿态恢复结束动作，此时的滚动行进的双四平行四边形机器人的位置与原来的位置已经有一定的角度了，循环几次，机器人就实现了大幅度的转弯步态。图6A、图6B、图6C、图6D、图6E是双四平行四边形机器人转弯步态的分解图。
Claims (1)
1.一种滚动行进的双四平行四边形机器人，其特征在于：滚动双四平行四边形机器人包括两个单四平行四边形机器人及中间连杆(21)，其中单四平行四边形机器人外形呈“田”字，由三组等长的连杆即四个电机同步连杆(1、6、13、18)、四个电机座连杆(3、8、11、16)、四个公共连杆(4、10、14、20)通过轴线相互平行的转动副连接形成四个平行四边形，每个平行四边形均包含一个电机同步连杆、一个电机座连杆和两个公共连杆，相邻的平行四边形共用一条边即公共连杆，其中第一电机同步连杆(1)、第一电机座连杆(3)、第一公共连杆(4)和第四公共连杆(20)构成一个平行四边形，第一电机同步连杆(1)和第一电机座连杆(3)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一电机座连杆(3)和第一公共连杆(4)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一公共连杆(4)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一电机同步连杆(1)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第二电机同步连杆(6)、第二电机座连杆(8)、第二公共连杆(10)和第一公共连杆(4)构成一个平行四边形，第二电机同步连杆(6)和第二电机座连杆(8)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机座连杆(8)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一公共连杆(4)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机同步连杆(6)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第三电机同步连杆(13)、第三电机座连杆(11)、第二公共连杆(10)和第三公共连杆(14)构成一个平行四边形，第三电机同步连杆(13)和第三电机座连杆(11)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第三电机座连杆(11)和第二公共连杆(10)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二公共连杆(10)和第三公共连杆(14)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第三电机同步连杆(13)和第三公共连杆(14)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第四电机同步连杆(18)、第四电机座连杆(16)、第三公共连杆(14)和第四公共连杆(20)构成一个平行四边形，第四电机同步连杆(18)和第四电机座连杆(16)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第四电机座连杆(16)和第三公共连杆(14)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第三公共连杆(14)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第四电机同步连杆(18)和第四公共连杆(20)构成转动副作为平行四边形一个顶点；
第一连接件电机(2)形式上看作一个平行四边形的顶点，第一连接件电机(2)固定在第一电机座连杆(3)上，第一连接件电机(2)的转轴通过第一电机座连杆(3)上的电机轴孔与第一电机同步连杆(1)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第一个顶丝通过第一电机同步连杆(1)的顶丝孔对第一连接件电机(2)的转轴进行周向的固定；
第二连接件短轴(5)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第二连接件短轴(5)通过第一电机座连杆(3)的轴孔、第二电机同步连杆(6)的轴孔与第一公共连杆(4)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面；
第三连接件电机(7)形式上看作一个平行四边形的顶点，第三连接件电机(7)固定在第二电机座连杆(8)上，第三连接件电机(7)的转轴通过第二电机座连杆(8)上的电机轴孔与第二电机同步连杆(6)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第二个顶丝通过第二电机同步连杆(6)的顶丝孔对第三连接件电机(7)的转轴进行周向的固定；
第四连接件短轴(9)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第四连接件短轴(9)通过第二电机座连杆(8)的轴孔、第三电机座连杆(11)的轴孔与第二公共连杆(10)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面；
第五连接件电机(12)形式上看作一个平行四边形的顶点，第五连接件电机(12)固定在第三电机座连杆(11)上，第五连接件电机(12)的转轴通过第三电机座连杆(11)上的电机轴孔与第三电机同步连杆(13)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面，第三个顶丝通过第三电机同步连杆(13)的顶丝孔对第五连接件电机(12)的转轴进行周向的固定；
第六连接件短轴(15)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第六连接件短轴(15)通过第四电机座连杆(16)的轴孔、第三电机同步连杆(13)的轴孔与第三公共连杆(14)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面；
第七连接件配重(17)形式上看作一个平行四边形的顶点，第七连接件配重(17)固定在第四电机座连杆(16)上，第七连接件配重(17)的转轴通过第四电机座连杆(16)的电机轴孔与第四电机同步连杆(18)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面；
第八连接件短轴(19)形式上看作两个相邻平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第八连接件短轴(19)通过第一电机同步连杆(1)的轴孔、第四电机同步连杆(18)的轴孔与第四公共连杆(20)的轴孔以转动副的形式链接，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面；
中间连杆(21)形式上看作四个平行四边形的公共顶点，中间连杆(21)通过四个公共连杆(4、10、14、20)的轴孔以转动副的形式链接，两个并行的四平行四边形机器人通过中间连杆(21)连接在一起，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
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