CN102672707B - 一种滚动行进的差速七连杆机器人 - Google Patents
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Abstract
一种滚动行进的差速七连杆机器人，包括一个连接杆、两个七连杆机器人及它们的连接。每个独立的七连杆机器人含有由七个连杆组成的两个平行四边形，两平行四边形共用一条边和两个顶点，任意相邻的边用转动副连接，当内角均为90°时，外形呈“日”字。连杆（1）、（2）、（6）、（7）和连杆（3）、（4）、（5）、（7）分别构成两个平行四边形，其形状分别由电机（12）、（13）控制，其中连杆（7）为公共连杆。控制两个平行四边形内角的变化，则机构因变形而实现翻滚。当两个七连杆机器人的翻滚速度不同时，机器人实现转弯。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种差速七连杆机滚动器人。
背景技术
连杆机构是指由若干刚性构件用低副连接而成的机构，分为平面连杆机构和空间连杆机构，其中平面连杆机构广泛地应用于各种机械和仪表中。平面连杆机构中最基本、最简单的是平面四杆机构，根据其两个连杆的运动情况可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。中国专利CN 2789106Y提出了一种单动力滚动四杆机构，其外形为一个平行四边形，通过一个电机驱动改变平行变形端点的角度，依靠机构自身的惯性实现机构整体的滚动行进，结构简单并具有一定的运动能力，但是对复杂接触面情况的适应性差，且需要驱动电机具有一定的加速性。
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：一种滚动行进的差速七连杆机器人包括两个七连杆机器人及中间连杆，其中单侧的七连杆机器人外形呈“日”字，由四个短连杆和三个长连杆通过轴线相互平行的转动副连接形成两个平行四边形，其中短连杆和长连杆需要满足0.5774到0.7578的长度比；其中短连杆包括两组电机座连杆和随动连杆，长连杆包括两个电机同步连杆和一个公共连杆。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、一个随动连杆和一个公共连杆；两个平行四边形共用一条边即公共连杆。
第一连接件短轴形式上看作一个平行四边形的顶点，第一连接件短轴通过第一电机同步连杆的轴孔与第一随动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。
第二连接件短轴形式上看作两个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随动连杆的轴孔、第一电机座连杆的轴孔与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一电机座连杆上，电机的转轴通过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，顶丝通过第二电机同步连杆的顶丝孔对电机的转轴进行周向的固定。
第四连接件短轴形式上看作一个平行四边形的顶点，第四连接件短轴通过第二电机同步连杆的轴孔与第二随动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。
第五连接件短轴形式上看作两个平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第五连接件短轴通过第二随动连杆的轴孔、第二电机座连杆的轴孔与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。
第六连接件电机形式上看作一个平行四边形的顶点，第六连接件电机固定在第二电机座连杆上，电机的转轴通过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，顶丝通过第一电机同步连杆的顶丝孔对电机的转轴进行周向的固定。
第七连接件差速轴形式上看作两个平行四边形的公共边的中点，即公共连杆的中点，第七连接件差速轴通过公共连杆中点处的的轴孔以转动副的形式将两个并行的七连杆机器人连接在一起，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差速七连杆机器人，通过两个或两个以上的电机分别对两个七连杆机器人进行驱动和控制实现机构的步行运动，差速七连杆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滚动行进的差速七连杆机器人的整体三维图
图2滚动行进的独立七连杆机器人的整体三维图
图3滚动行进的差速七连杆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是独立七连杆机器人直行步态的
分解图：
图5A直行步态的初始位姿
图5B直行步态短连杆着地变形协调动作
图5C直行步态短连杆着地变形过程动作
图5D直行步态短连杆着地翻滚至长连杆着地动作
图5E直行步态长连杆着地变形过程动作
图5F直行步态长连杆着地翻倒动作
图5G直行步态长连杆着地翻滚至短连杆着地动作
图5H直行步态姿态恢复动作
图6A、图6B、图6C、图6D、图6E、图6F、图6G、图6H是差速七连杆机器人转弯步态的分解图：
图6A转弯步态的起始位姿
图6B转弯步态短连杆着地变形调整动作
图6C转弯步态短连杆着地变形开始动作
图6D转弯步态短连杆着地变形过程动作
图6E转弯步态短连杆着地翻转动作
图6F转弯步态长连杆着地变形过程动作
图6G转弯步态长连杆着地翻转动作
图6H转弯步态姿态恢复动作
图中：第一电机同步连杆1、第一随动连杆2、第一电机座连杆3、第二电机同步连杆4、第二随动连杆5、第二电机座连杆6、公共连杆7、第一连接件短轴8、第二连接件短轴9、第四连接件短轴10、第五连接件短轴11、第六连接件电机12、第三连接件电机13和差速轴14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
滚动行进的差速七连杆机器人如图1所示，由两个七连杆机器人通过第七连接件差速轴(14)并行连接在一起，如图2每个七连杆机器人从形式上由两个四边形组成。
本发明的实施方式：
如图2，第一电机同步连杆(1)、第二电机座连杆(6)、第一随动连杆(2)和公共连杆(7)构成一个平行四边形，第一电机同步连杆(1)和第二电机座连杆(6)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机座连杆(6)和公共连杆(7)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一随动连杆(2)和公共连杆(7)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)和第一随动连杆(2)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第二电机同步连杆(4)、第一电机座连杆(3)、第二随动连杆(5)和公共连杆(7)构成一个平行四边形，第二电机同步连杆(4)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)和公共连杆(7)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二随动连杆(5)和公共连杆(7)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机同步连杆(4)和第二随动连杆(5)构成转动副作为平行四边形一个顶点；
第一连接件短轴(8)形式上看作一个平行四边形的顶点，第一连接件短轴(8)通过第一电机同步连杆(1)的轴孔与第一随动连杆(2)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；
第二连接件短轴(9)形式上看作两个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(9)通过第一随动连杆(2)的轴孔、第一电机座连杆(3)的轴孔与公共连杆(7)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(13)形式上看作一个平行四边形的顶点，第三连接件电机(13)固定在第一电机座连杆(3)上，电机的转轴通过电机轴孔与第二电机同步连杆(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，顶丝通过第二电机同步连杆(4)的顶丝孔对电机的转轴进行周向的固定；
第四连接件短轴(10)形式上看作一个平行四边形的顶点，第四连接件短轴(10)通过第二电机同步连杆(4)的轴孔与第二随动连杆(5)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；
第五连接件短轴(11)形式上看作两个平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第五连接件短轴(11)通过第二随动连杆(5)的轴孔、第二电机座连杆(6)的轴孔与公共连杆(7)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；
第六连接件电机(12)形式上看作一个平行四边形的顶点，第六连接件电机(12)固定在第二电机座连杆(6)上，电机的转轴通过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，顶丝通过第一电机同步连杆(1)的顶丝孔对电机的转轴进行周向的固定；
第七连接件差速轴(14)形式上看作两个平行四边形的公共边的中点，即公共连杆(7)的中点，第七连接件差速轴(14)通过公共连杆(7)中点处的的轴孔以转动副的形式将两个并行的七连杆机器人连接在一起，该转动副的轴线垂直于平行四边形的平面。
具体的使用方法：
滚动行进的差速七连杆机器人可以实现直行步态。首先滚动行进的差速七连杆机器人处于如附图5A所示的直行步态的初始位姿，两个平行四边形相邻的两个短连杆与地面接触；当要直行的时候，以行进方向端平行四边形的短连杆为支撑面，协调两个平行四边形的顶点角度，实现如附图5B所示的直行步态短连杆着地变形协调动作以及如附图5C所示的直行步态短连杆着地变形过程动作；当七连杆机器人的重心在地面上的投影超出平衡位置时，实现如图5D所示的直行步态短连杆着地翻滚至长连杆着地动作；协调两个平行四边形的顶点角度，实现如附图5E所示的直行步态长连杆着地变形过程动作以及如附图5F所示的直行步态长连杆着地翻倒动作；当七连杆机器人的重心在地面上的投影超出平衡位置时，实现如图5G所示的直行步态长连杆着地翻滚至短连杆着地动作；当作为支撑的平行四边形的另一边落地后，协调两个平行四边形的顶点角度，实现如附图5H所示的直行步态姿态恢复动作。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是独立七连杆机器人直行步态的分解图。
滚动行进的差速七连杆机器人也可以实现转弯步态。首先滚动行进的差速七连杆机器人处于如附图6A所示的转弯步态的起始位姿，两个并联七连杆机器人各自的两个平行四边形相邻的两个短连杆与地面接触；当要转弯的时候，以一个独立的七连杆机器人为支撑，协调另一个独立的七连杆机器人的两个平行四边形的顶点角度，实现如图6B所示的转弯步态短连杆着地变形调整动作，如图6C所示的转弯步态短连杆着地变形开始动作以及如图6D所示的转弯步态短连杆着地变形过程动作；当差速七连杆机器人的重心在地面上的投影超出平衡位置时，实现如图6E所示的转弯步态短连杆着地翻转动作；继续协调七连杆机器人的两个平行四边形的顶点角度，实现如图6F所示的转弯步态长连杆着地变形过程动作；当差速七连杆机器人的重心在地面上的投影超出平衡位置时，实现如图6G所示的转弯步态长连杆着地翻转动作；当两个并行的七连杆机器人都稳定与地面接触后，协调实现翻滚的七连杆机器人的两个平行四边形的顶点角度，实现如图6H所示的转弯步态姿态恢复动作，此时的滚动行进的差速七连杆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、图6F、图6G、图6H是差速七连杆机器人转弯步态的分解图。
Claims (1)
1.一种滚动行进的差速七连杆机器人，其特征在于：滚动行进的差速双平行四边形机器人包括两个七连杆机器人及中间的第七连接件差速轴(14)，每个七连杆机器人包括构成两个平行四边形各边的七个杆件，第一电机同步连杆(1),第二电机同步连杆(4)，第一电机座连杆(3)，第二电机座连杆(6)，第一随动连杆(2)，第二随动连杆(5)和公共连杆(7)，其中第一电机同步连杆(1)、第二电机座连杆(6)、第一随动连杆(2)和公共连杆(7)构成一个平行四边形，第一电机同步连杆(1)和第二电机座连杆(6)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机座连杆(6)和公共连杆(7)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第一随动连杆(2)和公共连杆(7)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)和第一随动连杆(2)构成转动副作为平行四边形一个顶点；第二电机同步连杆(4)、第一电机座连杆(3)、第二随动连杆(5)和公共连杆(7)构成一个平行四边形，第二电机同步连杆(4)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)和公共连杆(7)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二随动连杆(5)和公共连杆(7)构成转动副作为平行四边形一个顶点，第二电机同步连杆(4)和第二随动连杆(5)构成转动副作为平行四边形一个顶点；
第一连接件短轴(8)形式上看作一个平行四边形的顶点，第一连接件短轴(8)通过第一电机同步连杆(1)的轴孔与第一随动连杆(2)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；
第二连接件短轴(9)形式上看作两个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(9)通过第一随动连杆(2)的轴孔、第一电机座连杆(3)的轴孔与公共连杆(7)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(13)形式上看作一个平行四边形的顶点，第三连接件电机(13)固定在第一电机座连杆(3)上，电机的转轴通过电机轴孔与第二电机同步连杆(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，顶丝通过第二电机同步连杆(4)的顶丝孔对电机的转轴进行周向的固定；
第四连接件短轴(10)形式上看作一个平行四边形的顶点，第四连接件短轴(10)通过第二电机同步连杆(4)的轴孔与第二随动连杆(5)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；
第五连接件短轴(11)形式上看作两个平行四边形的公共顶点，也是机构整体的一条边的中点，第五连接件短轴(11)通过第二随动连杆(5)的轴孔、第二电机座连杆(6)的轴孔与公共连杆(7)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；
第六连接件电机(12)形式上看作一个平行四边形的顶点，第六连接件电机(12)固定在第二电机座连杆(6)上，电机的转轴通过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，顶丝通过第一电机同步连杆(1)的顶丝孔对电机的转轴进行周向的固定；
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