CN103395457B - 一种基于混合驱动机构的多足移动装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于混合驱动机构的多足移动装置，由机体（1）和多个混合驱动腿结构（2）组成；所述混合驱动腿结构（2）安装于机体（1）上，所述每个混合驱动腿结构（2）包括基座（5），主驱动电机（6）、电机座（7）、联轴器（8）、曲柄转轴（9）、曲柄（10）、曲柄连杆转轴（11）、传递连杆（12）、摇杆转轴（13）、齿轮箱转轴（14）、直线驱动单元（15）、摇杆（16）、摇杆小腿转轴（17）和小腿单元（18）、连杆-丝杠螺母套筒转轴（19）、连杆小腿转轴（20）。本发明实现快速、高效的步态摆动，从而实现移动装置的高效行走和奔跑；同时实现灵活的控制，进而实现移动装置对山坡、草地、坑洼等复杂地形的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及仿生移动平台技术领域，具体地说是一种采用混合驱动机构作为腿部结构的多足移动装置。
背景技术
在军事、探索和救援等领域中，传统的履带和轮式移动装置在高山、丛林、荒原等复杂地形应用场合受到较大的限制，而仿生的足式移动装置由于其具有更好的机动灵活性、更强的环境适应性，从而具有广阔的应用前景。在过去的足式移动装置研究中，大部分采用基于开链式串联机构的腿部结构，使其具有良好的多自由度可控灵活性。例如，美国BostonDynamics公司的“BigDog”和“LittleDog”，瑞士ETH的“StarlETH”，美国NASA的“Scorpoin”八足星球探测机器人等，都是采用开链多自由度串联机构的腿部结构设计，具有良好的地形适应性，可以通过各种复杂地形。然而，开链式串联机构的关节大都需要伺服驱动系统，驱动性能要求高，同时控制算法复杂、伺服刚度高，并且驱动器需要进行频繁的往复运动，随着腿部摆动频率增加，驱动器频繁正反转切换所带来的冲击和能量损耗大大增加，这就极大的制约了该类足式移动装置的移动速度和移动效率。因此，提高足式移动装置的速度和效率，获得高效能、快速移动的足式移动机构成为当前足式机器人研究的重要发展趋势。
当前，提高足式机器人移动效率的研究存在着多种不同的研究思路。一种是在足式机器人上添加轮式移动装置进行多种移动方式的复合，如哈工大的“HYBTOR”轮腿四足机器人、美国NASA的“ATHLETE”六足机器人，机器人采用足式行走通过坎坷地形环境，同时采用轮式进行平坦地面的快速移动，在移动效率得到一定程度上的提高。然而，足式与轮式移动机构的复合，一方面提高了机构复杂度和成本代价，降低了系统可靠性；另一方面增加了泥淖沼泽、岩石狭缝、杂草和沙漠等复杂地形下的阻力，在一定程度上影响了机器人的地形适应性。而另一种研究思路是通过将腿驱动的往复摆动改换成连续的旋转运动，避免驱动器的频繁正反转切换，从而提高移动速度和效率。BostonDynamics的“RHex”六足机器人采用简单的圆弧形腿，通过圆弧形腿的连续转动实现足式移动，获得了较高的移动效率，在草地、泥沼、乱石等环境中具有良好的适用性，但其实质上放弃了足式机器人的高重心越障功能与腿部灵活动作能力；TheoJansen的“Strandbeests”和美国的“WaterRunner”则采用曲柄驱动的连杆机构作为腿部结构，将曲柄的连续旋转运动转换为腿部的往复摆动，从而实现机器人的高效移动。其中，“Strandbeests”能够使用海风进行海滩步行，“WaterRunner”则可以在水面上快速奔跑。然而，由于只有固定的足端轨迹，单自由度的曲柄连杆机构的腿部结构不具备复杂地形的适应性。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术不足，提供一种基于混合驱动机构的多足移动装置，实现快速、高效的步态摆动，从而实现移动装置的高效行走和奔跑；同时实现灵活的控制，进而实现移动装置对山坡、草地、坑洼等复杂地形的适应性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于混合驱动机构的多足移动装置，由机体1和多个混合驱动腿结构2组成；所述混合驱动腿结构2安装于机体1上，所述每个混合驱动腿结构2包括基座5，主驱动电机6、电机座7、联轴器8、曲柄转轴9、曲柄10、曲柄连杆转轴11、传递连杆12、摇杆转轴13、齿轮箱转轴14、直线驱动单元15、摇杆16、摇杆小腿转轴17和小腿单元18、连杆-丝杠螺母套筒转轴19、连杆小腿转轴20；主驱动电机6安装于电机座7上，电机座7刚性连接于基座5上，曲柄10、直线驱动单元15和摇杆16分别通过曲柄转轴9、齿轮箱转轴和摇杆转轴13安装于基座5上，传递连杆12分别通过曲柄连杆转轴11、连杆-丝杠螺母套筒转轴19和连杆小腿转轴20与曲柄10、直线驱动单元15和小腿单元18连接，摇杆16和小腿单元18通过摇杆小腿转轴17连接。
所述多个混合驱动腿结构2中的每个混合驱动腿结构成矩形安装于机架1上，安装方式为外肘式、内肘式或平行肘式；四足以上的多足移动装置混合驱动腿结构2成横向、纵向、阵列或环形分布于机体上，前后足同时采用外肘式、内肘式或平行肘式分布。
所述直线驱动单元15包括伺服电机21、齿轮箱22、电机齿轮24、齿轮箱盖25、丝杠轴27、丝杠螺母29和丝杠齿轮34；齿轮箱22通过齿轮箱转轴14安装于基座5上，齿轮箱22与齿轮箱盖25通过螺钉26固定，伺服电机21固定与齿轮箱上并通过电机齿轮紧定螺钉23与电机齿轮24固定，电机齿轮24与丝杠齿轮34啮合，丝杠齿轮34通过定位销33与丝杠轴27固定，丝杠轴27通过角接触轴承32被齿轮22和齿轮箱盖25轴向固定，丝杠螺母29通过螺钉28与丝杠螺母套筒30固接，丝杠螺母套筒30通过连杆-丝杠螺母套筒转轴19与传递连杆12铰连，螺母31安装于丝杠轴27的端部对丝杠螺母29限位。
所述小腿单元18包括小腿上部35、缓冲弹簧36、小腿限位杆37、M8螺母38、小腿下部39和足底40；小腿上部35分别通过连杆小腿转轴20和摇杆小腿转轴17与传递连杆12和摇杆16铰接，小腿上部35与小腿下部39通过孔轴配合，能够上下移动，中间为缓冲弹簧36，小腿限位杆37安装于小腿上部35和小腿下部39之间，并两端M8螺母38和足底40安装于小腿下部39底部。
所述足底40由减震材料制成。
本发明的动态工作过程如下：主驱动电机6通过联轴器7将转动传递给曲柄转轴9，曲柄10旋转带动传递连杆12和直线驱动单元15进行摆动，进而带动摇杆和小腿单元进行摆动，小腿底部实现足端闭环运动轨迹；直线驱动单元中伺服电机21驱动电机齿轮24旋转，进而通过丝杠齿轮34驱动丝杠轴27转动，从而驱动丝杠螺母29和丝杠螺母套筒30进行轴向运动，从而对传递连杆12和整个直线驱动单元15的摆动进行调节，实现对足端运动轨迹的实时调节，从而改变多足移动装置的运动步态和进行整个机身的姿态调整，以提高多足移动装置的机动性和地形适应力；足底接触地面的时候，缓冲弹簧36可对冲击力进行缓冲，减少小腿上部受力。
主驱动电机6通过联轴器7将转动传递给曲柄转轴9，曲柄10旋转带动传递连杆12和直线驱动单元15进行摆动，进而带动摇杆和小腿单元进行摆动，小腿底部实现足端运动轨迹；直线驱动单元中伺服电机21驱动电机齿轮24旋转，进而通过丝杠齿轮34驱动丝杠轴27转动，从而驱动丝杠螺母29和丝杠螺母套筒30进行轴向运动，从而对传递连杆12和整个直线驱动单元15的摆动进行调节，实现对足端运动轨迹的实时调节；足底接触地面的时候，缓冲弹簧36对冲击力进行缓冲，减少小腿上部受力。
本发明原理：本发明主要包括混合驱动的腿部结构和移动装置多条腿的拓扑安装；其中混合驱动腿部结构采用多自由度的混合驱动闭链连杆机构，其中一个自由度为单向恒速驱动的曲柄，提供腿部机构的主动力，其余自由度为往复运动的伺服控制自由度，进行腿部机构的伺服调节控制。连杆机构中的连杆端点或外延端作为腿部机构的足端；曲柄由普通的大功率旋转驱动器(包括大功率电机，液压马达，发动机等)进行驱动，进行单向常速旋转，实现整个腿部连杆机构的步态摆动，实现足端行走轨迹；伺服驱动器在足式行进过程中进行伺服驱动，实时调整足端的轨迹，实现复杂地形下的适应性。
移动装置多条腿的拓扑安装主要通过在刚性和柔性的机体上对多个混合驱动腿部结构模块进行不同位置的布置，得到不同的多足移动装置形态，实现不同的行进性能，对不同的地形保持适应性和灵活性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用混合驱动机构作为移动装置的腿部机构，将连续单向转动的大功率普通旋转动力源与高频率响应的随控伺服动力输入进行有效结合：利用主动力源的单向旋转驱动腿部机构实现快速、高效的步态摆动，从而实现移动装置的高效行走和奔跑；同时利用高频伺服驱动调节腿部机构的运动轨迹，实现灵活的控制，进而实现移动装置对山坡、草地、坑洼等复杂地形的适应性。
(2)本发明的混合驱动腿结构采用模块化设计，通过不同的拓扑安装，可实现不同的移动装置构型，获得不同的综合性能。
附图说明
图1为本发明混合驱动机构的结构原理图；
图2为本发明基于混合驱动机构的四足移动装置3种不同拓扑安装；其中a、b、c分别为腿结构的平行肘式、内肘式和外肘式的安装方式图；
图3为基于混合驱动机构的多足移动装置混合驱动腿结构的拓扑安装图；其中a为横向、b为纵向、c为阵列，d为环形的进行腿结构拓扑安装图；
图4a、图4b、图4c分别为本发明一种主驱动器和伺服驱动器皆为直流电机的基于混合驱动的多足移动装置应用实例，其中4a为四足内肘式，4b为六足纵向，4c为八足横向；
图5为本发明中四足移动装置应用实例的腿部机构设计图；
图6为本发明中四足移动装置应用实例直线伺服驱动设计图；
图7为本发明中四足移动装置应用实例小腿单元设计图。
其中图1、图2中单箭头圆弧表示单向恒速旋转驱动，双箭头圆弧和直线表示高频率伺服驱动。图2和图3中粗线条为移动装置的机体。在图4、5、6和7中：1为移动装置机体，2为混合机构腿机构，3为控制系统保护罩，4为激光雷达，5为基座，6为主驱动电机，7为电机座，8为联轴器，9为曲柄转轴，10为曲柄，11为曲柄连杆转轴，12为传递连杆，13为摇杆转轴，14为齿轮箱转轴，15为直线驱动单元，16为摇杆，17为摇杆小腿转轴，18为小腿单元，19为连杆-丝杠螺母套筒转轴，20为连杆小腿转轴，21为伺服电机，22为齿轮箱，23为电机齿轮紧定螺钉，24为电机齿轮，25为齿轮箱盖，26为M3螺钉，27为丝杠轴，28为M5螺钉，29为丝杠螺母，30为丝杠螺母套筒，31为M12螺母，32为角接触轴承,33为直径为4的定位销，34为丝杠齿轮，35为小腿上部，36为缓冲弹簧，37为小腿限位杆，38为M8螺母，39为小腿下部，40为足底。
具体实施方式
如图1所示，混合驱动腿式机构为一个多自由度的曲柄-摇杆机构，其中一个自由度采用单向恒速的旋转驱动(单向箭头圆弧曲线)，其余自由度采用直线伺服驱动或旋转伺服驱动(双向箭头直线或圆弧曲线)；单向旋转驱动通过驱动曲柄高速旋转，实现混合驱动机构做步态摆动，实现机构的快速性和高效性；伺服驱动器在主驱动的基础上对腿部进行调节，进一步调节足端轨迹，使机构具有良好的灵活性，适应不同复杂的地形。如图2和图3所示，黑色粗实线表示移动装置的机体，通过对混合驱动腿部机构的不同拓扑安装，构成不同移动装置形态，利用混合驱动机构正向或者反向的运动，使得移动装置具有不同的快速移动性能；图2为基于混合驱动机构的四足移动装置的3中四条腿拓扑安装，a、b、c分别为腿结构的平行肘式、内肘式和外肘式的安装方式，分别模拟具有不同腿部结构的各种哺乳动物的行走步态；图3表示四足以上的混合驱动腿结构移动装置的拓扑安装(俯视)，图中黑色箭头表示移动装置前进方向，黑色矩形表示混合驱动腿结构俯视结构，多足机构可以采取横向(图3中的a)、纵向(图3中的b)、阵列(图3中的c)或环形(图3中的d)进行腿结构拓扑安装，通过稳定的步态设计，多组腿(每组能够独立保持移动装置稳定)进行交替接触地面进行移动装置的向前移动，基于混合驱动机构的多足移动装置可以获取高效的高速行进速度(主驱动器的单向高速驱动)，同时获得较好的灵活性和复杂地形适应性(伺服驱动器的高频调节)。
图4a表示一种全电机驱动的基于混合驱动机构的多足移动装置的实施方案，其混合驱动腿部结构的伺服驱动自由度为1，采用移动副，位置为图1中间摇杆位置；移动装置主要由机体1和混合驱动腿结构2组成，其中图4a为腿部结构安装采用图2b的拓扑安装的四足移动装置，图4b为腿部机构采取纵向拓扑安装的六足移动装置，图4c为采用横向拓扑安装的八足移动装置,图4b和4c表示六足纵向和八足横向。多足移动装置的范围为4-20，无论奇数还是偶数均可，下面以4a为例进行详细说明，4b和4b具体实施方式与4a相同。
混合驱动腿结构通过基座5移动装置的机体1进行有效减振联接，同时因为腿部结构的模块化设计(如图5所示)，图2a和图2c的四足移动装置构型以及纵向、横向、阵列和环形的多足移动装置能够同时实现。混合驱动腿结构中，曲柄10、直线驱动单元15和摇杆16分别通过曲柄转轴9、齿轮箱转轴14和摇杆转轴13经轴承与基座形成转动副；曲柄10，基座5、传递连杆12和直线驱动单元15构成四杆第一闭链，曲柄10与传递连杆12通过曲柄连杆转轴11经轴承形成转动副，直线驱动单元15和传递连杆12通过连杆-丝杠螺母套筒转轴19形成转动副；基座5、直线驱动单元15、传递连杆12、小腿单元18和摇杆16形成五杆第二闭链，传递连杆12通过连杆小腿转轴20经轴承与小腿单元16形成转动副，摇杆16则由摇杆小腿转轴17与小腿形成转动副。曲柄10高速旋转驱动第一闭链，实现传递连杆12和直线驱动单元15的周期摆动，同时直线驱动单元16进行直线伺服对第一闭链的运动进行伺服调节，微调直线驱动单元15和传递连杆12的摆动；直线驱动单元15和传递连杆12的摆动驱动第二闭链，实现小腿单元18和摇杆16的摆动，小腿通过足底40实现整个混合驱动腿结构的足端轨迹，实现行走和奔跑。
曲柄10由大功率、单向恒速旋转的主电机6进行驱动，主电机6通过电机座7固定安装于基座5上，同时主电机6输出轴的高速、单向恒速旋转通过联轴器8传递给曲柄转轴9，从而驱动曲柄10进行转动；直线驱动单元15(如图6所示)由小功率的伺服驱动电机21进行驱动，伺服驱动电机21通过安装于齿轮箱22上，齿轮箱22通过齿轮箱转轴14与基座5进行转动，电机输出轴伺服转动通过电机齿轮24传递给丝杠齿轮34，经过定位销33驱动丝杠轴27进行运动，同时丝杠轴通过两个角接触球轴承32被齿轮箱22和齿轮箱盖25进行轴向限位和轴向力的传递，丝杠轴27旋转带动与丝杠螺母29固接的丝杠螺母套筒30轴向移动(螺母31对丝杠螺母轴向移动进行限位)，第一闭链形状尺寸发生改变，调节伺服直线驱动单元15和传递连杆12的摆动，进而调节足端轨迹；小腿单元(如图7所示)中小腿上部35和小腿下部39通过孔轴配合形成做直线位移，中间安装缓冲弹簧36，同时通过小腿限位杆37对移动进行导向和限位，小腿下部39通过与减震材料制成的足底40进行固定，当足底接触地面并形成冲击力，足底40将能量吸收之后衰减的冲击力传递给小腿下部39，进而传递给缓冲弹簧36进行能量吸收，小腿上部35收到两次衰弱之后的冲击力，减少地面冲击对驱动器的影响。
当基于混合驱动的多足移动装置在平坦地面上快速步行或奔跑，直线行进无需进行伺服驱动的调节；当进行转弯时，通过伺服驱动调节左右两边腿的足端轨迹，轨迹的高低不一致，从而实现足式的速度差，形成转弯半径进行转弯；当移动装置在复杂地形下慢速行走遇到障碍时，通过伺服驱动器调整各足的足端轨迹，实现移动装置对复杂地面的适应，跨越小型障碍；此外，还可以通过激光雷达4等传感器对大型障碍进行识别，从而转弯绕行规避。
总之，本发明采用混合驱动闭链连杆机构作为移动装置的腿部结构，将单向旋转的普通旋转动力源与高频响应的伺服驱动有机结合，利用主动力源单向旋转驱动腿部机构作步态摆动，实现移动装置的高效快速的行走，同时利用伺服驱动调节腿部机构的运动轨迹，实现运动的灵活控制，实现移动装置对复杂的地形的适应能力以及越障能力。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (5)
1.一种基于混合驱动机构的多足移动装置，其特征在于：它由机体(1)和多个混合驱动腿结构(2)组成；所述混合驱动腿结构(2)安装于机体(1)上，所述每个混合驱动腿结构(2)包括基座(5)，主驱动电机(6)、电机座(7)、联轴器(8)、曲柄转轴(9)、曲柄(10)、曲柄连杆转轴(11)、传递连杆(12)、摇杆转轴(13)、齿轮箱转轴(14)、直线驱动单元(15)、摇杆(16)、摇杆小腿转轴(17)和小腿单元(18)、连杆-丝杠螺母套筒转轴(19)、连杆小腿转轴(20)；主驱动电机(6)安装于电机座(7)上，电机座(7)刚性连接于基座(5)上，曲柄(10)、直线驱动单元(15)和摇杆(16)分别通过曲柄转轴(9)、齿轮箱转轴和摇杆转轴(13)安装于基座(5)上，传递连杆(12)分别通过曲柄连杆转轴(11)、连杆-丝杠螺母套筒转轴(19)和连杆小腿转轴(20)与曲柄(10)、直线驱动单元(15)和小腿单元(18)连接，摇杆(16)和小腿单元(18)通过摇杆小腿转轴(17)连接。
2.根据权利要求1所述的基于混合驱动机构的多足移动装置，其特征在于：所述多个混合驱动腿结构(2)中的每个混合驱动腿结构成矩形安装于机体(1)上，安装方式为外肘式、内肘式或平行肘式；四足以上的多足移动装置混合驱动腿结构(2)成横向、纵向、阵列或环形分布于机体上，前后足同时采用外肘式、内肘式或平行肘式分布。
3.根据权利要求1所述的基于混合驱动机构的多足移动装置，其特征在于：所述直线驱动单元(15)包括伺服电机(21)、齿轮箱(22)、电机齿轮(24)、齿轮箱盖(25)、丝杠轴(27)、丝杠螺母(29)和丝杠齿轮(34)；齿轮箱(22)通过齿轮箱转轴(14)安装于基座(5)上，齿轮箱(22)与齿轮箱盖(25)通过螺钉(26)固定，伺服电机(21)固定与齿轮箱上并通过电机齿轮紧定螺钉(23)与电机齿轮(24)固定，电机齿轮(24)与丝杠齿轮(34)啮合，丝杠齿轮(34)通过定位销(33)与丝杠轴(27)固定，丝杠轴(27)通过角接触轴承(32)被齿轮箱(22)和齿轮箱盖(25)轴向固定，丝杠螺母(29)通过螺钉(28)与丝杠螺母套筒(30)固接，丝杠螺母套筒(30)通过连杆-丝杠螺母套筒转轴(19)与传递连杆(12)铰连，螺母(31)安装于丝杠轴(27)的端部对丝杠螺母(29)限位。
4.根据权利要求1所述的基于混合驱动机构的多足移动装置，其特征在于：所述小腿单元(18)包括小腿上部(35)、缓冲弹簧(36)、小腿限位杆(37)、M8螺母(38)、小腿下部(39)和足底(40)；小腿上部(35)分别通过连杆小腿转轴(20)和摇杆小腿转轴(17)与传递连杆(12)和摇杆(16)铰接，小腿上部(35)与小腿下部(39)通过孔轴配合，能够上下移动，中间为缓冲弹簧(36)，小腿限位杆(37)安装于小腿上部(35)和小腿下部(39)之间，并两端M8螺母(38)和足底(40)安装于小腿下部(39)底部。
5.根据权利要求4所述的基于混合驱动机构的多足移动装置，其特征在于：所述足底(40)由减震材料制成。
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