CN107253498B - 一种足式机器人腿部结构及具有其的足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，公开了一种足式机器人腿部结构。该结构包括：曲柄摇杆机构，该曲柄摇杆机构的摇杆连接有驱动装置并由所述驱动装置驱动转动，该曲柄摇杆机构的曲柄连接有运动足，并带动运动足摆动。本发明还公开了一种具有上述足式机器人腿部结构的足式机器人。本发明通过将曲柄摇杆机构与驱动装置相配合来实现机器人腿部的运动控制。该机构与现有技术相比，克服了液压缸伸缩量及输入部件运动性能对机器人腿部运动性能的限制，提高了腿部的运动速度，扩大了腿部的运动空间。本发明结构简单、运动原理清晰、运动实现方便。

Description

一种足式机器人腿部结构及具有其的足式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术应用领域，具体涉及一种足式机器人腿部结构及具有其的足式机器人。

背景技术

足式机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体。足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景，因此被广泛应用于抢险救灾、排雷排爆、地址勘探、娱乐及民用等领域。机器人的腿部是机器人的重要组成部分，对足式机器人运动起着非常重要的作用。因此要使足式机器人能够更好的工作，腿部的设计尤为重要。

目前液压缸直线驱动的足式机器人常常单独采用伸缩四杆机构或者将伸缩四杆机构与平行四边形机构耦合。现有足式机器人的腿部(从动件)往往存在驱动力足够而运动速度不足的问题，其运动速度受到输入杆(主动件)运动速度的限制。而且现有足式机器人腿部的运动空间完全取决于液压缸的伸缩量，而液压缸的伸缩量又取决于液压缸的设计，液压缸的设计常常需要综合考虑重量、结构空间等因素，过大功率的液压缸不满足足式机器人机构轻巧的客观要求，因此现有设计中液压缸的伸缩量有限，这就导致足式机器人的腿部运动空间不足，也就使得足式机器人的越障能力、重心调整能力以及每一步步长受到影响。

因此，如何在保持液压系统不变并且满足负载要求的情况下，设计一种腿部的运动速度较大且运动空间大的足式机器人，是目前要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种足式机器人腿部结构及具有其的足式机器人，该结构能够实现在同等功率的液压驱动条件下，机器人腿部运动速度的增大和运动空间的扩大。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种机器人腿部结构，包括曲柄摇杆机构，所述曲柄摇杆机构的摇杆连接有驱动装置并由所述驱动装置驱动转动，所述曲柄摇杆机构的曲柄连接有运动足，并带动所述运动足摆动。

通过驱动装置驱动摇杆转动，曲柄摇杆机构的曲柄则在摇杆的带动下带动运动足摆动。在曲柄摇杆机构中，当摇杆作为主动件，曲柄作为输出件时，输出件的角速度大于主动件的角速度。这样，就在主动件的运动空间有限的情况下，通过曲柄摇杆机构的放大作用实现了腿部运动速度的加快和运动空间的扩大。

作为优选，所述曲柄在所述曲柄摇杆机构两个运动死点位置之间运动。以避免足式机器人的腿部在运动过程中卡死现象的发生。

作为优选，所述摇杆与所述曲柄铰接于机架上，且两铰接点间最短连线的长度为所述曲柄摇杆机构中的最大长度，曲柄的长度为所述曲柄摇杆机构中的最小长度，所述最大长度与最小长度之和小于所述曲柄摇杆机构的摇杆长度与所述曲柄摇杆机构的连杆长度之和。可以保证所述曲柄的运动范围落在两个死点位置之间，进而避免足式机器人的腿部在运动过程中卡死现象的发生。

作为优选，所述机架上还铰接有驱动杆，所述驱动杆一端与所述驱动装置连接，所述机架、驱动杆、驱动装置在及摇杆组成伸缩四连杆机构。该伸缩四连杆机构与曲柄摇杆机构耦合作用共同实现运动足速度的增大和运动空间的扩大。

作为优选，所述曲柄摇杆机构的摇杆与所述曲柄摇杆机构的连杆铰接于第一铰接点，所述驱动装置的输出端与所述摇杆铰接于该第一铰接点。上述结构的设置可以提供给所述曲柄摇杆机构的摇杆以最大的驱动力矩。

作为优选，所述驱动装置为曲柄滑块机构、凸轮机构、螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构、液压缸驱动装置、气压缸驱动装置或丝杠直线移动装置。

作为优选，所述曲柄摇杆机构的曲柄、摇杆、连杆与所述曲柄摇杆机构中的最大长度的长度比为1：1.75：2：2.5。

作为优选，所述曲柄摇杆机构的曲柄和所述运动足一体成型。

作为优选，所述机器人腿部结构还包括铰接于所述运动足一端的第二运动足，所述运动足与第二运动足之间通过第二驱动装置以及第二曲柄摇杆机构驱动连接，且所述第二驱动装置驱动连接于所述第二曲柄摇杆机构的摇杆，第二曲柄摇杆机构的曲柄铰接于第二运动足。所述第二驱动装置以及第二曲柄摇杆机构的工作原理与上述驱动装置及曲柄摇杆机构的工作原理相同，可实现对第二运动足运动速度的增大和运动空间的扩大。

作为优选，所述曲柄摇杆机构的曲柄和所述运动足通过焊接或者紧固件固定连接。

本发明还提供一种足式机器人，包括如上所述的机器人腿部结构。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：本发明通过将曲柄连杆机构和驱动装置相配合，克服了液压缸伸缩量及输入部件运动性能对机器人腿部运动性能的限制，使得在同等功率的液压驱动条件下，足式机器人腿部运动速度的增大和运动空间的扩大。本发明结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，为机构轻巧、运动高效的足式机器人腿部结构设计提供了优化方式。

附图说明

图1是本发明实施例一足式机器人腿部结构的结构示意图；

图2是本发明所述曲柄摇杆机构的工作原理图；

图3是本发明所述运动足处于不同位置时，其角速度与所述摇杆角速度的比值图；

图4是本发明所述曲柄与所述摇杆的转动角度随驱动装置运动时间变化曲线图；

图5是本发明所述运动足的转动角度与所述摇杆的转动角度关系曲线图；

图6是本发明实施例二的足式机器人腿部结构示意图。

图中：

1、机架；2、驱动装置；3、摇杆；4、连杆；5、曲柄；6、驱动杆；7、第一铰接点；8、第二铰接点；9、第三铰接点；10、第四铰接点；11、运动足；12、第五铰接点；13、第一夹角；14、第二夹角；15、曲柄运动角；16、第一运动足；17、第二运动足。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

本实施例提供了一种足式机器人腿部结构，如图1所示，该结构包括曲柄摇杆机构，该曲柄摇杆机构的摇杆3连接有驱动其转动的驱动装置2，该曲柄摇杆机构的曲柄5连接有运动足11，并带动所述运动足11摆动。

曲柄摇杆机构包括机架1、摇杆3、连杆4及曲柄5，其中摇杆3自由端与连杆4铰接于第一铰接点7，摇杆3固定端与机架1铰接于第二铰接点8；曲柄5固定端与机架1铰接于第三铰接点9，曲柄5自由端与连杆4铰接于第四铰接点10。驱动装置2一端与机架铰接于第五铰接点12，另一端铰接于摇杆3上。工作时驱动装置2驱动摇杆3转动，又通过曲柄摇杆机构的曲柄5带动运动足11摆动。在曲柄摇杆机构中，当摇杆3作为主动件，曲柄5作为输出件时，输出件的角速度大于主动件的角速度。这样，就在主动件的运动空间有限的情况下，通过曲柄摇杆机构的放大作用实现了腿部运动速度的加快和运动空间的扩大。

可以理解的是，所述驱动装置2可以是曲柄滑块机构、凸轮机构、螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构、气压缸驱动装置或丝杠直线移动装置。

本实施例中，所述曲柄5和所述运动足11一体成型。所述第二铰接点8与第三铰接点9之间最短连线的长度为所述曲柄摇杆机构中的最大长度，曲柄5的长度为所述曲柄摇杆机构中的最小长度，所述最大长度与最小长度之和小于所述曲柄摇杆机构的摇杆3长度与所述曲柄摇杆机构的连杆4长度之和。以此保证所述曲柄的运动范围落在两个死点位置之间，进而避免足式机器人的腿部在运动过程中卡死现象的发生。另外，所述曲柄摇杆机构的曲柄5和所述运动足11还可以通过焊接或者紧固件固定连接。

本实施例中，上述第二铰接点8与第三铰接点9在机架1上的相对位置、摇杆3、连杆4和曲柄5的长度尺寸可以进行不同组合，能够得到运动足11的不同运动性能，实际应用中可调整优化上述尺寸大小，以满足实际工况下机器人腿部的性能要求。

如图2所示为所述曲柄摇杆机构工作原理图，当摇杆3为主动件曲柄5为从动件时，曲柄摇杆机构运动过程中存在两个特殊时刻，这两个时刻对应的位置即死点位置，如图2中虚线所示。所述曲柄5在上述两个特殊时刻所处的位置之间形成的夹角分别为第一夹角13和第二夹角14，其中，第一夹角13大于第二夹角14。保持上述其余长度不变，仅调整第二铰接点8和第三铰接点9在机架1上的位置，使曲柄5的运动范围即曲柄运动角15位于第一夹角13内部且不包含两个端点位置。通过上述曲柄运动角15的设置，不仅可以避免足式机器人腿部在运动过程中卡死现象的发生，还可以使其在同等驱动条件下具有较大的运动空间。

本实施例中，所述曲柄摇杆机构的摇杆3与连杆4铰接于第一铰接点7，所述驱动装置2的输出端与所述摇杆3铰接于第一铰接点7。这种铰接方式可以提供给所述曲柄摇杆机构的摇杆3以最大的驱动力矩，保证运动的高效性。可以理解的是，驱动装置2的输出端还可以连接在摇杆3上的其他非铰接点位置。

本实施例中，所述机架上还铰接有驱动杆6，所述驱动杆6一端与所述驱动装置2连接，所述机架1、驱动杆6、驱动装置2及摇杆3组成伸缩四连杆机构。该伸缩四连杆机构与曲柄摇杆机构相耦合共同实现运动足11速度的增大和运动空间的扩大。上述驱动装置2可以是液压缸驱动装置、气压缸驱动装置或丝杠直线移动装置，本实施例中选用液压缸驱动装置，具有往返直线移动能力。

本实施例中，所述曲柄摇杆机构的曲柄5、摇杆3、连杆4与所述曲柄摇杆机构中的最大长度的长度比设置为1：1.75：2：2.5，所述曲柄运动角15设置为160°。在该条件下进行运动仿真，所述运动足11处于不同位置时运动足11角速度与摇杆3角速度之比如图3所示。图中横坐标为所述运动足11与机架1的夹角θ，纵坐标为所述运动足11与摇杆3的角速度比值λ。由图可知，所述运动足11的角速度至少是摇杆3角速度的两倍。而现有机构中，运动足11与摇杆3的角速度相同。因此该机构实现了腿部运动速度的增大。且在图3所示的主要运动区间，即40°到120°之间，运动足11与摇杆3的角速度比值λ的变化较为平缓，说明通过本实施例的上述结构能够在增大腿部运动速度的同时保证腿部运动的均匀性。如图4所示为液压缸2从起始位置做匀速直线运动到终点位置的过程中，所述曲柄5与摇杆3的转动角度变化曲线，其中横坐标为液压缸2匀速运动的时间t，纵坐标为所述曲柄5和摇杆3的转动角度ω。由图4可知，在工作过程中所述曲柄5的转动角度明显大于摇杆3的转动角度，即所述运动足11的运动空间明显大于摇杆3的运动空间。如图5所示为所述摇杆3从起始位置转动到终点位置时，所述运动足11的转动角度变化曲线，其中横坐标为所述摇杆3的转动角度α，纵坐标为所述运动足11的转动角度β。由图5可知，当摇杆3的转动的角度α约为60°时，运动足11的转动角度β约为160°。而现有机构中，运动足11与摇杆3的转动角度相近。因此该机构实现了腿部运动空间的扩大。

本实施例还提供一种一种足式机器人，包括如上所述的机器人腿部结构，能够使得其腿部运动空间加大，且运动速度得到了提高。

实施例二：

如图6所示，实施例二提供了一种足式机器人腿部结构，该结构与实施例一的足式机器人腿部结构基本相同，其区别之处在于：本实施例在实施例一的基础上增加了第二运动足17，即，在运动足11一端铰接有第二运动足17，所述运动足11与第二运动足17之间通过第二驱动装置以及第二曲柄摇杆机构驱动连接，且所述第二驱动装置驱动连接于所述第二曲柄摇杆机构的摇杆，第二曲柄摇杆机构的曲柄铰接于第二运动足17。本实施例中，上述第二驱动装置以及第二曲柄摇杆机构的结构与实施例一种的驱动装置2以及曲柄摇杆机构的结构相同，在此不再赘述。

具体的，本实施例中将所述曲柄5和运动足11一体成型作为第一运动足16，且所述第一运动足16作为第二运动足17的机架，第一运动足16和第二运动足17通过第二驱动装置以及第二曲柄摇杆机构连接在一起，来实现对第二运动足17的运动控制。本实施例通过设置第二运动足，能够进一步增加终端运动足的运动速度和运动空间。

本实施例的上述腿部结构，还能够进一步增加其他运动足，每两个运动足之间均配备一套曲柄摇杆机构以及驱动装置，该曲柄摇杆机构连接关系以及原理与实施例一相同。

本实施例还提供一种足式机器人，包括如上所述的机器人腿部结构。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人腿部结构，其特征在于，包括：曲柄摇杆机构，所述曲柄摇杆机构的摇杆(3)连接有驱动装置(2)并由所述驱动装置(2)驱动转动，所述曲柄摇杆机构的曲柄(5)连接有运动足(11)，并带动所述运动足(11)摆动；所述曲柄(5)在所述曲柄摇杆机构两个运动死点位置之间运动，且所述曲柄(5)的运动范围位于两个所述运动死点之间形成的较大的夹角内部；

所述摇杆(3)与所述曲柄(5)铰接于机架(1)上，且两铰接点间最短连线的长度为所述曲柄摇杆机构中的最大长度，曲柄(5)的长度为所述曲柄摇杆机构中的最小长度，所述最大长度与最小长度之和小于所述曲柄摇杆机构的摇杆(3)长度与所述曲柄摇杆机构的连杆(4)长度之和。

2.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述机架(1)上还铰接有驱动杆(6)，所述驱动杆(6)一端与所述驱动装置(2)连接，所述机架(1)、驱动杆(6)、驱动装置(2)及摇杆(3)组成伸缩四连杆机构。

3.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述曲柄摇杆机构的摇杆(3)与所述曲柄摇杆机构的连杆(4)铰接于第一铰接点(7)，所述驱动装置(2)的输出端与所述摇杆(3)铰接于第一铰接点(7)。

4.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述驱动装置(2)为曲柄滑块机构、凸轮机构、螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构、液压缸驱动装置、气压缸驱动装置或丝杠直线移动装置。

5.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述曲柄摇杆机构的曲柄(5)、摇杆(3)、连杆(4)与所述曲柄摇杆机构中的最大长度的长度比为1：1.75：2：2.5。

6.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，所述曲柄摇杆机构的曲柄(5)和所述运动足(11)一体成型。

7.根据权利要求1所述的机器人腿部结构，其特征在于，还包括铰接于运动足(11)一端的第二运动足(17)，所述运动足(11)与第二运动足(17)之间通过第二驱动装置以及第二曲柄摇杆机构驱动连接，且所述第二驱动装置驱动连接于所述第二曲柄摇杆机构的摇杆，第二曲柄摇杆机构的曲柄铰接于第二运动足(17)。

8.一种足式机器人，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的机器人腿部结构。