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CN109531558B - 单动力移动五杆机器人 - Google Patents

单动力移动五杆机器人 Download PDF

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CN109531558B
CN109531558B CN201811445237.5A CN201811445237A CN109531558B CN 109531558 B CN109531558 B CN 109531558B CN 201811445237 A CN201811445237 A CN 201811445237A CN 109531558 B CN109531558 B CN 109531558B
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刘超
王子谦
谭稀岑
吴墉
王森
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Beijing Jiaotong University
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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  • Manipulator (AREA)
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Abstract

一种单动力移动五杆机器人，该机器人以空间五杆机构为基础，单动力移动五杆机构为空间单闭链连杆机构，由连接支撑杆(1)、第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)、第一类半球(4)、第二类半球(5)、电机(6)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)、长支撑杆(9)、第一电机夹板(10)、第二电机夹板(11)、U形夹板支撑座(12)、导轨滑块(13)、尾部支撑杆(14)、第一辅助杆(15)、第二辅助杆(16)、鱼眼轴承(17)、螺纹连接套筒(18)组成。通过控制电机的正反转控制机器人的移动和转向，在教育、娱乐、军事等领域将得到很好的应用。

Description

单动力移动五杆机器人
技术领域
本发明涉及一种单动力移动五杆机器人，具体涉及一种以空间五杆机构为基础的，通过利用驱动电机的正反转驱动机构前行及转向的单动力移动五杆机器人。
背景技术
从机构学的自由度角度考察一个地面移动装置,若欲实现移动和转向,至少需要两个自由度,即至少需要两个动力机来进行驱动和控制。若可实现用一个动力机即可实现移动功能和转向控制的地面移动装置，则必将极大简化移动装置的结构复杂度,并可有效降低控制的难度。
中国专利CN104477270B公开了“一种单动力移动六杆机器人”该机器人以空间六杆机构为基础，通过动力机驱动部件的翻转和摇摆动作来实现机构的整体平移和转向。
发明内容
本发明要解决的技术问题：一般来说，单自由度机构只能实现移动，而不能实现转向。
单动力移动五杆机器人包括：连接支撑杆、第一短支撑杆、第二短支撑杆、第一类半球、第二类半球、电机、第三短支撑杆、第四短支撑杆、长支撑杆、第一电机夹板、第二电机夹板、U形夹板支撑座、导轨滑块、尾部支撑杆、第一辅助杆、第二辅助杆、螺纹连接套筒、鱼眼轴承。
构成机构的零件结构：
所述的连接支撑杆为截面为正方形的杆件，并在一端设有螺纹连接孔。
所述的第一短支撑杆，长支撑杆为截面为正方形的杆件，长支撑杆的长度长于短支撑杆，并在一端设有圆顶；第二短支撑杆、第三短支撑杆、第四短支撑杆与第一短支撑杆的结构和外形尺寸相同。
所述的第一类半球是根据一个半球形结构沿其平面法线方向切割一定厚度得到的；在第一类半球的平面上设有安装和固定电机的D形槽，在球面上设有三个正交的方形槽；第二类半球与第一类半球的结构和外形尺寸相同。
所述的第一电机夹板一端设有用于安装电机输出轴的轴孔和用于螺栓连接的四个通孔,另一端设有用于与U形夹板支撑座进行螺栓连接的四个通孔；第二电机夹板与第一电机夹板的结构和外形尺寸相同。
所述的U形夹板支撑座是一个U型结构,其中两侧面分别设有用于与第一电机夹板和第二电机夹板的四个通孔，底面设有用于与导轨滑块进行螺栓连接的通孔。
所述的尾部支撑杆为整体呈十字形结构，其中竖直方向两端设有圆顶；水平方向两端为向十字形外侧倾斜的斜面，并在其中一端的斜面上设有螺纹孔；十字形内侧表面上设有安装导轨滑块的螺纹孔。
所述的第一辅助杆为一个空心方管，一端的表面一侧设有通孔。
所述的第二辅助杆为一个截面为正方形的杆件，一端设有与鱼眼轴承连接的螺纹孔。
构成机构的零件连接方式：
电机两侧输出轴安装在第一电机夹板、第二电机夹板用于安装电机输出轴的轴孔中，并通过第一电机夹板和第二电机夹板的四个安装孔用螺栓进行固定，再分别与第一类半球、第二类半球截面上的D形槽以过盈配合进行安装；将长支撑杆及第一短支撑杆、第二短支撑杆分别与第一类半球的方形槽以过盈配合进行安装，将连接支撑杆及第三短支撑杆、第四短支撑杆与第二类半球的方形槽以过盈配合进行安装，并保证分别安装在第一类半球上的长支撑杆、第一短支撑杆、第二短支撑杆与第二类半球上的连接支撑杆、第三短支撑杆、第四短支撑杆对应共线；第一电机夹板和第二电机夹板另一端的四个通孔分别与U形夹板支撑座两侧面的通孔通过螺栓连接；U形夹板支撑座底面通孔与导轨滑块的滑块上的螺纹孔通过螺栓连接；导轨滑块的滑轨上的通孔与尾部支撑杆的螺纹孔通过螺栓连接；第一辅助杆与尾部支撑杆水平方向一端螺纹孔通过螺栓连接，构成转动副，第一辅助杆可以绕螺栓轴线平滑转动；将第二辅助杆与第一辅助杆间隙配合进行连接，组成移动副；第二辅助杆和鱼眼轴承通过螺杆连接固定；将螺纹连接套筒与鱼眼轴承内表面进行粘连并与连接支撑杆通过长螺栓连接，构成球面运动副。
长支撑杆、第一短支撑杆和第二短支撑杆与连接支撑杆、第三短支撑杆和第四短支撑杆接触地面，呈等腰三角形，通过此结构机器人进行移动和转向；尾部支撑杆进行翻滚和摇摆运动，主要起支撑作用。
电机应采用双侧输出轴电机。
本发明的有益效果：本发明所述的单动力五杆机器人为单自由度机构，通过利用驱动电机的正反转驱动机构前行及转向。该机构结构简单，易于制造和加工。在民用领域，为中小学生提供了对移动机构认识的机会，可用于制作玩具、教学教具，在军用领域，也可进一步设计，改造为军用探测机器人。
附图说明
图1单动力移动五杆机器人装配原理图
图2连接支撑杆结构图
图3第二短支撑杆结构图
图4第一类半球结构图
图5第一电机夹板结构图
图6U形夹板支撑座结构图
图7尾部支撑杆结构图
图8第一辅助杆结构图
图9第二辅助杆结构图
图10螺纹连接套筒和鱼眼轴承装配原理图
图11移动五杆机器人前行状态下的移动动作示意图
图12移动五杆机器人进行转向步态一的动作示意图
图13移动五杆机器人进行转向步态二的动作示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，单动力移动五杆机器人为单闭链机构，包括：连接支撑杆(1)、第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)、第一类半球(4)、第二类半球(5)、电机(6)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)、长支撑杆(9)、第一电机夹板(10)、第二电机夹板(11)、U形夹板支撑座(12)、导轨滑块(13)、尾部支撑杆(14)、第一辅助杆(15)、第二辅助杆(16)、鱼眼轴承(17)、螺纹连接套筒(18)。
如图2所示，连接支撑杆(1)为截面为正方形的杆件，并在一端设有螺纹连接孔(1-1)。
如图3所示，第一短支撑杆(2)，长支撑杆(9)为截面为正方形的杆件，长支撑杆的长度长于短支撑杆，并在一端设有圆顶；第二短支撑杆(3)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)与第一短支撑杆(2)的结构和外形尺寸相同。
如图4所示，第一类半球(4)是根据一个半球形结构沿其平面法线方向切割一定厚度得到的；在第一类半球(4)的平面上设有安装和固定电机的D形槽(4-1)，在球面上设有三个正交的方形槽；第二类半球(5)与第一类半球(4)的结构和外形尺寸相同。
如图5所示，第一电机夹板(10)一端设有用于安装电机(6)输出轴的轴孔和用于螺栓连接的四个通孔，另一端设有用于与U形夹板支撑座(12)进行螺栓连接的四个通孔；第二电机夹板(11)与第一电机夹板(10)的结构和外形尺寸相同。
如图6所示，U形夹板支撑座(12)是一个U型结构,其中两侧面分别设有用于与第一电机夹板(10)和第二电机夹板(11)的四个通孔(12-1、12-2)，底面设有用于与导轨滑块(13)进行螺栓连接的通孔(12-3)。
如图7所示，尾部支撑杆(14)为整体呈十字形结构，其中竖直方向两端设有圆顶；水平方向两端为向十字形外侧倾斜的斜面，并在其中一端斜面上设有螺纹孔(14-1)；十字形内侧表面上设有安装导轨滑块(13)的螺纹孔(14-2)。
如图8所示，第一辅助杆(15)为一个空心方管，一端的表面一侧设有通孔(15-1)。
如图9所示，第二辅助杆(16)为一个截面为正方形的杆件，一端设有与鱼眼轴承(17)连接的螺纹孔(16-1)。
如图1所示，电机(6)两侧输出轴安装在第一电机夹板(10)、第二电机夹板(11)用于安装电机(6)输出轴的轴孔中，并通过第一电机夹板(10)和第二电机夹板(11)的四个安装孔用螺栓进行固定，再分别与第一类半球(4)、第二类半球(5)截面上的D形槽(4-1)以过盈配合进行安装；将长支撑杆(9)及第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)分别与第一类半球(4)的方形槽以过盈配合进行安装，将连接支撑杆(1)及第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)与第二类半球(5)的方形槽以过盈配合进行安装，并保证分别安装在第一类半球(4)上的长支撑杆(9)、第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)与第二类半球(5)上的连接支撑杆(1)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)对应共线；第一电机夹板(10)和第二电机夹板(11)另一端的四个通孔分别与U形夹板支撑座(12)两侧面的通孔(12-1、12-2)通过螺栓连接；U形夹板支撑座(12)底面通孔(12-3)与导轨滑块(13)的滑块上的螺纹孔通过螺栓连接；导轨滑块(13)的滑轨上的通孔与尾部支撑杆(14)的螺纹孔(14-1)通过螺栓连接；第一辅助杆(15)与尾部支撑杆(14)水平方向一端螺纹孔(14-2)通过螺栓连接，构成转动副，第一辅助杆(15)可以绕螺栓轴线平滑转动；将第二辅助杆(16)与第一辅助杆(15)间隙配合进行连接，组成移动副；第二辅助杆(16)和鱼眼轴承(17)通过螺杆连接固定；如图10所示将螺纹连接套筒(18)与鱼眼轴承(17)内表面进行粘连并与连接支撑杆(1)通过长螺栓连接，构成球面运动副。
具体的使用方法：
单动力移动机器人可以实现地面前行和转向。图11所描述的是机器人前行状态下一个周期的移动动作图11(a)-(f)，图11(a)为机器人的初始状态，机器人在驱动电机的驱动下，类半球上的支撑杆交替触地，组成三角形支撑区域，在驱动电机的不断驱动下，分别沿三角形支撑区域的一个边向前翻转，促使机器人不断前行，整个前行过程中尾部支撑杆始终与地面接触，进行滑行运动，一个周期机器人共需要完成六步。
单动力移动五杆机器人可以实现转向动作。其转向动作有两种：转向方式一和转向方式二。
图12所示为机器人进行转向步态一的动作示意图。机器人首先在电机正向驱动下到达图12(a)状态下，此时电机反向驱动，尾部支撑杆在电机的驱动下在空间翻转，当到达如图12(b)所示的状态下，机器人发生倾倒，支撑三角形区域发生变化，电机保持转动反向不变继续驱动，整个机器人只有三个支撑点，在如图12(e)位置时，尾部支撑杆触地，随后机器人状态如图12(f)所示，最终到达如图12(g)所示。
图13所示为机器人进行转向步态二的动作示意图。机器人首先在电机正向驱动下到达图13(a)状态下，该状态与转向步态一图12(a)的状态相同，此时电机反向驱动，尾部支撑杆在电机的驱动下在空间翻转，当到达如图13(b)所示的状态下，机器人发生倾倒，支撑三角形区域发生变化，此时电机再次反转，整个机器人只有三个支撑点，在如图13(e)位置时，尾部支撑杆触地，随后机器人状态如图13(f)所示，最终到达如图13(g)所示。

Claims (3)

1.一种单动力移动五杆机器人，其特征在于:一种单动力移动五杆机器人为单闭链机构，包括：连接支撑杆(1)、第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)、第一类半球(4)、第二类半球(5)、电机(6)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)、长支撑杆(9)、第一电机夹板(10)、第二电机夹板(11)、U形夹板支撑座(12)、导轨滑块(13)、尾部支撑杆(14)、第一辅助杆(15)、第二辅助杆(16)、鱼眼轴承(17)、螺纹连接套筒(18)；
所述的连接支撑杆(1)为截面为正方形的杆件，并在一端设有螺纹连接孔(1-1)；
所述的第一短支撑杆(2)，长支撑杆(9)为截面为正方形的杆件，长支撑杆的长度长于短支撑杆，并在一端设有圆顶；第二短支撑杆(3)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)与第一短支撑杆(2)的结构和外形尺寸相同；
所述的第一类半球(4)是根据一个半球形结构沿其平面法线方向切割一定厚度得到的；在第一类半球(4)的平面上设有安装和固定电机的D形槽(4-1)，在球面上设有三个正交的方形槽；第二类半球(5)与第一类半球(4)的结构和外形尺寸相同；
所述的第一电机夹板(10)一端设有用于安装电机(6)输出轴的轴孔和用于螺栓连接的四个通孔,另一端设有用于与U形夹板支撑座(12)进行螺栓连接的四个通孔；第二电机夹板(11)与第一电机夹板(10)的结构和外形尺寸相同；
所述的U形夹板支撑座(12)是一个U型结构,其中两侧面分别设有用于与第一电机夹板(10)和第二电机夹板(11)的四个通孔(12-1、12-2)，底面设有用于与导轨滑块(13)进行螺栓连接的通孔(12-3)；
所述的尾部支撑杆(14)为整体呈十字形结构，其中竖直方向两端设有圆顶；水平方向两端为向十字形外侧倾斜的斜面，并在其中一端斜面上设有螺纹孔(14-2)；十字形内侧表面上设有安装导轨滑块(13)的螺纹孔(14-1)；
所述的第一辅助杆(15)为一个空心方管，一端的表面一侧设有通孔(15-1)；
所述的第二辅助杆(16)为一个截面为正方形的杆件，一端设有与鱼眼轴承(17)连接的螺纹孔(16-1)；
电机(6)两侧输出轴安装在第一电机夹板(10)、第二电机夹板(11)用于安装电机(6)输出轴的轴孔中，并通过第一电机夹板(10)和第二电机夹板(11)的四个安装孔用螺栓进行固定，再分别与第一类半球(4)、第二类半球(5)截面上的D形槽(4-1)以过盈配合进行安装；将长支撑杆(9)及第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)分别与第一类半球(4)的方形槽以过盈配合进行安装，将连接支撑杆(1)及第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)与第二类半球(5)的方形槽以过盈配合进行安装，并保证分别安装在第一类半球(4)上的长支撑杆(9)、第一短支撑杆(2)、第二短支撑杆(3)与第二类半球(5)上的连接支撑杆(1)、第三短支撑杆(7)、第四短支撑杆(8)对应共线；第一电机夹板(10)和第二电机夹板(11)另一端的四个通孔分别与U形夹板支撑座(12)两侧面的通孔(12-1、12-2)通过螺栓连接；U形夹板支撑座(12)底面通孔(12-3)与导轨滑块(13)的滑块上的螺纹孔通过螺栓连接；导轨滑块(13)的滑轨上的通孔与尾部支撑杆(14)的螺纹孔(14-1)通过螺栓连接；第一辅助杆(15)与尾部支撑杆(14)水平方向一端螺纹孔(14-2)通过螺栓连接，构成转动副，第一辅助杆(15)可以绕螺栓轴线平滑转动；将第二辅助杆(16)与第一辅助杆(15)间隙配合进行连接，组成移动副；第二辅助杆(16)和鱼眼轴承(17)通过螺杆连接固定；将螺纹连接套筒(18)与鱼眼轴承(17)内表面进行粘连并与连接支撑杆(1)通过长螺栓连接，构成球面运动副。
2.如权利要求1所述的单动力移动五杆机器人，其特征在于：长支撑杆(9)、第一短支撑杆(2)和第二短支撑杆(3)与连接支撑杆(1)、第三短支撑杆(7)和第四短支撑杆(8)接触地面，呈等腰三角形，通过此结构机器人进行移动和转向；尾部支撑杆(14)进行翻滚和摇摆运动，主要起支撑作用。
3.如权利要求1所述的单动力移动五杆机器人，其特征在于：所述的电机(6)应采用双侧输出轴电机。
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