CN110294043A - 一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构 - Google Patents

Abstract

一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，包括机体、髋关节和支腿；两个机体并排固定连接形成机体主体，机体主体的两端分别设置有髋关节，每个髋关节的下方均连接有支腿；本发明包括机体部分、髋关节部分、支腿三部分，通过六支杆的运动可得到髋关节的各向平动、俯仰和横摆，提升了串联腿部的工作空间和关节灵活性。髋关节结构采用大小腿双电机通过大腿行星架实现同轴结构，从而当腿部运动时可提高大腿和小腿摆转的转动精度，同时可提升行走的平稳性。

Description

一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，特别涉及一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构。

背景技术

随着科技的日益发展，足式机器人的应用也越来越多，人们对于其工作性能的要求也越来越高。在精密制造业领域，很多工作不仅需要机器人有灵巧的双手，更加需要机器人具有灵活且运动精确的双臂/腿。然而，串联结构的机械臂/腿虽然结构简单，控制方便，但是刚度小。并联机器人刚度大，载重自重比大，可高速运动，但是控制复杂，工作空间小且易干涉。这些问题都使得机器人在工作过程中动作僵硬、可达位置受机构自由度限制，难以完成精细化操作，更难以发挥出机器人本应具有的力量大且可精密操控的能力。

基于此，有必要提供一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，以解决上述问题。

现有的四足机器人的腿部机械结构几乎都为串联机构组成。这种串联结构简单，控制建模容易，但有以下几个方面的限制：①驱动器多安装在腿部，使得下级驱动器成为上级驱动器的负载，驱动能力要求高；②机器人刚度较小，较难承受重复性的高承载任务。国内外对混联腿式机器人的研究多放在单足或双足步行机器人方向。例如日本早稻田大学的WL系列步行椅的设计，广濑研究室的Para-Walker的设计。国内则有山东大学马广英等设计的串并混联机器人腿部构型，结构简单，但是单腿工作空间比较小，使得跨越障碍物的能力有限。燕山大学王洪波等提出的四足/两足可重组步行器的构想，腿结构具有较大的刚度，可提高机器人的载重自重比，但在机构本身的工作空间方面受限，较难完成户外多地形的行走和越障作业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，包括机体、髋关节和支腿；两个机体并排固定连接形成机体主体，机体主体的两端分别设置有髋关节，每个髋关节的下方均连接有支腿；

机体包括机体支架和运动支链；每两个运动支链形成一个支链组，若干个支链组垂直固定设置在机体支架的内侧壁上；运动支链用于髋关节的各向平动、俯仰或横摆运动；

髋关节包括壳体、驱动电机、编码器连接轴、大腿行星架、大腿减速机、小腿行星架和小腿减速机；两个驱动电机输出端相对的同轴设置在壳体内，两个驱动电机输出端均设置有编码器连接轴；一个驱动电机的输出端连接大腿减速机，大腿减速机通过编码器连接轴连接两个大腿行星架，两个大腿行星架固定连接；另一个驱动电机的输出端连接小腿减速机，小腿减速机通过编码器连接轴连接小腿行星架；

进一步的，支腿包括小腿连杆、大腿和小腿；大腿的一端与大腿行星架连接，大腿的另一端与小腿的一端铰接，小腿连杆的一端与小腿行星架铰接，另一端与小腿的端部铰接。

进一步的，运动支链包括电机支座、电机、丝杠、丝杠滑块和连接杆；电机固定设置在电机支座的内侧一端，电机的输出轴连接丝杠，丝杠的端部通过轴承连接在电机支座的另一端；丝杠上设置有丝杠滑块，连接杆的一端铰接在丝杠滑块上，另一端铰接在髋关节的壳体上。

进一步的，支链组共有三组，三组支链组成等边三角形布置；连接杆的一端固定连接下虎克中心铰，另一端固定连接上虎克中心铰；丝杠滑块通过上虎克中心铰与连接杆铰接；髋关节的壳体上相应位置设置有下虎克单铰，连接杆通过下虎克中心铰与下虎克单铰相铰接。

进一步的，电机支座为U型槽状，电机的输出端通过柔性联轴器与丝杠连接；电机支座内设置有隔板，丝杠穿过隔板设置，丝杠的下方平行于丝杠设置有光杆，丝杠滑块上设置有通孔，光杆穿过通孔设置。

进一步的，驱动电机包括电机外壳、定子、转子和转子套筒；定子同轴设置在电机外壳内，转子同轴设置在定子内，转子的端部与转子套筒固定连接，编码器连接轴同轴设置在转子套筒内，与转子套筒平键连接，编码器连接轴(的一端连接在编码器内孔中，编码器主体固定在大腿外壳或小腿外壳。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明包括机体部分、髋关节部分、支腿三部分，通过六支杆的运动可得到髋关节的各向平动、俯仰和横摆，提升了串联腿部的工作空间和关节灵活性。髋关节结构采用大小腿双电机通过大腿行星架实现同轴结构，从而当腿部运动时可提高大腿和小腿摆转的转动精度，同时可提升行走的平稳性。

本发明通过运动支链、髋关节部分、小腿连杆、大腿、小腿的协同配合下，可实现髋关节的各向平动、俯仰和横摆，可扩大混联臂/腿的三维工作空间，实现前肢机械系统混联臂/腿机构的屈臂、抱肩、平动、俯仰和横摆动作，进而可实现前肢机械系统的混联臂/腿机构的多角度位置的各个动作。因此，本发明的机构，俯身时机构作为腿可行走，立起时机构作为臂可操作，扩大现有机器人臂/腿机构的多功能应用范围。

单个支链的丝杠滑块采用丝杠连接，这样不仅可以降低螺旋传动的摩擦，提高传动机构的使用寿命；而且能够提高螺旋传动的灵敏性与定位的精准度；并具有良好的抗振性和平稳性，能够保证在传动的过程中承受一定冲击和振动，实现运动的平稳进行。其次，设计光杆时，丝杠滑块在运动过程中，由于丝杠滑块必须是直线移动而不能有转动，所以在中间丝杠的两端分别设计了光杆，保证了丝杆滑块只能沿着直线运动。再者，为了实现所设计机器人前肢机械系统混联单腿机构能实现灵活转动，在设计丝杠滑块时，采用了自行设计的丝杠滑块，即：将丝杆滑块和虎克铰的一只单铰设计成一体，独到之处在于即能完成滑块的功能又能完成虎克铰的功能。最后，在设计连杆时，同样采用了自行设计的连杆，连接杆的上端和虎克铰的一只单铰设计成一体，彼此不会发生转动。并且上端的单铰完全按照虎克铰的结构原理进行设计，能够同丝杆滑块设计一样，在保证不会打破虎克铰的转角范围的基础上完成虎克铰的功能。

附图说明

图1是本发明机器人前肢系统混联单腿机构的结构示意图；

图2是本发明机器人隐藏左侧机体壳的前肢系统混联单腿机构结构示意图；

图3是本发明机器人前肢系统混联单腿机构的运动支链结构示意图；

图4是本发明机器人前肢系统混联单腿机构髋关节的内部结构示意图；

图5是本发明机器人前肢系统混联单腿机构腿部结构示意图；

其中：机体部分100；髋关节部分200；腿部部分300；运动支链101；机体支架1；电机支座2；电机3；电机轴4；柔性联轴器5；丝杠6；光杆7；丝杠滑块8；上虎克中心铰9；连接杆10；下虎克中心铰11；下胡克单铰12；髋关节外壳13；电机外壳14；定子15；转子16；转子套筒17；编码器连接轴18；小腿行星架19；小腿减速机20；大腿行星架26；大腿减速机28；小腿连杆29；大腿30；小腿31。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图5，一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，包括机体100、髋关节200和支腿300；两个机体100并排固定连接形成机体主体，机体主体的两端分别设置有髋关节200，每个髋关节200的下方均连接有支腿300；

机体100包括机体支架1和运动支链101；每两个运动支链101形成一个支链组，若干个支链组垂直固定设置在机体支架1的内侧壁上；运动支链101用于髋关节的各向平动、俯仰或横摆运动；

髋关节200包括壳体、驱动电机、编码器连接轴18、大腿行星架26、大腿减速机28、小腿行星架19和小腿减速机20；两个驱动电机输出端相对的同轴设置在壳体内，两个驱动电机输出端均设置有编码器连接轴18；一个驱动电机的输出端连接大腿减速机28，大腿减速机28通过编码器连接轴18连接两个大腿行星架26，两个大腿行星架26固定连接；另一个驱动电机的输出端连接小腿减速机20，小腿减速机20通过编码器连接轴18连接小腿行星架19；

支腿300包括小腿连杆29、大腿30和小腿31；大腿30的一端与大腿行星架26连接，大腿30的另一端与小腿31的一端铰接，小腿连杆29的一端与小腿行星架19铰接，另一端与小腿31的端部铰接。

运动支链101包括电机支座2、电机3、丝杠6、丝杠滑块8和连接杆10；电机3固定设置在电机支座2的内侧一端，电机3的输出轴连接丝杠6，丝杠6的端部通过轴承连接在电机支座2的另一端；丝杠6上设置有丝杠滑块8，连接杆10的一端铰接在丝杠滑块8上，另一端铰接在髋关节的壳体上。

支链组共有三组，三组支链组成等边三角形布置；连接杆10的一端固定连接下虎克中心铰11，另一端固定连接上虎克中心铰9；丝杠滑块8通过上虎克中心铰9与连接杆10铰接；髋关节200的壳体上相应位置设置有下虎克单铰12，连接杆10通过下虎克中心铰11与下虎克单铰12相铰接。

电机支座2为U型槽状，电机3的输出端通过柔性联轴器5与丝杠6连接；电机支座2内设置有隔板，丝杠6穿过隔板设置，丝杠6的下方平行于丝杠6设置有光杆7，丝杠滑块8上设置有通孔，光杆7穿过通孔设置。

驱动电机包括电机外壳14、定子15、转子16和转子套筒17；定子15同轴设置在电机外壳14内，转子16同轴设置在定子15内，转子的端部与转子套筒17固定连接，编码器连接轴18同轴设置在转子套筒内，编码器连接轴18的一端连接大腿减速机或小腿减速机，另一端连接大腿行星架26或小腿行星架19。

本文所设计仿生机器人前肢系统混联单腿机构为六自由度，由机体部分100、髋关节部分200、腿部部分300三个大的部分组成，左右的组成部分相同且对称。动力驱动装置采用电机驱动。每个机体部分包括：机体支架1、六个运动支链，其中每个运动支链包括电机支座2、电机3、电机轴4、柔性联轴器5、丝杠6、光杆7、丝杠滑块8、上虎克中心铰9、连接杆10、下虎克中心铰11，下胡克单铰12。每个髋关节部分包括：髋关节外壳13、两个电机(A号和B号)A号和B号电机结构相同，其中A号电机包括电机外壳14、定子15、转子16、转子套筒17、编码器连接轴18、小腿行星架19、小腿减速机20，B号电机包括电机外壳14、定子15、转子16、转子套筒17、编码器连接轴18、大腿行星架26和27、大腿减速机28。每个腿部部分包括：小腿连杆29、大腿30、小腿31。

仿生机器人前肢系统混联单腿机构的空间布局为：六条形式相同的运动支链、每一条运动支链的驱动端都固连在机器人的机体上，每两条运动支链为一组；每组之间的夹角为120度，组与组之间具有良好的对称性。每一条支链都采用PTRT运动形式，即：固连在机体上的移动副P，由驱动电机驱动丝杠滑块沿丝杠导轨直线运动；中间的连杆及深沟球轴承组成转动副R，连杆可以绕连接在髋关节外壳上的虎克铰转动；转动副与移动副和转动副与髋关节之间分别通过一对虎克铰T连接；每对虎克铰都可以沿着正交方向转动，每一对虎克铰都是二自由度运动副；通过六连杆不同的位置状态实现髋关节外壳能六自由度灵活转动。

电机支座2固定在机体壳1上，电机轴4在电机3的驱动下，带动柔性联轴器5转动，柔性联轴器5的另外一端连接着丝杠导轨的丝杠6，通过滚珠的转动，以螺旋传动的方式推动丝杠滑块8沿着光杆7做直线运动；丝杠滑块8通过中心铰9与连杆10连接，因此丝杠滑块8和连杆10可以相互转动；连杆10通过中心铰11与下虎克单铰12相连接，因此连杆10和下虎克单铰12可以相互转动；下虎克单铰12与髋关节部分200固定在一起；这样通过运动支链Ⅴ和Ⅵ所对应的电机轴4顺时针旋转(图2从左往右看)，使得丝杠滑块8向左直线运动，最终使髋关节部分200左部分(图2从左往右看)向左偏移(图2从上往下看)；运动支链Ⅰ和Ⅱ所对应的电机轴4不旋转；运动支链Ⅲ和Ⅳ所对应的电机轴4逆时针旋转(图2从左往右看)，使得丝杠滑块8向右直线运动，最终使髋关节右部分(图2从左往右看)向右偏移(图2从上往下看)；这样就实现了仿生机器人上肢系统混联单腿机构的左转弯。

同理，通过运动支链Ⅴ和Ⅵ所对应的电机轴4逆时针旋转(图2从左往右看)，使得丝杠滑块8向右直线运动，最终使髋关节部分200左部分(图2从左往右看)向右偏移(图2从上往下看)；运动支链Ⅰ和Ⅱ所对应的电机轴4不旋转；运动支链Ⅲ和Ⅳ所对应的电机轴4顺时针旋转(图2从左往右看)，使得丝杠滑块8向左直线运动，最终使髋关节右部分(图2从左往右看)向左偏移(图2从上往下看)，这样就实现了仿生机器人上肢系统混联单腿机构的右转弯。

在髋关节部分200的内部，A号电机的电机外壳14和定子15固连在一起，转子16和转子套筒17固连在一起，电机通电以后，由转子16和转子套筒17的转动带动小腿减速机20的转动，其中通过编码器连接轴18对小腿减速机20进行角位移的控制，进而带动小腿行星架19的转动，然后拉动小腿连杆29，最后实现小腿31绕小腿31和小腿连杆29连接处的节点上下转动，这样就实现了仿生机器人上肢系统混联单腿机构的俯身和拉伸运动(当转子16和转子套筒17按照图4方向从左往右看，顺时针转动时，实现俯身运动；当转子16和转子套筒17按照图4方向从左往右看，逆时针转动时，实现拉伸运动)

B号电机的电机外壳14和定子15固连在一起，转子16和转子套筒17固连在一起，电机通电以后，由转子16和转子套筒17的转动带动大腿减速机28的转动，其中通过编码器连接轴25对大腿减速机28进行角位移的控制，进而带动大腿行星架26和27的转动(大腿行星架26和27固连在一起)，最后实现大腿30绕电机外壳21的中心轴线进行转动；同时在上一段所述俯身和拉伸运动的配合下，最终实现仿生机器人上肢系统混联单腿机构的平动运动。

Claims (6)

1.一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，其特征在于，包括机体(100)、髋关节(200)和支腿(300)；两个机体(100)并排固定连接形成机体主体，机体主体的两端分别设置有髋关节(200)，每个髋关节(200)的下方均连接有支腿(300)；

机体(100)包括机体支架(1)和运动支链(101)；每两个运动支链(101)形成一个支链组，若干个支链组垂直固定设置在机体支架(1)的内侧壁上；运动支链(101)用于髋关节的各向平动、俯仰或横摆运动；

髋关节(200)包括壳体、驱动电机、编码器连接轴(18)、大腿行星架(26)、大腿减速机(28)、小腿行星架(19)和小腿减速机(20)；两个驱动电机输出端相对的同轴设置在壳体内，两个驱动电机输出端均设置有编码器连接轴(18)；一个驱动电机的输出端连接大腿减速机(28)，大腿减速机(28)通过编码器连接轴(18)连接两个大腿行星架(26)，两个大腿行星架(26)固定连接；另一个驱动电机的输出端连接小腿减速机(20)，小腿减速机(20)通过编码器连接轴(18)连接小腿行星架(19)。

2.根据权利要求1所述的一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，其特征在于，支腿(300)包括小腿连杆(29)、大腿(30)和小腿(31)；大腿(30)的一端与大腿行星架(26)连接，大腿(30)的另一端与小腿(31)的一端铰接，小腿连杆(29)的一端与小腿行星架(19)铰接，另一端与小腿(31)的端部铰接。

3.根据权利要求1所述的一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，其特征在于，运动支链(101)包括电机支座(2)、电机(3)、丝杠(6)、丝杠滑块(8)和连接杆(10)；电机(3)固定设置在电机支座(2)的内侧一端，电机(3)的输出轴连接丝杠(6)，丝杠(6)的端部通过轴承连接在电机支座(2)的另一端；丝杠(6)上设置有丝杠滑块(8)，连接杆(10)的一端铰接在丝杠滑块(8)上，另一端铰接在髋关节的壳体上。

4.根据权利要求3所述的一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，其特征在于，支链组共有三组，三组支链组成等边三角形布置；连接杆(10)的一端固定连接下虎克中心铰(11)，另一端固定连接上虎克中心铰(9)；丝杠滑块(8)通过上虎克中心铰(9)与连接杆(10)铰接；髋关节(200)的壳体上相应位置设置有下虎克单铰(12)，连接杆(10)通过下虎克中心铰(11)与下虎克单铰(12)相铰接。

5.根据权利要求3所述的一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，其特征在于，电机支座(2)为U型槽状，电机(3)的输出端通过柔性联轴器(5)与丝杠(6)连接；电机支座(2)内设置有隔板，丝杠(6)穿过隔板设置，丝杠(6)的下方平行于丝杠(6)设置有光杆(7)，丝杠滑块(8)上设置有通孔，光杆(7)穿过通孔设置。

6.根据权利要求1所述的一种用于仿生机器人前肢机械系统的串并混联臂/腿机构，其特征在于，驱动电机包括电机外壳(14)、定子(15)、转子(16)和转子套筒(17)；定子(15)同轴设置在电机外壳(14)内，转子(16)同轴设置在定子(15)内，转子的端部与转子套筒(17)固定连接，编码器连接轴(18)同轴设置在转子套筒内，与转子套筒平键连接，编码器连接轴(18)的一端连接在编码器内孔中，编码器主体固定在大腿外壳或小腿外壳。