一种平面五杆机构柔性腿结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种平面五杆机构柔性腿结构，其特征在于该柔性腿结构包括俯仰驱动关节、足尖以及连杆机构；所述俯仰驱动关节包括变刚度主动柔性关节、驱动电机、两个谐波减速器、支撑架、同步带轮和同步带，所述足尖包括三维力学传感器，三维力学传感器支架和足弓；三维力学传感器下面与三维力学传感器支架连接，三维力学传感器支架下面与足弓连接；所述连杆机构具有(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(R)和(I)共10个铰接点，利用10个铰接点，把各连杆铰接为一个常规的四杆机构、一个带有弹簧杆的四杆机构和一个平面五边形五杆机构；铰接点(A)、(R)、(I)用于把连杆机构固定在俯仰驱动关节上。
【专利说明】
一种平面五杆机构柔性腿结构
技术领域
[0001]本发明涉及多足机器人平台技术，具体为一种平面五杆机构柔性腿结构。该结构可用于四足机器人。
【背景技术】
[0002]在现有的多足机器人平台机构研究中，四足机器人的机械结构设计是整个多足机器人系统的关键，直接影响机器人负载能力及动态性能。机械结构的设计需要兼顾多个方面，一方面机器人负载能力和抗冲击能力需要机器人具有高强度的支撑结构以及巧妙的柔性缓冲环节;另一方面机器人高速高机动高适应性的特点又要求机器人具有较低的运动惯性以及较高的刚性传动，以保证快速精确的运动响应能力。
[0003]目前四足机器人腿部结构主要以串联机构为主，串联机构结构简单，控制方便，但是由于安装在机器人腿部，因此导致机器人单腿运动惯性较大；同时由于串联机构承载能力较差，因而机器人在高速运动的地面冲击作用下极易容易出现关节损坏、运动偏差、整机倾覆以及运动失效等问题。并联机构承载能力较强，运动响应速度快，能够实现机器人足端的多方位移动，但是存在运动范围较小等问题。同时，目前四足机器人单腿一般为刚性结构或具有一定被动柔性的结构类型，这使得机器人在行进过程当中的足端冲击无法有效减弱，这会对机器人的行走稳定性构成非常不利的影响，且过大的足端冲击容易对四足机器人零部件造成损伤，降低零部件的可靠性和耐用性，同时这种结构形式使的四足机器人在行走过程当中能量的损耗严重。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是:提供一种平面五杆机构柔性腿结构，该柔性腿结构主要用于四足机器人，具有腿部刚度控制能力，有效减弱机器人足端冲击，极大的提高了机器人的能量利用效率，同时，该柔性腿采用改进的平面五杆机构设计方案，使整个单腿机构具有较大的刚度质量比，有效提高了机器人的承载能力，为了进一步提高该机构的非结构化环境适应能力，使机器人单腿具有更好的运动学性能，在该结构的基础上增加了含有弹簧杆的平行四边形机构，有效的减轻了单腿质量，减轻了机器人行进过程当中的运动惯量，增强了机器人在行走过程当中的稳定性。
[0005]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:设计一种平面五杆机构柔性腿结构，其特征在于该柔性腿结构包括俯仰驱动关节、足尖以及连杆机构三大部分；
[0006]所述俯仰驱动关节包括变刚度主动柔性关节、驱动电机、两个谐波减速器、支撑架、同步带轮和同步带，所述谐波减速器及其驱动电机安装在支撑架上，其中一个谐波减速器通过螺栓连接变刚度主动柔性关节作为输出；在支撑架左侧的上部，安装有两个驱动电机，这两个驱动电机的输出轴穿过支撑架上对应的轴孔后安装同步带轮;在驱动电机的下方，也有两个谐波减速器对应安装在支撑架的左侧，谐波减速器的输入轴穿过对应轴孔后，也安装有同步带轮；同步带安装在谐波减速器和对应驱动电机的同步带轮上;在谐波减速器的右侧，其中一个谐波减速器安装有变刚度主动柔性关节;所述支撑架构成一个方形的框架，框架的左右前后为四块板材，但上下板材镂空;所述驱动电机、谐波减速器、变刚度主动柔性关节均安装在支撑架构成的框架结构内；
[0007]所述足尖包括三维力学传感器，三维力学传感器支架和足弓；三维力学传感器下面与三维力学传感器支架连接，三维力学传感器支架下面与足弓连接；
[0008]所述连杆机构具有(A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(R)和(I)共10个铰接点，利用所述的10个铰接点，把各连杆铰接为一个常规的四杆机构、一个带有弹簧杆的四杆机构和一个平面五边形五杆机构；其中，连杆(AB)、(BG)、(GR)和(AR)构成一个常规的平行四边形四杆机构;连杆(BC)、(CD)、(DE)和(EB)构成另一个带有弹簧杆的平行四边形四杆机构，连杆(CD)是所述的弹簧杆;依次连接铰接点(A)、(B)、(F)、(H)和(I)的各连杆构成所述的平面五边形五杆机构;铰接点(A)、(R)、(I)用于把所述连杆机构固定在俯仰驱动关节上。
[0009]与现有技术相比，本发明的平面五杆机构柔性腿结构与现有技术具有本质不同:现有机器人腿结构一般为简单的连杆铰接结构，其在关节处没有采用变刚度主动柔性关节，只是在小腿处按安装有圆柱弹簧，不具有主动变刚度能力，且更多的机器人腿结构在关节处安装有电机驱动装置，这会导致腿部质量加大，运动惯量大，响应慢，承载能力不强。而本发明相对于现有技术:
[0010]1.采用的连杆机构为串并混联机构，其中五杆机构作为平面闭链机构，在保持开链机构的良好柔性基础上，兼具了闭链机构刚性好的优点，具有运动惯性低、运动响应速度快以及承载能力强等优点。同时由于将俯仰驱动关节作为一个独立单元，降低了机器人单腿进行俯仰动作过程中的运动惯性，使该机构具有优越的动态性能；同时平面五杆机构这一并联机构的引入，使整个单腿机构具有较大的刚度质量比，有效提高了机器人的承载能力。
[0011]2.腿结构的连杆机构包括一个含有弹簧杆的平行四边形机构，进一步提高该腿机构的非结构化环境适应能力，使机器人单腿具有更好的运动学性能。且在机器人触地时，平行四边形机构中的弹簧杆可以有效地起到缓冲和储能作用。
[0012]3.腿结构的足端基于人体足弓结构设计，采用弹簧钢材料制成，从而起到良好的缓冲作用，降低了地面对机器人的冲击力。
[0013]4.腿结构的驱动关节为一体化结构，且其中一个关节集成了变刚度主动柔性关节作为输出，采用这种一体化关节支架结构保证了支架的刚度以及俯仰关节的运动精度。
[0014]5.腿结构由连杆机构，俯仰驱动关节，足尖构成，且连杆机构含有弹簧杆的平行四边形机构和变刚度主动柔性关节，使机器人单腿具有很高的柔性，充分的提高了机器人在行走过程当中的能量利用效率，且由于变刚度主动柔性关节的采用，使机器人具有了一定的腿部刚度主动控制能力，使控制机器人行走过程当中足端接触力更加方便可靠，可极大的缓减足端冲击，进而增加了零部件寿命以及可靠性，同时也增加了机器人行走过程中的稳定性。
【附图说明】
[0015]图1为本发明平面五杆机构柔性腿结构的整体外观示意图；
[0016]图2为本发明平面五杆机构柔性腿结构的俯仰驱动关节立体结构示意图；
[0017]图3为本发明平面五杆机构柔性腿结构的俯仰驱动关节零部件的爆炸结构示意图；
[0018]图4为本发明平面五杆机构柔性腿结构的连杆机构示意图；
[0019]图5为本发明平面五杆机构柔性腿结构的连杆机构各连杆连接位置示意图；
[0020]图6为本发明平面五杆机构柔性腿结构的连杆机构弹簧杆立体结构示意图；
[0021 ]图7为本发明平面五杆机构柔性腿结构的连杆机构弹簧杆剖视结构示意图；
[0022]图8为本发明平面五杆机构柔性腿结构的足尖结构爆炸示意图。
[0023]图1-8中，1-俯仰驱动关节，2-连杆机构，3-足尖，101-关节支架，102-1号同步带轮，103-2号同步带轮，104-3号同步带轮，105-4号同步带轮，106-1号关节驱动电机，107-2号关节驱动电机，108-1号谐波减速器，109-2号谐波减速器，110-变刚度主动柔性关节，
111-关节垫板，112-连接架;201-柔性关节输出杆，202-三角杆，203-弹簧杆，204-足尖连接架，205-小腿杆，206-关节三孔长杆，207-光杆，208-从动连杆，209-平行杆连接架，210-输出杆；301-三维力学传感器，302-三维力学传感器支架，303-足弓；2031-杆端关节轴承，2032-关节轴承支架，2033-导杆，2034-弹簧支座，2035-直线轴承，2036-弹簧杆连接架，2037-聚氨酯块，2038-连接板，2039-超级弹簧。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例及其附图对本发明做进一步描述。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
[0025]本发明设计的平面五杆机构柔性腿结构(简称腿结构，参见图1-8)包括三个大模块(三大部分):俯仰驱动关节模块(简称俯仰运动关节)1、连杆结构模块(简称连杆结构)2和足尖模块(简称足尖)3;俯仰运动关节模块I位于连杆机构模块2的上方，足尖模块3位于连杆机构的下方(参见图1);
[0026]所述俯仰驱动关节I(参见图2、图3)包括关节支架101、I号同步带轮102，2号同步带轮103，3号同步带轮104、4号同步带轮105; I号关节驱动电机106，2号关节驱动电机107，I号谐波减速器108，2号谐波减速器109、变刚度主动柔性关节110，关节垫板111，连接架112以及连接螺栓和组成外壳的零件(因为是非核心零件，图中未标号)。1号关节驱动电机106与2号关节驱动电机107安装在关节支架101右侧上方，I号谐波减速器108与2号谐波减速器109安装在关节支架101右侧下方，I号关节驱动电机106与2号关节驱动电机107输出轴穿过关节支架101上方两孔，I号关节驱动电机106输出轴连接I号同步带轮102，2号关节驱动电机107输出轴连接3号同步带轮104，I号谐波减速器108与2号谐波减速器109的输入轴穿过关节支架101下方两孔，I号谐波减速器108输入轴与2号同步带轮103连接，2号谐波减速器109输入轴与4号同步带轮105连接；I号同步带轮102与2号同步带轮103通过同步带连接，3号同步带轮104与4号同步带轮105通过同步带连接；I号谐波减速器108右侧与变刚度主动柔性关节110连接，2号谐波减速器109右侧连接关节垫板111;关节支架101右侧与连接架112连接，连接架112与外壳相连，图中剩余未进行标注的零件也是构成俯仰运动关节I的重要组成部分，其作用是和关节支架101 —起构成俯仰运动关节I的外壳。
[0027]所述连杆机构2(参见图4、图5)包括柔性关节输出杆201，三角杆202，弹簧杆203，足尖连接架204，小腿杆205，关节三孔长杆206，光杆207，从动连杆208，平行杆连接架209和输出杆210;
[0028]所述连杆机构为改进的平面五杆机构，是传统的两自由度5R型平面五杆机构的一种新改进，其中俯仰驱动关节视作机架，俯仰驱动关节上有两个处在同一水平高度的I号铰接点(A)和1号铰接点(I)，分别铰接有两个连杆(AB)和(IH);连杆(AB)的2号铰接点(B)处连接有连杆(BFE)，2号铰接点(B)、6号铰接点(F)、5号铰接点(E)为铰接点，6号铰接点(F)在中间，连杆(IH)下连接有连杆(HF)，这样就组成了一个传统的两自由度5R型平面五杆机构，由于俯仰运动关节为机架，这个五杆机构是一个双曲柄机构;在连杆(AB)的2号铰接点(B)处，连接有三角杆(CBG)，此三脚杆呈正三角放置，3号铰接点(C)、2号铰接点(B)、7号铰接点(G)三个铰接点在三脚杆的三个顶点处;在俯仰运动关节上还有一个铰接点9号铰接点(R)，9号铰接点(R)位于I号铰接点(A)和1号铰接点(I)中间偏下的位置，9号铰接点(R)连接连杆(RG)，(RG)和三角杆(CBG)连接于7号铰接点(G)，这样在主动杆(AB)上就形成了一个平行四边形结构；连杆(BFE)的5号铰接A(E)处连接有连杆(ED)，在三角杆(CBG)的3号铰接点(C)出和连杆(ED)的5号铰接点(E)中间是一个弹簧杆，这样就构成了一个带有弹簧杆的平行四边形结构。
[0029]具体看，柔性关节输出杆201的一端与变刚度主动柔性关节110连接，另一端与三角杆202铰接于2号铰接点(B);三角杆202与从动连杆208铰接于7号铰接点(G)，从连动杆208与平行杆连接架209铰接于9号铰接点(R)，平行杆连接架209与连接架112连接，ABGR构成一个常规的平行四边形结构(参见图5);三角杆202与弹簧杆203连接于3号铰接点(C)，弹簧杆203与小腿杆205连接于4号铰接点(D)，小腿杆205与关节三孔长杆206铰接于5号铰接点(E)，关节三孔长杆206与三角杆202以及柔性关节输出杆201同时铰接于2号铰接点(B);BCDE构成一个带有弹簧杆的平行四边形结构(参见图5);关节三孔长杆206与光杆207铰接于6号铰接点(F)，光杆207与输出杆210铰接于8号铰接点(H)，输出杆210与关节垫板连接；ABFHI构成一个平面五杆机构(参见图5)。
[0030]所述连杆机构2中的弹簧杆203(参见图6，图7)左半部分由杆端关节轴承2031，关节轴承支架2032，导杆2033，弹簧支座2034，直线轴承2035，弹簧杆连接架2036，聚氨酯块2037，连接板2038和超级弹簧2039组成，直线轴承2035的轴承支座未标出。左端为杆端关节轴承2031，杆端关节轴承2031右边连接关节轴承支架2032，关节轴承支架2032连接着导杆2033，导杆2033左侧套着弹簧支座2034，右侧安装直线轴承2035轴承支座，直线轴承2035轴承支座右侧连接弹簧杆连接架2036，导杆2033另一端与聚氨酯块2037连接。弹簧杆203右半部份与左半部分结构完全对称，不赘述。
[0031]所述足尖3由三维力学传感器301，三维力学传感器支架302和足弓303组成。三维力学传感器301通过足尖连接架204连接到连杆机构2上，三维力学传感器301下面与三维力学传感器支架302连接，三维力学传感器支架302下面与足弓303连接。
[0032]所述足尖3为对称结构，足弓系数为0.33，采用弹簧钢制成。
[0033]本发明腿结构的动力传动路线如下:I号关节驱动电机106将输出动力经过I号同步带轮102，同步带，2号同步带轮103，将动力传送到I号谐波减速器108，I号谐波减速器108将传送过来的动力传送到变刚度主动柔性关节110，变刚度主动柔性关节110将动力传送至连杆机构2; 2号关节驱动电机107将动力经过3号同步带轮104、同步带、4号同步带轮105将动力传送到2号谐波减速器109，2号谐波减速器109将动力传送至关节垫板111，关节垫板111和连杆机构2相连;连杆机构2和机器人足尖3相连，最终，动力被传送到机器人足尖3末端。
[0034]本发明腿结构的工作原理及工作过程为:本发明腿结构是新设计。连杆机构2为改进的平面五杆机构，在不同的工况下通过匹配I号关节驱动电机106和2号关节驱动电机107的转速与转矩，驱动连杆机构中各杆的相对位置发生改变，连杆机构又带动足尖发生位置改变，从而，获得不同的单腿步态，本发明腿结构主要安装在四足机器人上，可以获得不同的四足机器人步态。
[0035]本发明腿结构安装在四足机器人机身上以后，当四足机器人行走时，各腿的足端和地面的接触力会因为机器人承载质量、行走加速度以及速度、路面状况、机身姿态的不同而不同，足端与地面接触力由三维力学传感器301测得，测得量传送到机器人控制单元，经过控制单元计算足端与地面实际接触力与理论接触力的差距，进而控制单元控制变刚度主动柔性关节改变关节刚度值，最终使机器人足端与地面接触力达到理想状态。
[0036]本发明未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种平面五杆机构柔性腿结构，其特征在于该柔性腿结构包括俯仰驱动关节、足尖以及连杆机构三大部分； 所述俯仰驱动关节包括变刚度主动柔性关节、驱动电机、两个谐波减速器、支撑架、同步带轮和同步带，所述谐波减速器及其驱动电机安装在支撑架上，其中一个谐波减速器通过螺栓连接变刚度主动柔性关节作为输出；在支撑架左侧的上部，安装有两个驱动电机，这两个驱动电机的输出轴穿过支撑架上对应的轴孔后安装同步带轮;在驱动电机的下方，也有两个谐波减速器对应安装在支撑架的左侧，谐波减速器的输入轴穿过对应轴孔后，也安装有同步带轮；同步带安装在谐波减速器和对应驱动电机的同步带轮上;在谐波减速器的右侧，其中一个谐波减速器安装有变刚度主动柔性关节;所述支撑架构成一个方形的框架，框架的左右前后为四块板材，但上下板材镂空;所述驱动电机、谐波减速器、变刚度主动柔性关节均安装在支撑架构成的框架结构内； 所述足尖包括三维力学传感器，三维力学传感器支架和足弓；三维力学传感器下面与三维力学传感器支架连接，三维力学传感器支架下面与足弓连接； 所述连杆机构具有(A)、⑶、(C)、(D)、(E)、(F)、(G)、(H)、(R)和(I)共10个铰接点，利用所述的10个铰接点，把各连杆铰接为一个常规的四杆机构、一个带有弹簧杆的四杆机构和一个平面五边形五杆机构；其中，连杆(AB)、(BG)、(GR)和(AR)构成一个常规的平行四边形四杆机构;连杆(BC)、(CD)、(DE)和(EB)构成另一个带有弹簧杆的平行四边形四杆机构，连杆(CD)是所述的弹簧杆;依次连接铰接点(A)、(B)、(F)、(H)和(I)的各连杆构成所述的平面五边形五杆机构;铰接点(A)、(R)、(I)用于把所述连杆机构固定在俯仰驱动关节上。2.根据权利要求1所述的平面五杆机构柔性腿结构，其特征在于所述足尖为对称结构，足弓系数为0.33，采用弹簧钢制成。
【文档编号】B62D57/032GK105966491SQ201610539237
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】张小俊, 丁国帅, 史延雷, 张明路, 梁飞
【申请人】河北工业大学