凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统技术方案

本发明专利技术提出了一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，包括机架，所述单腿行走系统包括凸轮连杆组合机构和行走腿，所述凸轮连杆组合机构包括步距驱动电机、步距调整电机、步距凸轮、步距拨叉、拨叉连接杆、步高凸轮、步高拨叉、摆杆、连杆和短连杆，步距驱动电机和步距调整电机安装在机架上。本发明专利技术采用凸轮连杆组合机构驱动的单腿行走系统，结构简单，刚性好；采用包含步距驱动电机及步距凸轮、步距调整电机及步高凸轮来控制足端的轨迹跨距与高度，可用来形成不同的足端轨迹；采用步距驱动电机与步距调整电机协调驱动，步距调整电机一旦调定后，不再调整，控制简单，能够有效地节省驱动能耗。

【技术实现步骤摘要】
凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统
本专利技术涉及步行机器人的
，具体涉及一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统。
技术介绍
机器人技术自20世纪60年代问世以来，经过多年发展取得了实质性的进展。移动机器人的运动形式主要有：轮式、履带式和足式。其中，轮式机器人和履带式机器人在运动过程中的越障能力相对弱些。足式的步行机器人在非结构环境中具有较强的机动性和适应特殊地形的能力，在许多行业有着广泛的应用前景。步行机器人的研究已成为机器人学中一个热门的话题，目前的机器人的单腿较多采用连杆关节串联驱动的方式。每个关节采用一个伺服电机控制，其控制系统复杂成本高。近期，一些新的步行机器人构型及控制系统研发出来。日本丰田自动车株式会社的森平智久提供了一种两足步行机器人控制方法和两足步行机器人控制系统(公开号为CN104793622A)，两足步行机器人控制方法用于两足步行机器人的步行的主从式控制。武汉大学的肖晓晖等专利技术了一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人(公开号为CN105599822A)，该步行机器人由四个基于柔性驱动器的主动关节模块、大(小)腿连杆和两个欠驱动足部组成，在所搭建的运动环境中，机器人整体可在矢状面内做平面运动。上海交通大学的高峰等专利技术了一种直线驱动的步行机器人腿部构型(公开号为CN104925160A)，包括：腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构；所述直线驱动机构与并联驱动机构驱动连接，所述并联驱动机构与腿部伸缩机构驱动连接。江苏科技大学刘芳华等专利技术了一种三维仿人双足步行机器人的机械结构(公开号为CN104890756A)，从上至下依次包括躯干、对称设置的两个髋关节、角平分机构、手臂-大腿耦合机构及对称设置的腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿、膝关节、小腿、踝关节及足底；躯干上安装有主控芯片。哈尔滨工业大学臧希喆等专利技术了一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统(公开号为CN104724201A)，包括髋部总成、两个腿部总成和两个足部总成，髋部总成和两个足部总成之间各布置有一个腿部总成；它还包括髋部振子，髋部振子包括减速机、支座、锥齿轮副、联轴器和齿轮轴；髋部总成包括圆筒、齿条、导轨和两个环状连接销轴；每个足部总成主要由足板组成；每个腿部总成包括髋腿连接销轴、直腿和腿足连接销轴，直腿的上端与髋腿连接销轴连接。北京工业大学赵旭等专利技术了六足步行机器人(公开号为CN105691483A)，该机器人包括机身和腿足结构，机身为机器人的主体结构，该主体结构的平面为六边形；腿足结构由三级关节组成，共六组，该六组结构分设在六边形的机身六个角上。从目前设计的步型机器人结构看，比较多的采用关节结构加伺服电机的模式，机械结构相对简单，但伺服电机较多，控制系统复杂，成本较高；普遍存在腿结构刚度弱等问题。
技术实现思路
针对现有步行机器人普遍存在控制系统复杂，结构刚度弱等技术问题，本专利技术提出一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，采用的凸轮连杆组合机构驱动的单腿行走系统，结构简单，刚性好，控制系统简单。本专利技术的技术方案是：一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，包括机架，其特征在于：所述单腿行走系统包括凸轮连杆组合机构和行走腿，所述凸轮连杆组合机构包括步距驱动电机、步距调整电机、步距凸轮、步距拨叉、拨叉连接杆、步高凸轮、步高拨叉、摆杆、连杆和短连杆，步距驱动电机和步距调整电机安装在机架上；所述步距驱动电机通过步距凸轮驱动轴与步距凸轮相连接，步距凸轮与拨叉连接杆活动连接，拨叉连接杆与短连杆活动连接，短连杆与步高凸轮固定连接，步高凸轮与步高拨叉滑动连接，步高拨叉和步高凸轮均与机架活动连接，步高拨叉的下部通过长形滑块与行走腿活动连接；所述步距凸轮与步距拨叉滑动连接，步距拨叉的下部与连杆活动连接，连杆活动连接在机架上，连杆的下部与行走腿活动连接；所述步距调整电机的输出轴与丝杠相连接，丝杠上设有活动连接的摆杆滑块，摆杆滑块在摆杆中的滑槽中滑动，步距拨叉的中部与摆杆活动连接。所述步高拨叉和步距拨叉内设有滑槽，步高凸轮设置在步高拨叉的滑槽内，步距凸轮设置在步距拨叉的滑槽内。所述步距驱动电机设置在步距驱动电机连接板内，步距驱动电机连接板通过螺栓连接件固定在机架上，步距凸轮驱动轴穿过步距驱动电机连接板；所述步距调整电机设置在步距调整电机连接板内，调整电机连接板活动连接在机架上，步距调整电机的输出轴穿过步距调整电机连接板，步距调整电机的输出轴通过联轴器与丝杠相连接；所述步距驱动电机和步距调整电机均与控制系统相连接。所述摆杆为L型的摆杆，摆杆的下部通过机架连接销轴IV与机架活动连接，摆杆的竖直部设有滑槽，摆杆滑块设置在摆杆的滑槽内；摆杆的水平部上设有摆杆导槽，摆杆导槽与活动摆杆活动连接，摆杆导槽通过连接销轴I与步距拨叉的中部活动连接。所述连杆为L型的连杆，连杆的中部通过机架连接销轴I活动连接在机架上，连杆的上部通过连接销轴II与步距拨叉的下部活动连接，连杆的下部通过连接销轴III与行走腿的上部活动连接。所述行走腿包括水平部、倾斜部和支腿，水平部和倾斜部位于支腿的上部，行走腿的倾斜部与连杆活动连接，行走腿的水平部上设有滑槽，行走腿的滑槽内设有长形滑块，长形滑块通过连接销轴V与步高拨叉的下部活动连接。所述步距拨叉和步高拨叉均包括叉体、上部连杆和下部连杆，叉体位于上部连杆和下部连杆的上方，叉体与上部连杆相连接，上部连杆与下部连杆相连接，上部连杆与下部连杆之间有夹角，步高拨叉的上部连杆与下部连杆的连接处通过机架连接销轴II与机架活动连接，步距拨叉的上部连杆与下部连杆的连接处通过连接销轴I与摆杆导槽活动连接。所示控制系统通过设定步距调整电机的转动圈数，调整摆杆的竖直部的倾斜程度，可调节摆杆导槽的运动范围，进而调节步距拨叉下端与连杆连接处的摆动角，通过连杆运动范围的改变，实现调整行走腿的水平位移，即步距。所述步距调整电机的转动可调整摆杆的倾斜程度，当摆杆的水平部向上倾斜时，摆杆导槽从左向右移动，摆杆导槽的运动将通过连接销轴II带动连杆绕机架连接销轴I做顺时针摆动，行走腿在长形滑块和连杆的运动的联合作用下，足端点A的向后运动；当摆杆的水平部向下倾斜时，摆杆导槽从左向右移动时，摆杆导槽的运动将通过连接销轴II带动连杆绕机架连接销轴I做逆时针摆动，行走腿在长形滑块和连杆的运动的联合作用下，足端点A前进运动。其工作过程为：所述步距驱动电机的运动，通过步距凸轮驱动轴驱动步距凸轮转动，步距凸轮的运动分成两个回路，步距凸轮的转动通过连接销轴VII带动拨叉连接杆运动，拨叉连接杆的运动通过活动连接销轴VI带动短连杆运动，短连杆与步高凸轮通过连接销轴IV固定连接，短连杆的运动将带动步高凸轮绕机架连接销轴III摆动，在步高凸轮的带动下，步高拨叉的下部进行摆动运动，步高拨叉下部的摆动运动将通过长形滑块带动行走腿抬高，控制行走腿足端点A的抬高运动轨迹；同时，步距凸轮在步距驱动电机的带动下转动，步距拨叉随着步距凸轮的转动做向前或向后倾斜的滑动和摆动，步距拨叉的运动带动连杆在机架连接销轴I上转动，从而带动行走腿向前或向后移动；行走腿足端点A的抬高运动和行走腿向前后移动的合成，形成行走腿的足端点A的水平运动轨迹。本专利技术单腿行走系统由步距驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，包括机架，其特征在于：所述单腿行走系统包括凸轮连杆组合机构和行走腿(319)，所述凸轮连杆组合机构包括步距驱动电机(303)、步距调整电机(328)、步距凸轮(306)、步距拨叉(305)、拨叉连接杆(307)、步高凸轮(315)、步高拨叉(325)、摆杆(308)、连杆(316)和短连杆(324)，步距驱动电机(303)和步距调整电机(328)安装在机架上；所述步距驱动电机(303)通过步距凸轮驱动轴(304)与步距凸轮(306)相连接，步距凸轮(306)与拨叉连接杆(307)活动连接，拨叉连接杆(307)与短连杆(324)活动连接，短连杆(324)与步高凸轮(315)固定连接，步高凸轮(315)与步高拨叉(325)滑动连接，步高拨叉(325)和步高凸轮(315)均与机架活动连接，步高拨叉(325)的下部通过长形滑块(321)与行走腿(319)活动连接；所述步距凸轮(306)与步距拨叉(305)滑动连接，步距拨叉(305)的下部与连杆(316)活动连接，连杆(316)活动连接在机架上，连杆(316)的下部与行走腿(319)活动连接；所述步距调整电机(328)的输出轴与丝杠(311)相连接，丝杠(311)上设有活动连接的摆杆滑块(331)，摆杆滑块(331)在摆杆(308)中的滑槽中滑动，步距拨叉(305)的中部与摆杆(308)活动连接。...

【技术特征摘要】
1.一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，包括机架，其特征在于：所述单腿行走系统包括凸轮连杆组合机构和行走腿(319)，所述凸轮连杆组合机构包括步距驱动电机(303)、步距调整电机(328)、步距凸轮(306)、步距拨叉(305)、拨叉连接杆(307)、步高凸轮(315)、步高拨叉(325)、摆杆(308)、连杆(316)和短连杆(324)，步距驱动电机(303)和步距调整电机(328)安装在机架上；所述步距驱动电机(303)通过步距凸轮驱动轴(304)与步距凸轮(306)相连接，步距凸轮(306)与拨叉连接杆(307)活动连接，拨叉连接杆(307)与短连杆(324)活动连接，短连杆(324)与步高凸轮(315)固定连接，步高凸轮(315)与步高拨叉(325)滑动连接，步高拨叉(325)和步高凸轮(315)均与机架活动连接，步高拨叉(325)的下部通过长形滑块(321)与行走腿(319)活动连接；所述步距凸轮(306)与步距拨叉(305)滑动连接，步距拨叉(305)的下部与连杆(316)活动连接，连杆(316)活动连接在机架上，连杆(316)的下部与行走腿(319)活动连接；所述步距调整电机(328)的输出轴与丝杠(311)相连接，丝杠(311)上设有活动连接的摆杆滑块(331)，摆杆滑块(331)在摆杆(308)中的滑槽中滑动，步距拨叉(305)的中部与摆杆(308)活动连接。2.根据权利要求1所述的凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，其特征在于，所述步高拨叉(325)和步距拨叉(305)内设有滑槽，步高凸轮(315)设置在步高拨叉(325)的滑槽内，步距凸轮(306)设置在步距拨叉(305)的滑槽内。3.根据权利要求2所述的凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，其特征在于，所述步距驱动电机(303)设置在步距驱动电机连接板(301)内，步距驱动电机连接板(301)通过螺栓连接件(302)固定在机架上，步距凸轮驱动轴(304)穿过步距驱动电机连接板(301)；所述步距调整电机(328)设置在步距调整电机连接板(330)内，调整电机连接板(330)活动连接在机架上，步距调整电机(328)的输出轴穿过步距调整电机连接板(330)，步距调整电机(328)的输出轴通过联轴器(312)与丝杠(311)相连接；所述步距驱动电机(303)和步距调整电机(328)均与控制系统相连接。4.根据权利要求3所述的凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，其特征在于，所述摆杆(308)为L型的摆杆，摆杆(308)的下部通过机架连接销轴IV(327)与机架活动连接，摆杆(308)的竖直部设有滑槽，摆杆滑块(331)设置在摆杆(308)的滑槽内；摆杆(308)的水平部上设有摆杆导槽(309)，摆杆导槽(309)与活动摆杆(308)活动连接，摆杆导槽(309)通过连接销轴I(310)与步距拨叉(305)的中部活动连接。5.根据权利要求4所述的凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，其特征在于，所述连杆(316)为L型的连杆，连杆(316)的中部通过机架连接销轴I(313)活动连接在机架上，连杆(316)的上部通过连接销轴II(314)与步距拨叉(305)的下部活动连接，连杆(316)的下部通过连接销轴III(317)与行走腿(319)的上部活动连接。6.根据权利要求3所述的凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王良文，杜文辽，王新杰，罗国富，赵峰，王才东，穆亚林，宋康康，李安生，岳磊，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41