一种平面五杆机构柔性腿结构制造技术

本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本技术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。本技术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；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)、(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。与现有技术相比，本技术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。而本技术相对于现有技术：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。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。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。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。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。附图说明图1为本技术平面五杆机构柔性腿结构的整体外观示意图；图2为本技术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；图3为本技术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；图4为本技术平面五杆机构柔性腿结构的连杆机构示意图；图5为本技术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；图6为本技术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；图7为本技术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；图8为本技术平面五杆机构柔性腿结构的足尖结构爆炸示意图。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-聚氨酯块本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)、(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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小俊，丁国帅，史延雷，张明路，梁飞，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津;12