串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法技术

本发明专利技术公开了一种串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法，属于机器人领域。所述串并混联机器人腿部构型包括底座和两个串并混联驱动机构，所述串并混联驱动机构包括采用转动副依次串联连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆，各连杆之间的转动副的轴线相互平行且与所述第一转动副的轴线垂直；所述第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆分别由两个并联的支连杆组成；所述第一转动副、第二转动副和第三转动副上分别设置有第一转动驱动器、第二转动驱动器和第三转动驱动器。本发明专利技术运动空间大、转动惯量小、腿部机构灵活运动、不发生干涉，并且能够实现机器人的直行、转弯、避障等基本功能，适合水下工作。

Leg configuration, walking robot and motion method of serial parallel hybrid robot

The invention discloses a leg configuration, a walking robot and a motion method of a series-parallel hybrid robot, belonging to the field of robots. The leg configuration of the serial-parallel hybrid robot comprises a base and two serial-parallel parallel parallel driving mechanisms. The serial-parallel parallel driving mechanism comprises a first connecting rod, a second connecting rod, a third connecting rod, a foot-end connecting rod and a fourth connecting rod connected in series by rotating pairs. The axes of the rotating pairs between the connecting rods are parallel to each other and the first connecting rod is connected in series with the rotating pair. The axis of the first rotating pair is vertical; the second connecting rod, the third connecting rod, the foot end connecting rod and the fourth connecting rod are respectively composed of two parallel supporting connecting rods; the first rotating pair, the second rotating pair and the third rotating pair are respectively provided with the first rotating driver, the second rotating driver and the third rotating driver. The invention has large motion space, small rotating inertia, flexible movement of leg mechanism, no interference, and can realize the basic functions of robot, such as straight, turning, obstacle avoidance, and is suitable for underwater work.

【技术实现步骤摘要】
串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法
本专利技术涉及机器人
，特别是指一种串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法。
技术介绍
在高速发展的今天，海洋作为蓝色国土，探索海洋成为当前重要的任务，因此各种水下机器人应运而生，主要以无人遥控潜水器(ROV)和无缆水下机器人(AUV)为主，但是这两种水下机器人只能够在弱海流环境下，而且需要有缆绳和母船的支撑。当受到较强潮流作用时，控制这两种机器人就会变得困难。移动机器人包含轮式机器人、履带机器人、足式机器人以及复合式机器人等。轮式机器人适合在平坦的地形中执行工作任务，并可以进行高速移动，但行进不平稳易打滑，并且不适合在复杂的地形上面进行工作。履带式机器人适合在较为松软的地形中执行任务，履带与地面的接触面积大，平稳性高，但不适合在复杂的地形上执行工作任务。足式机器人擅长在各种复杂的地形上进行运动，并且其越障能力较强，但是运动速度低，重心不稳定，易侧翻。因此，在水下的复杂环境中，优先选用足式机器人。足式机器人的腿部结构可分为串联机器人、并联机器人和混联机器人。串联机器人结构简单，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，但是结构复杂，易干涉。串并混联机器人既具有串联机器人工作空间大的优点又具有并联机器人承载能力高的特点，但是现有的串并混联机器人都存在工作空间小、转动惯量大、驱动器的布置位置发生干涉等问题，不适合水下使用。因此有必要提供一种新的串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种运动空间大、转动惯量小、腿部机构灵活运动、不发生干涉，并且能够实现机器人的直行、转弯、避障等基本功能，适合水下工作的串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：一种串并混联机器人腿部构型，包括底座和至少一个串并混联驱动机构，其中：所述串并混联驱动机构包括采用转动副依次串联连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆，所述底座采用竖向设置的第一转动副连接所述第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端分别采用第二转动副和第三转动副连接所述第二连杆的一端和所述第四连杆的一端；各连杆之间的转动副的轴线相互平行且与所述第一转动副的轴线垂直；所述第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆分别由两个并联的支连杆组成；所述第一转动副、第二转动副和第三转动副上分别设置有第一转动驱动器、第二转动驱动器和第三转动驱动器。一种步行机器人，其特征在于，包括两个上述任一所述的串并混联机器人腿部构型，两个所述串并混联机器人腿部构型的底座之间采用竖向设置的第四转动副连接，所述第四转动副上设置有能够控制两个所述串并混联机器人腿部构型的底座单独转动的第四转动驱动器和第五转动驱动器。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的串并混联机器人腿部构型通过依次串联连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆构成具有3个自由度的五杆连杆机构以实现机器人腿部在三维空间的运动。2、本专利技术的串并混联机器人腿部构型仅仅使用转动副即可完成腿部构型的抬起、落下与转弯等功能，使用第一转动驱动器即可控制机器人腿部构型转弯的动作，使用第二转动驱动器和第三转动驱动器即可控制机器人腿部构型实现灵活稳定的抬起、落下和避障的动作，并且连杆机构之间不发生干涉，运动控制简单。3、本专利技术的串并混联机器人腿部构型的第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆均采用两个并联的支连杆结构，这种结构形式能够增加足端连杆与地面的接触面积、增强步行机器人腿部构型的稳定性和步行机器人整体的稳定性。4、本专利技术的步行机器人通过使用第四转动副将两个串并混联机器人腿部构型的底座连接，并采用第四转动驱动器和第五转动驱动器单独控制两个串并混联机器人腿部构型的底座，增加了步行机器人整体的转动角度，有效实现步行机器人的直行、转弯和避障等功能。5、本专利技术的步行机器人的腿部驱动器集中设置在底座上，有利于步行机器人主体部分的防护，能够提高步行机器人水下作业的可靠性。综上，与现有技术相比，本专利技术的串并混联机器人腿部构型、步行机器人及其运动方法，结构简单、运动灵活、控制方便简单，能够适应水下地形复杂、环境恶劣的作业条件，步行机器人可以实现较为灵活的移动、转弯和避障等基本功能。附图说明图1为本专利技术的串并混联机器人腿部构型的结构示意图；图2为本专利技术的步行机器人(不含外壳)的结构示意图；图3为本专利技术的步行机器人(含外壳)的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。一方面，本专利技术提供一种串并混联机器人腿部构型，如图1所示，包括底座1和两个串并混联驱动机构2、2’，其中：串并混联驱动机构2、2’均包括采用转动副依次串联连接的第一连杆2-1、第二连杆2-6、第三连杆2-7、足端连杆2-8和第四连杆2-9，底座1采用竖向设置的第一转动副2-2连接第一连杆2-1的一端，第一连杆2-1的另一端分别采用第二转动副2-4和第三转动副2-10连接第二连杆2-6的一端和第四连杆2-9的一端；各连杆之间的转动副的轴线相互平行且与第一转动副3的轴线垂直；第二连杆2-6、第三连杆2-7、足端连杆2-8和第四连杆2-9分别由两个并联的支连杆组成；第一转动副2-2、第二转动副2-4和第三转动副2-10上分别设置有第一转动驱动器2-3、第二转动驱动器2-5和第三转动驱动器2-11。本专利技术的串并混联机器人腿部构型通过依次串联连接的第一连杆2-1、第二连杆2-6、第三连杆2-7、足端连杆2-8和第四连杆2-9构成具有3个自由度的五杆连杆机构以实现机器人腿部在三维空间的运动。仅仅使用转动副即可完成腿部构型的抬起、落下与转弯等功能，使用第一转动驱动器2-3即可控制机器人腿部构型转弯的动作，使用第二转动驱动器2-5和第三转动驱动器2-11即可控制机器人腿部构型实现灵活稳定的抬起、落下和避障的动作，并且连杆机构之间不发生干涉，运动控制简单。本专利技术的串并混联机器人腿部构型的第二连杆2-6、第三连杆2-7、足端连杆2-8和第四连杆2-9均采用两个并联的支连杆结构，这种结构形式能够增加足端连杆2-8与地面的接触面积、增强步行机器人腿部构型的稳定性和步行机器人整体的稳定性。综上，与现有技术相比，本专利技术的串并混联机器人腿部构型结构简单、运动灵活、控制方便简单，能够适应水下地形复杂、环境恶劣的作业条件，步行机器人可以实现较为灵活的移动、转弯和避障等基本功能。串并混联驱动机构2、2’在落地时，为了保证足端连杆2-8落地与地面平行贴合，可以通过控制第二转动驱动器2-5和第三转动驱动器2-11完成落地时足端连杆2-8的转动角度的设定。本专利技术中，为了使第一连杆2-1与底座1、第二连杆2-6和第四连杆2-9同时采用转动副连接，第一连杆2-1优选包括设置于底座1上端面的第一支连杆2-1-1和设置于底座1下端面的第二支连杆2-1-2，第一支连杆2-1-1和第二支连杆2-1-2均通过第一转动副2-2连接在底座1上。这种结构不仅简单易安装，还不会是连杆之间运动时发生相互干涉。为了增加本专利技术的串并混联机器人腿部构型绕Z轴转动角度，增大步行机器人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串并混联机器人腿部构型，其特征在于，包括底座和两个串并混联驱动机构，其中：所述串并混联驱动机构包括采用转动副依次串联连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆，所述底座采用竖向设置的第一转动副连接所述第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端分别采用第二转动副和第三转动副连接所述第二连杆的一端和所述第四连杆的一端；各连杆之间的转动副的轴线相互平行且与所述第一转动副的轴线垂直；所述第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆分别由两个并联的支连杆组成；所述第一转动副、第二转动副和第三转动副上分别设置有第一转动驱动器、第二转动驱动器和第三转动驱动器。

【技术特征摘要】
1.一种串并混联机器人腿部构型，其特征在于，包括底座和两个串并混联驱动机构，其中：所述串并混联驱动机构包括采用转动副依次串联连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆，所述底座采用竖向设置的第一转动副连接所述第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端分别采用第二转动副和第三转动副连接所述第二连杆的一端和所述第四连杆的一端；各连杆之间的转动副的轴线相互平行且与所述第一转动副的轴线垂直；所述第二连杆、第三连杆、足端连杆和第四连杆分别由两个并联的支连杆组成；所述第一转动副、第二转动副和第三转动副上分别设置有第一转动驱动器、第二转动驱动器和第三转动驱动器。2.根据权利要求1所述的串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述第一连杆包括设置于所述底座上端面的第一支连杆和设置于所述底座下端面的第二支连杆，所述第一支连杆和第二支连杆均通过所述第一转动副连接在所述底座上。3.根据权利要求2所述的串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述底座包括扇形底板和设置于所述扇形底板的弧形端上方的弧形板，所述第一支连杆通过所述第一转动副连接在所述弧形板的上端面上。4.根据权利要求3所述的串并混联机器人腿部构型，其特征在于，两个所述串并混联驱动机构相对于所述底座的轴线对称。5.根据权利要求3所述的串并混联机器人腿部构型，其特征在于，所述第一转动驱动器、第二转动驱动器和第三转动驱动器均采用伺服电机。6.一种步行机器人，其特征在于，包括两个权利要求1至5中任一所述的串并混联机器人腿部构型，形成四足步行机器人，所述两个串并混联机器人腿部构型分别为第一机器人腿部构型和第二机器人腿部构型，所述第一机器人腿部构型的两个串并混联驱动机构分别为第一串并混联机构和第二串并混联机构，所述第二机器人腿部构型的两个串并混联驱动机构分别为第三串并混联机构和第四串并混联机构，所述第一机器人腿部构型的底座与第二机器人腿部构型的底座之间采用竖向设置的第四转动副连接，所述第四转动副上设置有能够分别控制所述第一机器人腿部构型的底座和第二机器人腿部构型的底座转动的第四转动驱动器和第五转动驱动器。7.根据权利要求6所述的步行机器人，其特征在于，所述第一机器人腿部构型的底座与所述第二机器人腿部构型的底座之间相对转动的角度最大为150°。8.根据权利要求6所述的步行机器人，其特征在于，所述第一机器人腿部构型和第二机器人腿部构型的底座上分别设置有外壳。9.权利要求6至8中任一所述的步行机器人的直行方法，其特征在于，包括：步骤1：所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的抬起：所述第二串并混联机构的足端连杆和第四串并混联机构的足端连杆为支撑点，保持原位置不动，所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的第二转动驱动器和第三转动驱动器分别驱动所述第一串并混联机构和第三串并混联机构向上转动一定的角度，由此分别带动所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的足端连杆上升一定的高度，完成所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的抬起，其中，所述第二转动驱动器驱动第一连杆绕所述第二转动副向上转动一定的角度，所述第四转动驱动器驱动第四连杆绕所述第三转动副向上转动一定的角度；步骤2：所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的转动：所述第一串并混联机构的第一转动驱动器驱动所述第一串并混联机构绕所述第一转动副顺时针转动一定的角度，同时所述第三串并混联机构的第一转动驱动器驱动所述第三串并混联机构绕所述第一转动副逆时针转动一定的角度，由此完成所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的整体转动；步骤3：所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的落下：所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的第二转动驱动器和第三转动驱动器分别驱动所述第一串并混联机构和第三串并混联机构向下转动一定的角度，由此分别带动所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的足端连杆落至地面，完成所述第一串并混联机构和第三串并混联机构的落下，其中，所述第二转动驱动器驱动第一连杆绕所述第二转动副向下转动一定的角度，所述第四转动驱动器驱动第四连杆绕所述第三转动副向下转动一定的角度；步骤4：所述第二串并混联机构和第四串并混联机构的抬起：所述第一串并混联机构的足端连杆和第三串并混联机构的足端连杆为支撑点，保持原位置不动，所述第二串并混联机构和第四串并混联机构的第二转动驱动器和第三转动驱动器分别驱动所述第二串并混联机构和第四串并混联机构向上转动一定的角度，由此分别带动所述第二串并混联机构和第四串并混联机构的足端连杆上升一定的高度，完成所述第二串并混联机构和第四串并混联机构的抬起，其中，所述第二转动驱动器驱动第一连杆绕所述第二转动副向上转动一定的角度，所述第四转动驱动器驱动第四连杆绕所述第三转动副向上转动一定的角度；步骤5：所述第二串并混联机构和第四串并混联机构的转动：所述第二串并混联机构的第一转动...

【专利技术属性】
技术研发人员：马广英，刘润晨，韩硕，陈原，高军，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37