專利名稱：具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，尤其是一種具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，地面移動機(jī)器人常用的移動方式主要是輪式、履帶式、蠕動式、爬行式和步 行式。輪式移動機(jī)構(gòu)具有摩擦阻力小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但只適應(yīng)于相對平坦的地面環(huán)境，越 障能力差。履帶式移動機(jī)構(gòu)對地形環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，可翻越障礙、攀爬樓梯、跨越壕溝等， 但傳動效率低。蠕動、爬行和步行式均是模仿動物的仿生運(yùn)動方式，對地形環(huán)境的適應(yīng)能力 極強(qiáng)，可以在絕大部分地面環(huán)境上行走，且以步行方式運(yùn)動速度最快。步行四足機(jī)器人在復(fù) 雜地形環(huán)境下的軍事物質(zhì)運(yùn)輸、反恐裝備底盤、野外勘探和探險(xiǎn)、星球探測以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等 方面具有廣闊的應(yīng)用前景。美國在1968年由通用電氣公司的Mosher研制出了世界上第一臺現(xiàn)代意義上的、 具有控制功能的四足步行機(jī)器人。1977年，美國俄亥俄州立大學(xué)的RobertMcGhee研制了 世界上第一臺數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的步行仿生機(jī)器人。從20世紀(jì)80年代起，美國、日本、加拿 大、瑞士、德國等國家的研究機(jī)構(gòu)均開始研究仿哺乳類動物的步行四足移動機(jī)器人，另有很 多機(jī)構(gòu)研究仿爬行類動物多足移動機(jī)器人。中國專利文獻(xiàn)ZL200820157956. 2公開了 “一種四足步行機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)”，該 機(jī)器人在機(jī)架的前、后、左、右分別對稱設(shè)置一套兩足驅(qū)動組件和行走腿，每條腿具有一個 在水平面內(nèi)擺動的自由度和一個在豎直面擺動的自由度。該四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn) 靜態(tài)步行，運(yùn)動速度慢；每條腿只有兩個自由度，運(yùn)動空間小，越障能力差。中國專利文獻(xiàn)CN101602382A公開了 “一種單驅(qū)動四足步行機(jī)器人”，該機(jī)器人前、 后安裝有兩根平行配置的轉(zhuǎn)軸，由一個電機(jī)通過傳動元件驅(qū)動，每根轉(zhuǎn)軸的左右兩端分別 固定連接曲柄。機(jī)器人安裝有四條單腿，每條腿由一個曲柄擺桿機(jī)構(gòu)與交叉平行四邊形串 聯(lián)鉸接而成，由每根軸端的連接曲柄驅(qū)動。該機(jī)器人由一個電機(jī)驅(qū)動即可實(shí)現(xiàn)行走，但四條 腿之間全部由連桿機(jī)械連接，腿之間的運(yùn)動規(guī)律固定，只能在平地面上步行，不具有越障能 力，并且只能直行，不能轉(zhuǎn)向。中國專利文獻(xiàn)ZL03153505. 4公開了 “一種可調(diào)整的四足仿生機(jī)器人運(yùn)動結(jié)構(gòu)”， 主要包括頂部基準(zhǔn)平板、四條腿、四只足、驅(qū)動裝置和傳感裝置。頂部基準(zhǔn)平板上對稱開有 四個分別可供四條腿前后移動的調(diào)整槽，四條腿與頂部基準(zhǔn)板之間采用吊裝式結(jié)構(gòu)；大腿 和小腿分別由各自的驅(qū)動裝置帶動沿各自關(guān)節(jié)軸擺動。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自由行走、對角行 走、側(cè)步、奔跑等典型步態(tài)，能夠轉(zhuǎn)彎，具有爬坡、越障能力。該機(jī)器人每條腿有兩個關(guān)節(jié)，腿 長動態(tài)變化范圍小，適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境和越障能力有限；采用電機(jī)驅(qū)動，其動態(tài)響應(yīng)能力和 負(fù)重能力差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種構(gòu)造簡單、具有越障能力、 能夠轉(zhuǎn)向、負(fù)重能力強(qiáng)、易于維護(hù)、動態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī) 器人移動機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其包括軀干、移動架、質(zhì)心調(diào) 整裝置和四條機(jī)器人腿，所述軀干下部設(shè)有四條機(jī)器人腿，軀干上部通過質(zhì)心調(diào)整裝置與 移動架連接。所述每條機(jī)器人腿均由三段依次連接的腿節(jié)和小腿組成，小腿設(shè)置于三段腿節(jié)的 下部，三段腿節(jié)之間以及腿節(jié)與小腿之間均通過軸線沿軀干橫向的轉(zhuǎn)動副和伺服油缸連 接，最上部的腿節(jié)通過軸線沿軀干縱向的轉(zhuǎn)動副與軀干連接，前述四個轉(zhuǎn)動副為每條腿的 四個主動關(guān)節(jié)；所述小腿下部設(shè)有一個被動的伸縮關(guān)節(jié)。所述小腿包括小腿外筒，小腿外筒內(nèi)部上端裝有一高壓氣囊，下端裝有兩個直線 軸承，直線軸承內(nèi)孔安裝有小腿伸縮桿，小腿伸縮桿的下端安裝有橡膠套，橡膠套內(nèi)設(shè)有六 維力傳感器。所述伺服油缸包括液壓油缸、伺服閥、位移傳感器和力傳感器，力傳感器安裝在液 壓油缸的缸桿上，位移傳感器安裝液壓油缸的一側(cè)。所述質(zhì)心調(diào)整裝置包括雙向螺母支架，雙向螺母支架下部設(shè)有與軀干連接的橫向 移動裝置，上部設(shè)有與移動架連接的縱向移動裝置。所述橫向移動裝置包括與雙向螺母支架下部通過螺旋副連接的橫向絲杠，橫向絲 杠一端設(shè)有連接板I，另一端通過齒輪機(jī)構(gòu)I與直流電機(jī)I連接，齒輪機(jī)構(gòu)I的外部設(shè)有 連接板II。所述縱向移動裝置包括平行設(shè)置的縱向絲杠和光軸，縱向絲杠和光軸分別通過雙 向螺母支架上部兩側(cè)的螺旋副和直線軸承設(shè)置于其上；縱向絲杠的一端設(shè)有連接板III，另 一端通過齒輪機(jī)構(gòu)II與直流電機(jī)II連接，齒輪機(jī)構(gòu)II的外部設(shè)有連接板IV ；光軸的兩端分 別設(shè)有連接板III。所述的軀干為一長方形框架。所述移動架為一橫截面為梯形的框架。本發(fā)明的機(jī)器人每條腿有四個主動關(guān)節(jié)，使機(jī)器人足工作空間更大，具有更強(qiáng)的 復(fù)雜地形適應(yīng)能力和越障能力。軀干下部四角分別對稱安裝四條完全相同的機(jī)器人腿，前后兩條腿可以按膝關(guān)節(jié) 同向安裝或反向安裝，軀干上部通過質(zhì)心調(diào)整裝置與移動架連接。移動架為一橫截面為梯形的框架結(jié)構(gòu)，其上用來安裝、固定各種傳感器、控制系統(tǒng) 模塊、液壓系統(tǒng)模塊等，并可搭載貨物。當(dāng)機(jī)器人快速行走時(shí)，地面對機(jī)器人足部有較大沖擊力，使小腿伸縮桿相對小腿 外筒向上運(yùn)動，高壓氣囊被壓縮，同時(shí)吸收地面對足部的沖擊，起到緩沖和減振的作用。六 維力傳感器用來測量地面對足部的作用力。橡膠套用來增加足與地面間的摩擦力，保護(hù)六 維力傳感器、并起部分緩沖減振作用。當(dāng)直流電機(jī)通過齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動橫向絲杠時(shí)，雙向螺母支架通過縱向絲杠帶動移動架可沿軀干橫向移動。當(dāng)直流電機(jī)通過齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動縱向絲杠時(shí)，移動架相對軀干可沿縱 向移動。四足機(jī)器人在快速動態(tài)步行時(shí)，常用某種對稱步態(tài)。當(dāng)機(jī)器人質(zhì)心在地面的投影 位于4條腿支撐面積的形心時(shí)，有兩條對稱腿的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)是相同的；當(dāng)機(jī)器人 質(zhì)心在地面的投影不位于4條腿支撐面積的形心時(shí)，兩條對稱腿的動力學(xué)參數(shù)就不同，這 樣就會增加機(jī)器人穩(wěn)定性控制的難度。質(zhì)心調(diào)整方法是在平坦地面，機(jī)器人4條腿直立， 根據(jù)4條腿足部的六維力傳感器測量的垂向分力對足支撐面積形心的合力矩確定調(diào)整方 向，由質(zhì)心調(diào)整裝置調(diào)整移動架及固定在其上的所有質(zhì)量，直到合力矩為零。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)
(1)采用液壓驅(qū)動，使機(jī)器人具有更大的負(fù)重能力；
(2)每條腿有四個主動關(guān)節(jié)，具有冗余自由度，使機(jī)器人具有更強(qiáng)的復(fù)雜地形環(huán)境適應(yīng) 能力和越障能力；
(3)具有質(zhì)心調(diào)整裝置，且不需要額外的配重，使機(jī)器人穩(wěn)定性更好；
(4)機(jī)器人16個主動關(guān)節(jié)采用完全相同的液壓伺服油缸驅(qū)動，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡 單，易于維護(hù)。本發(fā)明適用于在復(fù)雜地形環(huán)境下軍事和民用物質(zhì)的運(yùn)輸、反恐裝備、野外勘探和 探險(xiǎn)、星球探測以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面。


圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是機(jī)器人一條腿的構(gòu)成示意圖； 圖3是機(jī)器人腿與軀干連接的前視圖； 圖4是液壓伺服油缸的構(gòu)成示意圖； 圖5是機(jī)器人小腿結(jié)構(gòu)示意圖6是機(jī)器人軀干、質(zhì)心調(diào)整裝置和移動架裝配的爆炸圖； 圖7是質(zhì)心調(diào)整裝置構(gòu)成示意圖中1.移動架，2.質(zhì)心調(diào)整裝置，3.軀干，4.機(jī)器人腿，5.腿節(jié)I，6.伺服油 缸，7.轉(zhuǎn)動副I，8.腿節(jié)II，9.轉(zhuǎn)動副II，10.腿節(jié)III，11.轉(zhuǎn)動副III，12.小腿，13.移動副， 14.轉(zhuǎn)動副IV，15.液壓油缸，16.電液伺服閥，17.位移傳感器，18.力傳感器，19.小腿外 筒，20.氣囊，21.直線軸承，22.小腿伸縮桿，23.六維力傳感器，24.橡膠套，25.連接板IV， 26.齒輪機(jī)構(gòu)II，27.直流電機(jī)II，28.縱向絲杠，29.雙向螺母支架，30.連接板III，31.連接 板II，32.齒輪機(jī)構(gòu)I，33.直流電機(jī)I，34.光軸，35.橫向絲杠，36.連接板I。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明包括軀干3、移動架1、質(zhì)心調(diào)整裝置2和四條機(jī)器人腿4。軀 干3下部設(shè)有四條機(jī)器人腿4，軀干3上部通過質(zhì)心調(diào)整裝置2與移動架1連接。其中每條機(jī)器人腿由三段腿節(jié)(腿節(jié)I 5、腿節(jié)II 8和腿節(jié)III 10)和小腿12組成 (見圖2)，小腿12設(shè)置于三段腿節(jié)的下部，腿節(jié)I 5通過軸線沿軀干縱向的轉(zhuǎn)動副IV 14與軀干3連接(見圖3)，腿節(jié)I 5與腿節(jié)II 8、腿節(jié)II 8與腿節(jié)III10、腿節(jié)III 10與小腿12之間均通過軸線沿軀干橫向的轉(zhuǎn)動副(轉(zhuǎn)動副I 7、轉(zhuǎn)動副II 9和轉(zhuǎn)動副III 11，見圖2)連接，以 上四個關(guān)節(jié)(即前述的四個轉(zhuǎn)動副)均通過伺服油缸6驅(qū)動，小腿12有一個被動伸縮關(guān)節(jié)。 機(jī)器人每條腿有四個主動關(guān)節(jié)(轉(zhuǎn)動副I 7、轉(zhuǎn)動副II 9、轉(zhuǎn)動副III 11和轉(zhuǎn)動副IV 14)，使機(jī) 器人足部的工作空間大，具有更強(qiáng)的復(fù)雜地形適應(yīng)能力和越障能力。如圖5所示，機(jī)器人小腿12由小腿外筒19、氣囊20、直線軸承21、小腿伸縮桿22、 六維力傳感器23和橡膠套24組成。小腿外筒19內(nèi)部上端裝有一高壓氣囊20，下端裝有 兩個直線軸承21，直線軸承內(nèi)孔安裝有小腿伸縮桿22，小腿伸縮桿22的下端安裝有橡膠套 24，橡膠套24內(nèi)設(shè)有六維力傳感器23。當(dāng)機(jī)器人快速行走時(shí)，地面對機(jī)器人足部有較大沖擊力，使小腿伸縮桿22相對小 腿外筒19向上運(yùn)動，高壓氣囊20被壓縮，同時(shí)吸收地面對足部的沖擊，起到緩沖和減振的 作用。六維力傳感器23用來測量地面對足部的作用力。橡膠套24用來增加足與地面間的 摩擦力，保護(hù)六維力傳感器23、并起部分緩沖減振作用。如圖4所示，伺服油缸6由液壓油缸15、電液伺服閥16、位移傳感器17和力傳感 器18組成，力傳感器18安裝在液壓油缸15的缸桿上，位移傳感器17安裝液壓油缸15的一側(cè)。質(zhì)心調(diào)整裝置2如圖7所示，包括雙向螺母支架29，雙向螺母支架29下部設(shè)有與 軀干3連接的橫向移動裝置，上部設(shè)有與移動架1連接的縱向移動裝置。橫向移動裝置包括與雙向螺母支架29下部通過螺旋副連接的橫向絲杠35，橫向 絲杠35 —端設(shè)有連接板I 36，另一端通過齒輪機(jī)構(gòu)I 32與直流電機(jī)I 33連接，齒輪機(jī)構(gòu) I 32的外部設(shè)有連接板II 31?？v向移動裝置包括平行設(shè)置的縱向絲杠28和光軸34，縱向絲杠28和光軸34分別 通過雙向螺母支架29上部兩側(cè)的螺旋副和直線軸承設(shè)置于其上；縱向絲杠28的一端設(shè)有 連接板III 30，另一端通過齒輪機(jī)構(gòu)II 26與直流電機(jī)II 27連接，齒輪機(jī)構(gòu)II 26的外部設(shè)有 連接板IV 25 ；光軸的兩端分別設(shè)有連接板III 30。橫向絲杠35通過連接板II 31和連接板I 36與軀干3固定連接，橫向絲杠35與 雙向螺母支架29下部通過螺旋副連接。雙向螺母支架29上部通過螺旋副與縱向絲杠28 連接，通過直線軸承與光軸34連接，縱向絲杠28和光軸34通過連接板IV 25、連接板III 30 與移動架1固定連接。當(dāng)直流電機(jī)I 33通過齒輪機(jī)構(gòu)I 32驅(qū)動橫向絲杠35時(shí)，雙向螺母支架29通過 縱向絲杠28和光軸34帶動移動架1可沿軀干3橫向移動。當(dāng)直流電機(jī)II 27通過齒輪機(jī) 構(gòu)II 26驅(qū)動縱向絲杠28時(shí)，移動架1相對軀干3可沿縱向移動。四足機(jī)器人在快速動態(tài)步行時(shí)，常用某種對稱步態(tài)。當(dāng)機(jī)器人質(zhì)心在地面的投影 位于四條腿支撐面積的形心時(shí)，有兩條對稱腿的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)是相同的；當(dāng)機(jī)器人 質(zhì)心在地面的投影不位于四條腿支撐面積的形心時(shí)，兩條對稱腿的動力學(xué)參數(shù)就不同，這 樣就會增加機(jī)器人穩(wěn)定性控制的難度。質(zhì)心調(diào)整方法是在平坦地面，機(jī)器人四條腿直立， 根據(jù)四條腿足部的六維力傳感器23測量的垂向分力對足支撐面積形心的合力矩確定調(diào)整 方向，由質(zhì)心調(diào)整裝置2調(diào)整移動架1及固定在其上的所有質(zhì)量，直到合力矩為零。軀干3為一長方形框架(見圖6 )，軀干3下部四角分別對稱安裝4條完全相同的機(jī)器人腿4，前后兩條腿可以按膝關(guān)節(jié)(即轉(zhuǎn)動副II 9)同向安裝或反向安裝，軀干3上部通過質(zhì)心調(diào)整裝置2與移動架1連接。 移動架1為一橫截面為梯形的框架結(jié)構(gòu)(見圖6)，用來安裝、固定各種傳感器、控 制系統(tǒng)模塊、液壓系統(tǒng)模塊等，并可搭載貨物。
權(quán)利要求
一種具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征在于其包括軀干、移動架、質(zhì)心調(diào)整裝置和四條機(jī)器人腿，所述軀干下部設(shè)有四條機(jī)器人腿，軀干上部通過質(zhì)心調(diào)整裝置與移動架連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述每條機(jī)器人腿均由三段依次連接的腿節(jié)和小腿組成，小腿設(shè)置于三段腿節(jié)的下 部，三段腿節(jié)之間以及腿節(jié)與小腿之間均通過軸線沿軀干橫向的轉(zhuǎn)動副和伺服油缸連接， 最上部的腿節(jié)通過軸線沿軀干縱向的轉(zhuǎn)動副與軀干連接，前述四個轉(zhuǎn)動副為每條腿的四個 主動關(guān)節(jié)；所述小腿下部設(shè)有一個被動的伸縮關(guān)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特 征在于所述小腿包括小腿外筒，小腿外筒內(nèi)部上端裝有一高壓氣囊，下端裝有兩個直線軸 承，直線軸承內(nèi)孔安裝有小腿伸縮桿，小腿伸縮桿的下端安裝有橡膠套，橡膠套內(nèi)設(shè)有六維 力傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述伺服油缸包括液壓油缸、伺服閥、位移傳感器和力傳感器，力傳感器安裝在液壓 油缸的缸桿上，位移傳感器安裝液壓油缸的一側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述質(zhì)心調(diào)整裝置包括雙向螺母支架，雙向螺母支架下部設(shè)有與軀干連接的橫向移 動裝置，上部設(shè)有與移動架連接的縱向移動裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述橫向移動裝置包括與雙向螺母支架下部通過螺旋副連接的橫向絲杠，橫向絲杠 一端設(shè)有連接板I，另一端通過齒輪機(jī)構(gòu)I與直流電機(jī)I連接，齒輪機(jī)構(gòu)I的外部設(shè)有連 接板II。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述縱向移動裝置包括平行設(shè)置的縱向絲杠和光軸，縱向絲杠和光軸分別通過雙向 螺母支架上部兩側(cè)的螺旋副和直線軸承設(shè)置于其上；縱向絲杠的一端設(shè)有連接板III，另一 端通過齒輪機(jī)構(gòu)II與直流電機(jī)II連接，齒輪機(jī)構(gòu)II的外部設(shè)有連接板IV ；光軸的兩端分別 設(shè)有連接板III。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述的軀干為一長方形框架。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，其特征 在于所述移動架為一橫截面為梯形的框架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動四足機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，包括軀干、移動架、質(zhì)心調(diào)整裝置和四條機(jī)器人腿，軀干下部設(shè)有四條機(jī)器人腿，軀干上部通過質(zhì)心調(diào)整裝置與移動架連接。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)采用液壓驅(qū)動，使機(jī)器人具有更大的負(fù)重能力；(2)每條腿有四個主動關(guān)節(jié)，具有冗余自由度，使機(jī)器人具有更強(qiáng)的復(fù)雜地形環(huán)境適應(yīng)能力和越障能力；(3)具有質(zhì)心調(diào)整裝置，且不需要額外的配重，使機(jī)器人穩(wěn)定性更好；(4)機(jī)器人16個主動關(guān)節(jié)采用完全相同的液壓伺服油缸驅(qū)動，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡單，易于維護(hù)。本發(fā)明適用于復(fù)雜地形環(huán)境下軍事和民用物質(zhì)的運(yùn)輸、反恐裝備、野外勘探和探險(xiǎn)、星球探測以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面。
文檔編號B62D57/02GK101811525SQ20101015367
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者宋勇, 宋洪軍, 宋銳, 徐勤江, 李貽斌, 榮學(xué)文, 阮久宏 申請人:山東大學(xué)