并聯六足機器人的腰部結構的制作方法

本發明涉及機器人領域，具體涉及一種并聯六足機器人的腰部結構。

背景技術：

地球表面約70％的陸地是輪式運輸機器無法達到的區域，尤其是在突發災難的區域，如：地震、塌方、廠房區內毒氣泄漏等，一般的器械都無法有效、快速的將探測、救援設備運送到目的地。腿式步行器具有極大的靈巧性和地面適應性，能適應復雜地形下的運輸工作。因此，對于軍用、民用腿式機器人的研究有著重要的實際意義。

目前世界上各學術機構研制出來的腿式步行器大多采用串聯的腿部機構構型，雖然串聯機構具有工作空間大的優點，但同時也具有剛性差，承載能力低的缺點，因而目前世界上具有高承載能力的步行機器人還十分罕見。有部分學者嘗試采用并聯機構作為機器人的腿部構型，并研制出了一款具有高承載能力的六足步行機器人(潘陽.p-p結構六足機器人性能設計與控制實驗研究[d].上海交通大學，2014.)，能夠同時滿足一些救災作業對機器人靈活性和承載能力的雙重要求。然而，由于并聯機構固有的工作空間較小的屬性，并聯腿式機器人盡管在靈巧性和地面適應性方面優于輪式機器人，卻比不上串聯腿式機器人，難以攀爬較為陡峭的坡和樓梯。為充分利用并聯腿式機器人的高承載能力，同時提升靈巧性和地面適應性，須為并聯腿式機器人引入腰關節。

目前世界上關于多足機器人腰部關節的研究和設計還比較少，已有的帶腰多足機器人大多在腰關節上采用串聯鉸鏈的構型設計，雖然結構簡單，但剛性較差，而且會使前后軀干產生較大幅度的相對轉動。而對于并聯六足機器人，由于其腿部的承載能力具有較大的各向異性，其豎直方向承載能力遠大于水平方向，為充分利用并聯六足機器人的高承載能力，并不希望腰部關節的運動導致前后軀干(也就是腿部基座)產生相對轉動。

綜上所述，現有的機器人腰部結構設計并不能滿足并聯六足機器人在提高靈巧性和地面適應性的同時保持高剛性和高承載能力的設計需求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種并聯六足機器人的腰部結構，以解決并聯腿式機器人工作空間狹小的問題，提高并聯腿式機器人的靈巧性和地面適應性，同時令機器人軀干依然具有良好的剛性和承載能力。

為達到上述目的，本發明提供一種并聯六足機器人的腰部結構，包括：前段軀干、中段軀干、后段軀干、上連桿、下連桿、電機、電機基座、滑動絲杠以及螺母。其中：

前段軀干、中段軀干和后段軀干分別與上連桿通過鉸鏈a連接，前段軀干、中段軀干和后段軀干分別與下連桿通過鉸鏈b連接，電機基座與中段軀干通過鉸鏈c連接，下連桿與螺母通過鉸鏈d連接，鉸鏈a、鉸鏈b、鉸鏈c和鉸鏈d的軸向均沿著機器人身體的側向；電機和滑動絲杠分別安裝在電機基座上，電機通過同步帶傳動驅動滑動絲杠相對電機基座轉動；滑動絲杠與螺母構成螺紋副傳動。

依照本發明較佳實施例所述的并聯六足機器人的腰部結構，前段軀干、中段軀干和后段軀干上分別設有兩塊對稱的三角形基板，用于安裝并聯六足機器人的腿部，每段軀干安裝兩條腿。

依照本發明較佳實施例所述的并聯六足機器人的腰部結構，前段軀干、中段軀干和后段軀干與上連桿之間的連接處分別形成上鉸接點，前段軀干、中段軀干和后段軀干與下連桿之間的連接處分別形成下鉸接點，上、下鉸接點之間的距離相等且相對位置相同。

依照本發明較佳實施例所述的并聯六足機器人的腰部結構，上連桿與前段軀干、中段軀干和后段軀干之間的連接處分別形成三處鉸接點，下連桿與前段軀干、中段軀干和后段軀干之間的連接處分別形成三處鉸接點，同一連桿上的三處鉸接點三點共線且相對距離相等，使上連桿和下連桿與前段軀干、中段軀干和后段軀干之間構成兩組平行四邊形機構。

依照本發明較佳實施例所述的并聯六足機器人的腰部結構，上連桿和下連桿在結構設計上充分考慮空間干涉的可能性，保證上連桿和下連桿相對于前段軀干、中段軀干和后段軀干的轉角范圍均為±45度。

依照本發明較佳實施例所述的并聯六足機器人的腰部結構，還包括腿部構件，所述腿部構件安裝于前段軀干、中段軀干和后段軀干上的三角形基板上。

本發明的工作原理為：電機通過同步帶帶動滑動絲杠相對于電機基座轉動，螺母沿著滑動絲杠的軸向移動，從而帶動下連桿相對中段軀干轉動。前段軀干、中段軀干、后段軀干、上連桿、下連桿構成兩組平行四邊形機構，因此下連桿的轉動將帶動前段軀干和后段軀干相對于中段軀干作平動運動，平動軌跡為圓弧，前段軀干和后段軀干的姿態沒有改變，安裝在前后軀干上的前后腿的工作空間也隨之擴大。

本發明提供的并聯六足機器人的腰部結構，上連桿、下連桿分別與前段軀干、中段軀干、后段軀干通過鉸鏈連接，構成雙平行四邊形機構，電機基座與中段軀干通過鉸鏈連接，下連桿與螺母通過鉸鏈連接，鉸鏈的軸向均是沿著機器人身體的側向。電機和滑動絲杠分別安裝在電機基座上，電機通過同步帶傳動驅動滑動絲杠相對電機基座轉動。滑動絲杠與螺母構成螺紋副傳動。本發明能夠有效擴大并聯六足機器人的腿部工作空間，提高機器人的靈巧性和地面適應性，同時使并聯六足機器人保持良好的剛性和承載能力，還具有結構簡單、驅動元件少的優點。

綜上所述，與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

本發明采用雙平行四邊形機構實現前、后段軀干的聯動，僅需一個驅動元件即可實現前、后段軀干相對于中段軀干的平動，能夠有效擴大并聯六足機器人的腿部工作空間，提高機器人的靈巧性和地面適應性，同時使機器人的六條腿依舊在承載能力較好的姿態下工作，令機器人與無腰關節的機型相比，沒有損失過多剛性和承載能力。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明并聯六足機器人的腰部結構的結構示意圖；

圖2為本發明并聯六足機器人的腰部結構的側視圖。

圖3為本發明并聯六足機器人的腰部結構的后視圖。

圖4為本發明并聯六足機器人的腰部結構的機構簡圖。

圖5為本發明并聯六足機器人的腰部結構在機器人整機上的安裝實例。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。

實施例

以下結合附圖，具體說明本實施例技術方案。

請同時參閱圖1～圖5，一種并聯六足機器人的腰部結構，包括：前段軀干1、中段軀干2、后段軀干3、上連桿4、下連桿5、電機6、電機基座7、滑動絲杠8以及螺母9。前段軀干1、中段軀干2、后段軀干3上分別帶有兩塊對稱的三角形基板，用于安裝并聯六足機器人的腿部，每段軀干安裝兩條腿。上連桿4、下連桿5分別與前段軀干1、中段軀干2、后段軀干3通過鉸鏈連接，電機基座7與中段軀干2通過鉸鏈連接，下連桿5與螺母9通過鉸鏈連接，整個腰部在機構上共有8處鉸鏈，鉸鏈的軸向均是沿著圖2的法線方向(即機器人身體的側向)。電機6和滑動絲杠8分別安裝在電機基座7上，電機6通過同步帶傳動驅動滑動絲杠8相對電機基座7轉動。滑動絲杠8與螺母9構成螺紋副傳動。

本實施例的核心在于采用雙平行四邊形機構實現前后段軀干的聯動，其中：

前段軀干1、中段軀干2、后段軀干3與連桿連接的上下兩個鉸接點之間的距離相等，上連桿4和下連桿5與軀干連接的三個鉸接點均在同一直線上，構成尺寸相等的兩個平行四邊形機構，前段軀干1、中段軀干2、后段軀干3、上連桿4和下連桿5這五個構件構成一個單自由度的雙平行四邊形機構，呈“日”字形，保證前段軀干1和后段軀干3相對于中段軀干2只做平動運動而沒有相對轉動，而前段軀干1和后段軀干3的運動是關聯的，只需要一個驅動。

中段軀干2、下連桿5、電機基座7、滑動絲杠8、螺母9實際構成擺動導桿機構，只是主動構件不是曲柄而是滑塊，滑動絲杠8與螺母9的相對運動導致了機器人腰部的轉動。

進一步地，本實施例還包括腿部構件，所述腿部構件安裝于前段軀干、中段軀干和后段軀干上的三角形基板上。

本實施例的工作原理為：在并聯六足機器人爬坡或爬樓梯的時候，由于自身腿部工作空間不足，需要配合腰部的轉動，以擴大腿部工作空間。電機6通過同步帶帶動滑動絲杠8相對于電機基座7轉動，由于各處鉸鏈連接保證螺母9沒有沿滑動絲杠8軸向的轉動自由度，因此螺母9會沿著滑動絲杠8的軸向移動，從而帶動下連桿5相對中段軀干2轉動。前段軀干1、中段軀干2、后段軀干3、上連桿4、下連桿5構成兩組平行四邊形機構，因此下連桿5的轉動將帶動前段軀干1和后段軀干3相對于中段軀干2作平動運動，平動軌跡為圓弧。將機器人身體坐標系建立在中段軀干2上，則由于前段軀干1和后段軀干3能夠相對機器人身體坐標系平動，安裝在其基板上的前后腿的工作空間也隨之擴大。

本實施例采用雙平行四邊形機構實現腰部的運動，與不帶腰關節的六足機器人相比，增大了腿部的實際工作空間，提升了六足機器人的越障能力和地形適應性。前后段軀干通過兩根平行的連桿實現聯動而不是分別驅動，一方面節省了電機、驅動器和減速機構的數量，簡化了結構，節約了成本；另一方面，前后腿施加在腰部的力矩，可通過貫穿身體的兩根連桿相互抵消掉一部分，而不會對腰部的驅動電機造成過大負載，因此這種聯動的腰部構型設計，比前后軀干單獨驅動的方案剛性更好。因此，本實施例具有提升步行機器人工作空間的效果，與現有技術相比，具有結構簡單、剛性好的優點。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。