多关节链节式机器人专利分析

专利名称：一种基于模块化的多关节链节式机器人

发明人：罗庆生；韩宝玲；莫洋；魏天骐；赵佳馨；毛明哲

一种基于模块化的多关节链节式机器人

技术领域

本发明属于仿生机器人应用领域，具体涉及一种基于模块化的多关节链节式机器人。

背景技术

随着生物学对于人类和其他动物的神经系统及生活方式研究的逐步深入，仿生学技术的研究依靠着科学技术的发展也飞速前进，创造了科学技术和生物学研究之间学科交叉的广阔研究领域。在对生物神经系统的结构和功能进行分析和借鉴的基础上，国内外各研究单位先后研发了一系列的仿生学机器人，模仿生物、从事适合生物特点的工作，并力求能达到尽可能高的生物相似度水平，以实现流畅自然的动作和神经反射，到达更加完美可靠的运动控制效果。

鉴于目前的仿生机器人研究在仿生效果、能源消耗、实际用途、科技应用等各方面仍存在很大的研究空间，因此在仿生研究的基础上，保留机器本身的轮式运动的同时结合生物腿式运动的特点，设计一款拥有轮式快速运动和腿式适应性强的特点的节肢机器人是一个有很高研究价值和应用前景的工作。其中日本千叶理工学院设计的HallucⅡ型八足机器人兼具上述运动特色。但由于此机器人只有腿部的创新，各个运动足之间使用一块平板连接的设计不能展现摆动、起伏类动作，限制了此类轮足式机器人的姿态展示。

增加腰椎结构的设计，对每组运动足实现模块化连接，使每组运动足实现不同角度与方向的姿态变化正是多关节模块化的链节式机器人所研究完成的工作。

发明内容

本发明为一种可以实现模块化组合的多关节链节式机器人。该机器人采用模块化的开链结构，每个模块有十二个自由度，每个自由度都由舵机或直流电动机驱动完成。机器人的每个运动足由四个曲臂关节和一个轮足组成，共有五个主动自由度，两个对称布置的运动足组成一对关节，两对关节之间通过链节式腰部关节连接，腰部关节有两个主动自由度，可实现在四个相互垂直方向上的灵活转动。通过模块化组合，该机器人可实现轮式和腿式、直行与摆动的运动特性的有机融合，使其既有腿式机器人地形适应能力强、跨越障碍特性好和机身姿态灵活多变的优点，又有轮式机器人机动速度快、平衡能力好的优点。同时腰部宽度的设计，使得机器人在前进或后退时的步长和运动能满足不干涉条件。多对运动足之间的协调配合可使机器人能完成几十种运动步态，并能跨越一定高度的障碍物。

其中，模块化的设计思想，可以实现两组模块以上的任意组模块拼接，通过模块灵活地进行增减实现不同的步态展现和运动套路；模块间距设计，即腰部宽度的设计，使得机器人在前进或后退时的步长和运动能满足设计要求，不至于运动时前后腿相冲突；运动足各关节之间的距离设计，可使得机器人的各关节能在预定的角度范围内转动；运动足足底滚轮的斜率设计，可使得机器人在横向侧行步态时腿部弯曲的角度恰好使滚轮着地点与地面相切。这种装置具有结构紧凑、承载能力强、足端可达域广、抗干扰能力强、控制方便、运动灵活等特点。

为了实现上述发明目的，多关节模块化组合的链节式机器人设计由多组以下部件组成：腿前部曲臂、腿后部曲臂、直流电动机外壳、电动机延伸套、轮子外套、轮芯、腿轴、脚部插板、舵机支撑架一、舵机支撑架二、舵机支撑架三、舵机支撑架四、舵机支撑架五、舵机支撑架六、舵机支撑架七、缓冲垫、腰部横板、齿轮箱、轴承盖、上下转动件、腰椎、轴承端盖、垫片、左右转动件、左右连接件、沉头螺钉、左右舵机固定架、舵机、垫片、圆柱齿轮、舵盘螺钉、舵机螺钉、舵盘、腰轴、螺钉、708C轴承、上下连接件、上下舵机固定架。其中，舵机安装在舵机支撑架内，直流电动机安装在直流电动机外壳内，电动机支架通过螺钉固定在机体上，锥齿轮与电动机轴相连。主要设计包括以下结构：①模块间距设计：通过测量可得最底端的舵机轴距离足底端橡胶底的距离和运动分析可知，运动足要能够绕最底端的舵机轴平角旋转，因此设计舵机轴到胶底距离及两足之间距离，以保证使两足能够同时旋转而不发生干涉。②腰部结构设计：通过对力矩强度校核，设计出具有两个腰椎一侧固连，运动方向互为垂直的两自由度腰部结构。③运动足曲臂的设计：通过对运动足动作的设计要求的分析可知，曲臂由两部分组成，通过调整尺寸，使拐角为直角。④舵机包围结构：根据舵机的尺寸大小，来确定包围结构外壳的尺寸。并通过精细的测量来确定背板上和舵机对称位置安装轴的位置，从而保证了对称性。此外，在设计时，两侧预留出了误差允许范围的安装间隙，以方便调整。

本发明的优点在于：

1）模块化设计的思想，实现了机器人组装拼接的任意性，实现了最大程度的步态规划与拓展。

2）结合腿式与轮式仿生机器人的特点，运动足曲臂和轮式设计使其既有腿式机器人适应地形能力强、机身灵活的优点，又有轮式机器人机动速度快、机体平衡控制能力强的优点。

3）利用锥齿轮避免了电动机直接承受径向负载，提高了电动机的使用寿命，增大了力矩。

附图说明

附图H-1为基于多关节模块化的链节式机器人整体示意图。

附图H-2为基于多关节模块化的链节式机器人主视图。

附图H-3为基于多关节模块化的链节式机器人左视图。(www.xing528.com)

附图H-4为基于多关节模块化的链节式机器人俯视图。

附图H-5为基于多关节模块化的链节式机器人运动足双足组合设计图。

附图H-6为基于多关节模块化的链节式机器人腰部设计装配分解图。

附图H-7为基于多关节模块化的链节式机器人腰部设计主视图。

附图H-8为基于多关节模块化的链节式机器人腰部设计俯视图。

以上附图中：1—支架；2—锥齿轮；3—轴承；4—1号舵机；5—套筒；6—1号轴；7—身板；8—键；9—螺钉；10—腿前部曲臂；11—轴承；12—舵机支撑架一；13—2号舵机；14—轴承；15—舵机支撑架一；16—舵机支撑架三；17—3号舵机；18—舵机支撑架五；19—舵机支撑架六；20—4号舵机；21—轮子外套；22—轮芯；23—卡箍；24—缓冲垫；25—插板；26—直流电动机；27—电动机支架；28—舵机支撑架六；29—舵机支撑架二；30—舵机支撑架七；31—腿后部曲臂；32—横板；33—舵机支撑架二；34—螺母；35—舵机支撑架四；36—上下转动件；37—腰椎2；38—轴承端盖；39—垫片；40—左右转动件；41—左右连接件；42—沉头螺钉M3；43—左右舵机固定架；44—舵机；45—垫片；46—圆柱齿轮；47—舵盘螺钉M2；48—舵机螺钉M3；49—舵盘；50—腰轴；51—螺钉M3；52—708C轴承；53—腰椎1；54—上下连接件；55—上下舵机固定架。

具体实施方式

如附图H-1所示，为基于多关节模块化的链节式机器人整体示意图，由四组腰腿部模块连接而成，是一种八足机器人。共有46个自由度，每对足之间由三组腰部连接模块连接而成。

如附图H-3所示，1号舵机通过一号轴与下部相连，避免了电动机轴直接承受径向载荷，提高了电动机的使用寿命。

如附图H-5所示，安装运动足时，舵机支撑架一、舵机支撑架二、舵机支撑架三螺钉固连，放入2号舵机13后用舵机支撑架四通过螺钉固连。再放入3号舵机17后，通过另一组舵机支撑架一、舵机支撑架二、舵机支撑架五、舵机支撑架三固定3号舵机17，通过螺钉固连。再将腿前部曲臂和腿后部曲臂31分别固连2号、3号舵机17的两侧舵机支架，中间用横板固定。舵机支撑架五、舵机支撑架六、舵机支撑七通过螺钉固定4号舵机。后用直流电动机外壳固定直流电动机，插入插板固定，后套入卡箍和硬橡胶材质缓冲垫，后部套电动机延伸套，前部套入轮芯，装轮子外套。这样实现了三个舵机为主动自由度和一个直流电动机为主动自由度的组装。与此过程类似，完成另一四自由度腿部组装后，通过一个连接平板可连接两部分机构，在舵机支撑架四上部通过轴承与连接板相连，连接板上部通过支架用螺钉固定1号舵机，后用锥齿轮啮合1号轴，1号轴通过轴承连接2号舵机。这样就可以实现单运动足五个主动自由度，双足连接十个主动自由度的运动足组装。利用1号轴通过连接板上的孔插入轴承内圈，避免了电动机轴直接承受径向载荷，提高了电动机的使用寿命，同时连接板下3个舵机的布置为腿部的侧向摆动提供了更强的动力。

如附图H-6所示，安装腰部结构时，将腰椎1（53）与腰椎2（37）用四个螺钉固连，腰椎2（37）与左右转动件40通过腰轴50相连，可使腰部带动模块实现水平方向绕轴运动。将腰椎2（37）与上下转动件36通过轴承相连，可使腰部带动模块实现垂直方向绕轴运动。将上下转动件36与上下连接件54通过四个螺钉固连，放入舵机后利用舵机支撑架连接到支撑平板上。将左右转动件40与左右连接件41固连后放入舵机44，用上下舵机固定架55固定。在腰轴50外固连圆柱齿轮46，以实现啮合平板齿轮。将腰椎连接部件与运动足的腿前部曲臂和轮腿式结构通过模块化组合，实现不同模块数量的装配与步态规划。

说明书附图

附图H-1 基于多关节模块化的链节式机器人整体示意图

附图H-2 基于多关节模块化的链节式机器人主视图

附图H-3 基于多关节模块化的链节式机器人左视图

附图H-4 基于多关节模块化的链节式机器人俯视图

附图H-5 基于多关节模块化的链节式机器人运动足双足组合设计图

附图H-6 基于多关节模块化的链节式机器人腰部设计装配分解图

附图H-7 基于多关节模块化的链节式机器人腰部设计主视图

附图H-8 基于多关节模块化的链节式机器人腰部设计俯视图