并联驱动的全肘式四足机器人

1.本发明涉及四足机器人技术领域，尤其是涉及一种并联驱动的全肘式四足机器人。


背景技术：

2.从本世纪开始，借着智能制造和人工智能等技术高速发展的潮流，四足机器人的研究也实现了从概念到样机的过程，并从实验室逐步转移到了商业化的应用场景。当前国内外四足机器人的应用场景正不断丰富和拓展，尤其在警用排爆侦测、电力设施巡检、野外勘探等场景中需求迫切。然而，四足机器人目前仍然存在载重比低、机动性能差和系统容错性弱等关键问题，阻碍四足机器人的进一步发展。
3.传统的四足机器人腿足结构多采用串联形式实现，为开环结构，具有较大的工作空间和较高的灵活度，但也有其明显的缺点，例如各运动副之间存在误差累积导致末端精度低、刚度低、惯性大、动力学性能差和运动部件质量大等问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种并联驱动的全肘式四足机器人，动态特性好、整机刚度大、工作空间大、输出端定位和转角精度高，易实现高速、高精度运动。
5.根据本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人，包括：
6.机身；
7.四个腿足机构，四个所述腿足机构均包括一个并联驱动机构、一个肘式腿和一个足部，四个所述并联驱动机构设置在所述机身的前左部、前右部、后左部和后右部，四个所述肘式腿的上端与四个所述并联驱动机构分别对应相连，四个所述肘式腿的下端与四个所述足部分别对应相连；每个所述腿足机构中，所述并联驱动机构和所述肘式腿共同运动使所述足部具有空间三个移动自由度。
8.与串联形式的传统四足机器人不同，本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人采用并联驱动机构，一方面使四足机器人具有结构紧凑、运动部件质量小、刚度高、动态响应特性好、单位重量上承载能力大、易于实现高速运动的优点，另一方面也使本发明的四足机器人的足部的运动精确性更高和机动性能更好。其次，本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人通过引入肘式腿，提升了四足机器人的机动性能，扩大了四足机器人腿部的可达工作空间，进一步提升并联驱动的全肘式四足机器人的运动性能。综上，本发明的并联驱动的全肘式四足机器人，易实现高速、高精度操作，具有动态性能好、整机刚度大、工作空间大、输出端定位和转角精度高等特点，具有广阔的科研及商业化应用前景。
9.根据本发明的一些实施例，在每个所述腿足机构中，所述并联驱动机构包括定平台、三个驱动支链和动平台，所述定平台固定在所述机身上，所述动平台位于所述定平台的下方，三个所述驱动支链沿所述定平台的周向间隔布置，三个所述驱动支链的两端分别与
所述定平台和所述动平台相连，所述肘式腿分别与所述定平台和所述动平台相连；三个所述驱动支链与所述定平台之间、三个所述驱动支链与所述动平台之间、所述肘式腿与所述定平台之间以及所述肘式腿与所述动平台之间分别各具有相互垂直的两个转动自由度，所述相互垂直的两个转动自由度的转动轴方向分别为前后方向和左右方向，三个所述驱动支链与所述定平台之间还分别具有一个竖向的移动自由度。
10.根据本发明的一些实施例，三个所述驱动支链中的其中两个所述驱动支链呈左右相对布置，三个所述驱动支链中的其中另一个所述驱动支链与所述肘式腿呈前后相对布置。
11.根据本发明的一些实施例，在每个所述腿足机构中，所述定平台上设有三个第一耳，所述动平台上设有三个第二耳；三个所述驱动支链均包括套筒和支链杆，三个所述套筒分别可竖向滑动对应地设置在三个所述第一耳上，三个所述支链杆的上端对应地与三个所述套筒相连且下端对应地与三个所述第二耳相连，三个所述支链杆与三个所述套筒之间、三个所述支链杆与三个所述第二耳之间分别各具有所述相互垂直的两个转动自由度。
12.根据本发明的一些实施例，每一所述驱动支链中，还包括第一转动杆、第二转动杆，所述支链杆有两根；所述第一转动杆与所述套筒转动相连，所述第二转动杆与所述第二耳转动相连，两根所述支链杆的上端分别对应地与所述第一转动杆的两端转动连接，两根所述支链杆的下端分别对应地与所述第二转动杆的两端转动连接，两根所述支链杆、所述第一转动杆和所述第二转动杆构成一个平行四边形。
13.根据本发明的一些实施例，每一所述驱动支链中，还包括上虎克铰和下虎克铰，所述支链杆为单根；所述上虎克铰安装在所述套筒上，所述下虎克铰安装在所述第二耳上，所述支链杆的上端和下端分别对应地与所述上虎克铰和所述下虎克铰相连。
14.根据本发明的一些实施例，所述肘式腿包括大腿支链和小腿支链；所述大腿支链包括第一大腿支链和第二大腿支链，所述第一大腿支链的上端通过第三转动杆与所述定平台相连，所述第三转动杆在前后方向上延伸且与所述定平台转动相连，所述第三转动杆的一端与所述第一大腿支链的上端铰接；所述第二大腿支链的上端通过第四转动杆与所述动平台相连，所述第四转动杆在前后方向上延伸且与所述动平台转动相连，所述第四转动杆的一端与所述第二大腿支链的上端铰接；所述第二大腿支链与所述第一大腿支链交叉铰接；所述小腿支链与所述第一大腿支链和所述第二大腿支链相连。
15.根据本发明的一些实施例，所述小腿支链包括第一小腿支链和第二小腿支链；所述第一小腿支链的上端与所述第一大腿支链的下端铰接，所述第二小腿支链的上端与所述第二大腿支链的下端铰接，所述第一小腿支链的下端与所述第二小腿支链的中部相连，所述第二小腿支链的下端与所述足部固定。
16.根据本发明的一些实施例，所述第一大腿支链和所述第二小腿支链平行，所述第二大腿支链和所述第一小腿支链平行。
17.根据本发明的一些实施例，所述第一大腿支链和所述第二大腿支链上在所述交叉铰接部位处分别对应地设有第一限位凹槽和第二限位凹槽，第一限位凹槽与所述第二限位凹槽彼此交叉相扣，且所述第一限位凹槽的相对两个凹侧壁与所述第二大腿支链的相对两侧壁之间具有间距，所述第二限位凹槽的相对两个凹侧壁与所述第一大腿支链的相对两侧壁之前具有间距。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1为本发明的并联驱动的全肘式四足机器人的整体结构示意图。
21.图2为本发明的并联驱动的全肘式四足机器人中腿足机构的结构示意图。
22.图3为本发明的并联驱动的全肘式四足机器人中并联驱动机构的结构示意图。
23.附图标记：
24.并联驱动的全肘式四足机器人1000
25.机身1
26.腿足机构2
27.并联驱动机构21
28.定平台211第一耳2111第三耳2112第三转动杆2113驱动支链212
29.套筒2121支链杆2122第一转动杆2123第二转动杆2124动平台213
30.第二耳2131第四耳2132第四转动杆2133
31.肘式腿22
32.大腿支链221第一大腿支链2211第二大腿支链2212第一限位凹槽2213
33.第二限位凹槽2214小腿支链222第一小腿支链2221第二小腿支链2222
34.足部23
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.下面结合图1至图3来描述本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人1000。
37.如图1至图3所示，根据本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人1000，包括机身1和四个腿足机构2。其中，四个腿足机构2均包括一个并联驱动机构21、一个肘式腿22和一个足部23，四个并联驱动机构21设置在机身1的前左部、前右部、后左部和后右部，四个肘式腿22的上端与四个并联驱动机构21分别对应相连，四个肘式腿22的下端与四个足部23分别对应相连；每个腿足机构2中，并联驱动机构21和肘式腿22共同运动使足部23具有空间三个移动自由度。
38.具体地，如图1所示，四个腿足机构2分布在机身1的四角处，即分布在机身1下侧的前左部、前右部、后左部和后右部，用于平稳地支撑机身1。
39.四个腿足机构2均包括一个并联驱动机构21、一个肘式腿22和一个足部23，四个并联驱动机构21设置在机身1下侧的前左部、前右部、后左部和后右部，并联驱动机构21为闭合链，并联驱动机构21可以通过电动推杆来驱动，四个肘式腿22的上端与四个并联驱动机构21分别对应相连，四个肘式腿22的下端与四个足部23分别对应相连，肘式腿22为驱动链，
肘式腿22可以通过电机来驱动；每个腿足机构2中，并联驱动机构21和肘式腿22共同运动使足部23具有空间三个移动自由度，也就是说，足部23的前后、左右、上下移动可以通过一个闭合链和一个驱动链共同实现，从而实现了并联驱动的全肘式四足机器人1000的行走功能。
40.与串联形式的传统四足机器人不同，本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人1000采用并联驱动机构21，一方面使四足机器人1000具有结构紧凑、运动部件质量小、刚度高、动态响应特性好、单位重量上承载能力大、易于实现高速运动的优点，另一方面也使本发明的四足机器人1000的足部23的运动精确性更高和机动性能更好。其次，本发明实施例的并联驱动的全肘式四足机器人1000通过引入肘式腿22，提升了四足机器人1000的机动性能，扩大了四足机器人1000腿部的可达工作空间，进一步提升并联驱动的全肘式四足机器人1000的运动性能。综上，本发明的并联驱动的全肘式四足机器人1000，易实现高速、高精度操作，具有动态性能好、整机刚度大、工作空间大、输出端定位和转角精度高等特点，具有广阔的科研及商业化应用前景。
41.根据本发明的一些实施例，如图2所示，在每个腿足机构2中，并联驱动机构21包括定平台211、三个驱动支链212和动平台213，定平台211固定在机身1上，例如定平台211可以通过螺栓固定在机身1上，加工安装方便，定平台211也可以与机身1一体成型，由此，可以简化加工和安装流程，降低四足机器人1000整体成本。动平台213位于定平台211的下方，三个驱动支链212沿定平台211的周向间隔布置，三个驱动支链212的两端分别与定平台211和动平台213相连，肘式腿22分别与定平台211和动平台213相连；三个驱动支链212与定平台211之间、三个驱动支链212与动平台213之间、肘式腿22与定平台211之间以及肘式腿22与动平台213之间分别各具有相互垂直的两个转动自由度，相互垂直的两个转动自由度的转动轴方向分别为前后方向和左右方向，三个驱动支链212与定平台211之间还分别具有一个竖向的移动自由度。本实施例中的并联驱动的全肘式四足机器人1000中，连接动平台213的三个驱动支链212，均连接在定平台211上，因此形成了一个闭合链。足部23通过肘式腿22与定平台211以及动平台213连接在一起，形成了一个驱动链。本发明并联驱动的全肘式四足机器人1000的腿足机构2通过设置一个闭合链和一个驱动链，可以较好地实现足部23具有空间三个移动自由度，相对于驱动链为开环的传动方式而言，闭合驱动传动更加稳定，有利于提高对足部23的控制精度。
42.根据本发明的一些实施例，驱动三个驱动支链212相对于定平台211沿上下方向竖直移动的第一驱动单元(图中未示出)，驱动肘式腿22相对于定平台211在左右方向摆动的第二驱动单元(图中未示出)均固定在定平台211上，相比于传统串联机器人，本发明的第一驱动单元和第二驱动单元不会随着驱动链的运动而运动。采用这样的设置有利于实现驱动链的轻量化，提高驱动链的动态响应表现，而且驱动链摆脱了驱动单元的负累后，还能够降低能耗。可选的，第一驱动单元为电动推杆，第二驱动单元为电机，也可以采用液压驱动机构代替电力驱动以期获取更高的驱动功率密度。
43.根据本发明的一些实施例，三个驱动支链212中的其中两个驱动支链212呈左右相对布置，三个驱动支链212中的其中另一个驱动支链212与肘式腿22呈前后相对布置，这样有利于实现足部23的空间三个移动自由度。
44.根据本发明的一些实施例，如图3所示，在每个腿足机构2中，定平台211上设有三
个第一耳2111，动平台213上设有三个第二耳2131；三个驱动支链212均包括套筒2121和支链杆2122，三个套筒2121分别可竖向滑动对应地设置在三个第一耳2111上，三个支链杆2122的上端对应地与三个套筒2121相连且下端对应地与三个第二耳2131相连，三个支链杆2122与三个套筒2121之间、三个支链杆2122与三个第二耳2131之间分别各具有相互垂直的两个转动自由度。可以理解的是，通过在定平台211上设第一耳2111，可以方便套筒2121的安装和上下平稳移动，在动平台213上设第二耳2131，可以为支链杆2122的提供安装位。
45.根据本发明的一些实施例，如图3所示，每一驱动支链212中，还包括第一转动杆2123、第二转动杆2124，支链杆2122有两根；第一转动杆2123与套筒2121转动相连，第二转动杆2124与第二耳2131转动相连，两根支链杆2122的上端分别对应地与第一转动杆2123的两端转动连接，两根支链杆2122的下端分别对应地与第二转动杆2124的两端转动连接，两根支链杆2122、第一转动杆2123和第二转动杆2124构成一个平行四边形，以使每根支链杆2122与套筒2121之间、每根支链杆2122与第二耳2131之间分别具有相互垂直的两个转动自由度，相互垂直的两个转动自由度的转动轴线方向分别为前后方向和左右方向，并且三个驱动支链212、动平台213和定平台211形成了一个闭合链。可以理解的是，这种驱动支链212由于采用了两根支链杆2122，因此承载性能较好。
46.根据本发明的一些实施例，每一驱动支链212中，还包括上虎克铰和下虎克铰(图中未示出)，支链杆2122为单根；上虎克铰安装在套筒2121上，下虎克铰安装在第二耳2131上，支链杆2122的上端和下端分别对应地与上虎克铰和下虎克铰相连，以使支链杆2122与套筒2121之间、支链杆2122与第二耳2131之间分别具有相互垂直的两个转动自由度，相互垂直的两个转动自由度的转动轴线方向分别为前后方向和左右方向，并且三个驱动支链212、动平台213和定平台211形成了一个闭合链。可以理解的是，这种驱动支链212由于直接采用单根支链杆2122配合虎克铰实现两个相互垂直的自由度，因此结构更加简单。
47.根据本发明的一些实施例，如图1和图2所示，肘式腿22包括大腿支链221和小腿支链222；大腿支链221包括第一大腿支链2211和第二大腿支链2212，第一大腿支链2211的上端通过第三转动杆2113与定平台211相连，第三转动杆2113在前后方向上延伸且与定平台211转动相连，第三转动杆2113的一端与第一大腿支链2211的上端铰接；第二大腿支链2212的上端通过第四转动杆2133与动平台213相连，第四转动杆2133在前后方向上延伸且与动平台213转动相连，第四转动杆2133的一端与第二大腿支链2212的上端铰接；第二大腿支链2212与第一大腿支链2211交叉铰接；小腿支链222与第一大腿支链2211和第二大腿支链2212相连，从而第三转动杆2113可以通过第一大腿支链2211和第二大腿支链2212带动动平台213和小腿支链222沿着左右方向摆动。大腿支链221、小腿支链222和足部23通过第三转动杆2113与定平台211连接在一起，通过第四转动杆2133与动平台213连接在一起，形成了一个驱动链。第二大腿支链2212与第一大腿支链2211交叉铰接，这样有利于使整个大腿支链221的刚性更高，结构更加稳定。
48.根据本发明的一些实施例，如图2所示，定平台211上还设有一个第三耳2112，动平台213上还设有一个第四耳2132；定平台211上的第三耳2112用于与第三转动杆2113转动相连，动平台213上的第四耳2132用于与第四转动杆2133转动相连，设置第三耳2112和第四耳2132方便对第三转动杆2113和第四转动杆2133进行安装。
49.根据本发明的一些实施例，如图2所示，小腿支链222包括第一小腿支链2221和第
二小腿支链2222；第一小腿支链2221的上端与第一大腿支链2211的下端铰接，第二小腿支链2222的上端与第二大腿支链2212的下端铰接，第一小腿支链2221的下端与第二小腿支链2222的中部相连，第二小腿支链2222的下端与足部23固定，结构简单，刚度好。
50.需要说明的是，与足部23连接的第二小腿支链2222的上端朝向后方，则为肘式布置。如图1所示，本发明为并联驱动的全肘式四足机器人，即四个足部23均与呈肘式布置的小腿支链222连接。
51.根据本发明的一些实施例，如图2所示，第一大腿支链2211和第二小腿支链2222平行，第二大腿支链2212和第一小腿支链2221平行，可以很好地将并联驱动机构21的驱动力传递至足部23。
52.根据本发明的一些实施例，如图2所示，第一大腿支链2211和第二大腿支链2212上在交叉铰接部位处分别对应地设有第一限位凹槽2213和第二限位凹槽2214，第一限位凹槽2213与第二限位凹槽2214彼此交叉相扣，且第一限位凹槽2213的相对两个凹侧壁与第二大腿支链2212的相对两侧壁之间具有间距，第二限位凹槽2214的相对两个凹侧壁与第一大腿支链2211的相对两侧壁之前具有间距。这样，一方面第一大腿支链2211和第二大腿支链2212可以一定范围内相对转动，以使本发明的并联驱动的全肘式四足机器人1000可以实现正常的行走过程；另一方面，又限制了第一大腿支链2211和第二大腿支链2212的可运动范围，避免万一控制失灵或失误带来的不可预料的危险。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
54.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。