CN111976859B - 基于ups的并联结构轮足移动机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于UPS的并联结构轮足移动机器人，包括车轮、支撑载体以及六个机械腿组件，六个所述机械腿组件的一端沿支撑载体下侧的周向均匀布置，所述车轮安装在所述机械腿组件的另一端，机器人包括轮式运动模式以及足式运动模式并能够根据不同的场景在轮式运动模式和足式运动模式之间进行切换，在轮式运动模式下车轮的周向面着地并采用车轮滚动方式运动，在足式运动模式下车轮的侧面着地并采用足式行走方式运动。本发明通过采用3UPS并联式六自由度机械臂结构，灵活性强且有较大的承载能力，能够搭载更多传感器执行更加复杂的探查任务，且足端相对于机架的位姿对应运动输入通过计算能够确定且唯一，控制精度高，稳定性强。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种基于UPS的并联结构轮足移动机器人。
背景技术
现阶段已有应用的移动机器人多为轮式、足式、履带式结构，其中，轮式机器人拥有较快的移动速度以及优良的机动性能，但只能在地形起伏变化不大较为平缓的地面上行走，有较大的地形局限性；足式机器人有较好的地形适应性可以在起伏较大的地面上行走，但其移动速度较慢，在平坦地面上进行迈步行走与轮式机器人相比能量消耗较大；履带式机器人相较于轮式机器人对地面有更好的适应性，可以通过一些有小沟壑的地形，但其体积和自重较大且运动不够灵活。以轮足式移动机器人为代表的复合运动式机器人能够兼顾轮式机器人和足式机器人的优点，根据运动工况选择移动方式，在平坦地面上可以采用轮式模式快速移动，在不平整地面上可以采用足式模式跨越障碍物。
现阶段已有应用的轮足移动机器人多为串联式的轮足机器人，由于其腿部结构中采用串联结构则不可避免的存在关节误差的累积，这对机器人的运动控制带来很大的难度，此外串联机构的承载能力有限，若想要提高承载能力则必须增大关节电机的输出功率，这样会增加机器人的体积和重量。
经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：201810348301.1，名称为：一种具有并联机构的轮腿仿生机器人，该技术包括机架、四条并联机械腿、全向轮。其中：并联机械腿分布在机架的四角，全向轮安装在各机械腿底部，每个轮腿相对于机架具有二维平移和转动四个自由度，机架在四条并联机械腿的配合下具有三维平移和三维转动六个自由度。该技术结合了轮式运动和足式运动的优点，具有一定的地形适应性和较好的承载能力，但其腿部结构仅有四个空间自由度，在其进行足式运动时，仍具有一定的运动局限性。此外其机械腿数目为四，在复杂地形运动过程中机器人稳定性不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于UPS的并联结构轮足移动机器人。
根据本发明提供的一种基于UPS的并联结构轮足移动机器人，包括车轮、支撑载体以及多个机械腿组件；
多个所述机械腿组件的一端沿支撑载体下侧的周向均匀布置，所述车轮安装在所述机械腿组件的另一端；
机器人包括轮式运动模式以及足式运动模式，机器人能够根据不同的场景在轮式运动模式和足式运动模式之间进行切换；
当在轮式运动模式时，车轮的周向面着地并采用车轮滚动方式运动；
当在足式运动模式时，车轮的侧面着地并采用足式行走方式运动。
优选地，所述机械腿组件的数量为六个，六个所述机械腿组件与支撑载体连接的一端呈六边形对称布置。
优选地，所述机械腿组件包括动力伸缩装置以及车轮连接件，所述支撑载体上设置有机架；
所述动力伸缩装置的一端通过车轮连接件与车轮连接，所述动力伸缩装置的另一端安装在机架上。
优选地，所述动力伸缩装置包括三个伸缩机构，三个所述伸缩机构并联布置在车轮连接件和机架之间，所述伸缩机构的两端分别与车轮连接件、机架活动配合。
优选地，所述伸缩机构包括UPS支链下端连杆、UPS支链上端连杆、第一同步轮、同步带、第二同步轮以及俯仰旋转电机；
所述UPS支链下端连杆的一端通过第一连接件与车轮连接件活动配合，所述UPS支链下端连杆的另一端从UPS支链上端连杆的一端延伸到UPS支链上端连杆的内部并与UPS支链上端连杆驱动连接；
所述UPS支链上端连杆的另一端通过第二连接件与第一同步轮驱动连接；
所述俯仰旋转电机安装在机架上且所述第二同步轮安装在俯仰旋转电机的输出轴上，其中所述第一同步轮与第二同步轮通过同步带连接；
当俯仰旋转电机转动时能够带动第二同步轮转动进而带动第一同步轮转动从而实现UPS支链上端连杆的俯仰运动。
优选地，第一连接件采用球形铰链；
所述第二连接件采用虎克铰链。
优选地，所述UPS支链上端连杆采用如下任一种驱动方式：
-气压驱动；
-液压驱动；
-电机驱动。
优选地，还包括车轮电机，所述车轮电机安装在车轮连接件上；
所述车轮安装在车轮电机的外部，所述车轮与车轮电机的输出轴驱动连接；
所述车轮采用实心橡胶制作。
优选地，所述UPS支链上端连杆上设置有力传感器。
优选地，当机器人处于足式运动模式时，机器人通过控制各机械腿组件上的足端位姿使足端车轮在足式运动过程中以轮毂面着地并锁死车轮电机，机器人上的上位机根据机器人上设置的传感器获得的地形数据进而能够规划机器人足式行走的路径以及步态，对六自由度的UPS的机械腿组件逆解获得六个主动输入运动参数，控制六个主动输入，实现机器人按照预定轨迹行走，其中，在足式运动模式下，机器人的运动能够完成包括直线前进、原地转向以及跳跃运动；
当机器人处于轮式运动模式时，控制机器人的六条机械腿组件使每个足端车轮与地面接触，控制每个车轮电机转速以控制机器人的运动方向及速度，在机器人运动过程中能够通过控制六条并联机械腿组件的位姿实现转向控制、调整轮距、调整轴距以及调整机身高度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用3UPS并联式六自由度机械臂结构，动作灵活性好，且有较大的承载能力，相较于传统串联机构，避免了由于关节误差导致的关节串联所产生的累积，且使得机器人整体有较强的承载能力，能够搭载更多传感器执行更加复杂的探查任务，且足端相对于机架的位姿对应运动输入通过计算能够确定且唯一，控制精度高，稳定性强。
2、本发明巧妙采用六自由度机械腿的特点，能够保证在轮式运动模式下轮子始终与地面贴合，在足式运动模式下巧妙的将车轮轮毂面作为足端，大大降低了轮足机器人带轮机构的复杂度。
3、本发明中车轮电机与车轮之间直接连接，减少了中间传动环节，大大减少了传动过程中产生的能量损耗。
4、本发明在在轮式运动模式下，可以控制机械腿的伸缩实现机械腿的主动减振的功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为机械腿组件的结构示意图；
图3为虎克铰的结构示意图。
图中示出：
车轮1 UPS支链上端连杆7 支撑载体15
车轮电机2 第一同步轮10 机械腿组件20
车轮连接件3 同步带11 上叉形铰链座31
UPS支链下端连杆4 第二同步轮12 下叉形铰链座32
第一连接件5 俯仰旋转电机13 顶尖块33
第二连接件6 机架14
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于UPS的并联结构轮足移动机器人，如图1、图2所示，包括车轮1、支撑载体15以及多个机械腿组件20，多个所述机械腿组件20的一端沿支撑载体15下侧的周向均匀布置，所述车轮1安装在所述机械腿组件20的另一端，在一个优选例中，所述机械腿组件20的数量为六个，六个所述机械腿组件20与支撑载体15连接的一端呈六边形对称布置，形成六条足端带有车轮1的3UPS并联机械腿，车轮1的轴线与机械腿并联机构的末端平台垂直，所述六条机械腿组件20完全相同，且相对于支撑载体15拥有空间六自由度，其中支撑载体15作为与机器人的连接结构，可以采用多种结构形式，例如采用板式结构，再例如采用框式结构，又例如采用箱式结构等，机器人包括轮式运动模式以及足式运动模式，机器人能够根据不同的场景在轮式运动模式和足式运动模式之间进行切换；当在轮式运动模式时，车轮1的周向面着地并采用车轮1滚动方式运动；当在足式运动模式时，车轮1的侧面着地并采用足式行走方式运动。机器人能够根据地形条件选择适宜的运动模式进行高效快速移动，特别适用于复杂的结构地形条件下的探测、运输任务。
具体地，如图2所示，所述机械腿组件20包括动力伸缩装置以及车轮连接件3，所述支撑载体15上设置有机架14，所述动力伸缩装置的一端通过车轮连接件3与车轮1连接，所述动力伸缩装置的另一端安装在机架14上，所述动力伸缩装置包括三个伸缩机构，三个所述伸缩机构并联布置在车轮连接件3和机架14之间，所述伸缩机构的两端分别与车轮连接件3、机架14活动配合。
具体地，如图2所示，所述伸缩机构包括UPS支链下端连杆4、UPS支链上端连杆7、第一同步轮10、同步带11、第二同步轮12以及俯仰旋转电机13，所述UPS支链下端连杆4的一端通过第一连接件5与车轮连接件3活动配合，所述UPS支链下端连杆4的另一端从UPS支链上端连杆7的一端延伸到UPS支链上端连杆7的内部并与UPS支链上端连杆7驱动连接，所述UPS支链上端连杆7的另一端通过第二连接件6与第一同步轮10驱动连接，所述俯仰旋转电机13安装在机架14上且所述第二同步轮12安装在俯仰旋转电机13的输出轴上，其中所述第一同步轮10与第二同步轮12通过同步带11连接，当俯仰旋转电机13转动时能够带动第二同步轮12转动进而带动第一同步轮10转动从而实现UPS支链上端连杆7的俯仰运动。在一个优选例中，第一连接件5采用球形铰链，所述第二连接件6采用虎克铰链。
具体地，如图2所示，所述UPS支链上端连杆7能够采用多种驱动方式，驱动方式为直线式驱动，在一个优选例中，采用电机驱动，在一个变化例中，采用气压驱动；在另一个变化例中，采用液压驱动。
具体地，如图2所示，还包括车轮电机2，所述车轮电机2安装在车轮连接件3上，所述车轮1安装在车轮电机2的外部，所述车轮1与车轮电机2的输出轴驱动连接，在一个优选例中，所述车轮1采用实心橡胶制作，能够增大与地面的摩擦力。
具体地，如图2所示，所述UPS支链上端连杆7上设置有力传感器，能够检测三支链的相应承载状况。
具体地，U、P、S分别表示虎克铰链、移动副和球铰，本发明中的伸缩机构采用P副的直线式运动模式，例如在UPS支链下端连杆(4)与UPS支链上端连杆(7)的运动控制中，UPS支链上端连杆(7)能够驱使UPS支链下端连杆(4)缩回到UPS支链上端连杆(7)中或从UPS支链上端连杆(7)中伸出进而最终实现伸缩机构的伸长或缩短的效果。
进一步地，如图3所示，本发明中的虎克铰采用分体式虎克铰，包括上叉形铰链座31、下叉形铰链座32、顶尖块33和四个顶针，顶尖块33的两对相对的外表面上分别开设有锥形顶尖孔且每两个锥形顶尖孔的小径端相对且中心线重合；四个顶针分别与上、下叉形铰链座的叉形体的侧壁螺纹连接且其锥形头部分别置于顶尖块33的锥形顶尖孔内。由四个顶针与顶尖块33所形成两个传动副组成，使得上叉形铰链座31相对于下叉形铰链座32沿两个独立的轴进行旋转，实现二维相对转动。
本发明的一个实施例中机器人机身作业空间为：1600mm×1600mm×1000mm；三条UPS支链中P副的有效长度变动范围为500mm-800mm，机器人足式行走时最大步长为400mm，最大承重量为500kg，爬坡能力30°，越障高度0.5m；车轮1材料采用实心橡胶，车轮1直径为150mm，转速为1000rpm，轮式最大移动速度8m/s。
具体地，本发明中的3UPS并联机械腿组件由三条UPS机构支链并联组成，每条机械腿的车轮连接件3为相对于机架14运动的六自由度末端执行器，通过对每条机械腿上的三个P副的伸缩控制以及三个俯仰旋转电机13的俯仰控制驱动车轮连接件3的六自由度运动，从而实现足端的空间移动，进而控制足端轨迹，实现机器人的腿部运动。每条腿上的三个P副的主动输入以及俯仰旋转电机13的三个主动输入使得空间六自由度完全可控。
本发明的工作原理如下：
本实施例有两种运动模式，分别为足式运动模式和轮式运动模式：
当机器人处于足式运动模式时，机器人通过控制各机械腿组件20上的足端位姿使足端车轮1在足式运动过程中以轮毂面着地，锁死车轮电机2，机器人上的上位机根据传感器(如：视觉传感器)获得的地形数据，规划机器人足式行走的路径以及步态，对六自由度的3UPS机械腿逆解获得六个主动输入运动参数，控制六个主动输入，让机器人按照预定轨迹行走，其中，在足式运动模式下，机器人的运动能够完成包括直线前进、原地转向以及跳跃运动等多种动作。
当机器人处于轮式运动模式时，控制机器人的六条机械腿使每个足端车轮与地面接触，控制每条腿上的车轮电机转速以控制机器人的运动方向及速度。在机器人运动过程中可以通过控制六条并联机械腿组件20的位姿实现转向控制、调整轮距、轴距和机身高度，此外还可以进行腿部主动悬挂隔振，实现不平坦路况下机身姿态维稳。
本发明的机械腿采用3UPS并联式六自由度机构，相较于传统串联机构，避免了关节误差由于关节串联所产生的累积，且使得机器人整体有较强的承载能力，可以搭载更多传感器执行更加复杂的探查任务；足端相对于机架的位姿对应运动输入的逆解确定且唯一，控制精度高，稳定性强；本发明巧妙采用六自由度机械腿的特点，可以保证在轮式运动模式下轮子始终与接触，在足式运动模式下巧妙的将车轮轮毂面作为足端，大大降低轮足机器人带轮机构的复杂度；车轮电机与车轮之间直接连接，减少了中间传动环节，大大减少了传动过程中产生的能量损耗；在轮式运动模式下，可以控制机械腿的伸缩实现机械腿的主动减震。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，包括车轮(1)、支撑载体(15)以及多个机械腿组件(20)；
多个所述机械腿组件(20)的一端沿支撑载体(15)下侧的周向均匀布置，所述车轮(1)安装在所述机械腿组件(20)的另一端；
机器人包括轮式运动模式以及足式运动模式，机器人能够根据不同的场景在轮式运动模式和足式运动模式之间进行切换；
当在轮式运动模式时，车轮(1)的周向面着地并采用车轮(1)滚动方式运动；
当在足式运动模式时，车轮(1)的侧面着地并采用足式行走方式运动；
所述机械腿组件(20)包括动力伸缩装置以及车轮连接件(3)，所述支撑载体(15)上设置有机架(14)；
所述动力伸缩装置的一端通过车轮连接件(3)与车轮(1)连接，所述动力伸缩装置的另一端安装在机架(14)上；
所述动力伸缩装置包括三个伸缩机构，三个所述伸缩机构并联布置在车轮连接件(3)和机架(14)之间，所述伸缩机构的两端分别与车轮连接件(3)、机架(14)活动配合；
所述伸缩机构包括UPS支链下端连杆(4)、UPS支链上端连杆(7)、第一同步轮(10)、同步带(11)、第二同步轮(12)以及俯仰旋转电机(13)；
所述UPS支链下端连杆(4)的一端通过第一连接件(5)与车轮连接件(3)活动配合，所述UPS支链下端连杆(4)的另一端从UPS支链上端连杆(7)的一端延伸到UPS支链上端连杆(7)的内部并与UPS支链上端连杆(7)驱动连接；
所述UPS支链上端连杆(7)的另一端通过第二连接件(6)与第一同步轮(10)驱动连接；
所述俯仰旋转电机(13)安装在机架(14)上且所述第二同步轮(12)安装在俯仰旋转电机(13)的输出轴上，其中所述第一同步轮(10)与第二同步轮(12)通过同步带(11)连接；
当俯仰旋转电机(13)转动时能够带动第二同步轮(12)转动进而带动第一同步轮(10)转动从而实现UPS支链上端连杆(7)的俯仰运动。
2.根据权利要求1所述的基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，所述机械腿组件(20)的数量为六个，六个所述机械腿组件(20)与支撑载体(15)连接的一端呈六边形对称布置。
3.根据权利要求1所述的基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，第一连接件(5)采用球形铰链；
所述第二连接件(6)采用虎克铰链。
4.根据权利要求1所述的基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，所述UPS支链上端连杆(7)采用如下任一种驱动方式：
-气压驱动；
-液压驱动；
-电机驱动。
5.根据权利要求1所述的基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，还包括车轮电机(2)，所述车轮电机(2)安装在车轮连接件(3)上；
所述车轮(1)安装在车轮电机(2)的外部，所述车轮(1)与车轮电机(2)的输出轴驱动连接；
所述车轮(1)采用实心橡胶制作。
6.根据权利要求1所述的基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，所述UPS支链上端连杆(7)上设置有力传感器。
7.根据权利要求1所述的基于UPS的并联结构轮足移动机器人，其特征在于，当机器人处于足式运动模式时，机器人通过控制各机械腿组件(20)上的足端位姿使足端车轮(1)在足式运动过程中以轮毂面着地并锁死车轮电机(2)，机器人上的上位机根据机器人上设置的传感器获得的地形数据进而能够规划机器人足式行走的路径以及步态，对六自由度的3UPS的机械腿组件(20)通过计算获得六个主动输入运动参数，控制六个主动输入，实现机器人按照预定轨迹行走，其中，在足式运动模式下，机器人的运动能够完成包括直线前进、原地转向以及跳跃运动；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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