專利名稱：一種六輪足式串并混聯機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于多足步行機器人領域，尤其是涉及一種六輪足式串并混聯機器人機構。
背景技術：
目前國內外機器人的行走機構按移動方式可以分為輪式、腿式、履帶式等。然而，它們各自都存在著相應的缺陷，輪式結構速度快，控制靈活，但越障能力有限。腿式結構適應能力強，觀賞性也好，但能耗大，控制復雜，且不適于對靈活性、快速性要求高的場合。履帶式移動機器人重量大，能耗高等。
發明內容為了克服移動行走機器人不能兼顧結構簡單、靈活性和快速性的不足，本實用新型提出了一種在簡化結構的同時，具有良好的靈活性和快速性的六輪足式串并混聯機器人。為了解決上述技術問題提出的技術方案為一種六輪足式串并混聯機器人，所述六輪足式串并混聯機器人包括運載平臺、電池、控制系統、攝像頭和6個6自由度的輪足組合式運動支鏈，所述運載平臺上安裝電池、控制系統和攝像頭，在所述運載平臺下方安裝所述輪足組合式運動支鏈，所述輪足組合式運動支鏈包括偏航關節、偏航關節支架、上俯仰關節、大腿、中俯仰關節、中俯仰關節支架，上橫滾關節、小腿、下俯仰關節、下俯仰關節支架、下橫滾關節、動力輪支架和動力輪，所述偏航關節與所述運載平臺下方固定連接，所述偏航關節安裝在偏航關節支架上方，所述偏航關節支架側邊安裝上俯仰關節，上俯仰關節與大腿上端固定連接，所述大腿下端與中俯仰關節連接，所述中俯仰關節安裝在中俯仰關節支架上，所述中俯仰關節支架與下橫滾關節連接，所述下橫滾關節與小腿上端連接，所述小腿下端與下俯仰關節連接，所述下俯仰關節安裝在下俯仰關節支架上，所述下俯仰關節支架與下橫滾關節連接，所述下橫滾關節與動力輪支架連接，所述動力輪支架上安裝動力輪。進一步，所述偏航關節、上俯仰關節、中俯仰關節、上橫滾關節、下俯仰關節、下橫滾關節均采用旋轉關節，所述旋轉關節包括關節外殼、左端輸出軸承、左端蓋、絕對編碼器固定套筒、絕對編碼器、輸出法蘭、波發生器橢圓塞、波發生器軸承、柔輪、鋼輪、固定架、鍵、輸入法蘭、行星輪變速器、套筒、直流伺服電機、制動器、增量編碼器、增量編碼器固定套筒、右端輸出軸承和右端蓋；絕對編碼器通過絕對編碼器固定套筒定位于絕對編碼器底座，關節外殼通過左端輸出軸承與絕對編碼器底座可轉動連接，關節外殼同時通過螺釘與固定架固接，固定架通過螺栓固接諧波減速器的鋼輪，諧波減速器的柔輪通過螺栓與輸入法蘭固接在一起，輸出法蘭與波發生器橢圓塞用螺釘相接，而行星輪變速器的輸出軸通過鍵與輸出法蘭連接，套筒通過螺栓分別與輸入法蘭和增量編碼器底座固定連接，所述行星輪變速器、直流伺服電機、制動器和增量編碼器位于套筒內，制動器與增量編碼器連接，直流伺服電機輸出軸一端與制動器連接，直流伺服電機輸出軸另一端與行星輪變速器連接，關節外殼與右端蓋通過右端輸出軸承轉動連接，增量編碼器通過增量編碼器固定套筒定位并固定在右端蓋內。再進一步，所述的運載平臺每邊的夾角為120°，運載平臺呈正六邊形狀。本實用新型的技術構思為由于現有的輪式、腿式、履帶式機構都有優缺點，如果將其中的2種或是多種結構相結合，發揮各自的優勢，彌補彼此的不足，就可以使機器人的行走性能得到很大的改善。六輪足式串并混聯機器人具有剛度大、承載能力強、運動形式靈活、體積伸縮比大、越障及爬陡坡能力強、多功能作業等特點。這使得該機器人具有廣闊的軍事與太空作業用途，適合在月球或者火星表面等復雜環境中，協助甚至替代宇航員執行太空探險任務。因此，研究六輪足式串并混聯機器人對于開發新結構多足步行機器人，拓寬多足步行機器人的應用領域具有重要的理論與工程意義。本實用新型具有的有益的效果是·I.本實用新型提供的新型六輪足式串并混聯機器人機構的工作空間比單一的輪式、腿式、履帶式機構的要大的多，可以完成大空間范圍的越障、翻越陡坡及其他任務；2.本實用新型的新型六輪足式串并混聯機器人機構的各運動支鏈的“小腿”可以折疊進“大腿”里，“大腿”則沿著運載平臺正六邊形各邊方向排列，這種結構使得整個機器人都收縮至運載平臺正六邊形范圍之內，這種體積收縮比大的特點使得六輪足式串并混聯機器人雖然關節部件數量眾多，但收縮之后的體積卻不大，非常便于攜帶，特別適合于內部空間有限的航天器的停放與運載；3.新型六輪足式串并混聯機器人機構還具有其他多種功能。運載平臺內側安裝電池和電腦控制器，可控制機器人運動，并對機器人各關節電機供電。4.運載平臺正六邊形外側安裝攝像頭，通過視覺處理與運動控制可使該機器人執行行走、越障、避障、目標抓取、鉆孔、探測、運輸、維修、裝配、自動對接、自主充電、多機協調工作等多重任務；5.本實用新型的新型六輪足式串并混聯機器人結構簡單、布局合理；6.本實用新型的新型六輪足式串并混聯機器人具有剛度大、運動形式靈活等特點。
圖I是六輪足式串并混聯機器人三維示意圖。圖2是輪足式運動支鏈三維示意圖。圖3是關節剖視圖。圖I :I、輪足式運動支鏈，2、攝像頭，3、電池單元，4、控制系統，5、運載平臺；圖2 :6、動力輪，7、動力輪支架，8、下橫滾關節，9、下俯仰關節支架，10、下俯仰關節，11、小腿，12、上橫滾關節，13、中俯仰關節支架，14、中俯仰關節，15、大腿，16、上俯仰關節，17、偏航關節支架，18、偏航關節；圖3 :19、關節外殼，20、左端輸出軸承，21、左端蓋，22、絕對編碼器固定套筒，23、絕對編碼器，24、輸出法蘭，25、波發生器橢圓塞，26、波發生器軸承，27、柔輪，28、鋼輪，29、固定架，30、鍵，31、輸入法蘭，32、行星輪變速器，33、套筒，34、直流伺服電機，35、制動器，36、增量編碼器，37、增量編碼器固定套筒，38、右端輸出軸承，39、右端蓋。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。參照圖I 圖3，一種六輪足式串并混聯機器人，由運載平臺5、攝像頭2、控制單元
4、電池單元3、以及6條結構完全一樣的輪足式運動支鏈I組成。由圖2可見所述的每一個運動支鏈由偏航關節18、偏航關節支架17、上俯仰關節16，中俯仰關節14，下俯仰關節10、中俯仰關節支架13、中俯仰關節支架9、上橫滾關節12，下橫滾關節8、大腿15、小腿11、動力輪6、動力輪支架7構成。偏航關節18的端蓋通過螺釘與運載平臺5固接在一起，無相對轉動，而同時偏航 關節18的關節外殼通過螺釘與偏航關節支架17連接并帶動偏航關節支架17轉動，偏航關節支架17通過螺釘與上俯仰關節16的端蓋固接，無相對轉動，上俯仰關節16的關節外殼通過螺釘與大腿15連接并帶動大腿15轉動，大腿15通過螺釘與中俯仰關節14的端蓋固接，無相對轉動，中俯仰關節14的關節外殼通過螺釘與中俯仰關節支架13連接并帶動俯仰關節支架13轉動，中仰關節支架13通過螺釘與上橫滾關節12的端蓋固接，無相對轉動，上橫滾關節12的關節外殼通過螺釘與小腿11連接并帶動小腿11轉動，小腿11通過螺釘與下俯仰關節10的端蓋固接，無相對轉動，下俯仰關節10的關節外殼通過螺釘與下俯仰關節支架9連接并帶動俯仰關節支架9轉動，下仰關節支架9通過螺釘與下橫滾關節8的端蓋固接，無相對轉動，下橫滾關節8的關節外殼通過螺釘與動力輪支架7連接并帶動動力輪支架7轉動，動力輪支架7與動力輪6連接。如圖3所示，所述的關節由關節外殼19、左端輸出軸承20、左端蓋21、絕對編碼器固定套筒22、絕對編碼器23、輸出法蘭24、波發生器橢圓塞25、波發生器軸承26、柔輪27、鋼輪28、固定架29、鍵30、輸入法蘭31、行星輪變速器32、套筒33、直流伺服電機34、制動器35、增量編碼器36、增量編碼器固定套筒37、右端輸出軸承38、右端蓋39組成。絕對編碼器23通過絕對編碼器固定套筒22定位于左端蓋21，關節外殼19通過左端輸出軸承20與絕對編碼器底座21可轉動連接，關節外殼19通過螺釘與固定架29固接，固定架29通過螺栓固接諧波減速器的鋼輪28，所述諧波減速器的鋼輪28與諧波減速器的柔輪27嚙合，諧波減速器的柔輪27通過螺栓與輸入法蘭31固接在一起，輸出法蘭24與波發生器橢圓塞25用螺釘相接，而行星輪變速器32的輸出軸通過鍵與輸出法蘭24連接，套筒33通過螺栓分別與輸入法蘭31和右端蓋39固定連接，所述行星輪變速器32、直流伺服電機34、制動器35和增量編碼器36位于套筒33內，制動器35與增量編碼器36連接，直流伺服電機34輸出軸一端與制動器35連接，另一端與行星輪變速器32連接，關節外殼19與右端蓋34通過右端輸出軸承38轉動連接，增量編碼器36通過增量編碼器固定套筒37定位并固定在右端蓋39內。本實用新型所說的六輪足式串并混聯機器人的工作原理是通過控制六條運動支鏈中直流伺服電機34的轉動來控制運動支鏈中小腿與大腿的轉動以及控制動力輪的鎖定與轉動，從而實現運載平臺5的2種運動，即步行運動及滾動前進。而各個關節的工作原理是行星輪變速器32通過輸出法蘭24和鍵30驅動波發生器橢圓塞25，波發生器橢圓塞25通過波發生器軸承26以及柔輪27進一步驅動鋼輪28，關節外殼19通過固定架29與鋼輪28固接，從而將鋼輪28的轉動傳遞到關節外殼19。本關節中，柔輪27與輸入法蘭31、行星輪變速器32、套筒33、直流伺服電機34、制動器35、增量編碼器36、增量編碼器固定套筒37、右端蓋39固聯在一起，它們之間沒有相對轉動，故關節外殼19通過左端輸出軸承20及右端輸出軸承38與左端蓋21和右端蓋39可轉動連接，及它們之間存在相對轉動。因此當直流伺服電機34轉動時，關節外殼19與左端蓋21和右端蓋39之間就有經諧波減速器減速后的相對轉動，關節外殼19就可帶動固接在其上的大腿15及小腿11轉動。本實用新型的六輪足式串并混聯機器人由6個6自由度的輪足組合式運動支鏈、運載平臺、電池、控制系統、攝像頭等組成，如圖I所示。每個運動支鏈都完全相同，且可以成為獨立的串聯機械臂，如圖2所示。每個輪足式運動支鏈含有偏航、俯仰、俯仰、橫滾、俯
仰、橫滾關節，俯仰、偏航支架及動力輪和動力輪支架。機器人運載平臺設計成正六邊形，每個運動支鏈通過偏航關節安裝在運載平臺正六邊形頂點位置。運動支鏈末端是動力輪。所述每一個運動支鏈中，上俯仰關節通過偏航關節與運載平臺可轉動連接，大腿與上俯仰關節為轉動連接，又與中俯仰關節為轉動連接，上橫滾關節可繞中俯仰關節轉動，小腿與下俯仰關節和上橫滾關節為轉動連接，下橫滾關節可繞下俯仰關節轉動，動力輪可繞下橫滾關節轉動。上述運動支鏈中小腿繞俯仰關節可轉動直至折疊進大腿里，而大腿可繞俯仰關節轉動折疊到運載平臺正六邊形內，且其沿著運載平臺正六邊形各邊方向排列，從而使得整條運動支鏈都收縮至運載平臺正六邊形范圍之內。所述的關節中，如圖3所示，絕對編碼器通過絕對編碼器固定套筒定位于絕對編碼器底座，關節外殼通過左端輸出軸承與絕對編碼器底座可轉動連接，同時通過螺釘與固定架固接，固定架通過螺栓固接諧波減速器的鋼輪，諧波減速器的柔輪通過螺栓與輸入法蘭固接在一起，輸出法蘭與波發生器橢圓塞用螺釘相接，而行星輪變速器的輸出軸通過鍵與輸出法蘭連接，套筒通過螺栓分別與輸入法蘭和增量編碼器底座固定連接，所述行星輪變速器、直流伺服電機、制動器和增量編碼器位于套筒內，制動器與增量編碼器連接，直流伺服電機輸出軸一端與制動器連接，另一端與行星輪變速器連接，節外殼與增量編碼器底座通過右端輸出軸承轉動連接，增量編碼器通過增量編碼器固定套筒定位并固定在增量編碼器底座內。上述的關節中的諧波減速器的鋼輪通過螺栓與固定架固接在一起，而關節外殼又通過螺釘與固定架固接，所以當鋼輪轉動時可帶動關節外殼一起轉動。諧波減速器的波發生器去除了聯軸器，直接靠輸出法蘭通過螺釘連接帶動波發生器橢圓塞轉動，這樣設計可節省成本并減輕關節重量。
權利要求1.一種六輪足式串并混聯機器人，其特征在于所述六輪足式串并混聯機器人包括運載平臺、電池、控制系統、攝像頭和6個6自由度的輪足組合式運動支鏈，所述運載平臺上安裝電池、控制系統和攝像頭，在所述運載平臺下方安裝所述輪足組合式運動支鏈，所述輪足組合式運動支鏈包括偏航關節、偏航關節支架、上俯仰關節、大腿、中俯仰關節、中俯仰關節支架，上橫滾關節、小腿、下俯仰關節、下俯仰關節支架、下橫滾關節、動力輪支架和動力輪，所述偏航關節與所述運載平臺下方固定連接，所述偏航關節安裝在偏航關節支架上方，所述偏航關節支架側邊安裝上俯仰關節，上俯仰關節與大腿上端固定連接，所述大腿下端與中俯仰關節連接，所述中俯仰關節安裝在中俯仰關節支架上，所述中俯仰關節支架與下橫滾關節連接，所述下橫滾關節與小腿上端連接，所述小腿下端與下俯仰關節連接，所述下俯仰關節安裝在下俯仰關節支架上，所述下俯仰關節支架與下橫滾關節連接，所述下橫滾關節與動力輪支架連接，所述動力輪支架上安裝動力輪。
2.如權利要求I所述的六輪足式串并混聯機器人，其特征在于所述偏航關節、上俯仰關節、中俯仰關節、上橫滾關節、下俯仰關節、下橫滾關節均采用旋轉關節，所述旋轉關節包括關節外殼、左端輸出軸承、左端蓋、絕對編碼器固定套筒、絕對編碼器、輸出法蘭、波發生器橢圓塞、波發生器軸承、柔輪、鋼輪、固定架、鍵、輸入法蘭、行星輪變速器、套筒、直流伺服電機、制動器、增量編碼器、增量編碼器固定套筒、右端輸出軸承和右端蓋；絕對編碼器通過絕對編碼器固定套筒定位于絕對編碼器底座，關節外殼通過左端輸出軸承與絕對編碼器底座可轉動連接，關節外殼同時通過螺釘與固定架固接，固定架通過螺栓固接諧波減速器的鋼輪，所述諧波減速器的鋼輪與諧波減速器的柔輪嚙合，諧波減速器的柔輪通過螺栓與輸入法蘭固接在一起，輸出法蘭與波發生器橢圓塞用螺釘相接，而行星輪變速器的輸出軸通過鍵與輸出法蘭連接，套筒通過螺栓分別與輸入法蘭和增量編碼器底座固定連接，所述行星輪變速器、直流伺服電機、制動器和增量編碼器位于套筒內，制動器與增量編碼器連接，直流伺服電機輸出軸一端與制動器連接，直流伺服電機輸出軸另一端與行星輪變速器連接，關節外殼與右端蓋通過右端輸出軸承轉動連接，增量編碼器通過增量編碼器固定套筒定位并固定在右端蓋內。
3.如權利要求I或2所述的六輪足式串并混聯機器人，其特征在于所述的運載平臺每邊的夾角為120°，運載平臺呈正六邊形狀。
專利摘要一種六輪足式串并混聯機器人，所述六輪足式串并混聯機器人包括運載平臺、電池、控制系統、攝像頭和3個6自由度的輪足組合式運動支鏈，所述運載平臺上安裝電池、控制系統和攝像頭，在所述運載平臺下方安裝所述輪足組合式運動支鏈，所述輪足組合式運動支鏈包括偏航關節、偏航關節支架、上俯仰關節、大腿、中俯仰關節、中俯仰關節支架，上橫滾關節、小腿、下俯仰關節、下俯仰關節支架、下橫滾關節、動力輪支架和動力輪。本實用新型提出了一種在簡化結構的同時，具有良好的靈活性和快速性的六輪足式串并混聯機器人。
文檔編號B25J5/00GK202593677SQ20122014719
公開日2012年12月12日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者艾青林, 曹斌, 譚大鵬 申請人:浙江工業大學