[发明专利]一种双平行四杆传动机构的单腿装置及六轮腿机器人

说明书

本发明公开了一种双平行四杆传动机构的单腿装置及六轮腿机器人，双平行四杆传动机构的单腿装置包括基节部件、大腿部件、小腿部件，具有三个自由度。膝关节的驱动通过双平行四杆机构实现，减轻小腿质量的同时，使膝关节获得大于180°的运动范围。髋关节驱动电机、膝关节驱动电机嵌入到大腿部件内部，增大了腰关节的运动范围。单腿装置上可根据需要加装模块化的主动轮部件。应用所述双平行四杆传动机构的单腿装置的六轮腿机器人可以实现腿式运动或轮式运动，进行简单的操作，翻倒时不需要调整机身姿态回到翻倒前的状态，只需反向站立即可继续运动。

技术领域

本发明属于机器人设计领域，尤其涉及一种双平行四杆传动机构的单腿装置及六轮腿机器人。

背景技术

轮式移动机器人结构简单，在平整的地形下移动效率高，但是崎岖地形的通过性能差。腿式移动机器人结构复杂，和轮式机器人相比在崎岖不平的地形具有更好的通过性能。结合轮式机器人和腿式机器人的特点，发展出了轮腿式移动机器人，平整地形下通过轮子移动，移动效率高，崎岖地形下通过腿移动，通过性能好。轮腿式移动机器人已经成为移动机器人研究的一大热点。

例如，公布号为CN111204382A的中国发明专利，公开了“一种轮腿结合的四足机器人”，其被动轮安装在小腿中部，主动轮安装在机身下；膝关节采用连杆驱动，且连杆和大小腿在同一平面内。此种结构布局存在着缺陷，由于连杆的引入，大大降低了膝关节的运动范围，使机器人的工作空间受限。公布号为CN110962955A的中国发明专利，公开了“一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人”，其腰关节和髋关节驱动电机同轴布置在大腿两侧。这种结构布局存在着缺陷，由于腰关节驱动电机和髋关节驱动电机外凸，单腿的结构变得臃肿，降低了腰关节的运动范围，使机器人的工作空间受限。

为了减轻小腿的质量，获得更好的运动性能，现有腿式移动机器人的膝关节多采用平行四杆机构驱动。这种结构布局存在缺陷，当平行四杆机构的连架杆与连杆共线时，机构处于奇异位形，运动具有不唯一性，同时机构的传动角为0，从而限制膝关节的运动范围小于180°，使机器人的工作空间受限。

发明内容

为了克服现有技术中腿式移动机器人平行四杆机构驱动的奇异性问题，以及单腿结构设计臃肿，关节运动范围受限等问题，本发明提出一种双平行四杆传动机构的单腿装置及六轮腿机器人，实现机器人更大的工作空间。

本发明双平行四杆传动机构的单腿装置及六轮腿机器人，包括基节部件、大腿部件、小腿部件；所述基节部件连接机器人机身，具有腰关节驱动电机，用于驱动大腿部件横向转动；大腿部件末端具有髋关节驱动电机，用于驱动大腿不见上下转动；小腿部件安装于大腿部件前端，通过膝关节驱动电机驱动上下转动。

上述膝关节驱动电机通过双平行四杆结构带动小腿部件转动；双平行四杆结构包括驱动连架杆、连杆、辅助连杆、从动连架杆、第一辅助连架杆与第二辅助连架杆。

其中，从动连架杆末端通过轴承与大腿板前端连接，形成转动副；同时从动连架杆末端还与小腿部件的转动轴间通过花键连接传力。驱动连架杆的大端与膝关节驱动电机的输出轴连接；连杆平行于大腿右板设置，末端和前端具有2个连接位。其中末端连接位与主动连架杆小端上设计的连接轴间通过轴承连接；连杆前端连接位与从动连架杆前端设计的连接轴间通过轴承连接；由此大腿板、驱动连架杆、从动连架杆与连杆组成第一平行四杆机构。

第一辅助连架杆的末端与驱动连架杆小端间连接传力；第二辅助连架杆的末端与从动连架杆前端连接轴端部连接传力。辅助连杆的两端分别与第一辅助连架杆和第二辅助连架杆的前端通过轴承连接，形成两个转动副；由此连杆、第一辅助连架杆、第二辅助连架杆与辅助连杆组成第二平行四杆机构。

通过上述双平行四杆机构，在膝关节驱动电机207的驱动下，使膝关节具有翻转180°的可能。当第一平行四杆机构处于奇异位形时，第二平行四杆机构不处于奇异位形，此时在第二平行四杆机构的作用下，第一平行四杆机构摆脱奇异位形；当第二平行四杆机构处于奇异位形时，与上述过程同理，如此，即可实现膝关节的整周运动。