[发明专利]一种过约束两栖机器人

说明书

本发明公开了一种过约束两栖机器人，包括机器人机身和多个过约束运动装置，所述过约束运动装置包括同轴驱动装置和过约束连杆机构，所述同轴驱动装置包括外驱动器、内驱动器、外输出轴和内输出轴。以过约束运动装置为过约束两栖机器人提供驱动力，具有在陆地或水底爬行的潜力，还可以作其它物品操作，如抓取或搬运物品，过约束运动装置通过两个驱动器驱动过约束连杆机构进行灵巧的三维运动，在避免增加驱动器的情况下，实现灵巧的三维空间运动，进行包括向前、横向和转弯在内的全方向多地形移动，利于控制机器人的重量和成本。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种过约束两栖机器人。

背景技术

现有机器人通常采用解耦机构实现多关节多自由度机器人设计，即机器人的每个自由度单独安装一个独立的驱动器，通过多个连杆上的独立驱动以及连杆连接形成机构实现多关节运动，如单自由度机器人主要包含一个驱动器和一个连接在该驱动器上的连杆，双自由度机器人主要包含两个杆件及每个连杆上的单独驱动，三自由度机器人主要包含三个杆件及每个杆件上的单独驱动，以此类推。

在此基础上，为了满足机器人在与外部环境交互过程中对运动灵敏度、灵巧型等多方面的需求，往往会采用多个连杆之间的组合，形成一些特殊设计的机构，将驱动去的实际排布位置从该自由度的运动端转移至其他部位(通常为惯量较大，诸如靠近重心、基座、底盘等)，这样可以在不显著增加驱动器负载的情况下，仍然保持机器人的机动性能和整机成本。

目前，主要有以下三种机器人构型，即链式构型、平行构型及复合构型。

链式构型下，机器人各连杆先后连接，形成一个开环单链，具有较好的机构解耦特性，往往需要将驱动器独立安装在每个连杆或自由度端，机构本身的自由度数量与驱动器数量保持一致，常见例子包括一般多关节式工业机械臂。

平行构型下，机器人一般通过某种特别设计的机构传动，两岸之间一般多形成至少一个闭环，而驱动器则集中排布在靠近重心、基座、底盘的位置，每个驱动器仍然驱动一个自由度，而机构本身的自由度数量与驱动器数量保持一致。最常见机构为平面连杆机构及其变种(包括带传动、凸轮机构等)，在一些高速平面运动机械臂及一些足式机器人中较为常见，还有一些球面连杆机构及其变种(各转轴轴线交叉在空间一个点)，在一些手术机器人上较为常见。

复合构型是同时采用链式以及平行机构的一些机器人，往往具有较高的自由度数量(4～7)，在前3个自由度采用平行构型以降低整机转动惯量，在后几个自由度上采用链式构型进行独立驱动，在一些重型工业机械臂以及玩具机械臂上较为常见。

现有技术下，往往机构自由度的数量、驱动器的数量、以及实际实现的空间运动自由度之间是保持相等的关系的，这样的设计的一大优势是理论分析、机构设计、和控制实现上普遍较为简单直接，且具有丰富成熟的实际应用案例。存在的主要问题是由于在面对复杂环境交互时，往往需要较高的自由度数量，导致相应需要较多的驱动器数量，使得整机的重量、成本等较高，特别是在足式机器人或多臂、多指机器人上较为明显。如一台采用两自由度平行机构的四足机器人一般需要8个驱动器(Stanford Doggo,Ghost Minitaur等)，而采用三自由度复合构型的四足机器人则需要12个驱动器(Boston Dynamics Spot Mini，MIT Cheetah等)。

目前，比较常见且广泛应用运动装置为连杆式机械腿，是一种基于平面连杆机构的机械腿，例如Stanford Doggo和SpaceBok，采用了一种两自由度的平面四杆机构作为腿部机构。但是两自由度的平面机械腿的工作范围仅能是一个平面，而机器人最终的运动空间是一个三维空间，因此一些特殊的运动(如沿着身体的侧向运动，顺畅的原地旋转等)是无法实现的，其转向也只能依靠两边步态的差速进行。对于具有两自由度平面腿的机器人来说，很难改变运动方向，通常可以实现通过相对较大的转弯速度半径，限制了它在狭窄环境中的敏捷性。而有三个自由度的机器人腿，通常需要一个额外的执行器附在两个自由度支腿的基座上以实现高速机动，但是引入一个额外的执行器，对管理机器人的总重量和成本，提出新的挑战。