專利名稱：基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān) 節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用于液壓等直線驅(qū)動(dòng)的足式機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
足式機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域最為前沿的課題之一，它集機(jī)械、電子、計(jì)算 機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)及人工智能等多門學(xué)科于一體，反映了一個(gè)國(guó)家的智能化和自 動(dòng)化研究水平，同時(shí)也作為一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力的重要標(biāo)志，各發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域相繼投 入巨資開展研究。具有高承載能力的液壓驅(qū)動(dòng)足式機(jī)器人具有優(yōu)越的移動(dòng)能力的同時(shí)又具備良好 的負(fù)載能力，將在軍事、山地救援、林地勘測(cè)等特殊復(fù)雜環(huán)境下有巨大的需求背景。液壓缸直線驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)足式機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)方式，通常采用伸縮四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)， (如美國(guó)軍方的Bigdog四足機(jī)器人、山東大學(xué)榮學(xué)文發(fā)明的《具有質(zhì)心調(diào)整裝置的液壓驅(qū)動(dòng) 四足機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)》(申請(qǐng)?zhí)?01010153672. 8))。由于傳統(tǒng)的伸縮四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì) 出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與液壓缸移動(dòng)速度之間速比k隨不同運(yùn)動(dòng)位置而明顯不同。由于足式機(jī) 器人關(guān)節(jié)受力的復(fù)雜性及其特殊性，即在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)力矩大小這兩者的均衡性上 有特殊要求，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較高的設(shè)計(jì)要求。一般在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到往返兩個(gè)極限 位置時(shí)關(guān)節(jié)通常需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩，而此時(shí)的伸縮四連桿機(jī)構(gòu)的速比k較大使得必須選 擇更大驅(qū)動(dòng)功率的液壓缸才能滿足，選擇更大功率的液壓缸更不利于足式機(jī)器人機(jī)構(gòu)輕巧 的客觀要求；而處于中間狀態(tài)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩有可能較小，選擇大功率的液壓缸又不必 要。這種傳統(tǒng)的伸縮四連桿機(jī)構(gòu)在同等功率的液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)足式機(jī)器人關(guān)節(jié)凸顯輸出力矩和 轉(zhuǎn)動(dòng)速度的不均衡缺點(diǎn)，使得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制難度增加，不利于足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，也阻礙 了液壓驅(qū)動(dòng)足式機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu) 使運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與液壓缸移動(dòng)速度之間速比k在不同運(yùn)動(dòng)位置時(shí)基本保持相同，在同等功 率的液壓驅(qū)動(dòng)的足式機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不同位置時(shí)輸出力矩和轉(zhuǎn)速均較為均衡，降低了足式 機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的難度，優(yōu)化了足式機(jī)器人機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì)。一種平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于
包括第一剛體、第二剛體、第三桿、第四桿。其中第一剛體一端與第二剛體一端鉸連， 鉸接點(diǎn)稱為第一鉸接點(diǎn)；第三桿一端與第一剛體中間鉸接，鉸接點(diǎn)稱為第二鉸接點(diǎn)；第三 桿另一端與第四桿一端鉸接，鉸接點(diǎn)稱為第三鉸接點(diǎn)；第四桿另一端與第二剛體中間通過 鉸鏈連接，鉸接點(diǎn)稱為第四鉸接點(diǎn)；其中第一鉸接點(diǎn)到第二鉸接點(diǎn)的距離與第三鉸接點(diǎn) 到第四鉸接點(diǎn)的距離相等，第二鉸接點(diǎn)到第三鉸接點(diǎn)的距離與第四鉸接點(diǎn)到第一鉸接點(diǎn)的 距離相等.在第一剛體上還設(shè)有第五鉸接點(diǎn)；在第三鉸接點(diǎn)和第五鉸接點(diǎn)之間通過鉸接方式安裝有直線移動(dòng)副，具有往返直線移動(dòng)能力。實(shí)際常用的主要為液壓缸或氣壓缸或或絲 杠直線移動(dòng)裝置。本發(fā)明的工作原理為現(xiàn)有的液壓驅(qū)動(dòng)足式機(jī)器人中均采用伸縮四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 液壓直線驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此本發(fā)明注重提出基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)，使運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與液壓缸移動(dòng)速度之間速比k在不同運(yùn)動(dòng)位置時(shí)基本保持相同?；?于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過直線移動(dòng)裝置帶動(dòng)平行四邊形桿件 轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)第一剛體和第二剛體之間轉(zhuǎn)角變化，完成了液壓缸或氣壓缸等裝置的這種 直線運(yùn)動(dòng)到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)。由于平行四邊形的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)伸縮四連桿運(yùn)動(dòng) 的力與轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間力臂變化較小，比單純的伸縮四連桿具有運(yùn)動(dòng)輸出更為穩(wěn)定特點(diǎn)， 提高了足式機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能，為機(jī)構(gòu)輕巧、運(yùn)動(dòng)高效的足式機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供機(jī) 構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化方式。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)，結(jié)合平行四邊形的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，比 單純的伸縮四連桿具有運(yùn)動(dòng)輸出更為穩(wěn)定特點(diǎn)，為機(jī)構(gòu)輕巧、運(yùn)動(dòng)高效的足式機(jī)器人關(guān)節(jié) 設(shè)計(jì)提供機(jī)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化方式。2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)原理清晰、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方便，滿足足式機(jī)器人在不同條件 下關(guān)節(jié)特殊運(yùn)動(dòng)的性能要求。3、本發(fā)明在增加一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)的條件下，改善了原有伸縮四連桿機(jī)構(gòu)性 能，提高了足式機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性能，降低了液壓等直線驅(qū)動(dòng)的足式機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制難度。


圖1是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)例圖3是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖； 圖4-1是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)1示意圖； 圖4-2是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2示意圖； 圖4-3是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3示意圖； 圖5-1是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)某尺寸下的運(yùn)動(dòng)仿真圖； 圖5-2是本發(fā)明基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)該尺寸下輸入量與輸出 量數(shù)據(jù)比較上述圖中標(biāo)號(hào)名稱1、第一剛體；2、第二剛體；3、第三桿；4、第四桿；5、第一鉸接 點(diǎn)；6、第二鉸接點(diǎn)；7、第三鉸接點(diǎn)；8、第四鉸接點(diǎn)；9、第五鉸接點(diǎn)。圖中廠為直線驅(qū)動(dòng)力；Γ為關(guān)節(jié)所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明
結(jié)合圖1、2、3、4-1、4-2、4-3、5-1、5-2，本實(shí)施例為一種基于平行四邊形的伸縮四連桿 關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括第一剛體1、第二剛體2、第三桿3、第四桿4。
如圖2所示為基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)例圖，其中第一剛 體1 一端與第二剛體2 —端鉸連，鉸接點(diǎn)稱為第一鉸接點(diǎn)5 ；第三桿3 —端與第一剛體1中 間鉸接，鉸接點(diǎn)稱為第二鉸接點(diǎn)6 ；第三桿3另一端與第四桿4 一端鉸接，鉸接點(diǎn)稱為第三 鉸接點(diǎn)7 ；第四桿4另一端與第二剛體2中間通過鉸鏈連接，鉸接點(diǎn)稱為第四鉸接點(diǎn)8 ；其 中第一鉸接點(diǎn)5到第二鉸接點(diǎn)的距離6與第三鉸接點(diǎn)7到第四鉸接點(diǎn)8的距離相等，第二 鉸接點(diǎn)6到第三鉸接點(diǎn)的距離7與第四鉸接點(diǎn)8到第一鉸接點(diǎn)5的距離相等.在第一剛體 1上還設(shè)有第五鉸接點(diǎn)9 ；在第三鉸接點(diǎn)7和第五鉸接點(diǎn)9之間通過鉸接方式安裝有直線移 動(dòng)副。該直線移動(dòng)副為液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置，具有往返直線移動(dòng)能力。如圖3所示為基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖，上述直線 移動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)力廠實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)基于平行四邊形的伸縮四連桿，完成關(guān)節(jié)力矩Γ輸 出，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)例實(shí)施方式不限定于如圖2的機(jī)構(gòu)所示，而更廣泛地衍生到與本機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖相同運(yùn)動(dòng)原理的機(jī)構(gòu)。如圖4-1所示，基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)1，直線移動(dòng) 副處于最長(zhǎng)值時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；如圖4-2所示，基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2，直線移動(dòng)副處于中間值時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；如圖4-3所示，基于平行四邊 形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3，直線移動(dòng)副處于最短值時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同 理，基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中直線移動(dòng)副的直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的往返 轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了直線驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式，可應(yīng)用于液壓等直線驅(qū)動(dòng)的足式機(jī) 器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖5-1所示，基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在第三桿3和第 四桿4的長(zhǎng)度尺寸均為0. Im時(shí)，當(dāng)?shù)谝粍傮w1與第二剛體2成直角時(shí)設(shè)為中間狀態(tài)(零 狀態(tài))，此時(shí)的第五鉸接點(diǎn)9與第一鉸接點(diǎn)5 (坐標(biāo)位置為(0，0.5m))的相對(duì)坐標(biāo)位置為 (0. 3m, -0. 05m)。在該尺寸下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果如圖5_2所示，當(dāng)直線移動(dòng)副在1秒內(nèi) 勻速伸縮直線移動(dòng)0.1m時(shí)，相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)較為勻速的轉(zhuǎn)動(dòng)了 60° (-30° _30° )，表明運(yùn) 動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與直線移動(dòng)速度之間速比k在不同運(yùn)動(dòng)位置時(shí)均較為恒定，此特性能夠減小關(guān) 節(jié)運(yùn)動(dòng)控制難度，基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比傳統(tǒng)的伸縮四連桿具有更 好特性，可進(jìn)一步為優(yōu)化直線驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)傳動(dòng)的足式機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供新的途徑和方 式。其中第五鉸接點(diǎn)9與第一鉸接點(diǎn)5相對(duì)位置、第三桿3和第四桿4長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行不同 組合，能夠得到關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)際應(yīng)用中可調(diào)整優(yōu)化上述尺寸大小，滿足實(shí)際工況 下關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性能要求。
權(quán)利要求
1.一種基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于 包括第一剛體(1)、第二剛體(2)、第三桿(3)、第四桿(4)；其中第一剛體(1) 一端與第二剛體(2)—端鉸連，鉸接點(diǎn)稱為第一鉸接點(diǎn)(5)；第三桿(3)—端與第一剛體(1)中間鉸接，鉸接點(diǎn)稱為第二鉸接點(diǎn)(6);第三桿(3)另一端與第四桿(4)一端鉸接，鉸接點(diǎn)稱為第三鉸接點(diǎn)(7);第四桿(4)另一端與第二剛體(2)中間通過鉸鏈 連接，鉸接點(diǎn)稱為第四鉸接點(diǎn)(8);其中第一鉸接點(diǎn)(5)到第二鉸接點(diǎn)的距離(6)與第三鉸 接點(diǎn)(7)到第四鉸接點(diǎn)(8)的距離相等，第二鉸接點(diǎn)(6)到第三鉸接點(diǎn)的距離(7)與第四鉸 接點(diǎn)(8)到第一鉸接點(diǎn)(5)的距離相等；在第一剛體(1)上還設(shè)有第五鉸接點(diǎn)(9)；在第三鉸接點(diǎn)(7)和第五鉸接點(diǎn)(9)之間通過鉸接方式安裝有直線移動(dòng)副。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于 上述直線移動(dòng)副為液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置或氣壓缸驅(qū)動(dòng)裝置或絲杠直線移動(dòng)裝置。
全文摘要
一種基于平行四邊形的伸縮四連桿關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，屬機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。包括第一剛體(1)、第二剛體(2)、第三桿(3)、第四桿(4)。其中第一剛體(1)一端與第二剛體(2)一端鉸連；第三桿(3)一端與第一剛體(1)中間鉸接；第三桿(3)另一端與第四桿(4)一端鉸接；第四桿(4)另一端與第二剛體(2)中間通過鉸鏈連接；上述四個(gè)鉸接點(diǎn)構(gòu)成平行四邊形。在第一剛體(1)上設(shè)有第五鉸接點(diǎn)(9)；在第三鉸接點(diǎn)(7)和第五鉸接點(diǎn)(9)之間通過鉸接方式安裝有直線移動(dòng)副。該機(jī)構(gòu)比單純的伸縮四連桿具有運(yùn)動(dòng)輸出更為穩(wěn)定特點(diǎn)，提高了足式機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能，為機(jī)構(gòu)輕巧、運(yùn)動(dòng)高效的足式機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供機(jī)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化方式。
文檔編號(hào)B62D57/02GK102060059SQ20101055507
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者于浩, 俞志偉, 張昊, 戴振東, 李宏凱, 郭策 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)