本发明公开一种单自由度三足步行移动机构,该机构由左足A、中足B、右足C、第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F和第四曲柄G组成,左足A通过连接轴和左足电机轴与第一曲柄D、第二曲柄E转动连接,中足B通过连接轴和传动轴在左侧与第一曲柄D、第二曲柄E转动连接,在右侧中足B通过传动轴和连接轴与第三曲柄F、第四曲柄G转动连接,右足C通过连接轴和右足电机轴与第三曲柄F、第四曲柄G转动连接;其中第一曲柄D与第二曲柄G由中足电机带动同步转动,第二曲柄E和第三曲柄F分别由左足电机和右足电机带动转动,通过上述连接构成了单自由度三足步行移动机构。本机构通过三足配合运动能完成步行和转向的运动步态。
1.单自由度三足步行移动机构,其特征在于:该机构包括左足A、中足B、右足C、第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G,所述的左足A与右足C的结构和尺寸相同,所述的第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G的结构和尺寸相同;所述的左足A的形状为三棱柱,包括:两个左足端盖(A-1)、左足护壳(A-3)、左足板(A-5)、左足电机(A-4)、左足连接轴(A-2);左足板(A-5)上固定有左足电机(A-4),同时还设有活连接的左足连接轴(A-2),左足板(A-5)与左足护壳(A-3)固定连接;所述的左足护壳(A-3)两端分别固定连接一个左足端盖(A-1);所述的右足C的形状为三棱柱,包括:两个右足端盖(C-1)、右足护壳(C-3)、右足板(C-5)、右足电机(C-2)、右足连接轴(C-4);右足板(C-5)上固定有右足电机(C-2),同时还设有活连接的右足连接轴(C-4),右足板(C-5)与右足护壳(C-3)固定连接;所述的右足护壳(C-3)两端分别固定连接一个右足端盖(C-1);所述的中足B形状为多棱柱,其上设有传动轴(B-10)用于连接第一曲柄D、第四曲柄G,设有中足左侧连接轴(B-4),还设有中足右侧连接轴(B-5);第一曲柄D的左端与左足A上的左足连接轴(A-2)固定连接,第一曲柄D的右端与中足B上的传动轴(B-10)固定连接;第二曲柄E的左端与左足A上的左足电机(A-4)轴固定连接,第二曲柄E的右端与中足B上的中足左侧连接轴(B-4)固定连接;第三曲柄F的左端与中足B上的中足右侧连接轴(B-5)固定连接,第三曲柄F的右端与右足C上的右足电机(C-2)固定连接;第四曲柄G的左端与中足B上的传动轴(B-10)固定连接,第四曲柄G的右端与右足C上的右足连接轴(C-4)固定连接;通过上述连接构成单自由度三足步行移动机构。
2.根据权利要求1所述的单自由度三足步行移动机构,其特征在于:中足B包括两个中足端盖(B-1)、中足下壳(B-2)、中足上壳(B-6)、电机固定板(B-7)、中足电机(B-3)、中足左侧连接轴(B-4)、中足右侧连接轴(B-5)、主动锥齿轮(B-8)、从动锥齿轮(B-9)、传动轴(B-10);电机固定板(B-7)上固定连接中足电机(B-3),主动锥齿轮(B-8)通过紧定螺钉固定连接在中足电机(B-3)的电机轴上,电机固定板(B-7)的下端与中足下壳(B-2)固定连接;所述的中足下壳(B-2)上设有配合孔,用于和传动轴(B-10)转动连接,所述的传动轴(B-10)上固定从动锥齿轮(B-9),在中足下壳(B-2)两端分别与一个中足端盖(B-1)固定连接;中足上壳(B-6)左侧设有配合孔,用于和中足左侧连接轴(B-4)转动连接,中足上壳(B-6)左侧设有配合孔,用于和中足右侧连接轴(B-5)转动连接;中足上壳(B-6)分别与两侧的中足端盖(B-1)、中部电机固定板(B-7)固定连接,与中足下壳(B-2)闭合,通过上述连接构成中足B。
3.根据权利要求1所述的单自由度三足步行移动机构,机构的控制方法为:机构步行运动的4个步骤为:第一步,中足B抬起;第二步,中足B迈步;第三步,左足A、右足C抬起;第四步,左足A、右足C迈步;第一步,初始状态,左足A、中足B、右足C同时与地面接触,第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G都与地面平行,左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动90°,左足A与右足B支撑地面,中足B被抬起;第二步:左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动180°,中足B与左足A、右足B同时接触地面;第三步:左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动270°,中足B支撑地面,左足A、右足C被抬起;第四步:左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动360°,中足B、左足A、右足B同时接触地面,机构完成向前的一个周期的步行运动;机构转向分为三个步骤为:第一步,机构从初始位置运动到奇异位置;第二步,机构转向;第三步,机构恢复到初始状态;第一步:初始状态,左足A、中足B、右足C同时与地面接触,第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G都与地面平行,左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步正向转动,左足A与中足B、右足C与中足B都以平行四边形的方式运动,转动至45°到达奇异位置;第二步:在奇异位置时左足电机(A-4)带动第二曲柄E负方向转动,中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F还保持原来的运动方向转动,左足A与中足B以反平行四边形的运动方式运动,右足C与中足B以平行四边形的方式运动,左足A顶端接触地面向机构后方运动,由于摩擦反力的作用,使整体机构的运动方向发生偏移,左足电机(A-4)带动第二曲柄E负方向转动至-135°、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步正向转动至225°,机构再次到达奇异位置;第三步:在奇异位置时,足电机(A-4)带动第二曲柄E正向转动,与中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F正向转动,左足A与中足B、右足C与中足B都以平行四边形的方式运动,左足电机(A-4)带动第二曲柄E正向向转动至0°、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步正向转动至360°,中足B、左足A、右足B同时接触地面,整体机构完成转向。技术领域
本发明涉及一种可移动机构,具体涉及一种单自由度三足步行移动机构。该机构可运用于步行移动机器人,通过其特殊的步行移动方式增强机器人对于地面的适应能力,同时还可以用于军事侦察等领域。
背景技术
中国专利申请CN101927796A公开了一种单动力平行四边形两足移动机构。该机构由左足、右足,第一曲柄和第二曲柄组成。左足通过第一、二连接轴与第一曲柄和第二曲柄转动连接。右足上一端安装第三连接轴,另一端安装电机,且与第一曲柄和第二曲柄转动连接。第一曲柄和第二曲柄结构和尺寸相同。该四个转动副轴线相互平行,组成四边形两足移动机构。通过曲柄转动,使左足、右足相对滑动从而产生向前滑动的运动姿态。但此机构只能完成向前运动不能实现转向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:设计出一种能够实现步行与转向运动的单自由度三足步行移动机构,同时拥有较为灵活的移动能力。本发明的技术方案:设计一种双四边形移动机构,整体机构由左足、中足、右足、第一曲柄、第二曲柄、第三曲柄和第四曲柄组成。左足外形为三棱柱,其上设有左足连接轴与左足电机;右足的整体外形、结构与左足相同,其上设有右足连接轴与右足电机。中足外形为多棱柱,其上设有中足电机、传动轴、中足左侧连接轴与中足右侧连接轴。第一曲柄的左端与左足上的左足连接轴固定连接,第一曲柄的右端与中足上的传动轴固定连接;第二曲柄的左端与左足上的左足电机轴固定连接,第二曲柄的右端与中足上的中足左侧连接轴固定连接;第三曲柄的左端与中足上的中足右侧连接轴固定连接,第三曲柄的右端与右足上的右足电机固定连接;第四曲柄的左端与中足上的传动轴固定连接,第四曲柄的右端与右足上的右足连接轴固定连接;其中第一曲柄与第二曲柄由中足电机带动同步转动,第二曲柄和第三曲柄分别由左足电机和右足电机带动转动,通过上述连接构成了一个6杆7副的三足步行移动机构,且为一单个自由度的机构,由左足电机带动第二曲柄,中足电机带动第一曲柄、第四曲柄,右足电机带动第三曲柄以相同的速度转动。该机构利用平行四边形原理通过电机带动曲柄转动使左足、右足与中足分别交替向前接触地面从而实现机构向前步行的运动;同时利用平行四边形在奇异位置运动方式的切换,使左足与右足的运动方式产生差异从而实现转向。本发明的有益效果:本发明所述的双四边形机构结构简单紧凑,成本低廉,并能实现向前运动和转向,具有较强的运动灵活性。
附图说明
图1xa0xa0xa0整体机构图图2xa0xa0xa0左足示意图图3xa0xa0xa0左足爆炸图图4xa0xa0xa0左足板结构图图5xa0xa0xa0左足阶梯剖视图图6xa0xa0xa0右足示意图图7xa0xa0xa0右足爆炸图图8xa0xa0xa0右足板结构图图9xa0xa0xa0右足阶梯剖视图图10xa0xa0中足示意图图11xa0xa0中足爆炸图图12xa0xa0传动轴结构图图13xa0xa0中足阶梯剖视图图14xa0xa0曲柄结构图图15xa0xa0整体机构爆炸装配图图16xa0xa0机构奇异位置运动方式图图17xa0xa0整体机构姿态图图18xa0xa0整体机构向前运动步态图图19xa0xa0整体机构转向步态图具体实施方式:结合附图对本发明做进一步说明。单自由度三足步行移动机构,如图1所示,包括左足A、中足B、右足C、第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G。左足A的结构如图2、3所示,左足A包括两个左足端盖(A-1)、左足护壳(A-3)、左足板(A-5)、左足电机(A-4)、左足连接轴(A-2),其连接关系如下:如图4所示,左足板(A-5)上设有电机安装孔(A-5a)、配合孔(A-5b)、4个连接孔(A-5c),且电机安装孔(A-5a)和配合孔(A-5b)的圆心线与左足棱边呈45°角;如图5所示,左足板(A-5)与左足电机(A-4)通过电机安装孔(A-5a)用螺钉固定连接,左足连接轴(A-2)通过左足板(A-5)的配合孔(A-5b)活动连接,并通过轴肩与卡簧完成轴向定位;左足板(A-5)与左足护壳(A-3)通过连接孔(A-5c)用螺钉固定连接,左足护壳(A-3)在两端分别通过螺纹孔与左足端盖(A-1)用螺钉固定连接,通过上述连接构成左足A。右足C的结构如图6、7所示,右足C包括两个右足端盖(C-1)、右足护壳(C-3)、右足板(C-5)、右足电机(C-2)、右足连接轴(C-4),其连接关系如下:如图8所示,右足板(C-5)上设有电机安装孔(C-5a)、配合孔(C-5b)、4个连接孔(C-5c),且电机安装孔(C-5a)和与通孔(C-5b)的圆心线与左足棱边呈45°角呈45°角;如图5所示,右足板(C-5)与右足电机(C-2)通过电机安装孔(C-5a)用螺钉固定连接,右足连接轴(C-4)通过左足板(C-5)的配合孔(C-5b)活动连接,并通过轴肩与卡簧完成轴向定位;右足板(C-5)与右足护壳(C-3)通过连接孔(C-5c)用螺钉固定连接,右足护壳(C-3)在两端分别通过螺纹孔与右足端盖(C-1)用螺钉固定连接,通过上述连接构成右足C。中足B的结构如图10、11所示,中足B包括两个中足端盖(B-1)、中足下壳(B-2)、中足上壳(B-6)、电机固定板(B-7)、中足电机(B-3)、中足左侧连接轴(B-4)、中足右侧连接轴(B-5)、主动锥齿轮(B-8)、从动锥齿轮(B-9)、传动轴(B-10),其连接关系如下:如图11所示,中足电机(B-3)通过电机安装孔与电机固定板(B-7)用螺钉固定连接,电机锥齿轮(B-8)通过紧定螺钉固定在中轴电机(B-3)的电机轴上;电机固定板(B-7)与中足下壳(B-2)用螺钉固定连接,如图12所示,传动轴上设有平面(B-10a)两个外侧卡簧槽(B-10b)、两个内侧卡簧槽(B-10c);如图13所示,传动轴(B-10)通过通孔与中足下壳(B-2)构成转动副,并通过传动轴(B-10)外侧卡簧槽(B-10b)完成轴向定位,从动锥齿轮(B-9)通过紧定螺钉在传动轴平面(B-10a)位置固定连接,并用两个卡簧在内侧卡簧槽(B-10c)位置完成轴向定位,同时与主动锥齿轮(B-7)啮合,中足下壳(B-2)在两端分别与中足端盖(B-1)通过螺钉固定连接;中足左侧连接轴(B-4)、中足右侧连接轴(B-5)分别通过中足上壳(B-6)两侧配合孔与其构成转动副,并通过轴肩与卡簧完成轴向定位;中足上壳(B-6)分别与两侧的中足端盖(B-1)、中部电机固定板(B-7)用螺钉固定连接,通过上述连接构成中足B。第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G的结构和尺寸相同,以第一曲柄D为例,其结构如图14所示为中心对称结构,两端分别有沉孔(D-1)与螺纹孔(D-2)。整体机构的连接关系如下:如图15所示,第一曲柄两端的沉孔(D-1)分别与左足A连接轴(A-2)、中足传动轴(B-10)插入配合,且通过螺纹孔(D-2)用紧定螺钉完成固定连接,第二曲柄两端的沉孔(E-1)分别与左足A电机(A-4)输出轴、中足左侧连接轴(B-4)插入配合,且通过螺纹孔(E-2)用紧定螺钉完成固定连接,第三曲柄两端的沉孔(F-1)分别与右足C电机(C-2)输出轴、中足右侧连接轴(B-5)插入配合,且通过螺纹孔(F-2)用紧定螺钉完成固定连接,第四曲柄两端的沉孔(G-1)分别与右足C连接轴(C-4)、中足传动轴(B-10)插入配合,且通过螺纹孔(G-2)用紧定螺钉完成固定连接。通过上述连接关系,中足电机(B-3)带动第一曲柄D、第四曲柄G同步转动;左足电机(A-4)带动第二曲柄转动,右足电机(C-2)带动第三曲柄转动,构成单自由度三足步行移动机构。使用说明:单自由度三足步行移动机构通过中足电机(B-3)带动第一曲柄D、第四曲柄G同步转动,左足电机(A-4)带动第二曲柄E转动,右足电机(C-2)带动第三曲柄F转动。整体机构的奇异位置如图16(a)所示,以左足A、第一曲柄D、第二曲柄E和中足B之间的平行四边形机构为例,当第一曲柄D的两个转动副与第二曲柄E的两个转动副位于同一平面时,此四边形机构位于奇异位置;如图16(b)所示,当四边形机构位于奇异位置,第一曲柄D与第二曲柄E以相同速度同向转动时,此机构以平行四边形的方式运动;如图16(c)所示,当四边形机构位于奇异位置,第一曲柄D与第二曲柄E以相同速度反向转动时,此机构以反平行四边形的方式运动。单自由度三足步行移动三种姿态,如图17(a)所示,当第一曲柄D、第四曲柄G同步转动的方向与第二曲柄E、第三曲柄F的转动方向相同时,左足A与中足B、右足C与中足B都以平行四边形的方式运动;如图17(b)所示,当第一曲柄D、第四曲柄G同步转动的方向与第二曲柄E转动方向相同,且与第三曲柄F转动方向相反时,左足A与中足B以平行四边形的方式运动,右足C与中足B以反平行四边形的方式运动;如图17(c)所示,当第一曲柄D、第四曲柄G同步转动的方向与第二曲柄E转动方向相反,且与第三曲柄F转动方向相同时,左足A与中足B以反平行四边形的方式运动,右足C与中足以平行四边形的方式运动。整体机构步行运动的控制方法:整体机构为一个单自由度的机构,由左足电机(A-4)带动第二曲柄E,中足电机(B-3)带动第一曲柄D、第四曲柄G,右足电机(C-2)带动第三曲柄F以相同的速度转动,通过在奇异位置切换三种运动姿态来实现机构的向前步行与转向两种运动步态。如图18所示,整体机构通过电机带动曲柄转动使左足A、右足C与中足B分别交替向前接触地面从而实现机构向前步行的运动步态,机构向前运动的4个步骤为:第一步,中足B抬起;第二步,中足迈步;第三步,左足A、右足B抬起;第四步,左足A、右足C迈步。第一步:初始状态如图18(a)所示,左足A、中足B、右足C同时与地面接触,第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G都与地面平行,左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动90°,左足A与右足B支撑地面,中足B被抬起,如图18(b)所示。第二步,左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动180°,如图18(c)所示,中足B与左足A、右足B同时接触地面。第三步:左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动270°,如图18(d)所示,中足B支撑地面,左足A、右足C被抬起。第四步:左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步转动360°,如图18(e)所示,中足B、左足A、右足B同时接触地面,机构完成向前的一个周期的步行运动。整体机构转向的控制方法:如图19所示,整体机构通过一侧曲柄在奇异位置时改变转动的方向,使机构左足和右足的运动方式产生差异,从而完成转向步态,机构转向的3个步骤为:第一步,机构运动到奇异位置;第二步,机构转向;第三步,机构恢复到初始状态。第一步:初始状态如图19(a)所示,左足A、中足B、右足C同时与地面接触,第一曲柄D、第二曲柄E、第三曲柄F、第四曲柄G都与地面平行,左足电机(A-4)带动第二曲柄E、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄同步正向转动,左足A与中足B、右足C与中足B都以平行四边形的方式运动,如图19(b)所示,转动至45°到达奇异位置。第二步:在奇异位置时,如图19(b)所示,左足电机(A-4)带动第二曲柄E负方向转动,中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F还保持原来的运动方向转动,如图19(c)所示,左足A与中足B以反平行四边形的运动方式运动,右足C与中足B以平行四边形的方式运动,左足A顶端接触地面向机构后方运动,由于摩擦反力的作用,使整体机构的运动方向发生偏移,左足电机(A-4)带动第二曲柄E负方向转动至-135°、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步正向转动至225°,如图19(d)所示,机构再次到达奇异位置。第三步:如图19(d)所示,在奇异位置时,足电机(A-4)带动第二曲柄E正向转动,与中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F正向转动,左足A与中足B、右足C与中足B都以平行四边形的方式运动,左足电机(A-4)带动第二曲柄E正向向转动至0°、中足电机(B-3)带动第一曲柄D和第四曲柄G、右足电机(C-2)带动第三曲柄F同步正向转动至360°,如图19(e)所示,中足B、左足A、右足B同时接触地面,整体机构完成转向。