本發(fā)明涉及機器人技術、機構學及仿生學，可應用于多足機器人領域，具體來說，是一種既可以作為步行足進行支撐行走又可以變換結構作為操作臂進行任務操作的腿臂融合機構。

背景技術：

機器人的研制作為一個朝陽產業(yè)，越來越受到人們的重視，其中足式移動機器人由于其運動靈活，承載能力高，應用領域廣，其在人類生產生活中扮演著越來越多的角色。一般的足式機器人可以在應用在地震救援、外星探測、資源探索、看護陪伴以及國防安全等多個領域，由于其多足結構的機構特殊性，機器人可以利用離散的地面支撐來實現(xiàn)非完全接觸的障礙規(guī)避、障礙跨越、爬升臺階、在粗糙地面運動以及翻倒自恢復功能，所以其對雜亂地形有較好的的順應能力。同時，對于未來的移動機器人，其步行運載能力也不是唯一衡量其工作能力的指標，操作性能也是設計足式步行機器人應該考慮到的一個重要因素。目前對于步行機器人的操作性能的添加，一般都是在足部增加冗余驅動來進行任務操作，如jpl實驗室聯(lián)合nasa等眾多研究機構研制的athlete系列機器人便是這種結構的代表。對于這種設計思想，其難點在于如何將增加的冗余驅動融合到腿部結構而不影響機器人的正常步行，并且盡可能在不影響操作性能的前提下減少冗余驅動成為目前研究的難點。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述提出的足式步行機器人操作性能添加的問題，本發(fā)明基于機器人學、機構學、仿生學設計了一種六自由度可進行腿臂融合操作的步行機器人單腿結構，將操作機構與步行機構之間簡單結合，使步行模式與操作模式之間的切換流暢，操作模式時的輸出自由度較高。

本發(fā)明六自由度可進行腿臂融合操作的步行機器人單腿結構，由末端至前端分別為髖部連接件、大腿桿與小腿桿，共三個腿節(jié)；通過髖部舵機控制髖部連接件繞豎直的空間z軸轉動；通過大腿桿舵機控制大腿桿繞空間x軸在豎直平面上轉動；通過小腿桿舵機控制小腿桿繞空間x軸在豎直平面上轉動。

上述小腿桿前端安裝有執(zhí)行模塊；執(zhí)行模塊包括任務切換舵機、步行足端、操作器位姿調整舵機、操作器控制舵機與操作器；其中，任務切換舵機輸出軸沿空間x軸設置；步行足端與操作器分別位于任務切換舵機的下側面與上側面處；任務切換舵機與小腿桿前端相連；通過控制任務切換舵機，實現(xiàn)步行足端與操作器同時繞空間x軸同向轉動，實現(xiàn)步行足端與操作器在小腿桿前端端部的切換；

上述步行足端用于實現(xiàn)觸地時的緩沖；操作器通過操作器位姿調整舵機控制，實現(xiàn)操作器繞空間x軸轉動，實現(xiàn)操作器的位姿調整；同時，操作器通過操作器控制舵機控制進行操作。

本發(fā)明中，當機器人使用步行模式運動時，通過任務執(zhí)行舵機控制操作器與步行足端同步同相旋轉，使步行足端旋轉至小腿桿前端，此時操作器可以收進小腿中。當機器人使用操作模式工作時，關節(jié)旋轉，任務執(zhí)行舵機控制操作器與步行足端同步同相旋轉，會收起步行足端至小腿結構中，而操作器旋轉至小腿桿前端，并且對于操作器還可以根據目標的任務不同進行更換。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明步行機器人單腿結構，輸出自由度高，靈活度高，工作范圍廣，可進行較為復雜的任務操作，并且這種單腿構型的負載支撐能力高；

2、本發(fā)明步行機器人單腿結構，步行模式和操作模式之間無干涉，切換迅速平順，并且對于操作端的執(zhí)行器可以根據目標任務的不同進行更換，應用面廣；

3、本發(fā)明步行機器人單腿結構，由于每個關節(jié)都使用舵機驅動，控制方式簡單，響應迅速，并且使用舵機參與機械結構構成，減輕了單腿質量，降低加工成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種新型六自由度可進行腿臂融合操作的步行機器人單腿結構進行站立姿態(tài)時單腿的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明一種新型六自由度可進行腿臂融合操作的步行機器人單腿結構進行操作任務時的姿態(tài)結構示意圖；

圖3是本發(fā)明中主要負責步行模式運動的髖關節(jié)的舵機與連接件之間的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明中執(zhí)行模塊結構示意圖；

圖5是本發(fā)明執(zhí)行模塊中安裝方式及步行足端結構示意圖；

圖6是本發(fā)明中設計的進行加持操作的操作器結構示意圖；

圖7是本發(fā)明中設計的進行剪切操作的操作器結構示意圖。

圖中：

1-髖部連接件2-大腿桿3-小腿桿

4-髖部舵機5-大腿桿舵機6-小腿舵機

7-任務切換舵機8-步行足端9-操作器位姿調整舵機

10-操作器控制舵機11-操作器101-側架a

102-側架b401-舵機舵盤a402-髖部舵機引出軸

403-髖部舵機軸承404-內圈壓緊件405-外圈壓緊件

701-任務切換舵機引出軸702-任務切換軸承801-著地部件

802-固定帽803-導向軸804-緩沖彈簧

805-安裝架901-位姿調整舵機舵盤902-l型調整臂

11a-u型支架11a1-底座11b-操作臂

11c-控制機構11b1-擺桿11b2-夾持端頭

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。

本發(fā)明六自由度可進行腿臂融合操作的步行機器人單腿結構，參考自然界爬行昆蟲的爬行腿結構，并依據死點支撐原理，對主要進行步行運動的前三個關節(jié)(髖關節(jié)、大腿關節(jié)、小腿關節(jié))以及腿節(jié)形狀進行布置設計。再者，因為操作任務的需求，需要將操作性能添加到機械結構中，考慮到前三個關節(jié)，可以使用3個舵機進行驅動，所以對于進行操作自由度實現(xiàn)的方式也使用舵機直驅，又因為空間滿輸出自由度為六，在已經具有的三個自由度的基礎上再增加具有三個自由度的執(zhí)行模塊，包括任務切換關節(jié)，操作器旋轉關節(jié)，操作器驅動旋轉關節(jié)，所以對于執(zhí)行模塊也配置3個舵機。這樣該單腿結構進行任務操作時的末端輸出自由度為六。對于舵機的選取，主要承擔步行模式工作的前三個關節(jié)需要較大的力矩，而對于主要承擔操作的后三個關節(jié)則不需要很大的力矩，反而要求其重量較輕，因此本發(fā)明中前三個關節(jié)和后三個關節(jié)所選用的舵機型號分別為drs-0401和drs-0101。

本發(fā)明具體結構如下：

本發(fā)明六自由度可進行腿臂融合操作的步行機器人單腿結構，如圖1所示，由末端至前端分別為髖部連接件1、大腿桿2與小腿桿3，共三個腿節(jié)，均由左右兩側架構，且小腿桿3的兩側架間還通過加固梁相連。其中，髖部連接件1末端與髖部舵機4輸出軸相連，形成髖關節(jié)；通過控制髖部舵機4，可實現(xiàn)髖部連接件1繞豎直的空間z軸轉動。髖部舵機4與機器人機身相連，實現(xiàn)整個單腿結構與機身間的連接。髖部連接件1前端與大腿桿舵機5固定。大腿桿2末端與大腿桿舵機5輸出端相連，形成大腿關節(jié)；通過控制大腿桿舵機5，實現(xiàn)大腿桿2繞空間x軸在豎直平面上轉動。大腿桿2前端通過小腿舵機6與小腿桿3末端相連。大腿桿2前端與小腿桿舵機6的輸出軸相連，形成小腿關節(jié)，小腿桿3末端與小腿桿舵機6固定，通過控制小腿桿舵機6，實現(xiàn)小腿桿3繞空間x軸在豎直平面上轉動。小腿桿3前端安裝有執(zhí)行模塊。

上述髖部連接件1與髖部舵機4間的連接方式、大腿桿2與大腿桿舵機5間的連接方式，以及大腿桿2與小腿桿舵機6間的連接方式相同，以髖部連接件1與髖部舵機4間的連接方式為例，進行詳細說明：

如圖3所示，髖部舵機4的輸出軸上通過花鍵緊配合固定舵機舵盤401；令髖部連接件1的兩側架分別為側架a101與側架b102，則側架a101與舵機舵盤401間通過周向布置的螺釘連接，并通過緊定螺釘將側架a101、髖部舵機4輸出軸以及舵機舵盤401三者連接固定。髖部舵機4上，位于髖部舵機4輸出軸對側同軸固定安裝有髖部舵機引出軸402，作為轉動軸；髖部舵機引出軸402上套接有髖部舵機軸承403，側架b通過髖部舵機軸承403與髖部舵機引出軸402相連。髖部舵機軸承403內圈與外圈分別通過內圈壓緊件404與外圈壓緊件405壓緊定位；且內圈壓緊件404、髖部舵機引出軸402與髖部舵機4三者間通過緊定螺釘連接固定；外圈壓緊件405與側架b102間通過緊定螺釘連接固定。

所述執(zhí)行模塊包括任務切換舵機7、步行足端8、操作器位姿調整舵機9、操作器控制舵機10與操作器11，如圖4所示。其中，任務切換舵機7輸出軸沿空間x軸設置。如圖5所示，任務切換舵機7左右兩側，分別固定安裝有與任務切換舵機7輸出軸同軸的任務切換舵機引出軸701，且兩個任務切換舵機引出軸701上均套有任務切換軸承702。小腿桿3一側架直接套接在一側任務切換舵機引出軸701上的任務切換舵機軸承702上，且通過花鍵與任務切換舵機7的輸出軸進行緊配合固定，并通過緊定螺釘將側架與任務切換舵機7的輸出軸間進一步固定；小腿桿3的另一側架直接套接在另一側任務切換舵機引出軸701上的任務切換舵機軸承702上，最終形成任務切換關節(jié)。

所述步行足端8與操作器11分別位于任務切換舵機7的下側面與上側面處，通過控制任務切換舵機7，實現(xiàn)步行足端8與操作器11同時繞空間x軸同向轉動，進而實現(xiàn)步行足端8與操作器11在小腿桿3前端端部的切換，如圖1、圖2所示。

上述步行足端8包括著地部件801、固定帽802、導向柱803、緩沖彈簧804與安裝架805，如圖5所示；安裝架805與任務切換舵機的兩根引出軸701通過螺紋連接。導向柱803位于安裝架805外側，垂直于任務切換舵機7的輸出軸設置，末端穿過安裝架805上的開孔后與位于安裝架805內側的固定帽802通過螺栓連接；固定帽802的外徑大于安裝架805上開孔的直徑，以此限制導向柱803末端的位移。緩沖彈簧804套在導向柱803上，上下兩端進一步套于安裝架805與導向柱803前端的兩個凸臺上，從而導向柱803通過張緊力固定在安裝架805上，并通過兩個凸臺進行導向。導向柱803前端端面上通過螺紋連接固定安裝著地部件801，本發(fā)明中著地部件801采用足端橡膠球。由此在著地部件801著地時，使導向柱803壓縮緩沖彈簧804沿自身軸向滑動，實現(xiàn)著地時的緩沖。

所述操作器11通過操作器位姿調整舵機9調整操作器11的位姿，并通過操作器控制舵機10控制操作器進行操作。其中，操作器位姿調整舵機9與任務切換舵機均固定在連接板上，使操作器位姿調整舵機9的輸出軸垂直于x軸設置；操作器位姿調整舵機9的輸出軸上通過花鍵緊配合安裝有位姿調整舵機舵盤901。操作器位姿調整舵機9具有l(wèi)型調整臂902，l型調整臂902的長邊平行于任務切換舵機7的上側面，短邊固定安裝于位姿調整舵機舵盤901上，通過緊固螺釘將位姿調整舵機舵盤901、操作器位姿調整舵機9的輸出軸與l型調整臂902三者間緊固，形成操作器旋轉關節(jié)。操作器控制舵機10固定安裝于l型調整臂902的長邊上，其輸出軸同時垂直于l型調整臂902的長邊；。由此通過位姿調整舵機舵盤901控制l型調整臂902擺動，實現(xiàn)操作器11的位姿調整。

操作器11包括倒u型支架11a、操作臂11b與控制機構11c；其中，倒u型支架11a用來支撐操作器11，罩在操作器控制舵機10上，兩端分別與l型調整臂902長邊兩側固定。倒u型安裝架11a頂面兩側各設計有一體結構的操作臂底座11a1，用來安裝操作臂11b。所述操作臂11b包括擺桿11b1與操作端頭11b2，如圖6所示。其中，擺桿11b1為兩根平行設置，一端與底座11a1上設計的兩個鉸接位置鉸接，另一端與操作端頭11b2上設定的兩個鉸接位置鉸接。

所述控制機構用來實現(xiàn)左右兩側夾持臂的夾持端間的同向與反向移動，包括螺桿11d、臺座11e與驅動桿11f。其中，螺桿11d底端設計為盤型，作為操作器控制舵機10的引出軸盤11g，固定安裝于操作器控制舵機10輸出軸上安裝的控制舵機舵盤10a上，形成操作器驅動旋轉關節(jié)。螺桿上部穿過倒u型安裝架11a頂面，并設計為螺紋結構，其上套有臺座11e。臺座11e相對兩側鉸接有驅動桿11f，驅動桿11f的輸出端分別鉸接于左右兩側夾持臂中位于內側的擺桿11b2中部。由此，操作器控制舵機10可驅動螺桿11d轉動，進而帶動臺座11e沿螺桿11d軸向上下移動，使兩根驅動桿11f推拉左右兩側夾持臂的擺桿11b2，使左右兩側操作臂11b的操作端頭11b3間的反向與同向移動，實現(xiàn)操作器11的操作控制。上述操作器11的操作端頭11b3可設計為具有相對的夾持面的夾持器，如圖6所示；也可設計為具有相對刃部的剪刀結構，如圖7所示。

當機器人使用本發(fā)明的單腿結構進入步行模式時，其支撐模式如圖1所示，通過調節(jié)髖關節(jié)、大腿關節(jié)、小腿關節(jié)的關節(jié)角度，至如圖1所示，并控制任務切換舵機7，使操作器11、操作器位姿調整舵機9與操作器控制舵機10位于小腿桿3的兩側架之間，不會對機器人的步行運動造成干涉。此時，著地部件801與地面接觸。通過控制髖部舵機4，完成單腿的前后擺動運動，實現(xiàn)機器人的邁步前進。

當機器人使用本發(fā)明的單腿結構進行操作模式時，控制任務切換舵機7，使操作器11、操作器位姿調整舵機9與操作器控制舵機10位于小腿桿3前端端部；進一步通過調節(jié)髖關節(jié)、大腿關節(jié)、小腿關節(jié)的關節(jié)角度，以及控制任務切換舵機7、操作器位姿調整舵機9與操作器控制舵機10，實現(xiàn)操作器11對目標物體的操作，如圖2所示。