面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿

1.本发明涉及机械及航空航天工程领域，尤其涉及一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿。


背景技术：

2.月球基地建设，前期由机器人操作，不断组装扩大，为载人登月奠定基础，大范围巡视探测需求不断凸显。传统地外探测机器人的设计一般将着陆器和探测器分离，着陆器负责在探测机器人离开环绕轨道后完成缓冲着陆，多为一次性装置，巡视器一般为巡视车，可在平坦地形完成巡视任务，巡视速度和巡视范围是其主要设计参数。
3.随着深空探测计划的推进和机器人技术的发展，传统机器人设计方案已很难适用。一次性着陆器占用了大量的发射资源，成本高昂；星表的深坑、环形山等障碍阻碍了巡视车的进一步探测。因此迫切需要研制出一款具有较好的着陆缓冲能力和地形适应性，且着陆后能够拥有较快的巡视速度和较大巡视范围的着陆-巡视一体化探测器。目前已知的发明中有部分解决了着陆器无法重复利用的问题，降低了发射成本，但没有考量巡视器的设计参数；有部分发明解决了巡视速度和巡视范围的问题，但并未考虑着陆缓冲时对电机的冲击，因此难以在地外星表真正实施。
4.在自然界，哺乳动物相比昆虫等跳跃能力强的生物而言体重更大，更适合探测机器人参考。哺乳动物常用肌腱配合关节完成跳跃落地后的缓冲，具体表现形式为髋关节处肌肉拉伸，膝关节弯曲、其两端连接的肌腱收缩，将动能吸收转换为弹性势能，有效地降低冲击。同时其脚踝为自适应关节，可以在不同类型的地面上着陆。参考哺乳动物的生理结构，对研究地外探测机器人的着陆巡视一体化具有重要意义。
5.现有技术中有以下几点不足：
6.1、改进了着陆器的结构，使之可重复利用，但并没有进行着陆-巡视一体化设计，发射成本依然高昂。
7.2、将探测机器人的腿部机构改为并联形式，刚度增加，可以增加机器人的着陆稳定性，但并联机构的运动空间狭窄，机器人巡视速度慢。
8.3、采用弹性装置吸收着陆动能，增强了着陆缓冲性能。但由于在地外探测环境下，驱动电机很难提供直接着陆所需的制动功率，故很难满足该机构的实施条件。
9.4、通过摩擦制动增强了动能吸收，但不能自适应不同地形着陆的需求。且腿式机构转动惯量过大，巡视速度不能满足要求。


技术实现要素：

10.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，模仿哺乳动物的髋关节肌肉、膝关节肌腱和脚踝，实现了较好的与地外星表环境适配的缓冲性能，结构简单可靠、稳定高效；同时基于本发明设计的四足探测机器人也具有较快的巡视速度和较大的巡视范围。
11.为了实现上述目的，本发明提供一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，包括一水平驱动关节、一固定支架、一髋驱动关节、一膝驱动关节、一双驱动四连杆传动机构和一仿生多级缓冲机构；所述水平驱动关节与所述固定支架传动连接并沿水平方向旋转传动所述固定支架；所述髋驱动关节和所述膝驱动关节固定于所述固定支架的两侧并与所述双驱动四连杆传动机构传动连接；所述仿生多级缓冲机构连接所述双驱动四连杆传动机构；所述髋驱动关节和所述膝驱动关节分别包括一串联弹性驱动器。
12.优选地，所述水平驱动关节包括一驱动板、一编码器、一电机、一减速器和一力矩传感器；所述驱动板固定在所述电机的电机输出轴的输入端，所述编码器连接所述电机输出轴；所述减速器与所述电机输出轴的末端固连；所述减速器的输出端通过所述力矩传感器与所述固定支架传动连接。
13.优选地，所述髋驱动关节和所述膝驱动关节的结构相同分别包括一所述驱动板、一所述编码器、一所述电机、一所述减速器、一所述力矩传感器和一所述串联弹性驱动器；所述驱动板固定在所述电机的电机输出轴的输入端，所述编码器连接所述电机输出轴；所述减速器与所述电机输出轴的末端固连；所述髋驱动关节和所述膝驱动关节的所述减速器的输出端通过所述串联弹性驱动器连接所述力矩传感器；所述髋驱动关节和所述膝驱动关节的所述力矩传感器与所述双驱动四连杆传动机构传动连接。
14.优选地，所述串联弹性驱动器包括四挡板、四弹簧、一外壳和一输出轴连接件；所述弹簧对称分布并安装于所述外壳中心的四周；每一所述弹簧的中部连接有一所述挡板；所述输出轴连接件设置于四所述弹簧内侧并连接四所述挡板；所述髋驱动关节和所述膝驱动关节的所述减速器的输出端通过所述输出轴连接件传动连接所述力矩传感器。
15.优选地，所述双驱动四连杆传动机构包括一髋关节驱动杆、一髋关节连杆、一膝关节驱动杆、一膝关节连杆和一膝关节；所述髋关节驱动杆一端与所述髋驱动关节传动连接，所述髋关节驱动杆的另一端连接所述髋关节连杆的第一端；所述膝关节驱动杆的一端与所述膝驱动关节传动连接，所述膝关节驱动杆的另一端连接所述膝关节连杆的第一端；所述膝关节连杆的第二端连接所述膝关节的第一端；所述髋关节连杆的第二端连接所述膝关节的第二端。
16.优选地，所述仿生多级缓冲机构包括一上缓冲弹簧、一下缓冲弹簧、一小腿连杆、一踝关节连杆、一力传感器、一球铰连接件、一踝关节球铰、一踝关节弹簧和一足垫；所述上缓冲弹簧连接于所述膝关节连杆与所述髋关节连杆之间；所述小腿连杆的第一端连接所述膝关节的第二端，所述小腿连杆的第二端通过所述踝关节连杆连接所述力传感器；所述力传感器通过所述球铰连接件连接所述踝关节球铰；所述踝关节球铰连接所述足垫；所述踝关节弹簧套设于所述踝关节球铰外并连接球铰连接件和所述足垫；所述下缓冲弹簧连接于所述髋关节连杆与所述小腿连杆之间；所述小腿连杆与所述踝关节连杆形成一预设角度。
17.优选地，所述固定支架包括一第一电机固定板、一第二电机固定板、一第三电机固定板和一第四电机固定板；所述第一电机固定板和所述第二电机固定板平行设置；所述第三电机固定板和所述第四电机固定板竖直固定于所述第一电机固定板和所述第二电机固定板之间；所述髋驱动关节和所述膝驱动关节分别固定于所述第三电机固定板和所述第四电机固定板上；所述水平驱动关节与所述第一电机固定板或所述第二电机固定板传动连接。
18.本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
19.1、本发明模仿哺乳动物生理结构，创造性地在着陆缓冲腿的髋关节、膝关节、踝关节处各设计了弹性缓冲元件，能够有效地将落地时的动能转化为弹性势能储存在各弹性元件中。能量在后续的回弹过程逐步释放，有效地减小了着陆时电机制动所需提供的功率，使该着陆方式在地外星表环境下成为了可能。同时本发明的设计还能有效降低着陆时的刚性冲击，保护机械结构。
20.2、本发明在小腿与足垫的连接处采用被动球铰加弹簧设计，并预先给定了一个倾斜角度，使足垫在着陆或行走时能通过被动球铰的旋转自动贴合地外星表。该设计增强了着陆或行走时的地形适应性，同时一定程度上能缓冲着陆时地面对足端的冲击力。
21.3、本发明采用驱动与运动部件分离的设计形式，将整腿电机均集中在髋关节处，利用四连杆机构将运动传递至膝关节，该设计使得可运动部件重量减轻，减小单腿的运动部件惯量。减轻单腿的转动惯量，可以使驱动电机所需功率降低，有效解决地外探测系统总功率不足的问题，同时还能提高腿部运动响应灵活度，提高探测机器人的移动速度。这种驱动集中式的设计也利于在太空环境下电子元件的防护。
附图说明
22.图1为本发明实施例的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿的俯视图；
23.图2为本发明实施例的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿的左视图；
24.图3为本发明实施例的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿的立体图；
25.图4为本发明实施例的踝关节的结构示意图；
26.图5为本发明实施例的踝关节的正视图；
27.图6为本发明实施例的驱动电机内部结构示意图；
28.图7为本发明实施例的串联弹性驱动器的结构示意图。
具体实施方式
29.下面根据附图图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
30.请参阅图1～图7，本发明实施例的一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，包括一水平驱动关节1、一固定支架、一髋驱动关节2、一膝驱动关节3、一双驱动四连杆传动机构和一仿生多级缓冲机构；水平驱动关节1与固定支架传动连接并沿水平方向旋转传动固定支架；髋驱动关节2和膝驱动关节3固定于固定支架的两侧并与双驱动四连杆传动机构传动连接；仿生多级缓冲机构连接双驱动四连杆传动机构；髋驱动关节2和膝驱动关节3分别包括一串联弹性驱动器。
31.水平驱动关节1包括一驱动板22、一编码器23、一电机24、一减速器25和一力矩传感器26；驱动板22固定在电机24的电机输出轴27的输入端，编码器23连接电机输出轴27；减速器25与电机输出轴27的末端固连；减速器25的输出端通过力矩传感器26与固定支架传动连接。驱动板22为电机24供电并控制电机24转动，带动电机输出轴27转动，编码器23实时读取电机输出轴27的位置、速度信息。电机输出轴27的输出端连接减速器25，放大力矩，并与力矩传感器26固连，读取力矩数据。
32.髋驱动关节2和膝驱动关节3的结构相同分别包括一驱动板22、一编码器23、一电机24、一减速器25、一力矩传感器26和一串联弹性驱动器；驱动板22固定在电机24的电机输出轴27的输入端，编码器23连接电机输出轴27；减速器25与电机输出轴27的末端固连；髋驱动关节2和膝驱动关节3的减速器25的输出端通过串联弹性驱动器连接力矩传感器26；髋驱动关节2和膝驱动关节3的力矩传感器26与双驱动四连杆传动机构传动连接。
33.串联弹性驱动器包括四挡板28、四弹簧29、一外壳30和一输出轴连接件31；弹簧29对称分布并安装于外壳30中心的四周；每一弹簧29的中部连接有一挡板28；输出轴连接件31设置于四弹簧29内侧并连接四挡板28；髋驱动关节2和膝驱动关节3的减速器25的输出端通过输出轴连接件31传动连接力矩传感器26。
34.本发明实施例的串联弹性驱动器满足一运动学模型：
35.基本方程如下：
36.牛顿方程：欧拉方程：
37.胡克定律：ts＝ksδθs38.串联弹性驱动器可以对应一个具有预压缩的弹簧元件模型：
[0039][0040]
式中，θ
spl
和θ
sph
分别是弹性元件共同作用的下界和上界，k
spc
是共同作用区域弹性元件的刚度系数，k
spl
和k
sph
分别是小于、大于共同作用区域时弹性元件的刚度系数，t
spl
和t
sph
分别是在弹性元件共同作用区域与上、下单独作用区域的临界位置处，弹性元件具有的预压缩力。
[0041]
基于步进电机步距角的表达式，结合电机功率与扭矩的关系式，可以计算出运动过程中电机角位移，并基于此计算结果开发控制电机24的程序。
[0042]
电机功率与转速基本公式如下：
[0043][0044]
其中，p是电机额定功率，单位为：kw，t是电机额定转矩，单位为：n
·
m，n是电机额定转速，单位为：分/转。
[0045]
步进电机步距角公式如下：
[0046][0047]
其中，m是电机定子相数，z是电机转子相数，c是电机通电方式，当电机24为单相轮流通电，c＝1；电机24为双相轮流通电，c＝2。
[0048]
步进电机转速与频率关系为：
[0049][0050]
其中，f为控制板发送给电机24的脉冲频率，x为电机实细分倍数，θb为步距角。
[0051]
通过上述公式，可以计算出运动过程中控制板发送给电机24的脉冲频率，进一步开发控制电机24的程序。
[0052]
双驱动四连杆传动机构包括一髋关节驱动杆6、一髋关节连杆10、一膝关节驱动杆7、一膝关节连杆11和一膝关节12；髋关节驱动杆6一端与髋驱动关节2传动连接，髋关节驱动杆6的另一端连接髋关节连杆10的第一端；膝关节驱动杆7的一端与膝驱动关节3传动连接，膝关节驱动杆7的另一端连接膝关节连杆11的第一端；膝关节连杆11的第二端连接膝关节12的第一端；髋关节连杆10的第二端连接膝关节12的第二端。
[0053]
仿生多级缓冲机构包括一上缓冲弹簧13、一下缓冲弹簧14、一小腿连杆15、一踝关节连杆16、一力传感器17、一球铰连接件18、一踝关节球铰19、一踝关节弹簧20和一足垫21；上缓冲弹簧13连接于膝关节连杆11与髋关节连杆10之间；小腿连杆15的第一端连接膝关节12的第二端，小腿连杆15的第二端通过踝关节连杆16连接力传感器17；力传感器17通过球铰连接件18连接踝关节球铰19；踝关节球铰19连接足垫21；踝关节弹簧20套设于踝关节球铰19外并连接球铰连接件18和足垫21；下缓冲弹簧14连接于髋关节连杆10与小腿连杆15之间；小腿连杆15与踝关节连杆16形成一预设角度。
[0054]
固定支架包括一第一电机固定板8、一第二电机固定板9、一第三电机固定板4和一第四电机固定板5；第一电机固定板8和第二电机固定板9平行设置；第三电机固定板4和第四电机固定板5竖直固定于第一电机固定板8和第二电机固定板9之间；髋驱动关节2和膝驱动关节3分别固定于第三电机固定板4和第四电机固定板5上；水平驱动关节1与第一电机固定板8或第二电机固定板9传动连接。
[0055]
水平驱动关节1的输出带动第一电机固定板8、第二电机固定板9，从而带动整腿绕水平驱动关节1点输出轴水平转动。
[0056]
双驱动四连杆传动机构主要效果是使位于探测器机体部位的髋驱动关节2、膝驱动关节3驱动腿部上下两部分的运动，完成伸腿、屈腿、抬腿等腿部动作。在执行巡视任务的过程中，上述运动可以配合水平驱动关节1的运动，实现探测机器人的行走步态；在执行着陆任务的过程中，上述关节可以配合上缓冲弹簧13、下缓冲弹簧14和踝关节弹簧20，将着陆时的动能转换为弹性势能。
[0057]
仿生多级缓冲机构的作用主要降低着陆过程中髋驱动关节2、膝驱动关节3制动所需的功率，减少刚性冲击，增强足端与星表的贴合程度。执行着陆任务的过程中，足垫21先接触星表，膝关节12弯曲，小腿连杆15与髋关节连杆10间距减小，下缓冲弹簧14压缩，膝关节连杆11与髋关节连杆10错位运动，上缓冲弹簧13拉伸。球铰连接件18与足垫21间距减小，踝关节弹簧20压缩。此时上缓冲弹簧13、下缓冲弹簧14、踝关节弹簧20将着陆时的动能转换为弹性势能，减小刚性冲击。髋驱动关节2和膝驱动关节3受到外力矩作用，输出轴连接件31偏转，带动弹簧29拉伸或压缩，将动能转换为弹性势能执行着陆、巡视任务的过程中，球铰连接件18、踝关节球铰19、踝关节弹簧20可以使足垫21始终以足底面触地，同时足垫21具有一定的面积，能够在大多数地形中避免探测器沉陷。所述自适应地形足有利于探测器适应
复杂地形环境，保证了探测器在面对复杂地形时的智能性和适应性，满足了地外星表大范围探测的需求。
[0058]
本发明实施例的一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿的一使用场景如下：
[0059]
1、着陆时，踝关节球铰19旋转，踝关节弹簧20弯曲，保证足垫21贴合星球表面；
[0060]
2、膝关节12弯曲缓冲，上缓冲弹簧13拉伸、下缓冲弹簧14压缩，串联弹性驱动器内部弹簧29拉伸或压缩，将部分着陆动能转化为弹性势能。
[0061]
3、髋驱动关节2和膝驱动关节3内部电机24提供的反向驱动力矩，消耗着陆动能。
[0062]
4、上缓冲弹簧13、下缓冲弹簧14、弹簧29复位，将储存的弹性势能转化为动能，电机24再次输出反向力矩，消耗所述能量，往复多次，将能量分多次消耗完毕，着陆完成。
[0063]
5、在星表，髋驱动关节2、膝驱动关节3完成抬腿等腿部动作，水平驱动关节1完成腿部的水平前后运动，即实现行走探测功能。
[0064]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，包括一水平驱动关节(1)、一固定支架、一髋驱动关节(2)、一膝驱动关节(3)、一双驱动四连杆传动机构和一仿生多级缓冲机构；所述水平驱动关节(1)与所述固定支架传动连接并沿水平方向旋转传动所述固定支架；所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)固定于所述固定支架的两侧并与所述双驱动四连杆传动机构传动连接；所述仿生多级缓冲机构连接所述双驱动四连杆传动机构；所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)分别包括一串联弹性驱动器。2.根据权利要求1所述的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，所述水平驱动关节(1)包括一驱动板(22)、一编码器(23)、一电机(24)、一减速器(25)和一力矩传感器(26)；所述驱动板(22)固定在所述电机(24)的电机输出轴(27)的输入端，所述编码器(23)连接所述电机输出轴(27)；所述减速器(25)与所述电机输出轴(27)的末端固连；所述减速器(25)的输出端通过所述力矩传感器(26)与所述固定支架传动连接。3.根据权利要求2所述的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)的结构相同分别包括一所述驱动板(22)、一所述编码器(23)、一所述电机(24)、一所述减速器(25)、一所述力矩传感器(26)和一所述串联弹性驱动器；所述驱动板(22)固定在所述电机(24)的电机输出轴(27)的输入端，所述编码器(23)连接所述电机输出轴(27)；所述减速器(25)与所述电机输出轴(27)的末端固连；所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)的所述减速器(25)的输出端通过所述串联弹性驱动器连接所述力矩传感器(26)；所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)的所述力矩传感器(26)与所述双驱动四连杆传动机构传动连接。4.根据权利要求3所述的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，所述串联弹性驱动器包括四挡板(28)、四弹簧(29)、一外壳(30)和一输出轴连接件(31)；所述弹簧(29)对称分布并安装于所述外壳(30)中心的四周；每一所述弹簧(29)的中部连接有一所述挡板(28)；所述输出轴连接件(31)设置于四所述弹簧(29)内侧并连接四所述挡板(28)；所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)的所述减速器(25)的输出端通过所述输出轴连接件(31)传动连接所述力矩传感器(26)。5.根据权利要求4所述的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，所述双驱动四连杆传动机构包括一髋关节驱动杆(6)、一髋关节连杆(10)、一膝关节驱动杆(7)、一膝关节连杆(11)和一膝关节(12)；所述髋关节驱动杆(6)一端与所述髋驱动关节(2)传动连接，所述髋关节驱动杆(6)的另一端连接所述髋关节连杆(10)的第一端；所述膝关节驱动杆(7)的一端与所述膝驱动关节(3)传动连接，所述膝关节驱动杆(7)的另一端连接所述膝关节连杆(11)的第一端；所述膝关节连杆(11)的第二端连接所述膝关节(12)的第一端；所述髋关节连杆(10)的第二端连接所述膝关节(12)的第二端。6.根据权利要求5所述的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，所述仿生多级缓冲机构包括一上缓冲弹簧(13)、一下缓冲弹簧(14)、一小腿连杆(15)、一踝关节连杆(16)、一力传感器(17)、一球铰连接件(18)、一踝关节球铰(19)、一踝关节弹簧(20)和一足垫(21)；所述上缓冲弹簧(13)连接于所述膝关节连杆(11)与所述髋关节连杆(10)之间；所述小腿连杆(15)的第一端连接所述膝关节(12)的第二端，所述小腿连杆(15)的第二端通过所述踝关节连杆(16)连接所述力传感器(17)；所述力传感器(17)通过所述球铰连接件(18)连接所述踝关节球铰(19)；所述踝关节球铰(19)连接所述足垫(21)；所述踝关节弹簧(20)
套设于所述踝关节球铰(19)外并连接球铰连接件(18)和所述足垫(21)；所述下缓冲弹簧(14)连接于所述髋关节连杆(10)与所述小腿连杆(15)之间；所述小腿连杆(15)与所述踝关节连杆(16)形成一预设角度。7.根据权利要求6所述的面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，其特征在于，所述固定支架包括一第一电机固定板(8)、一第二电机固定板(9)、一第三电机固定板(4)和一第四电机固定板(5)；所述第一电机固定板(8)和所述第二电机固定板(9)平行设置；所述第三电机固定板(4)和所述第四电机固定板(5)竖直固定于所述第一电机固定板(8)和所述第二电机固定板(9)之间；所述髋驱动关节(2)和所述膝驱动关节(3)分别固定于所述第三电机固定板(4)和所述第四电机固定板(5)上；所述水平驱动关节(1)与所述第一电机固定板(8)或所述第二电机固定板(9)传动连接。

技术总结
本发明提供一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，包括一水平驱动关节、一固定支架、一髋驱动关节、一膝驱动关节、一双驱动四连杆传动机构和一仿生多级缓冲机构；水平驱动关节与固定支架传动连接并沿水平方向旋转传动固定支架；髋驱动关节和膝驱动关节固定于固定支架的两侧并与双驱动四连杆传动机构传动连接；仿生多级缓冲机构连接双驱动四连杆传动机构；髋驱动关节和膝驱动关节分别包括一串联弹性驱动器。本发明的一种面向地外探测的刚柔耦合缓冲腿，模仿哺乳动物的髋关节肌肉、膝关节肌腱和脚踝，实现了较好的与地外星表环境适配的缓冲性能，结构简单可靠、稳定高效；同时基于本发明设计的四足探测机器人也具有较快的巡视速度和较大的巡视范围。和较大的巡视范围。和较大的巡视范围。


技术研发人员：沈显星 何俊 吴凯 王烁杰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/14