CN101224765B - 一种足轮两用机器人腿 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种轮足两用机器人腿。该机器人腿中第一离合器与第一轴、第二轴连接，第一轴承内圈与第一轴连接、外圈与第一大轮毂连接，第二轴承、第三轴承内圈与第二轴连接、外圈与长连杆连接，同时离合器第一从动片与轮毂连接、第二从动片与长连杆连接。第二离合器与第三轴、第四轴连接，第六轴承内圈与第三轴连接、外圈与第二大轮毂连接，第七轴承内圈与第四轴连接、外圈与短连杆连接，同时离合器第一从动片与轮毂连接、第二从动片与短连杆连接。该机器人腿结构紧凑，运动灵活，地面适应性强，且移动速度快，针对特殊地形变换运动姿态有利于降低能量损耗。

Description

一种足轮两用机器人腿

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种轮足两用机器人腿。

背景技术

机器人腿通常有轮式和关节式两种结构方式。轮式腿具有移动速度快、转向性好、驱动控制方便等特点；但其着地面积小、壁面适应性差、避障能力和非结构环境下移动性能差。关节式腿一般采用两节连杆串联形式，它对路面要求低，可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面；但存在着运动间歇大、速度慢、驱动控制困难等缺点。因此迫切需要一种结构紧凑、地形适应性强、移动速度快、控制简单的机器人腿。此外机器人一般只有一个电池盒，不仅线路复杂，在机器人外出工作时因电池损坏或其他工作耗电过大造成无法顺利返航等问题，若能采用模块化设计理念，设计机器人腿模块具有独立驱动能力，既能保证机器人的运动，又能进行快速替换。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种结构紧凑、地形适应性强、移动速度快、控制简单的机器人腿。该机器人腿采用轮腿结合运动模式、模块化设计理念，保证机器人快速、灵活运动。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明中的第一轴14与车体相连获得第一关节的动力输入并传给第一离合器5，与第一离合器5相连的第一轴14和第二轴19上分别通过第一轴承16连接第一大轮毂15和第二轴承17、第三轴承18连接长连杆1。同时第一离合器5的第一从动片35与第一大轮毂15连接、第二从动片37与长连杆1连接，第二轴承安装孔38安装第二轴承17，连接螺纹孔39用于从动片与轮毂和连杆固定螺钉。

在第一离合器5的作用下可以选择驱动第一大轮毂15实现机器人的轮式运动；或者选择驱动长连杆1，作为大腿关节作前后摆动，实现机器人关节式运动。电机驱动器6、电机7及电机减速器8通过电机安装座9固定在长连杆内部作为第二关节的动力输入，通过联轴节10传给第六轴34及其相连的第一锥齿轮11，再由第二锥齿轮12转向90°后传给第三轴21及其相连的第二离合器26，与第二离合器26相连的第三轴21和第四轴28上分别通过第四轴承20、第五轴承22连接长连杆1，第六轴承23连接第二大轮毂24以及第七轴承27连接短连杆13，同时第二离合器第一从动片40与第二大轮毂24连接、第二离合器第二从动片42与短连杆13连接，第七轴承安装孔43安装第七轴承27，连接螺纹孔44用于从动片与轮毂或连杆固定螺钉。

所述短连杆13的长度是长连杆1的长度的一半，第一大轮胎4和第二大轮胎2的半径相等，两个大轮胎和小轮胎3的中心界面在一个平面内，且转动轴相平行。长连杆1的两轴间长度等于两个大轮半径加上小轮胎3的直径和轮胎间的间隙，其中轮胎的间隙在18mm～22mm之间。

在第二离合器的作用下可以选择驱动第二大轮毂24配合第一大轮毂15实现机器人的轮式运动，或配合长连杆1实现机器人轮划运动；或者选择驱动短连杆13，作为小腿关节做绕轴旋转，配合大腿作行走运动，或配合第一轮做越障滑移。电池29安置在短连杆13内，实现轮腿模块的独立供电。短连杆另一端通过第八轴承30连接第五轴31。再由第五轴31通过第九轴承32与小轮毂25相连，作为机器人腿末端被动轮，在轮式运动时当辅助支撑轮用，在关节式运动时通过电磁抱闸(33)固定当足用。

本发明的轮足两用式机器人腿可以实现机器人轮式、关节式两种运动形式，保证机器人移动速度及地形适应性，且结构紧凑。采用离合器可以节省驱动模块，节省能耗及结构空间。模块化设计理念可以保证机器人具有独立驱动能力，并能进行快速替换。

附图说明

图1为本发明的原理图的上下二等角轴测前视图

图2为本发明的隐藏长连杆后原理图的上下二等角轴测前视图

图3为本发明的隐藏离合器等零件后原理图的上下二等角轴测前视图

图4为本发明的隐藏长连杆、短连杆后原理图的上下二等角轴测后视图

图5第一离合器从动片剖面图

图6第二离合器从动片剖面图

图7为本发明的紧凑轮式移动实施例的三维实体图

图8为本发明的伸展轮式移动实施例的三维实体图

图9为本发明的撑小腿实施例的三维实体图

图10为本发明的撑起大腿轮式移动实施例的三维实体图

图11为本发明的关节式移动实施例的三维实体前视图

图12为本发明的关节式移动实施例的三维实体后视图

图中：长连杆1、第二大轮胎2、小轮胎3、第一大轮胎4、第一离合器5、电机驱动器6、电机7、减速器8、电机安装座9、联轴节10、第一锥齿轮11、第二锥齿轮12、短连杆13、第一轴14、第一大轮毂15、第一轴承16、第二轴承17、第三轴承18、第二轴19、第四轴承20、第三轴21、第五轴承22、第六轴承23、第二大轮毂24、小轮毂25、第二离合器26、第七轴承27、第四轴28、电池29、第八轴承30、第五轴31、第九轴承32、电磁抱闸33、第六轴34，离合器第一从动片35，第一离合器主体36，第二从动片37，第二轴承安装孔38，连接螺纹孔39，第二离合器第一从动片40，第二离合器主体41，第二离合器第二从动片42，第二轴承安装孔43，连接螺纹孔44。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

轮足式机器人腿模块采用两个动力输入单元，通过离合器进行轮足模式切换，第一大轮毂15和第二大轮毂24可以分别绕第一轴14和第三轴21完成主动或被动旋转运动，长连杆1可以绕第二轴19完成前后摆动，短连杆13可以绕第四轴28完成旋转运动，小轮毂25可以绕第五轴31完成被动旋转运动。轮腿运动由统一的控制器进行规划控制，并且采用独立供电方式。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，轮足式机器人腿模块包括第一大轮15、第二大轮24、长连杆1、短连杆13、第一离合器5、第二离合器26、被动小轮25和电机7及其驱动、变速、电池等。第一离合器5与第一轴14、第二轴19连接，第一轴承16内圈与第一轴14连接、外圈与第一大轮毂15连接，第二轴承17、第三轴承18内圈与第二轴19连接、外圈与长连杆连接，同时离合器一个从动片与轮毂连接、另一个从动片与长连杆连接。具体连接方式如图1、图3、图4所示。固定在长连杆1内部的电机7经过减速器8后由联轴节连一对锥齿轮11、12使输出转向，第四轴承20、第五轴承22内圈与第三轴21连接、外圈与长连杆1另一段连接。第二离合器26与第三轴21、第四轴28连接，第六轴承23内圈与第三轴21连接、外圈与第二大轮毂24连接，第七轴承27内圈与第四轴28连接、外圈与短连杆13连接，同时离合器一个从动片与轮毂连接、另一个从动片与短连杆连接。具体连接方式如图2、图3、图4所示。在短连杆13另一端通过第八轴承30与第五轴31连接，再通过第九轴承32串联小轮毂25。具体连接方式如图2、图4所示。

在设计时短连杆长度是长连杆长度的一半，两大轮半径相等，且两大轮半径加小轮直径再加轮间间隙刚好等于长连杆长度，此处所述的轮间间隙为20mm。小轮作为被动轮，在电磁抱闸33作用下分别有随转和止转两种状态。两个大轮及小轮的中心界面在一个平面内，且转动轴相平行。

如图7、图8所示，腿作轮式运动时，大轮、小轮都分别与地面相切，可以有紧凑和伸展两种状态。此时第一轴14输入的转矩通过第一离合器5传给第一大轮毂15驱动第一大轮转动；电机7输出转矩通过锥齿轮11、12转向后传到第三轴21，再由第二离合器26传给第二大轮毂24驱动第二大轮转动；小轮随动。在小轮收拢状态时结构紧凑，适合平坦道路的快速移动；打开小轮，先由离合器选择驱动短连杆13使小轮打开并与地面相切，再选择驱动第二大轮，此时可以扩大机器人底盘面积，有利于机器人结构稳定性，适用于崎岖复杂路面移动时保证机器人不倾倒。

如图9所示，腿同时作为轮式和关节式运动，第一大轮与地面相切，可以有支撑轮式、攀越式、溜冰式三种运动状态。支撑轮式运动时，第一轴14输入的转矩通过第一离合器5传给第一大轮毂15驱动第一大轮转动，电机7输出转矩通过锥齿轮11、12转向后传到第三轴21，再由第二离合器26选择驱动短连杆13，使第二大轮抬离地面，被动小轮与地面相切，在路面阻力小或移动速度要求不高的情况下，既有利于节能，又能保证机器人的平衡。当翻越楼梯或障碍时，第一轴14输入的转矩通过第一离合器5传给长连杆1使大腿与机器人本体保持一定角度，电机7输出转矩通过锥齿轮11、12转向后传到第三轴21，再由第二离合器26选择驱动短连杆13做绕轴旋转运动，电磁抱闸33通电使小轮止转，通过小轮与地面的摩擦使机器人本体向前上方产生间歇移动。在溜冰式状态下，第一轴14无动力输入，第一大轮作为被动轮，电机7输出转矩通过锥齿轮11、12转向后传到第三轴21，再由第二离合器26选择驱动短连杆13做前后摆动，在前摆时小轮与地面相切并做相对滚动，在后摆时电磁抱闸33通电使小轮止转，在小轮与地面摩擦力作用下推动第一大轮向前滚动，在冰面或非常光滑的地面上，有利于节能和机器人的快速移动。

如图10所示，当机器人具有多条轮腿模块时，在相互配合下可以把大腿支起，此时腿也同时作为轮式和关节式运动，可以有摆大腿和不摆大腿两种方式。此时第一轴14输入的转矩通过第一离合器5传给长连杆1作摆腿运动或与机器人本体成固定角度，电机7输出转矩通过锥齿轮11、12转向后传到第三轴21，再由第二离合器26传给第二大轮毂24驱动第二大轮转动，被动小轮与地面相切，在涉水、泥泞、沙地或雪地中行走时，既有利于提高机器人本体，又能保证机器人的平衡。

如图11、图12所示，同样在多条腿相互配合下可以把大腿支起，腿模块完全当作关节式腿运动。此时第一轴14输入的转矩通过第一离合器5传给长连杆1作摆大腿运动，电机7输出转矩通过锥齿轮11、12转向后传到第三轴21，再由第二离合器26选择驱动短连杆13做摆小腿运动，电磁抱闸33通电使小轮止转作为足，在特点步态规划与控制下做间歇爬行运动或跑动。

Claims (2)

1.一种足轮两用机器人腿，其特征在于：该机器人腿第一离合器(5)与第一轴(14)、第二轴(19)连接，第一轴承(16)内圈与第一轴(14)连接、第一轴承(16)外圈与第一大轮毂(15)连接，第二轴承(17)内圈、第三轴承(18)内圈与第二轴(19)连接、第三轴承(18)外圈与长连杆，(1)的一端连接，同时第一离合器(5)的第一从动片(35)与第一大轮毂(15)连接、第二从动片(37)与长连杆(1)连接，第二轴承安装孔(38)安装第二轴承(17)，第一连接螺纹孔(39)用于第一从动片与第一大轮毂固定螺钉，并用于第二从动片(37)与长连杆(1)固定螺钉；

电机驱动器(6)、电机(7)及减速器(8)通过电机安装座(9)固定在长连杆(1)内部，电机安装座(9)通过联轴节(10)连一对锥齿轮，使输出转向；第四轴承(20)内圈和第五轴承(22)内圈均与第三轴(21)连接、第四轴承(20)外圈、第五轴承(22)外圈与长连杆(1)的另一端连接；

电池(29)安置在短连杆(13)内，实现轮腿模块的独立供电，第二离合器(26)与第三轴(21)、第四轴(28)连接，第六轴承(23)内圈与第三轴(21)连接、外圈与第二大轮毂(24)连接，第七轴承(27)内圈与第四轴(28)连接、第七轴承(27)外圈与短连杆(13)连接，同时第二离合器第一从动片(40)与第二大轮毂(24)连接、第二离合器第二从动片(42)与短连杆(13)一端连接，第七轴承安装孔(43)安装第七轴承(27)，第二连接螺纹孔(44)用于第二离合器第一从动片(40)与第二大轮毂(24)固定螺钉，并用于第二离合器第二从动片(42)与短连杆(13)固定螺钉；

在短连杆(13)另一端通过第八轴承(30)与第五轴(31)连接，第五轴(31)通过第九轴承(32)串联小轮毂(25)，并由电磁抱闸(33)控制小轮毂(25)随转或止转；

其中第一大轮毂(15)上安装有第一大轮胎(4)，第二大轮毂(24)上安装有第二大轮胎(2)，小轮毂(25)上安装有小轮胎(3)。

2.根据权利要求1所述的一种足轮两用机器人腿，其特征在于：所述短连杆(13)的长度是长连杆(1)的长度的一半，第一大轮胎(4)和第二大轮胎(2)的半径相等，两个大轮胎和小轮胎(3)的中心界面在一个平面内，且转动轴相平行。

Images