CN101428655A - 用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置 - Google Patents

Abstract

用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置，它涉及一种脚用轮式移动装置。本发明解决了现有的仿人机器人、多足步行机等腿式移动机器人在平整路面上不易实现稳定快速移动、不易控制、在步行移动时耗能较大的问题。脚用轮式移动装置由移动方式转换机构和轮式移动机构组成，升降板与螺母固接成一体，所述升降板套装在导向立柱上，转动螺杆与导向立柱平行设置，螺母套装在转动螺杆上，转动螺杆的一端安装在外沿上，转动螺杆的另一端安装在支撑件上，驱动轮安装在支撑轴的另一端上。本发明的应用可使仿人机器人、多足步行机实现在步行方式与轮式移动方式之间进行切换，进而实现仿人机器人、多足步行机在平整路面上稳定快速移动，而且易于控制。

Description

用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置

技术领域

本发明涉及一种脚用轮式移动装置，具体涉及一种用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置。

背景技术

当今包括仿人机器人在内的腿式移动机器人研究技术中，诸如日本本田公司的ASIMO、日本通产省工业技术研究院的HRP2等机器人能够以最快6km/h的速度在平整地面稳定步行、爬楼梯，但在环境适应能力上仍然局限性很大。腿式移动机器人中，双足步行机和多足步行机(多足是指三足或三足以上)行走时，步行机的诸多关节需要至少十台电机驱动才能步行移动，因此步行机的本体在步行移动时耗能较大，尤其对于全自立型移动机器人，本体上搭载的直流电池等能量供给有限，可用时间短，为此，必须考虑在实现同样的移动条件下如何减小能量消耗。

腿式移动机器人在不平整路面上步行移动时较轮式移动机器人在越障能力方面具有优越性。但在平整路面上，轮式移动较步行移动在速度方面具有易于提高的优势，轮式移动机器人的移动稳定性也较双足步行机器人(腿式移动机器人)好。因此，必须考虑如何弥补腿式移动机器人在平整路面上移动速度不如轮式移动机器人易于提高和稳定的问题。另处，腿式移动机器人关节多，驱动元件多，需要至少十台电机驱动各关节协调运动才能获得稳定步行移动，因此，实现快速稳定步行移动的控制较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置；以解决现有的仿人机器人、多足步行机等腿式移动机器人在平整路面上不易实现稳定快速移动、不易控制、在步行移动时耗能较大的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置由移动方式转换机构和轮式移动机构和计算机控制系统组成，所述移动方式转换机构由导向立柱、升降板、支撑件、第一驱动电机、第一带轮、第一同步带、第二带轮、转动螺杆和螺母组成；所述轮式移动机构由第二电机、第三带轮、第二同步带、第四带轮、支撑轴和驱动轮组成；所述支撑件水平固设在脚外侧的上部，且所述支撑件位于脚外侧端面底部上设有的外沿的上方并与脚固接，升降板与螺母固接成一体，所述升降板套装在导向立柱上，导向立柱的一端安装在外沿上，导向立柱的另一端安装在支撑件上，转动螺杆与导向立柱平行设置，所述螺母套装在转动螺杆上，转动螺杆的一端安装在外沿上，转动螺杆的另一端安装在支撑件上，第一带轮安装在第一驱动电机的输出轴上，第一带轮通过第一同步带与第二带轮连接，第二带轮安装在转动螺杆穿出支撑件的端部上；第三带轮安装在第二电机的输出轴上，第三带轮通过第二同步带与第四带轮连接，第四带轮安装在支撑轴的一端上，驱动轮安装在支撑轴的另一端上，支撑轴穿出第四带轮的端部，支撑轴两端通过滚动轴承安装在升降板上，计算机控制系统用来控制移动方式转换机构和轮式移动机构。

本发明的有益效果是：本发明的应用可使仿人机器人(双足)、多足步行机实现在步行方式与轮式移动方式之间进行切换，进而实现仿人机器人、多足步行机在平整路面上稳定快速移动，而且易于控制。本发明采用少数的几个电机就可以驱动整个仿人机器人或多足步行机的轮式移动，其中步行方式转换机构用驱动电机为间歇式工作，因此轮式移动驱动最少仅用2台电机连续工作，由于电机数量较少，使耗能大大减小，使仿人机器人或多足步行机本体上携带的直流电池可用时间较长，而且相对于腿式移动来说在控制上要简单的多。本发明是给目前研究的仿人机器人及多足步行机赋予一种轮式移动机能，本发明具有结构紧凑、不影响仿人机器人及多足步行机原有的步行移动功能，本发明的应用实现了通过计算机控制系统根据环境需要使机器人在步行移动方式与轮式移动方式间进行转换的功能。本发明可以提高目前仿人机器人及多足步行机在平整路面上移动的快速性、稳定性以及节能特性。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构原理图(驱动轮着地脚抬起)，图2是本发明所述装置的结构原理图(驱动轮抬起脚着地)，图3是具体实施方式二的结构示意图，图4是具体实施方式三的结构示意图，图5是具体实施方式四的结构示意图，图6是图5在手指伸开状态下的仰视图，图7是将本发明安装在右脚的结构示意图，图8是将本发明安装在左脚的结构示意图，图9是应用本发明的仿人机器人的结构示意图(带有控制系统)，图10是本发明的控制系统构成的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～2所示，本实施方式所述的用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置由移动方式转换机构和轮式移动机构组成，所述移动方式转换机构由导向立柱7、升降板6、支撑件5、第一驱动电机2、第一带轮13、第一同步带3、第二带轮14、转动螺杆4和螺母12组成；所述轮式移动机构由第二电机8、第三带轮15、第二同步带9、第四带轮16、支撑轴10和驱动轮11组成；所述支撑件5水平固设在脚1外侧的上部，且所述支撑件5位于脚1外侧端面底部上设有的外沿1-1的上方并与脚1固接，升降板6与螺母12固接成一体，所述升降板6套装在导向立柱7上，导向立柱7的一端安装在外沿1-1上，导向立柱7的另一端安装在支撑件5上，转动螺杆4与导向立柱7平行设置，所述螺母12套装在转动螺杆4上，转动螺杆4的一端安装在外沿1-1上，转动螺杆4的另一端安装在支撑件5上，第一带轮13安装在第一驱动电机2的输出轴上，第一带轮13通过第一同步带3与第二带轮14连接，第二带轮14安装在转动螺杆4穿出支撑件5的端部上；第三带轮15安装在第二电机8的输出轴上，第三带轮15通过第二同步带9与第四带轮16连接，第四带轮16安装在支撑轴10的一端上，驱动轮11安装在支撑轴10的另一端上，支撑轴10穿出第四带轮16的端部，支撑轴10两端通过滚动轴承安装在升降板6上。所述脚1是指机器人的左脚或右脚。

具体实施方式二：如图1～3所示，本实施方式所述脚用轮式移动装置还包括一个辅助支撑轮17，所述辅助支撑轮17安装在所述脚1外侧端面上，且所述辅助支撑轮17位于驱动轮11的前方。设置辅助支撑轮17可增强仿人机器人、多足步行机在以轮式移动方式行走时稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1、图2和图4所示，本实施方式所述脚用轮式移动装置还包括两个辅助支撑轮17，其中一个辅助支撑轮17安装在所述脚1外侧端面上，且所述辅助支撑轮17位于驱动轮11的前方，另一个辅助支撑轮17安装在与所述脚1同侧的手18的外侧端面上。本实施方式所述脚用轮式移动装置的应用实现了仿人机器人的两手着地，左右脚和左右手分别靠驱动轮和辅助支撑轮的滚动移动，也可将所述的脚用轮式移动装置同时用于左右脚和左右手实现了四轮驱动，使仿人机器人在以轮式移动方式行走时稳定性更好。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1、图2、图5和图6所示，本实施方式所述脚用轮式移动装置还包括两列支撑轮19，每列支撑轮19的数量为二至五个，所述两列支撑轮19平行安装在与所述脚1同侧的手18的手背上。机器人的手臂31和手18之间的腕关节32将呈握起状态的手18的手背朝下放下，手背33朝向地面部设有两列支撑轮19，所有的支撑轮均无电机驱动只起支撑和滚动作用，只需通过带有轴承的支撑轴34将支撑轮放在手背34的凹槽中即可实现。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施例：

实施例一：如图1～10所示，将本发明对称地设计在机器人30的左右脚的外侧，并同时设有控制系统20。机器人的两个小腿36(左小腿和右小腿)的下方分别安装有力-力矩传感器，在每个踝关节接口35和对应的每个脚1之间可设置有力-力矩传感器。移动方式转换机构43和轮式移动机构44上可设有外壳体37。当控制指令为步行时，移动方式转换机构43将驱动轮11抬起，脚着地后机器人30步行；控制指令为轮式移动时，轮式移动机构44将脚抬起，驱动轮11着地后转动带动整个机器人30移动。控制系统20由计算机20-1、用来组网的串行通信总线转换器20-2、带有微控制器及电流传感器和组网总线的第一伺服电机驱动控制器20-3、带有微控制器及电流传感器和组网总线的第二伺服电机驱动控制器20-4、带有微控制器及电流传感器和组网总线的第三伺服电机驱动控制器20-5、带有微控制器及电流传感器和组网总线的第四伺服电机驱动控制器20-6、直流电源20-11和控制软件组成。由计算机20-1通过串行总线分别连接带有微控制器及电流传感器和组网总线的第二伺服电机驱动控制器20-4、带有微控制器及电流传感器和组网总线的第三伺服电机驱动控制器20-5、带有微控制器及电流传感器和组网总线的第四伺服电机驱动控制器20-6，带有微控制器及电流传感器和组网总线的第一伺服电机驱动控制器20-3和带有微控制器及电流传感器和组网总线的第三伺服电机驱动控制器20-5分别控制两个第一驱动电机2，带有微控制器及电流传感器和组网总线的第二伺服电机驱动控制器20-4和带有微控制器及电流传感器和组网总线的第四伺服电机驱动控制器20-6分别控制两个第二电机8，实现左右脚上的移动方式转换机构43和轮式移动机构44的运动控制。所用电机均带有位置传感器用来实现位置、速度控制，控制软件有下载软件控制方式和在线控制两种方式。

实施例二：将具体实施方式二所述的脚用轮式移动装置对称地安装在左右脚的外侧，且不影响脚部踝关节的运动范围；在机器人采用脚式步行方式移动期间，如果机器人稳定性不好或失稳，通过控制移动方式转换机构43可使驱动轮和辅助支撑轮同机器人的脚一起着地，这样可提高机器人步行时的稳定性。

实施例三：将具体实施方式一或二所述的脚用轮式移动装置对称地安装在左右脚的外侧，可实现仿人机器人双脚着地，双手不着地的轮式移动。

实施例四：将具体实施方式三或四所述的脚用轮式移动装置对称地安装在左右脚的外侧以及左右手的外侧，可实现仿人机器人双手着地与双脚一起呈四足着地(手作前脚使用)以实现机器人的轮式移动。

实施例五：将具体实施方式一所述的脚用轮式移动装置安装在四足步行机的四只脚上，实现四轮驱动的轮式移动方式；应用于三、四足以上的多足步行机时的情况与四足步行机的情况类似，依次类推。

Claims (4)

1、一种用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置，所述脚用轮式移动装置由移动方式转换机构和轮式移动机构组成，其特征在于：所述移动方式转换机构由导向立柱(7)、升降板(6)、支撑件(5)、第一驱动电机(2)、第一带轮(13)、第一同步带(3)、第二带轮(14)、转动螺杆(4)和螺母(12)组成；所述轮式移动机构由第二电机(8)、第三带轮(15)、第二同步带(9)、第四带轮(16)、支撑轴(10)和驱动轮(11)组成；所述支撑件(5)水平固设在脚(1)外侧的上部，且所述支撑件(5)位于脚1外侧端面底部上设有的外沿(1-1)的上方并与脚(1)固接，升降板(6)与螺母(12)固接成一体，所述升降板(6)套装在导向立柱(7)上，导向立柱(7)的一端安装在外沿(1-1)上，导向立柱(7)的另一端安装在支撑件(5)上，转动螺杆(4)与导向立柱(7)平行设置，所述螺母(12)套装在转动螺杆(4)上，转动螺杆(4)的一端安装在外沿(1-1)上，转动螺杆(4)的另一端安装在支撑件(5)上，第一带轮(13)安装在第一驱动电机(2)的输出轴上，第一带轮(13)通过第一同步带(3)与第二带轮(14)连接，第二带轮(14)安装在转动螺杆(4)穿出支撑件(5)的端部上；第三带轮(15)安装在第二电机(8)的输出轴上，第三带轮(15)通过第二同步带(9)与第四带轮(16)连接，第四带轮(16)安装在支撑轴(10)的一端上，驱动轮(11)安装在支撑轴(10)的另一端上，支撑轴(10)穿出第四带轮(16)的端部，支撑轴(10)两端通过滚动轴承安装在升降板(6)上。

2、根据权利要求1所述的用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置，其特征在于：所述脚用轮式移动装置还包括一个辅助支撑轮(17)，所述辅助支撑轮(17)安装在所述脚(1)外侧端面上，且所述辅助支撑轮(17)位于驱动轮(11)的前方。

3、根据权利要求1所述的用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置，其特征在于：所述脚用轮式移动装置还包括两个辅助支撑轮(17)，其中一个辅助支撑轮(17)安装在所述脚(1)外侧端面上，且所述辅助支撑轮(17)位于驱动轮(11)的前方，另一个辅助支撑轮(17)安装在与所述脚(1)同侧的手(18)的外侧端面上。

4、根据权利要求1或2所述的用于仿人机器人、多足步行机上的脚用轮式移动装置，其特征在于：所述脚用轮式移动装置还包括两列支撑轮(19)，每列支撑轮(19)的数量为二至五个，所述两列支撑轮(19)平行安装在与所述脚(1)同侧的手(18)的手背上。

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