CN101475032B - 扶杖行走机器人 - Google Patents

Abstract

一种扶杖行走机器人，包括本体与扶杖。本体包括头部、肩膀、躯干、手部、大腿、小腿、与脚板。头部与肩膀共轴并套设在肩膀上，且可左右转动。肩膀下依次连接躯干、大腿、小腿及脚板。手部通过U形块固定于躯干上；扶杖连接于手部。扶杖的底部装设万向轮。上述机器人可以利用扶杖支撑机器人行走时的部分重量，避免全部重量集中到机器人的双腿上引起其对地面冲击过大而易发生失去平衡的问题。

Description

扶杖行走机器人

【技术领域】

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种行走机器人。

【背景技术】

行走机器人具有人类的外观，可以适应人类的生活和工作环境，代替人类完成各种作业，并可以在一些人类难以企及的地点扩展人类的能力，在服务、工业、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。现有的行走机器人主要有两类：第一类是机器人外形酷似人形，如一些旅游景点的载客机器人，它们用于搭乘游客观光；第二类机器人则有着人一样的关节，多采用舵机执行每个关节动作，并配有相应的硬件进行控制，如串并联机器人和多自由度机器人等。

具有双腿的行走机器人连续行走必须具备的重要条件包括控制重心、机器人重量的平衡，和合理调节两足的角度。当机器人的脚和地面接触时会产生冲击，这种冲击可能会破坏机器人的动平衡，使机器人的行走变得不稳定。另外，行走的地面上可能存在障碍物，真实环境中的地面也不会像理想平面一般平坦，这些均会导致行走机器人容易失去平衡摔倒，给行走机器人的直立行走带来困难。

【发明内容】

有鉴于此，有必要针对行走机器易失去平衡的情况，提供一种可以稳定行走的机器人。

一种扶杖行走机器人，包括本体。所述本体包括头部、肩膀、躯干、手部、大腿、小腿、与脚板。所述头部与所述肩膀共轴，所述头部套设在所述肩膀上，并可左右转动。所述肩膀下依次连接所述躯干、所述大腿、所述小腿及所述脚板。所述手部通过U形块固定于所述躯干上。所述机器人还包括连接于所述手部的扶杖，所述扶杖的底部装设万向轮。

上述机器人可以利用扶杖支撑机器人行走时的部分重量，避免全部重量集中到机器人的双腿上引起其对地面冲击过大而易发生失去平衡的问题。

在优选的实施例中，所述扶杖的高度略高于所述本体直立时所述脚板底部到手掌的垂直高度，使得扶杖始终可以支撑机器人行走时的部分重量。

在优选的实施例中，所述躯干内装设有圆板、嵌块、舵机，所述肩膀同所述圆板连成一体；所述嵌块底面固定在所述舵机的轴上，并嵌入所述圆板中；所述肩膀内壁两侧设有凸条，所述凸条嵌入所述躯干表面的凹槽之中；所述舵机固定在所述躯干中，所述躯干通过所述嵌块带动所述肩膀转动。

在优选的实施例中，所述躯干包括前盖与后盖；所述前盖内固定有直流电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮及齿轮组；所述第一齿轮设于所述直流电机的轴上，并与所述第二齿轮、所述第三齿轮及所述齿轮组相继耦合。

利用所述齿轮及所述齿轮组进行变速，以带动所述机器人实现行走。

在优选的实施例中，所述齿轮组包括第一组齿轮、第二组齿轮以及固定件；所述第二组齿轮两侧各设一凸块，用于与所述大腿铰接。

在优选的实施例中，所述后盖内侧有第一支柱、第二支柱、第三支柱，分别用于固定所述齿轮组、所述第三齿轮及所述直流电机的轴；所述U形块设置于所述前盖内侧以固定所述机器人的手部。

在优选的实施例中，所述小腿顶部设有凸台，所述大腿与所述凸台连接有弹簧；所述大腿与所述小腿通过第一铰链连接；所述小腿和所述脚板通过第二铰链连接。

在优选的实施例中，所述后盖底部设有限位平面，所述机器人进一步包括腿筋；所述腿筋的上端与所述限位平面接触，所述腿筋的下端与所述凸台接触；用于限制所述腿筋的移动位置。

所述腿筋可以使得所述机器人实现类似人类行走时的腿部弯曲，减少冲击。

在优选的实施例中，所述大腿通过所述凸块与所述第二组齿轮连接，所述第二组齿轮的旋转带动所述大腿做上下运动；所述前盖与所述后盖合上后形成第一槽与第二槽，所述第一槽长度约2倍于所述大腿的宽度，所述第二槽的长度略大于所述大腿的宽度。

所述第一槽、所述第二槽可以限制所述大腿的运动角度，避免跨度过大而失去平衡。

在优选的实施例中，所述机器人还包括直流电机、齿轮、主皮带轮、次皮带轮、小腿钢丝与脚板钢丝。所述直流电机通过所述齿轮、所述主皮带轮带动所述次皮带轮转动。所述小腿钢丝、所述脚板钢丝一端与所述次皮带轮相连接，另一端分别与所述小腿、所述脚板连接。

【附图说明】

图1为本发明较佳实施方式的机器人部分剖视结构示意图。

图2为图1所示的机器人的肩部与躯干结构示意图。

图3为图2所示的圆板、嵌条及舵机的分解示意图。

图4为图1所示的机器人的躯干的分解结构示意图。

图5为图4所示的机器人躯干的前盖的结构示意图。

图6为图4所示的机器人躯干的后盖的结构示意图。

图7为图6所示的机器人躯干的后盖从另一角度的视图。

图8为图1所示的机器人的腿部结构示意图。

图9为图8所示的机器人的腿部与躯干配合示意图。

图10为图1所示的机器人的行走轨迹示意图。

图11为本发明另一较佳实施方式的机器人的腿部结构示意图。

【具体实施方式】

根据机器人易失去平衡的问题，提供一种具有扶杖的可以扶杖行走机器人，其包括本体与扶杖，本体包括头部、肩膀、躯干、大腿、小腿、与脚板；头部与肩膀共轴且套设在肩膀上，并可左右转动；扶杖的底部装设万向轮与配重块，扶杖的高度略高于本体直立时脚板底部到手掌的垂直高度。

如图1所示，行走机器人的一种较佳实施方式包括一机器人本体和一扶杖。机器人本体主要包括机器人头部1、肩膀2、躯干3、大腿4、小腿6、腿筋5、脚板7。扶杖的底部装设有万向轮11与一配重块10，万向轮11使得行走机器人可以向任何方向移动，配重块10用于将扶杖的重心降低，增加行走机器人的稳定性。在优选的实施方式中，扶杖的高度略高于机器人本体直立时脚底到手掌的垂直高度，使得扶杖始终可以支撑机器人行走时的部分重量(避免仅仅在行走机器人倾倒时才起支撑作用)。

结合图2、图3所示，躯干3内装设有圆板12、嵌块13、舵机14、凸条15等。肩膀2固定在圆板12上并一体联动。嵌块13为长条型，底面固定在舵机14的轴上，同时嵌入圆板12之中。舵机14固定在躯干3之中，躯干3通过嵌块13带动肩膀2实现30度范围内的转动，实现类似人的转向的功能。肩膀2内壁两侧有凸条15，凸条15嵌入躯干表面的凹槽之中。肩膀2在舵机14和凸条15的共同作用下，能实现小角度的左右转向。

结合图4、图5所示，躯干3由前盖3A和后盖3B组成。前盖3A和后盖3B通过设在前盖3A和后盖3B内表面的螺纹支柱23组装成躯干3。前盖3A内表面还设有嵌槽(图未示)，直流电机16固定在前盖3A的嵌槽中。直流电机16通过装设在其转轴上的第一齿轮17，以及相继耦合的第二齿轮18、第三齿轮19和齿轮组20完成减速过程。

齿轮组20由第一组齿轮20A、第二组齿轮20B以及固定件20C构成；第二组齿轮20B两侧均有有凸块21，用于与大腿部分铰接。设在前盖3A内侧的U形块22用于固定机器人的手部，使得手部不能转动。后盖3B的底部有狭小的限位平面25，用于限制腿筋5的移动位置。

如图6、图7所示，后盖3B内侧设有第一支柱26、第二支柱27、第三支柱28，分别用于固定齿轮组20、第三齿轮19、及直流电机16的轴。

结合图8所示，腿部包括有大腿4、腿筋5、小腿6、脚板7。前盖3A和后盖3B合上后形成槽34、35，用于分别提供大腿4、腿筋5伸出。小腿6顶部有凸台33，在大腿4和凸台33连接有弹簧29。大腿4和小腿6通过铰链31连接，小腿6和脚板7通过铰链32连接。脚筋5和大腿4上的通孔30形成移动副，脚筋5的上端与后盖3B底部的限位平面25接触，脚筋5的下端与小腿的凸台33接触。

结合图9所示，大腿4通过凸块21与第二组齿轮20B连接，第二组齿轮20B的旋转带动大腿4做上下运动。前盖3A和后盖3B合上后形成的第一槽35长度略大于大腿4的宽度，第二槽34长度约为二倍于大腿4的宽度。槽35作为大腿4摆动的一个支点，可以限制大腿4的摆幅，半圆柱24可以防止腿脱落。

机器人的两只腿具有相同的结构，分别在第二组齿轮20B的左右两侧，都和通过凸块21和第二组齿轮20B相连，但是第二组齿轮20B两边的凸块21相位角呈180度，因此机器人的两腿的相位角也呈180度。

本实施方式中，利用电池通过电路板控制直流电机16的运转和舵机14的转动，完成机器人的行进和转向功能。直流电机16通过第一齿轮17、第二齿轮18、第三齿轮19和第一组齿轮20A、第二组齿轮20B的减速驱动大腿4上下往复运动，带动机器人腿部结构以类似人类行走的姿态前行。由于机器人重量的大部分被扶杖抵消，所以机器人腿部承受的冲击较小，直流电机16传递到脚板7的能量大部分用于和地面摩擦，从而推动机器人前行。

以下结合图10说明该实施方式中机器人的腿部行进原理。为方便起见，仅以一条腿进行一个周期的行进过程为例进行，并对部分尺寸进行了放大。槽35实际上相当于一个支点，当凸块21位于水平靠右位置时，机器人的大腿4处于向前抬高的状态。由于腿筋5的长度是固定不变的，所以此时腿筋5推动小腿6使得其弯曲。当凸块21位于一周期的最底部，大腿4和小腿6都处于伸直状态，此时，脚板7磨擦地面使得机器人前行。类似地，随后机器人腿部完成后抬起并落下的过程。由于机器人的两腿的相位差是180度，所以两腿轮流着地，实现双腿行进。

在躯干的背部、躯干后盖的内表面，还安装有电池、开关、小电路板等器件，这些器件可以采用挖槽固定、粘贴固定等方式，具体安装方式可以依据实际应用情况确定。

所述机械结构中，除齿轮采用铸铁材料外，其余均由ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)加工制造，这样在满足装置扭矩的需要的同时，又节约了成本。然而，当此机器人的尺寸很大时，即要求机器人本体材料的选择要满足材料轻、易磨损的特点，否则，机器人可能出现动力不足、无法行进等情况。

在该实施方式中，电源可采用可充电的锂电池，充电电路可采用脉冲充电技术，故对其具体电路不作赘述。

如图11所示，本发明第二较佳实施方式的机器人包括扶杖、直流电机36、齿轮37、主皮带轮38、次皮带轮39及腿部，扶杖连接于手部。该实施方式中，机器人的腿部包括大腿42、小腿43、小腿钢丝40、脚板钢丝44、脚板45、铰链46、47、48以及减速机构和皮带轮。直流电机36通过齿轮37减速后，通过主皮带轮38带动次皮带轮39旋转。大腿42和次皮带轮39通过凸台(图未标号)连接，小腿钢丝40、脚板钢丝44的一端和次皮带轮39相连接，另一端分别与小腿43、脚板45连接。由于小腿钢丝40、脚板钢丝44的长度都是固定的，次皮带轮39的运动会带动小腿钢丝40、脚板钢丝44拉紧和松开，使得小腿43和脚板45能实现同样的功能。大腿42、小腿43以及脚板45的姿势可以通过调整其与次皮带轮39的连接位置来实现，还可以在足底设一螺栓调整机构实现钢丝的长度的调整。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种扶杖行走机器人，包括本体，所述本体包括头部、肩膀、躯干、手部、大腿、小腿、与脚板；所述头部与所述肩膀共轴，所述头部套设在所述肩膀上，并可左右转动，所述肩膀下依次连接所述躯干、所述大腿、所述小腿及所述脚板，所述手部通过U形块固定于所述躯干上；其特征在于：所述机器人还包括连接于所述手部的扶杖，所述扶杖的底部装设万向轮。

2.根据权利要求1所述的扶杖行走机器人，其特征是所述扶杖的高度略高于所述本体直立时所述脚板底部到所述手部的垂直高度。

3.根据权利要求1所述的扶杖行走机器人，其特征是所述躯干内装设有圆板、嵌块、舵机，所述肩膀同所述圆板连成一体；所述嵌块底面固定在所述舵机的轴上，并嵌入所述圆板中；所述肩膀内壁两侧设有凸条，所述凸条嵌入所述躯干表面的凹槽之中；所述舵机固定在所述躯干中，所述躯干通过所述嵌块带动所述肩膀转动。

4.根据权利要求1所述的扶杖行走机器人，其特征是所述躯干包括前盖与后盖；所述前盖内固定有直流电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮及齿轮组；所述第一齿轮设于所述直流电机的轴上，并与所述第二齿轮、所述第三齿轮及所述齿轮组相继耦合。

5.根据权利要求4所述的扶杖行走机器人，其特征是所述齿轮组包括第一组齿轮、第二组齿轮以及固定件；所述第二组齿轮两侧各设一凸块，用于与所述大腿铰接。

6.根据权利要求4所述的扶杖行走机器人，其特征是所述后盖内侧有第一支柱、第二支柱、第三支柱，分别用于固定所述齿轮组、所述第三齿轮及所述直流电机的轴；所述U形块设置于所述前盖内侧以固定所述机器人的手部。

7.根据权利要求5所述的扶杖行走机器人，其特征是所述小腿顶部设有凸台，所述大腿与所述凸台连接有弹簧；所述大腿与所述小腿通过第一铰链连接；所述小腿和所述脚板通过第二铰链连接。

8.根据权利要求7所述的扶杖行走机器人，其特征是所述后盖底部设有限位平面，所述机器人进一步包括腿筋；所述腿筋的上端与所述限位平面接触，所述腿筋的下端与所述凸台接触；用于限制所述腿筋的移动位置。

9.根据权利要求7所述的扶杖行走机器人，其特征是所述大腿通过所述凸块与所述第二组齿轮连接，所述第二组齿轮的旋转带动所述大腿做上下运动；所述前盖与所述后盖合上后形成第一槽与第二槽，所述第一槽长度约2倍于所述大腿的宽度，所述第二槽的长度略大于所述大腿的宽度。

10.根据权利要求1所述的扶杖行走机器人，其特征是所述机器人还包括直流电机、齿轮、主皮带轮、次皮带轮、小腿钢丝与脚板钢丝；所述直流电机通过所述齿轮、所述主皮带轮带动所述次皮带轮转动；所述小腿钢丝、所述脚板钢丝一端与所述次皮带轮相连接，另一端分别与所述小腿、所述脚板连接。

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