CN101992813A - 二足步行机器人的行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二足步行机器人的行走机构，它包括前腿、后腿、前脚、后脚、一个可双向旋转的驱动电机、凸轮、前单向转轮及后单向转轮。驱动电机安装在机器人的臀部上且位于前腿和后腿之间；凸轮安装在驱动电机的输出轴上且可轮流地驱动前单向转轮和后单向转轮。前单向转轮安装在前腿上，后单向转轮安装在后腿上，前腿和后腿的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部的前后端上，前腿和后腿的上端均安装有锁定机构；前脚和后脚上均安装有压力传感器，每个压力传感器均与机器人内部的控制器电连接，控制器均与每个锁定机构电连接。该二足步行机器人的行走机构结构简单、能减轻机器人重量、而且还能减少能耗。

Description

二足步行机器人的行走机构

技术领域

本发明涉及一种机器人的行走机构，更确切地说涉及一种欠驱动二足步行机器人的行走机构。

背景技术

在含有非驱动(不受动力带动)关节的机器人中，由驱动关节通过耦合关系带动非驱动关节完成所需动作，由于存在非驱动关节，这样的运动系统被称为欠驱动系统，即独立控制变量(驱动单元)少于系统的自由度(关节数)。

现有技术的两足机器人的行走机构结构比较复杂，基本上会使用两个以上的驱动电机，这就使得机器人整体重量较重，而且现有技术的机器人的行走机构行走控制方法较复杂，行走时主要靠电机驱动抬腿，电机使用的数量越多，行走时能耗也就越大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种结构简单、能减轻机器人重量、而且还能减少能耗的二足步行机器人的行走机构。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的二足步行机器人的行走机构，它包括前腿、后腿、前脚、后脚及可双向旋转的驱动电机，所述的驱动电机为一个；它还包括凸轮、前单向转轮及后单向转轮；所述的驱动电机安装在机器人的臀部上且位于所述的前腿和后腿之间；所述的凸轮安装在驱动电机的输出轴上；所述的前单向转轮安装在所述的前腿上，该前单向转轮的外圆周与驱动电机输出轴轴心的垂线的最小距离大于凸轮的最小半径且小于凸轮的最大半径，所述的后单向转轮安装在所述的后腿上，该后单向转轮的外圆周与驱动电机输出轴的轴心的垂线的最小距离大于凸轮的最小半径且小于凸轮的最大半径；所述的前单向转轮的旋转方向和后单向转轮的旋转方向相反，所述的前腿和后腿的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部的前后端上，所述的前腿和后腿的上端均安装有锁定机构；所述的前脚和后脚上均安装有压力传感器，所述的每个压力传感器均与机器人内部的控制器电连接，所述的控制器均与所述的每个锁定机构电连接。

采用以上结构后，本发明二足步行机器人的行走机构与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明二足步行机器人的行走机构包括一个驱动电机，该驱动电机安装在机器人的臀部上且位于前腿和后腿之间，安装在前腿上的前单向转轮的外圆周与驱动电机输出轴的轴心的垂线的最小距离大于凸轮的最小半径且小于凸轮的最大半径，安装在后腿上的后单向转轮的外圆周与驱动电机输出轴的轴心的垂线的最小距离大于凸轮的最小半径且小于凸轮的最大半径，所述的前腿和后腿的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部的前后端上，所述的前脚和后脚上均安装有压力传感器，所述的压力传感器与机器人内部的控制器电连接，所述的控制器与所述的锁定机构电连接；假如一开始凸轮的突出部分向上，前单向转轮只能顺时针旋转，后单向转轮只能逆时针旋转，那么驱动电机逆时针方向旋转时，待凸轮突出部分接触前单向转轮时，就会推动前腿向前迈进一步，前腿向前迈进的时候，前脚上的压力传感器检测到的压力会小于后脚上的压力传感器检测到的压力，此时机器人内部的控制器会驱动锁定机构使其锁住机器人后腿，使后腿无法旋转，当凸轮旋转半周之后再逆时针旋转，凸轮的突出部分会与后单向转轮接触，由于后单向转轮只能逆时针旋转、后腿上端滑动连接在机器人的臀部上，这样，凸轮逆时针继续旋转，会推动后腿上的后单向转轮向上运动，使后腿向上运动，同时也就带动后腿向前行走一步，后腿向前迈进时前脚上的压力传感器检测到的压力会大于后脚上的压力传感器检测到的压力，此时机器人内部的控制器会驱动锁定机构使其锁住机器人的前腿，取消机器人后腿的锁定，待完成后腿向前行走一步的动作之后，机器人会自行调整使自身受力平衡，这样前脚上的压力传感器检测到的压力就等于后脚上的压力传感器检测到的压力，一个工作周期就此完成。当机器人后退时，动作原理与前进时的动作原理一样，只不过凸轮做顺时针转动。此种结构的二足步行机器人的行走机构结构简单，只使用一个驱动电机，可以减轻机器人的整体重量，在运动的过程中能耗也较少。

作为本发明的一种改进，所述的前腿与后腿呈等腰梯形状，所述的前腿和后腿所形成的夹角为30°。由于所述的前腿与后腿呈等腰梯形状，使机器人在平地上走路时非常稳定。

作为本发明的另一种改进，所述的前腿和后腿的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部的前后端上是指，所述的机器人的臀部的前后端分别设有用于安装前腿且向前向下开口的前凹槽和用于安装后腿且向后向下开口的后凹槽，所述的前、后凹槽的左右侧均设有竖直向的滑槽；所述的前、后凹槽的左右滑槽内均设有滑块，所述的前、后凹槽的左右滑槽内的滑块分别通过连接轴相连接，所述的前腿的上端铰接在位于前凹槽内的连接轴上，所述的后腿的上端铰接在位于后凹槽内的连接轴上；所述的前、后凹槽的滑槽内的滑块的上端与滑槽上壁之间分别设有弹簧Ⅰ。此种滑动连接方式结构简单，容易实现；由于所述的前、后凹槽的滑槽内的滑块的上端与滑槽上壁之间分别设有弹簧Ⅰ，使得前腿和后腿的上端与滑槽的上端之间保持一定的滑动距离。

作为本发明的还有一种改进，所述的前、后凹槽的滑槽内的滑块的下端与滑槽下壁之间分别设有呈压缩状态的弹簧Ⅱ。由于所述的前、后凹槽的滑槽内的滑块的下端与滑槽下壁之间分别设有呈压缩状态的弹簧Ⅱ，呈压缩状态的弹簧Ⅱ会对前腿和后腿产生支持力，这样就可以加大前腿和后腿对机器人上身的支持力。

作为本发明的还有一种改进，所述的锁定机构包括电控锁定装置及设置在所述的前腿和后腿铰接端上的卡槽，所述的电控锁定装置包括电磁阀及由电磁阀控制的锁定杆，所述的锁定杆的一端铰接在电磁阀设有电磁铁的一端上，所述的锁定杆的另一端设有锁定卡头，所述的锁定卡头可卡入所述的卡槽内。此种锁定机构结构简单，通过电磁阀和锁定杆来实现，在电磁阀通电的情况下，锁定卡头位于卡槽的上方，前腿或后腿可以自由旋转，在电磁阀断电的情况下，锁定卡头位于卡槽内，前腿或后腿无法旋转，达到锁定的目的。

附图说明

图1是本发明二足步行机器人的行走机构的主视结构示意图。

图2是本发明二足步行机器人的行走机构的右视结构示意图。

图3是本发明二足步行机器人的行走机构的前单向转轮的结构示意图。

图4是本发明二足步行机器人的行走机构的后单向转轮的结构示意图。

图5是本发明二足步行机器人的行走机构的脚部的结构示意图。

图6是本发明二足步行机器人的行走机构中的锁定机构未锁定时的部分结构示意图。

图7是本发明二足步行机器人的行走机构中的锁定机构锁定时的部分结构示意图。

图中所示：1、前腿，2、后腿，3、前脚，4、后脚，5、臀部，5.1、前凹槽，5.2、后凹槽，5.3、滑槽，5.4、滑块，6、驱动电机，6.1、输出轴，7、凸轮，7.1、突出部分，8、前单向转轮，9、后单向转轮，10、锁定机构，10.1、电控锁定装置，10.1.1、电磁阀，10.1.2、锁定杆，10.1.3、锁定卡头，10.2、卡槽，10.3、固定架，11、压力传感器，12、连接轴，13、弹簧Ⅰ，14、弹簧Ⅱ，15、连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请一并参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示。

本发明二足步行机器人的行走机构包括前腿1、后腿2、前脚3、后脚4、可双向旋转的驱动电机6、凸轮7、前单向转轮8及后单向转轮9。所述的前腿1和后腿2的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部5的前后端上。所述的驱动电机6为一个，所述的驱动电机6安装在机器人的臀部5上且位于所述的前腿1和后腿2之间。所述的凸轮7外圆周为齿状，所述的凸轮7安装在所述的驱动电机6的输出轴6.1上，本具体实施例中，初始位置时，所述的凸轮7的突出部分7.1向上。所述的前单向转轮8和后单向转轮9的外圆周均为齿状，所述的前单向转轮8和后单向转轮9的单向旋转原理跟单向轴承的单向旋转原理一样，所述的前单向转轮8的旋转方向和后单向转轮9的旋转方向相反，本具体实施例中，所述的前单向转轮8只能顺时针方向旋转，所述的后单向转轮9只能逆时针方向旋转；所述的前单向转轮8安装在所述的前腿1上且位于所述的凸轮7的前方，所述的前单向转轮8的外圆周与驱动电机6输出轴6.1轴心的垂线的最小距离大于凸轮7的最小半径且小于凸轮7的最大半径，即前单向转轮8的最后端的点到驱动电机6输出轴6.1轴心的垂线的最小距离大于凸轮7的最小半径且小于凸轮7的最大半径；所述的后单向转轮9安装在所述的后腿2上且位于所述的凸轮7的后方，所述的后单向转轮9的外圆周与驱动电机6输出轴6.1轴心的垂线的最小距离大于凸轮7的最小半径且小于凸轮7的最大半径，即后单向转轮9的最前端的点到驱动电机6输出轴6.1轴心的垂线的最小距离大于凸轮7的最小半径且小于凸轮7的最大半径。所述的前腿1和后腿2的上端分别安装有锁定机构10，所述的前脚3和后脚4上均安装有压力传感器11，所述的每个压力传感器11均与机器人内部的控制器(未示出)电连接，所述的控制器均与所述的每个锁定机构10电连接。

机器人站立在平地上时，所述的前腿1和后腿2呈等腰梯形状，所述的前腿1与后腿2所形成的夹角为30°。所述的前腿1和后腿2的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部5的前后端上是指，所述的机器人的臀部5的前后端分别设有用于安装前腿1且向前向下开口的前凹槽5.1和用于安装后腿2且向后向下开口的后凹槽5.2；所述的前、后凹槽的左右侧均设有竖直向的滑槽5.3；所述的前、后凹槽的左右滑槽5.3内均设有滑块5.4，所述的前、后凹槽的左右滑槽5.3内的滑块5.4分别通过连接轴12相连接，即所述的前凹槽5.1的左右滑槽5.3内的滑块5.4通过连接轴12相连接、所述的后凹槽5.2的左右滑槽5.3内的滑块5.4通过另一根连接轴12相连接；所述的前腿1的上端铰接在位于前凹槽5.1内的连接轴12上，所述的后腿2的上端铰接在位于后凹槽5.2内的连接轴12上；所述的前、后凹槽的滑槽5.3内的滑块5.4的上端与滑槽5.3上壁之间分别设有弹簧Ⅰ13，即所述的弹簧Ⅰ13的上端抵在滑槽5.3的上壁上、所述的弹簧Ⅰ13的下端抵在滑块5.4的上端。所述的前、后凹槽的滑槽5.3内的滑块5.4的下端与滑槽5.3下壁之间分别设有呈压缩状态的弹簧Ⅱ14，即所述的弹簧Ⅱ14的上端抵在所述的滑块5.4的下端上、所述的弹簧Ⅱ14的下端抵在所述的滑槽5.3的下壁上。

所述的锁定机构10包括电控锁定装置10.1、设置在所述的前腿1和后腿2铰接端上的卡槽10.2及固定架10.3；所述的电控锁定装置10.1包括电磁阀10.1.1、由电磁阀10.1.1控制的锁定杆10.1.2，所述的锁定杆10.1.2的一端铰接在电磁阀10.1.1设有电磁铁的一端上，所述的锁定杆10.1.2的另一端设有锁定卡头10.1.3；所述的固定架10.3固定在连接轴12上且位于前腿1或后腿2的上方，所述的电磁阀10.1.1安装在所述的固定架10.3上，当电磁阀10.1.1通电时，电磁阀10.1.1中的电磁铁会吸住锁定杆10.1.2的一端，此时，锁定杆10.1.2上的锁定卡头10.1.3位于卡槽10.2的上方，当电磁阀10.1.1断电时，电磁阀10.1.1中的电磁铁就会失去磁性，锁定杆10.1.2就会自由下落，此时，锁定杆10.1.2上的锁定卡头10.1.3会落入卡槽10.2内，起到锁定前腿1或后腿2的作用。本具体实施例中，所述的前腿1有两个，两个前腿通过连接杆15相连接，该两个前腿1同步行进，因此，可以将两个前腿1看成整体上为一个前腿；所述的后腿2也有两个，两个后腿2通过连接杆15相连接，该两个后腿2同步行进，因此，可以将两个后腿2看成整体上为一个后腿。

当机器人向前行走时，控制器中的单片机控制驱动电机6逆时针方向旋转，待凸轮7突出部分7.1接触前单向转轮8时，前单向转轮8会在凸轮7的带动下顺时针方向旋转并且向前迈进一步，前腿1向前迈进的时候，前脚3上的压力传感器检测到的压力会小于后脚4上的压力传感器检测到的压力，控制器接收到这个信号时会驱动后腿2上的锁定机构10使其锁住机器人的后腿2，使后腿2无法绕连接轴12旋转；当凸轮7旋转半周之后，凸轮7突出部分7.1向下，凸轮7再继续逆时针旋转时，凸轮7突出部分7.1会与后单向转轮9接触，由于后单向转轮9只能逆时针方向旋转、而且后单向转轮9和凸轮7均带齿，这样，凸轮7在旋转的过程中会推动后腿2上的后单向转轮9向上运动，使后腿2向上运动，同时也就带动后腿2向前行走一步，后腿2向前迈进时前脚3上的压力传感器检测到的压力会大于后脚4上的压力传感器检测到的压力，此时机器人内部的控制器会驱动前腿1上的锁定机构10使其锁住机器人的前腿1，控制后腿2上的锁定机构10取消对机器人后腿2的锁定，待完成后腿2向前行走一步的动作之后，机器人会自行调整使自身受力平衡，这样前脚3上的压力传感器检测到的压力就等于后脚4上的压力传感器检测到的压力，一个工作周期就此完成。

Claims (5)

1.一种二足步行机器人的行走机构，它包括前腿(1)、后腿(2)、前脚(3)、后脚(4)及可双向旋转的驱动电机(6)，其特征在于：所述的驱动电机(6)为一个；它还包括凸轮(7)、前单向转轮(8)及后单向转轮(9)；所述的驱动电机(6)安装在机器人的臀部(5)上且位于所述的前腿(1)和后腿(2)之间；所述的凸轮(7)安装在驱动电机(6)的输出轴(6.1)上；所述的前单向转轮(8)安装在所述的前腿(1)上，该前单向转轮(8)的外圆周与驱动电机(6)输出轴(6.1)轴心的垂线的最小距离大于凸轮(7)的最小半径且小于凸轮(7)的最大半径，所述的后单向转轮(9)安装在所述的后腿(2)上，该后单向转轮(9)的外圆周与驱动电机(6)输出轴(6.1)的轴心的垂线的最小距离大于凸轮(7)的最小半径且小于凸轮(7)的最大半径；所述的前单向转轮(8)的旋转方向和后单向转轮(9)的旋转方向相反，所述的前腿(1)和后腿(2)的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部(5)的前后端上，所述的前腿(1)和后腿(4)的上端均安装有锁定机构(10)；所述的前脚(3)和后脚(4)上均安装有压力传感器(11)，所述的每个压力传感器(11)均与机器人内部的控制器电连接，所述的控制器均与所述的每个锁定机构(10)电连接。

2.根据权利要求1所述的二足步行机器人的行走机构，其特征在于：所述的前腿(1)与后腿(2)呈等腰梯形状，所述的前腿(1)和后腿(2)所形成的夹角为30°。

3.根据权利要求1或2所述的二足步行机器人的行走机构，其特征在于：所述的前腿(1)和后腿(2)的上端分别可滑动且可转动连接在机器人的臀部(5)的前后端上是指，所述的机器人的臀部(5)的前后端分别设有用于安装前腿(1)且向前向下开口的前凹槽(5.1)和用于安装后腿(2)且向后向下开口的后凹槽(5.2)，所述的前、后凹槽的左右侧均设有竖直向的滑槽(5.3)；所述的前、后凹槽的左右滑槽(5.3)内均设有滑块(5.4)，所述的前、后凹槽的左右滑槽(5.3)内的滑块(5.4)分别通过连接轴(12)相连接，所述的前腿(1)的上端铰接在位于前凹槽(5.1)内的连接轴(12)上，所述的后腿(4)的上端铰接在位于后凹槽(5.2)内的连接轴(12)上；所述的前、后凹槽的滑槽(5.3)内的滑块(5.4)的上端与滑槽(5.3)上壁之间分别设有弹簧Ⅰ(13)。

4.根据权利要求3所述的二足步行机器人的行走机构，其特征在于：所述的前、后凹槽的滑槽(5.3)内的滑块(5.4)的下端与滑槽(5.3)下壁之间分别设有呈压缩状态的弹簧Ⅱ(14)。

5.根据权利要求4所述的二足步行机器人的行走机构，其特征在于：所述的锁定机构(10)包括电控锁定装置(10.1)及设置在所述的前腿(1)和后腿(2)铰接端上的卡槽(10.2)，所述的电控锁定装置(10.1)包括电磁阀(10.1.1)及由电磁阀(10.1.1)控制的锁定杆(10.1.2)，所述的锁定杆(10.1.2)的一端铰接在电磁阀(10.1.1)设有电磁铁的一端上，所述的锁定杆(10.1.2)的另一端设有锁定卡头(10.1.3)，所述的锁定卡头(10.1.3)可卡入所述的卡槽(10.2)内。

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