CN102745275A - 行走机器人及其行走方法 - Google Patents

Abstract

行走机器人及其行走方法，行走机器人包括上底座、下底座、至少一直形导轨和至少一滑块，下底座的四个角分别安装有一第一驱动机构，上底座的四个角也分别安装有一第二驱动机构，每一第一驱动机构驱动一第一站立杆沿第一驱动机构的长度方向运动，每一第二驱动机构驱动一第二站立杆沿第二驱动机构的长度方向运动，第一站立杆与第二站立杆相互平行；滑块固定安装在上底座上，直形导轨固定安装在下底座上，下底座内还安装有一第三驱动机构，滑块与直形导轨连接且第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨的长度方向滑动，直形导轨与第一站立杆垂直；第一站立杆、第二站立杆的底端分别安装有第一触地脚掌、第二触地脚掌。本发明能够载重步行并平稳地跨越障碍物。

Description

行走机器人及其行走方法

 

技术领域

本发明涉及行走机器人及其行走方法。

 

背景技术

目前国内外上所见行走机器人，都是以模仿动物及人的左右腿交替迈步的方式进行行走。在坐骑用的机器人也是多为四条腿的，行走时一侧腿或交叉相应的一对腿交换着地行走，有些行走机器人是模仿爬行动物的六条腿来完成摇摆爬行方式行走。以上这些行走机器人都存在行走不稳，不易跨越障碍物的缺陷，特别是在载重方面，不能载重后实现稳定行走，是现阶段行走机器人的最大缺点，也是当今世界机器人不能普及应用的原因之一。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种行走机器人，其能解决现有技术的机器人行走不稳定的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

行走机器人，其包括一上底座、一下底座、至少一直形导轨和至少一滑块，下底座的四个角分别安装有一第一驱动机构，上底座的四个角也分别安装有一第二驱动机构，每一第一驱动机构驱动一第一站立杆沿第一驱动机构的长度方向运动，每一第二驱动机构驱动一第二站立杆沿第二驱动机构的长度方向运动，第一站立杆与第二站立杆相互平行；滑块固定安装在上底座上，直形导轨固定安装在下底座上，下底座内还安装有一第三驱动机构，滑块与直形导轨连接且第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨的长度方向滑动，直形导轨与第一站立杆垂直；第一站立杆、第二站立杆的底端分别安装有第一触地脚掌、第二触地脚掌。

优选的，为了简化结构，第一驱动机构为液压缸或气缸；第二驱动机构为液压缸或气缸；第三驱动机构为液压缸或气缸。

优选的，为了节省材料，上底座、下底座均为框架结构，上底座与下底座相互平行，上底座位于下底座上方。

优选的，上底座的一侧固定安装有一连接块，连接块还与第三驱动机构的驱动端固定连接。

优选的，为了使行走机器人能在不同的路面上行走，第一驱动机构与下底座铰接；第二驱动机构与上底座铰接。该行走机器人还包括第一支撑杆和第二支撑杆；第一支撑杆的一端与第一站立杆固定连接，另一端与下底座铰接；第二支撑杆的一端与第二站立杆固定连接，另一端与上底座铰接。进一步的，为了使行走机器人能智能地行走，该行走机器人还包括一控制器、一动作生成器、一动作执行器以及一水平监测器，水平监测器、动作生成器分别与控制器电性连接；水平监测器安装在上底座或下底座内，用于监测路面状态；控制器用于接收水平监测器所监测到的路面状态相对应的路面状态信号，并指令动作生成器选择相应的行走方式，所述行走方式内置于动作生成器中；动作执行器根据动作生成器的行走方式，指令第一驱动机构、第二驱动机构分别控制第一站立杆、第二站立杆的伸缩长度。

优选的，上底座的宽度大于下底座的宽度。

优选的，上底座的长度小于下底座的长度，直形导轨沿下底座的长度方向设置。

本发明还提出一种如上所述的行走机器人的行走方法，其包括以下步骤：

A、若行走机器人在水平路面行走时，进行以下操作；

向左步行：第一触地脚掌、第二触地脚掌均着地，上底座位于直形导轨右端部；第二驱动机构驱动第二站立杆向上收缩，第二触地脚掌离地，第一触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向左滑动，使上底座移动至直形导轨左端部；第二驱动机构驱动第二站立杆向下伸出，第二触地脚掌着地，第一触地脚掌仍然着地；第一驱动机构驱动第一站立杆向上收缩，第一触地脚掌离地，第二触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向右滑动，使上底座移动至直形导轨右端部；第一驱动机构驱动第一站立杆向下伸出，第一触地脚掌着地，完成向左步行一步；

向右步行：第一触地脚掌、第二触地脚掌均着地，上底座位于直形导轨右端部；第一驱动机构驱动第一站立杆向上收缩，第一触地脚掌离地，第二触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向左滑动，使上底座移动至直形导轨左端部；第一驱动机构驱动第一站立杆向下伸出，第一触地脚掌着地，第二触地脚掌仍然着地；第二驱动机构驱动第二站立杆向上收缩，第二触地脚掌离地，第一触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向右滑动，使上底座移动至直形导轨右端部；第二驱动机构驱动第二站立杆向下伸出，第二触地脚掌着地，完成向右步行一步；

B、若行走机器人在山地或雪地路面行走时，进行以下操作；

第一站立杆、第二站立杆的伸缩长度相异，并保持下底座位于水平面，然后执行步骤A；

C、若行走机器人在斜坡路面行走时，进行以下操作；

第一站立杆、第二站立杆的伸缩长度相异，并保持第一站立杆、第二站立杆处于竖直状态，并且保持下底座与斜坡平行，然后执行步骤A。

本发明具有如下有益效果：

能够载重步行并平稳地跨越障碍物，且在载重的情况下一样可以很好地在山地、崎岖山路、平地、楼梯、雪地上行走自如。

 

附图说明

图1为本发明较佳实施例的行走机器人的主视图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明较佳实施例的行走机器人向左步行的第一运动状态示意图；

图5为本发明较佳实施例的行走机器人向左步行的第二运动状态示意图；

图6为本发明较佳实施例的行走机器人向左步行的第三运动状态示意图；

图7为本发明较佳实施例的行走机器人向左步行的第四运动状态示意图；

图8为本发明较佳实施例的行走机器人向左步行的第五运动状态示意图；

图9为本发明较佳实施例的行走机器人向左步行的第六运动状态示意图；

图10为本发明较佳实施例的行走机器人向右步行的第一运动状态示意图；

图11为本发明较佳实施例的行走机器人向右步行的第二运动状态示意图；

图12为本发明较佳实施例的行走机器人在斜坡一上行走的示意图；

图13为本发明较佳实施例的行走机器人在斜坡二上行走的示意图。

附图标记：1、下底座；2、上底座；3、直形导轨；4、液压缸；5、活塞；6、第一站立杆；7、第一触地脚掌；8、液压缸；9、活塞；10、第二站立杆；11、第二触地脚掌；12、液压缸；13、驱动杆；14、滑块；15、连接块；16、活塞；17、第一支撑杆；18、第二支撑杆。

 

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

如图1至图3和图13所示，行走机器人，其包括一上底座2、一下底座1、二直形导轨3、四滑块14、四第一支撑杆17、四第二支撑杆18、一控制器（图未视）、一动作生成器（图未视）、一动作执行器（图未视）以及一水平监测器（图未视）。

上底座2、下底座1均为框架结构（如四方框，或者四方框内还设有多条分割框条），上底座2与下底座1相互平行，上底座2位于下底座1上方。上底座2的宽度大于下底座1的宽度，且上底座2的长度小于下底座1的长度。

下底座1的四个角分别安装有一第一驱动机构，上底座2的四个角也分别安装有一第二驱动机构，每一第一驱动机构驱动一第一站立杆6沿第一驱动机构的长度方向运动，每一第二驱动机构驱动一第二站立杆10沿第二驱动机构的长度方向运动，第一站立杆6与第二站立杆10相互平行；滑块14固定安装在上底座2上，直形导轨3固定安装在下底座1上，直形导轨3沿下底座1的长度方向设置，下底座1内还安装有一第三驱动机构，滑块14与直形导轨3连接且第三驱动机构驱动滑块14沿直形导轨3的长度方向滑动。具体的，上底座2的一侧固定安装有一连接块15，连接块15可设置在二直形导轨3之间，连接块15还与第三驱动机构的驱动端固定连接，每一直形导轨3上安装有二个滑块14。

直形导轨3与第一站立杆6垂直。第一站立杆6、第二站立杆10的底端分别安装有第一触地脚掌7、第二触地脚掌11。

本实施例的第一驱动机构采用液压缸4（也可以采用气缸）；第二驱动机构采用液压缸8（也可以采用气缸）；第三驱动机构采用液压缸12（也可以采用气缸或步进电机）。

液压缸4的结构与现有技术相同，液压缸4内有活塞5，第一站立杆6的一端与活塞5连接，即可实现用液压缸4驱动第一站立杆6沿液压缸4的长度方向运动（相对于地面来说，就是做伸长或缩短的伸缩运动）。同样的，液压缸8内有活塞9，第二站立杆10与活塞9连接；液压缸12内有活塞16，活塞16连接一驱动杆13，驱动杆13的自由端即为第三驱动机构的驱动端，即驱动杆13与连接块15固定连接，液压缸12工作时，通过驱动杆13及连接块15即可实现滑块14沿直形导轨3的长度方向来回滑动。

为了使行走机器人能够在更多的路面状态上行走，液压缸4与下底座1铰接，液压缸8与上底座2铰接。如图13所示，第一支撑杆17的一端与第一站立杆6固定连接，另一端与下底座1铰接；第二支撑杆18的一端与第二站立杆10固定连接，另一端与上底座2铰接。

水平监测器、动作生成器分别与控制器电性连接；水平监测器安装在上底座1或下底座2内，用于监测路面状态，所述路面状态包括水平路面、山地雪地路面及斜坡路面；控制器用于接收水平监测器所监测到的路面状态相对应的路面状态信号，并指令动作生成器选择相应的行走方式，所述行走方式内置于动作生成器中；动作执行器根据动作生成器的行走方式，指令液压缸4、液压缸8分别控制第一站立杆6、第二站立杆10的伸缩长度。

下面，结合附图，详细描述本实施例的行走机器人的行走过程。

对于水平路面，结合图1至图9所示，图1为初始状态，图4至图9为行走机器人向左步行时的动作过程。图1时，行走机器人的八个脚都站立到水平地面上，即第一触地脚掌7、第二触地脚掌11均着地。开始向左步行，图4所示，第二站立杆10收缩，第一站立杆6站立不动；图5所示，液压缸12把活塞16向左推出，通过驱动杆13驱动滑块14沿直形导轨3向左滑动；图6所示，第二站立杆10向下伸出并站立不动；图7所示，第一站立杆6向上收缩，同时，第二站立杆10站立不动；图8所示，液压缸12把活塞16缩回，相当于下底座1整体向左移动了一步；图9所示，第一站立杆6向下伸出并站立不动，回到初始状态，如此循环（图1、图4至图9），行走机器人就会一步一步地向左步行前进。

如图10和图11所示，步行机器人向右步行的过程示意图（与向左步行的顺序相反）。图1为初始状态。图10所示，第一站立杆6向上收起，第二站立杆10站立不动；图11所示，液压缸12把活塞16推出，此时，下底座1整体相当于向右移动了一步，如此类推，一步一步地向右方向前进。

对于山地、雪地路面及有障碍物的地方行走，如图12所示，假设向左行走，首先是左侧的第一站立杆6触及坡面，第二站立杆10的伸缩长度发生变化，变长或者变短，这时，水平监测器发出信号给控制器，再通过动作执行器开启非水平面行走方式。再走第二步，第二步与第一步不是同方位的斜度坡面的话，开启行走方式一，水平监测器可以随时监测到上底座2和下底座1是否处于水平状态，第一站立杆6、第二站立杆10的伸缩长度不再固定不变，每个第一站立杆6、第二站立杆10可以自由伸缩，但是要保持下底座1处于水平面，就与在水平路面上行走状态类似。如果出现情况一：某一或二条腿（即第一站立杆6、第二站立杆10，下同）的长度即使缩到最短量了，还是无法越过障碍物时，这时就伸长处于伸出状态的腿的长度，使下底座1可以越过障碍物最高点；如果出现情况二：如果有一或二条腿的长度已经达最长了，还是无法触及地面时，那么也可以通过三条腿作为支点，行走下一步。

对于斜坡路面行走，如图13所示，假设向左行走，首先是左侧的第一站立杆6触及坡面，第二站立杆10的伸缩长度发生变化，然后行走第二步时，又发生了进一步的倾斜，而且水平监测器探测到两次的坡度大体一致。这时，开启非水平面行走方式二，液压缸4、液压缸8的伸缩长短虽然可以发生变化，但是变化量有要求，不能自由改变。水平监测器通过左侧第一站立杆6的缩短量，初步测得斜坡的倾斜度，根据这个初次测得的值，来调整第二站立杆10的伸缩长度，然后调整所有腿与下底座1的倾斜角度，这时的第一支撑杆17、第二支撑杆18用于分别支撑固定第一站立杆6、第二站立杆10。然后再测得斜坡的倾斜度，根据这两次测得的值，再调整倾斜度，通过一步或几步的调整，使下底座1可以平行于斜坡，然后第一站立杆6、第二站立杆10分别通过铰链，保持竖直方向，此后的行走过程，类似于水平路面的行走方式。

本实施例的行走机器人，利用第一驱动机构、第二驱动机构分别控制第一站立杆、第二站立杆进行抬腿（收缩）、伸腿（站立）动作，步行时，通过第三驱动机构作左右伸缩运动来完成上底座、下底座的交替移动来实现步行的目的。

本实施例的行走机器人应用领域广泛，可用于山地战机器人士兵、山地战运输武器装备及重型装备、地震救援、雪地步行。民用可搬运各种重物东西上楼梯及有障碍物的地方及平地都可以行走自如；也可以用于输电线路的电杆载人攀爬电杆作业等领域的应用。

实际上，本实施例的行走机器人还可以不带有自动控制设备（控制器、动作生成器、动作执行器以及水平监测器），可以采用手动操作。

手动操作行走机器人的行走方法，操作如下：

A、若行走机器人在水平路面行走时，进行以下操作；

向左步行：第一触地脚掌7、第二触地脚掌11均着地，上底座2位于直形导轨3右端部；液压缸8驱动第二站立杆10向上收缩，第二触地脚掌11离地，第一触地脚掌7保持着地；液压缸12驱动滑块沿直形导轨3向左滑动，使上底座2移动至直形导轨3左端部；液压缸8驱动第二站立杆10向下伸出，第二触地脚掌11着地，第一触地脚掌7仍然着地；液压缸4驱动第一站立杆6向上收缩，第一触地脚掌7离地，第二触地脚掌11保持着地；液压缸12驱动滑块14沿直形导轨3向右滑动，使上底座2移动至直形导轨3右端部；液压缸4驱动第一站立杆6向下伸出，第一触地脚掌7着地，完成向左步行一步；

向右步行：第一触地脚掌7、第二触地脚掌11均着地，上底座2位于直形导轨3右端部；液压缸4驱动第一站立杆6向上收缩，第一触地脚掌7离地，第二触地脚掌11保持着地；液压缸12驱动滑块14沿直形导轨3向左滑动，使上底座2移动至直形导轨3左端部；液压缸4驱动第一站立杆6向下伸出，第一触地脚掌7着地，第二触地脚掌11仍然着地；液压缸8驱动第二站立杆10向上收缩，第二触地脚掌11离地，第一触地脚掌7保持着地；液压缸12驱动滑块14沿直形导轨3向右滑动，使上底座2移动至直形导轨3右端部；液压缸8驱动第二站立杆10向下伸出，第二触地脚掌11着地，完成向右步行一步；

B、若行走机器人在山地或雪地路面行走时，进行以下操作；

第一站立杆6、第二站立杆10的伸缩长度相异，并保持下底座1位于水平面，然后执行步骤A；

C、若行走机器人在斜坡路面行走时，进行以下操作；

第一站立杆6、第二站立杆10的伸缩长度相异，并保持第一站立杆6、第二站立杆10处于竖直状态，并且保持下底座1与斜坡平行，然后执行步骤A。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.行走机器人，其特征在于，包括一上底座、一下底座、至少一直形导轨和至少一滑块，下底座的四个角分别安装有一第一驱动机构，上底座的四个角也分别安装有一第二驱动机构，每一第一驱动机构驱动一第一站立杆沿第一驱动机构的长度方向运动，每一第二驱动机构驱动一第二站立杆沿第二驱动机构的长度方向运动，第一站立杆与第二站立杆相互平行；滑块固定安装在上底座上，直形导轨固定安装在下底座上，下底座内还安装有一第三驱动机构，滑块与直形导轨连接且第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨的长度方向滑动，直形导轨与第一站立杆垂直；第一站立杆、第二站立杆的底端分别安装有第一触地脚掌、第二触地脚掌。

2.如权利要求1所述的行走机器人，其特征在于，第一驱动机构为液压缸或气缸；第二驱动机构为液压缸或气缸；第三驱动机构为液压缸或气缸。

3.如权利要求1所述的行走机器人，其特征在于，上底座、下底座均为框架结构，上底座与下底座相互平行，上底座位于下底座上方。

4.如权利要求1所述的行走机器人，其特征在于，上底座的一侧固定安装有一连接块，连接块还与第三驱动机构的驱动端固定连接。

5.如权利要求1所述的行走机器人，其特征在于，第一驱动机构与下底座铰接；第二驱动机构与上底座铰接。

6.如权利要求5所述的行走机器人，其特征在于，该行走机器人还包括第一支撑杆和第二支撑杆；第一支撑杆的一端与第一站立杆固定连接，另一端与下底座铰接；第二支撑杆的一端与第二站立杆固定连接，另一端与上底座铰接。

7.如权利要求5或6所述的行走机器人，其特征在于，该行走机器人还包括一控制器、一动作生成器、一动作执行器以及一水平监测器，水平监测器、动作生成器分别与控制器电性连接；水平监测器安装在上底座或下底座内，用于监测路面状态；控制器用于接收水平监测器所监测到的路面状态相对应的路面状态信号，并指令动作生成器选择相应的行走方式，所述行走方式内置于动作生成器中；动作执行器根据动作生成器的行走方式，指令第一驱动机构、第二驱动机构分别控制第一站立杆、第二站立杆的伸缩长度。

8.如权利要求1所述的行走机器人，其特征在于，上底座的宽度大于下底座的宽度。

9.如权利要求1所述的行走机器人，其特征在于，上底座的长度小于下底座的长度，直形导轨沿下底座的长度方向设置。

10.一种如权利要求5所述的行走机器人的行走方法，其特征在于，包括以下步骤：

若行走机器人在水平路面行走时，进行以下操作；

向左步行：第一触地脚掌、第二触地脚掌均着地，上底座位于直形导轨右端部；第二驱动机构驱动第二站立杆向上收缩，第二触地脚掌离地，第一触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向左滑动，使上底座移动至直形导轨左端部；第二驱动机构驱动第二站立杆向下伸出，第二触地脚掌着地，第一触地脚掌仍然着地；第一驱动机构驱动第一站立杆向上收缩，第一触地脚掌离地，第二触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向右滑动，使上底座移动至直形导轨右端部；第一驱动机构驱动第一站立杆向下伸出，第一触地脚掌着地，完成向左步行一步；

向右步行：第一触地脚掌、第二触地脚掌均着地，上底座位于直形导轨右端部；第一驱动机构驱动第一站立杆向上收缩，第一触地脚掌离地，第二触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向左滑动，使上底座移动至直形导轨左端部；第一驱动机构驱动第一站立杆向下伸出，第一触地脚掌着地，第二触地脚掌仍然着地；第二驱动机构驱动第二站立杆向上收缩，第二触地脚掌离地，第一触地脚掌保持着地；第三驱动机构驱动滑块沿直形导轨向右滑动，使上底座移动至直形导轨右端部；第二驱动机构驱动第二站立杆向下伸出，第二触地脚掌着地，完成向右步行一步；

若行走机器人在山地或雪地路面行走时，进行以下操作；

第一站立杆、第二站立杆的伸缩长度相异，并保持下底座位于水平面，然后执行步骤A；

若行走机器人在斜坡路面行走时，进行以下操作；

第一站立杆、第二站立杆的伸缩长度相异，并保持第一站立杆、第二站立杆处于竖直状态，并且保持下底座与斜坡平行，然后执行步骤A。

Images