CN102897243B - 一种稳定步行机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种稳定步行机器人装置，该机器人装置由支撑架、电动机、转轴、带座轴承组、配重组、凸轮组和腿部件组成。凸轮组包括四个凸轮，每两个凸轮组成一小组，每小组间呈180度固定连接在转轴上。通过电动机带动转轴上凸轮组的转动，驱动四个腿部件的运动。同现有技术相比，本发明的优点是：通过控制一个电动机即可实现所有腿部件的运动，因不涉及电动机的协调与初始状态等问题，所以控制方便；可实现快速运动，且运动精度高；运动安全可靠，稳定性好；结构简单紧凑，可操作性强；适合于稳定快速运动的场合。

Description

一种稳定步行机器人装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别地涉及一种稳定步行机器人装置。

背景技术

机器人能够代替人完成许多工作，尤其是极端恶劣环境下的工作或者是枯燥乏味重复性的工作，因此成为近几十年来研究的热点。步行机器人，尤其是仿人步行机器人，行走时跟地面是在有限区域内接触的，因此比较适合某些特定场合下应用。比如在田地里采摘水果，由于不需要连续滚动，所以比滚动机器人对农作物的损坏小得多，因此具有广阔的应用前景。

目前常见的步行机器人一般具有多个关节，且每个关节是独立驱动的。比如中国发明专利文献CN101229826A公开了一种10自由度的双足机器人的下肢机构，合理布置了电动机的位置且优化了腿部质量，并有效降低了电动机输出轴的回转间隙对机器人行走稳定性的影响，但由于需要多个电动机对关节进行驱动，变量之间的协调问题对机器人的控制系统提出了较高的要求，同时由于多个电动机的存在，对机器人的安装结构，动平衡等方面均具有诸多限制。另一方面为了不产生奇异位姿，许多机器人对初始状态都具有某些要求，这些要求使得机器人在每次应用前都要调节其初始状态，应用场合受到了较大限制。

在机器人的实际应用中，要求其具有较高的速度、精度与良好的稳定性。为了实现机器人的稳定行走，目前也提出了许多解决方案。例如中国发明专利文献CN1883994A公开了一种拟人双足机器人人工腿，由于提高了腿离地的高度，所以增强了行走的稳定性和高效性，但由于每条腿上都安装了电动机，仍然涉及到多变量协调与初始状态等问题，因此增加了机器人的复杂性，降低了其实用性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种通过一个电动机就可实现多腿运动、不需考虑协调与初始状态问题、具有较高运动速度与精度、具有良好稳定性、结构简单紧凑的步行机器人装置的解决方案。

本发明的技术方案为：

一种稳定步行机器人装置，包括支撑架、电动机、转轴、带座轴承组、配重组、凸轮组、腿部件一、腿部件二、腿部件三和腿部件四。其中带座轴承组包括带座轴承一和带座轴承二，凸轮组包括凸轮一、凸轮二、凸轮三和凸轮四。转轴通过带座轴承组安装在支撑架上，凸轮组安装在转轴上。腿部件带有滚子的一端和凸轮组保持接触，带有连接座的一端和支撑架在合理的位置进行固定连接，腿部件的另一端连接在与稳定步行机器人装置相连接的装置上。电动机通过转轴带动凸轮组转动，从而驱动四个腿部件运动，以实现机器人的运动。

优选地，所述支撑架包括“口”字形框架、安装架和螺杆。在“口”字形框架上端的两侧分别安装一个“U”形的安装架，在安装架上固定螺杆用于安装配重二和配重三。“口”字形框架左右两端的内侧分别安装带座轴承一和带座轴承二，“口”字形框架左右两端的外侧分别安装电动机和螺杆，此处的螺杆和配重一相连。优先地，配重组和支撑架的连接方式为螺纹连接，为了使机器人具有最大稳定域，通过选择合适质量的配重组使得机器人处于最大平衡状态，以实现其稳定行走。

优选地，所述机器人装置的凸轮一、凸轮二、凸轮三和凸轮四的结构完全相同。凸轮一和凸轮四分别安装在转轴的两侧且安装角度相同，凸轮二和凸轮三分别安装在转轴的中间且安装角度相同。凸轮一、凸轮四和凸轮二、凸轮三在转轴上的安装角度相差180度，这样就可以实现机器人装置双腿的交替运动。上述凸轮的形状可以设置为自动变化的也可以设置为固定的，其材料可以是刚性的也可以是弹性的，以便从多方面改变机器人的行走模式。

优选地，所述机器人装置具有四个结构完全相同的腿部件，每个腿部件均包括滚子、腿本体、连接销、连接座和电磁铁。腿本体通过连接销和连接座连接。电磁铁由两部分组成，其中一部分安装在腿本体上，另一部分安装在连接座上，电磁铁通电后可形成引力使得滚子和凸轮组一直保持接触。另外，为了使得机构简便，电磁铁也可由弹簧代替。

优选地，所述机器人装置可通过调节电动机的转速调节机器人的速度。另外，改变凸轮一、凸轮二、凸轮三和凸轮四的形状，或调节连接座和支撑架之间的连接位置，均可以改变机器人的运动。

与现有采用的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过一个电动机可实现所有腿部件的运动，应用方便。因为由一个电动机驱动所有腿部件的运动，不涉及运动协调性问题，所以控制方便；由于不用考虑运动的初始状态，所以应用方便。

(2)可实现较高的行走速度。通过调节电动机的转速就可调节机器人的运动速度，因此机器人可以达到较高的运动速度。

(3)具有良好的运动精度与稳定性。由于凸轮组固定连接在转轴上，且与腿部件的滚子始终保持零间隙接触，因此运动精度高。运动时机器人的重心始终在四个腿部件之间，所以行走过程比较稳定。

(4)结构简单紧凑、可操作性强。

附图说明

图1为本发明实施例的稳定步行机器人装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的稳定步行机器人装置的支撑架及配重组结构示意图；

图3为本发明实施例的稳定步行机器人装置的电动机、转轴、带座轴承组和凸轮组结构示意图；

图4为本发明实施例的稳定步行机器人装置的腿部件结构示意图。

附图标记说明：

1-支撑架；1A-“口”字形框架；1B-安装架；1C-螺杆；2-电动机；3-转轴；4-带座轴承组；4A-带座轴承一；4B-带座轴承二；5-配重组；5A-配重一；5B-配重二；5C-配重三；6-凸轮组；6A-凸轮一；6B-凸轮二；6C-凸轮三；6D-凸轮四；7-滚子；8-连接座；9-电磁铁；10-连接销；11-腿本体；I-腿部件一；II-腿部件二；III-腿部件三；IV-腿部件四。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进一步进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参照图1，所示为本发明实施例的稳定步行机器人装置的结构示意图。包括支撑架1、电动机2、转轴3、带座轴承组4、配重组5、凸轮组6、腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV。其中带座轴承组4包括带座轴承一4A和带座轴承二4B，凸轮组6包括凸轮一6A、凸轮二6B、凸轮三6C和凸轮四6D。转轴3通过带座轴承组4安装在支撑架1上，凸轮组6安装在转轴3上。腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV带滚子7的一端分别和凸轮一6A、凸轮二6B、凸轮三6C和凸轮四6D保持接触，带连接座8的一端和支撑架1在合理的位置进行固定连接，腿部件的另一端连接在与稳定步行机器人装置相连接的装置上。电动机2通过转轴3带动凸轮一6A、凸轮二6B、凸轮三6C和凸轮四6D转动，从而驱动腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV运动，以实现机器人的运动。

具体来说，当腿部件一I和腿部件四IV与其它装置配合支撑机器人时，腿部件二II和腿部件三III作为摆动腿向前摆动；当腿部件二II和腿部件三III与其它装置配合支撑机器人时，腿部件一I和腿部件四IV作为摆动腿向前摆动。两组腿部件交替运动，实现机器人的连续行走。

参照图2，所示为本发明实施例的稳定步行机器人装置的支撑架及配重组结构示意图。支撑架1包括“口”字形框架1A、安装架1B和螺杆1C。在“口”字形框架1A上端的两侧分别安装一个“U”形的安装架1B，在安装架1B上固定螺杆1C用于安装配重二5B和配重三5C。“口”字形框架1A左右两端的内侧分别安装带座轴承一4A和带座轴承二4B，“口”字形框架1A左右两端的外侧分别安装电动机2和螺杆1C，此处的螺杆1C和配重一5A相连。为方便更换不同的配重组，优先考虑配重组5和支撑架1的连接方式为螺纹连接。为了使机器人具有最大稳定域，选择合适质量的配重组5使得机器人处于最大平衡状态，以实现其稳定行走。

参照图3所示为本发明实施例的稳定步行机器人装置的电动机、转轴、带座轴承组和凸轮组结构示意图。带座轴承组4固定安装在支撑架1上，对转轴3和凸轮组6起固定作用。凸轮一6A、凸轮二6B、凸轮三6C和凸轮四6D的结构完全相同，凸轮一6A和凸轮四6D分别安装在转轴3的两侧且安装角度相同，凸轮二6B和凸轮三6C分别安装在转轴3的中间且安装角度相同。凸轮一6A、凸轮四6D和凸轮二6B、凸轮三6C在转轴3上的安装角度相差180度，以实现机器人双腿的交替运动。凸轮组6的形状可以设置为自动变化的也可以是固定的，其材料可以是刚性的也可以是弹性的，以便从多方面改变机器人的行走模式。所示机器人装置中的电动机2带动转轴3转动，转轴3带动固定在其上面的凸轮组6转动，驱动四个腿部件I，II，III，IV运动，以实现机器人的运动

参照图4所示为本发明实施例的腿部件结构示意图。机器人装置的腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV的结构完全相同，每个腿部件均包括滚子7、腿本体11、连接销10、连接座8和电磁铁9。腿本体11通过连接销10和连接座8连接。电磁铁9由两部分组成，其中一部分安装在腿本体11上，另一部分安装在连接座8上，电磁铁9通电后可形成引力使得滚子7和凸轮组6一直保持零间隙接触。在其它的应用实例中，为了使得机构简便，电磁铁9也可由弹簧代替。

该稳定步行机器人装置中的电动机2带动转轴3上的凸轮组6转动，凸轮组6带动腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV摆动，从而使得机器人行走。其中腿部件一I和腿部件四IV的运动完全一样，腿部件二II和腿部件三III的运动完全一样，且在运动过程中机器人的重心始终在四个腿部件之间，因此保证了机器人的稳定性。

该稳定步行机器人装置可通过调节电动机2的转速改变凸轮组6的转速，从而驱动腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV以不同的速度向前行走。另外，由于改变凸轮一6A、凸轮二6B、凸轮三6C和凸轮四6D的形状，或者改变连接座8和支撑架1之间的连接位置均可以改变支撑架1和腿部件一I、腿部件二II、腿部件三III和腿部件四IV间的相对位置，因此通过上述两种方法均可以改变机器人的行走轨迹。特别地，在其它应用实例中，把凸轮一6A、凸轮二6B、凸轮三6C和凸轮四6D的形状设为可自动变化的，这样就可以通过控制系统实时改变上述凸轮的形状改变机器人的行走模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种稳定步行机器人装置，其特征在于，包括支撑架（1）、电动机（2）、转轴（3）、带座轴承组（4）、配重组（5）、凸轮组（6）和四个腿部件（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ）；其中带座轴承组（4）包括带座轴承一（4A）和带座轴承二（4B）, 凸轮组（6）包括凸轮一（6A）、凸轮二（6B）、凸轮三（6C）和凸轮四（6D）；转轴（3）通过带座轴承组（4）安装在支撑架（1）上，凸轮组（6）安装在转轴（3）上；腿部件（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ）带有滚子（7）的一端分别和凸轮组（6）保持接触，带有连接座（8）的一端和支撑架（1）固定连接；电动机（2）通过转轴（3）带动凸轮组（6）转动，从而驱动四个腿部件（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ）运动，以实现机器人的运动；所述支撑架（1）包括“口”字形框架（1A）、安装架（1B）和螺杆（1C）；在“口”字形框架（1A）上端的两侧分别安装一个“U”形的安装架（1B），在安装架（1B）上固定螺杆（1C）用于安装配重二（5B）和配重三（5C）；“口”字形框架（1A）左右两端的内侧分别安装带座轴承一（4A）和带座轴承二（4B），“口”字形框架（1A）左右两端的外侧分别安装电动机（2）和螺杆（1C），此处的螺杆（1C）和配重一（5A）相连。

2.根据权利要求1所述的一种稳定步行机器人装置，其特征在于，所述机器人装置的凸轮组（6）包括四个结构完全相同的凸轮（6A, 6B, 6C, 6D）；凸轮一（6A）和凸轮四（6D）分别安装在转轴（3）的两侧且安装角度相同，凸轮二（6B）和凸轮三（6C）分别安装在转轴（3）的中间且安装角度相同； 凸轮一（6A）、凸轮四（6D）和凸轮二（6B）、凸轮三（6C）在转轴（3）上的安装角度相差180度，以实现机器人装置双腿的交替运动。

3.根据权利要求1所述的一种稳定步行机器人装置，其特征在于，所述机器人装置具有四个结构完全相同的腿部件（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ），每个腿部件均包括滚子（7）、腿本体（11）、连接销（10）、连接座（8）和电磁铁（9）；腿本体（11）通过连接销（10）和连接座（8）连接；电磁铁（9）由两部分组成，其中一部分安装在腿本体（11）上，另一部分安装在连接座（8）上，电磁铁（9）通电后可形成引力使得滚子（7）和凸轮组（6）一直保持接触。