CN103612685B - 履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人。包括机架，在机架的前方和后方均对称设置行走机构，四套行走机构的结构相同，所述行走机构的组成包括腿旋转机构、足旋转机构和足驱动机构；所述腿旋转机构包括腿旋转电机和腿架，所述足旋转机构旋转电机、足旋转架、足转向电机和足连接架，所述驱动足机构包括足体、第一足履带、第二足履带、第一足履带轮、第二足履带轮、第三足履带轮、第四足履带轮、足驱动电机和足变速箱。本发明结构简单，姿态控制容易，通过控制电机的转速和转向即可对机器人姿态、前进速度和方向进行控制，使机器人实现各种动作姿态。适用于娱乐、运输、消防、探测、灾难救援以及太空探索等领域。

Description

履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人

技术领域

本发明涉及的是四足机器人，具体地说是一种履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人。

背景技术

目前，国内外对四足机器人进行了较多研究，设计了很多结构不同、功能不同的四足机器人，但是现有的四足机器人大部分是步行四足机器人，主要是依靠步行姿态移动，除了机身平衡性很难保证之外，在机构本身的工作空间方面也要受到限制，比较难以完成高速度的行走越障作业，而且动作姿态也比较单一，在某些特殊环境和场合里极大地限制住了四足机器人的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动速度快，可实现步行姿态移动的履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人。

本发明的目的是这样实现的：

包括机架，在机架的前方和后方均对称设置行走机构，四套行走机构的结构相同，所述行走机构的组成包括腿旋转机构、足旋转机构和足驱动机构；所述腿旋转机构包括腿旋转电机和腿架，腿旋转电机固定安装在机架上，腿旋转电机的输出轴通过联轴器与腿架的上端固连，腿架的下端与足旋转机构的足旋转电机固定连接；所述足旋转机构旋转电机、足旋转架、足转向电机和足连接架，足旋转电机固定安装于腿旋转机构的腿架下端，足旋转电机的输出轴通过联轴器与腿旋转架的一端固连，足转向电机固定安装于腿旋转架的另一端，足转向电机的输出轴通过联轴器与足连接架的上端固连；所述驱动足机构包括足体、第一足履带、第二足履带、第一足履带轮、第二足履带轮、第三足履带轮、第四足履带轮、足驱动电机和足变速箱，足体固定安装于足旋转机构的足连接架的下端，足驱动电机和足变速箱固定安装于足体内部，足驱动电机的输出轴通过联轴器与足变速箱的输入轴固连，足变速箱为双输出轴结构的变速箱，足变速箱的输出轴分别通过联轴器与第二足履带轮和第三足履带轮的输入轴固连，第一足履带轮、第二足履带轮、第三足履带轮和第四足履带轮的输入轴分别通过联轴器与足体连接，第一足履带安装在第一足履带轮和第二足履带轮上，第二足履带安装在第三足履带轮和第四足履带轮上。

为了丰富四足机器人的动作姿态提高四足机器人的机动性和越障能力，本发明四足采用履带轮驱动实现机器人的快速移动和四条轮腿采用对称排列可旋转结构设计实现机器人的步行姿态移动。首先，机器人的四条轮腿采用对称排列可旋转结构设计，不仅四条轮腿可以围绕机架进行360度转动，而且四足可以围绕各自的腿在上下、左右两个方向上进行360度转动，从而实现机器人步行姿态移动。其次，足、腿采用不同电机驱动控制的方式，分别用电机驱动和控制机器人的腿和足的运动。再次，机器人的四足运动机构采用电机驱动履带轮式结构设计，通过电机驱动机器人的四足移动，从而可以实现机器人的整体快速移动。

本发明结构简单，姿态控制容易，通过控制电机的转速和转向即可对机器人姿态、前进速度和方向进行控制，使机器人实现各种动作姿态。本机器人动作姿态丰富、运动灵活，具有良好的开发和应用前景。尤其适用于娱乐、运输、消防、探测、灾难救援以及太空探索等领域。

本发明具有如下优点：

1.本发明是一种基于电机驱动和控制的履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人，机器人的四足采用对称排列可旋转结构设计，不仅四条轮腿可以围绕机架中心进行360度旋转，而且四足可以围绕各自的腿在上下、左右两个方向上进行360度转动，极大地提高了四足机器人的越障能力及扩展应用能力。

2.机器人的四足采用电机驱动履带轮式结构，可以实现机器人的快速移动，提高了机器人的灵活性和机动能力。

3.机器人通过电机驱动和控制即可实现机器人的步行姿态移动和履带轮驱动快速移动，丰富了机器人的姿态变化，而且结构简单，控制容易，制造成本低，特别适合于娱乐开发。

附图说明

图1：机器人传动关系全剖示意图。

图2：机器人三维建模示意图。

图3：机器人驱动足内部传动关系全剖示意图。

图4：机器人驱动足三维建模示意图。

图5a至图5f：机器人前进、后退、转弯、原地转向和横向移动动作过程示意图。

图6a至图6f：机器人步行姿态移动动作过程示意图。

图7a至图7f：机器人通过低矮区域动作过程示意图。

图8a至图8f：机器人通过狭窄区域动作过程示意图。

图9a至图9d：机器人遇到小障碍物动作过程示意图。

图10a至图10f：机器人遇到大障碍物动作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

本发明的机器人本体为四足对称式结构，以机架为对称中心，腿I腿II腿III腿IV旋转机构部分、足I足II足III足IV旋转机构部分、足I足II足III足IV驱动机构部分结构相同。机架总体结构为工字型结构，腿I腿II腿III腿IV机构部分分别以机架为中心对称安装于机架各个端头上。下面对腿I旋转机构部分、足I旋转机构部分和足I驱动机构部分的结构组成做出详细说明：

结合图1、图2，对腿I旋转机构部分进行详细说明。腿I旋转机构部分由腿旋转电机I1、腿架I2、机架I31组成。腿旋转电机I1固定安装在机架I31上，腿旋转电机I1输出轴通过联轴器与腿架2的上端固连，腿架2的下端与足I旋转机构部分的足旋转电机I3固定连接。通过上述固连关系，将腿旋转电机I1的动力输出转化为腿架I2的转动，当旋转电机I1工作时，即可驱动腿架I2进行旋转运动。当腿旋转电机I1正向运转时，驱动腿架I2进行正向转动，当腿旋转电机I1反向运转时，即可驱动腿架I2进行反向转动。腿旋转电机I1可以驱动腿架I1以机架I31的一端为中心进行360度转动，并且转过的角度和转速可以通过腿旋转电机I1进行控制。

结合图1、图2，对足I旋转机构部分进行详细说明。足I旋转机构部分由足旋转电机I3、足旋转架I4、足转向电机I5、足连接架I6组成。足旋转电机I3固定安装于腿I旋转机构部分的腿架I2下端，足旋转电机I3的输出轴通过联轴器与腿旋转架I4的一端固连，足转向电机I5固定安装于腿旋转架I4的另一端，足转向电机I5的输出轴通过联轴器与足连接架I6的上端固连，足I驱动机构部分的足I7固定安装于足连接架I6的下端。通过上述固连关系，首先将足旋转电机I3的动力输出最终转化为足I7在上下方向上的转动，当足旋转电机I3工作时，即可驱动足I7进行上下旋转运动。当足旋转电机I3正向运转时，驱动足I7进行正向转动，当足旋转电机I3反向运转时，即可驱动足I7进行反向转动。足旋转电机I3可以驱动足I7以足旋转电机I3的输出轴为中心进行360度转动，而且转过的角度和转速可以通过足旋转电机I3进行控制。其次，将足转向电机I5的动力输出转化为足I7在左右方向上的转动，当足转向电机I5工作时，即可驱动足I7进行左右旋转运动。当足转向电机I5正向运转时，驱动足I7进行正向转动，当足转向电机I5反向运转时，即可驱动足I7进行反向转动。足转向电机I5可以驱动足I7以足转向电机I5的输出轴为中心进行360度转动，而且转过的角度和转速可以通过足转向电机I5进行控制。

根据上述固连关系，腿旋转电机和足旋转电机相当于两个转动关节，通过各腿旋转电机、足旋转电机的配合工作，可以实现机器人的步行姿态移动。

结合图1、图2、图3、图4，对足I驱动机构部分进行详细说明。足I驱动机构部分由足I7、足I履带I9、足I履带II42、足I履带轮I8、足I履带轮II10、足I履带轮III47、足I履带轮IV49、足I驱动电机46、足I变速箱48组成。足I驱动机构部分采用履带式驱动结构设计，足I7固定安装于足I旋转机构部分的足连接架I6的下端，足I7内部结构采用电机驱动，足I驱动电机46和足I变速箱48固定安装于足I7内部，足I驱动电机46输出轴通过联轴器与足I变速箱48输入轴固连，足I变速箱48采用双输出轴结构的变速箱，足I变速箱的输出轴分别通过联轴器与足I履带轮II10和足I履带轮III47的输入轴固连，足I履带轮I9、足I履带轮II10、足I履带轮III47、足I履带轮IV49的输入轴分别通过联轴器与足I7固连，足I履带I9安装在足I履带轮I8和足I履带轮II10上，足I履带II42安装在足I履带轮III47和足I履带轮IV49上。根据上述固连关系，足I驱动电机46工作时，即可实现足I7的移动，当足I驱动电机46正向运转时，实现足I7前进动作，当足I驱动电机46反向运转时，即可实现足I7后退动作。足II35、足III17、足IV24内部驱动结构与足I7相同，即通过电机工作驱动机器人足的移动。通过足I7、足II35、足III17和足IV24配合工作，可以实现机器人的快速移动。

下面结合图5、图6、图7、图8、图9、图10对本发明的应用过程进行说明。

结合图5，对机器人实现前进、后退、转弯、原地转向和横行移动的动作过程进行详细说明，其中，图5a、图5b、图5e、图5f图为机器人移动时的侧视图，图5c、图5d图为机器人移动时的俯视图。首先，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同时正向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24正向移动，从而驱动机器人整体向前移动，实现机器人的前进动作。足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同时反向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24反向移动，从而驱动机器人整体向后移动，实现机器人的后退动作。其次，足转向电机III37、足转向电机IV26同方向同速运转分别驱动足III35、足IV24同时转动一定的角度，足III17、足IV24前进方向发生改变，从而带动机器人整体前进方向发生改变，即可实现机器人的转弯动作。再次，足转向电机I5、足转向电机II37、足转向电机III15、足转向电机IV26同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17、足IV24同时向右转动适当的角度，然后足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，即可实现机器人的原地转向动作。最后，当机器人前进时，足转向电机I5、足转向电机II37、足转向电机III15和足转向电机IV26同时运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同方向转动90度，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，即可实现机器人的横行移动动作。

当机器人用履带轮驱动移动时，足I7、足III17与足II35、足IV24可以分别作为机器人移动时在前面的一端，当足转向电机同向转动90度后，足I7、足II35与足III17、足IV24也可以分别作为机器人移动时在前面的一端。

结合图6，对机器人实现步行姿态移动的动作过程进行详细说明，其中，图6a、图6b、图6d、图6f为机器人移动时的侧视图，图6c、图6e为机器人移动时的俯视图。首先，腿旋转电机II41、腿旋转电机III11工作分别驱动腿架II40、腿架III12向前转动一定角度，同时足旋转电机II39、足旋转电机III13工作分别驱动足II35、足III17向后转动合适的角度使足连接架II36、足连接架III16保持与地面垂直。其次，腿旋转电机I1、腿旋转电机IV30工作分别驱动腿架I2、腿架IV29向后转动与腿架II40转动相同的角度，同时足旋转电机I3、足旋转电机IV28工作分别驱动足I7、足IV24向前转动合适的角度，使足I7、足IV24与地面接触。最后，腿旋转电机I1、腿旋转电机III11工作分别驱动腿架I2、腿架III12向前转动，腿旋转电机II41、腿旋转电机IV30工作分别驱动腿架II40、腿架IV29向后转动，同时足旋转电机I3、足旋转电机III13工作分别驱动足I7、足III17向后转动，足旋转电机II39、足旋转电机IV28工作分别驱动足II35、足IV24向前转动，所有的旋转电机工作直到各腿架与各自对应的足连接架呈一条直线并与地面垂直时停止工作，机器人回到初始状态。至此，机器人完成一个周期的步行姿态移动动作，重复进行此动作机器人即可完成连续的步行姿态移动。

由于低矮区域50地形限制，机器人以正常姿态无法通过，可以通过调整自身姿态来通过低矮区域50。结合图7，对机器人实现通过低矮区域50时的动作过程进行详细说明，其中，图7a、图7d、图7e、图7f图为机器人通过低矮区域50时的侧视图，图7b、图7c为机器人通过低矮区域50时的俯视图。首先，腿旋转电机I1、腿旋转电机II41工作驱动腿架I2、腿架II40向左转动90度，腿旋转电机III11、腿旋转电机IV30工作驱动腿架III12、腿架IV29向右转动90度，与此同时，足旋转电机I3、足旋转电机II39工作驱动足I7、足II35向右转动90,度，足旋转电机III13、足旋转电机IV28工作驱动足III17、足IV24向左转动90度，使足I7、足II35、足III17、足IV24与地面保持充分接触。此时，机器人高度降至最低，可以通过狭窄区域50。然后，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，从而驱动机器人整体前进，并缓慢进入低矮区域50。最后，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机继续运转，驱动机器人整体缓慢离开狭窄区域50，最终机器人完全通过狭窄区域50并继续前进。

机器人在前进时，遇到狭窄区域51无法通过时，可以通过原地转向动作进行姿态调整，使机器人以较窄的机身姿态进入狭窄区域51并完全通过，结合图8，对机器人实现通过狭窄区域51时的动作过程进行详细说明。首先，足转向电机I5、足转向电机II37、足转向电机III15、足转向电机IV26同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17、足IV24同时向右转动适当的角度，然后足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，当机器人原地转动90度后，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机停止工作。机器人由足II35、足IV24在前端变为足I7、足II17在前端。其次，机器人原地转向动作完成后，足转向电机I5、足转向电机II37、足转向电机III15、足转向电机IV26同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17、足IV24同时向右转动适当的角度使机器人各足回正。再次，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，从而驱动机器人整体前进，并缓慢进入狭窄区域51。最后，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机继续运转，驱动机器人整体缓慢离开狭窄区域51，最终机器人实现完全通过狭窄区域51并继续前进。

机器人在前进时遇到障碍物，可以根据所携带的传感器对障碍物大小进行判断，从而确定是否可以直接进行越障。经判断后，遇到小障碍物(52)机器人可以直接进行越障通过，遇到大障碍物53机器人则进行避障及越障通过。

结合图7，对机器人在行进过程中遇到小障碍物52时的越障情况进行详细说明，其中，a图为机器人在行进中遇到小障碍物52时的侧视图，b、c、d图为机器人通过小障碍物52时的俯视图。经过机器人携带的传感器判断后，确定小障碍物52可以直接通过。首先，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，驱动机器人整体向小障碍物52缓慢移动，机器人机身可以从小障碍物52上方越过。其次，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机继续运转，驱动机器人整体继续向前移动，机器人缓慢从小障碍物52上方通过。最后，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机继续运转，驱动机器人整体缓慢离开小障碍物52上方。最终在障碍物不阻碍机器人前进的情况下，机器人完全越过小障碍物52，实现越障并继续前进。

结合图8，对机器人在行进过程中遇到大障碍物53时的越障情况进行详细说明，其中，图8a为机器人在行进中遇到大障碍物53时的侧视图，图8b、图8c、图8d、图8e、图8f为机器人通过大障碍物53时的俯视图。在机器人行进过程中遇到无法直接越障通过的大障碍物53时，机器人会经过避障处理后进行越障。首先，足转向电机I5、足转向电机II37、足转向电机III15和足转向电机IV26同时运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24向左转动90度，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，使机器人实现横行动作。其次，当机器人前进至适当位置，足转向电机I5、足转向电机II37、足转向电机III15和足转向电机IV26同时运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24向右转动90度，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机同速同向运转分别驱动足I7、足II35、足III17和足IV24同时同向移动，使机器人实现前进动作。最后，足I驱动电机46、足II驱动电机、足III驱动电机和足IV驱动电机继续运转，驱动机器人整体缓慢离开大障碍物53。最终机器人通过绕行大障碍物53的方式完全越过大障碍物53实现避障越障并继续前进。

Claims (1)

1.一种履带轮驱动轮腿式可旋转四足机器人，包括机架，在机架的前方和后方均对称设置行走机构，四套行走机构的结构相同，其特征是：所述行走机构的组成包括腿旋转机构、足旋转机构和足驱动机构；所述腿旋转机构包括腿旋转电机和腿架，腿旋转电机固定安装在机架上，腿旋转电机的输出轴通过联轴器与腿架的上端垂直固连，腿架的下端与足旋转机构的足旋转电机垂直固定连接；所述足旋转机构包括足旋转电机、足旋转架、足转向电机和足连接架，足旋转电机固定安装于腿旋转机构的腿架下端，足旋转电机的输出轴通过联轴器与足旋转架的一端垂直固连，足转向电机固定安装于足旋转架的另一端，足转向电机的输出轴通过联轴器与足连接架的上端固连；所述驱动足机构包括足体、第一足履带、第二足履带、第一足履带轮、第二足履带轮、第三足履带轮、第四足履带轮、足驱动电机和足变速箱，足体固定安装于足旋转机构的足连接架的下端，足驱动电机和足变速箱固定安装于足体内部，足驱动电机的输出轴通过联轴器与足变速箱的输入轴固连，足变速箱为双输出轴结构的变速箱，足变速箱的输出轴分别通过联轴器与第二足履带轮和第三足履带轮的输入轴固连，第一足履带轮、第二足履带轮、第三足履带轮和第四足履带轮的输入轴分别通过联轴器与足体连接，第一足履带安装在第一足履带轮和第二足履带轮上，第二足履带安装在第三足履带轮和第四足履带轮上。