CN103612686B - 一种六足直立式步行机器人 - Google Patents

Abstract

一种六足直立式步行机器人，涉及机器人技术领域，其结构包括机身、驱动电路、左侧步行腿和右侧步行腿，驱动电路、左侧步行腿和右侧步行腿均固定于机身，左侧步行腿和右侧步行腿均包括前步行腿、中间步行腿和后步行腿，本申请中，还包括固定于机身的左侧曲柄连杆机构、右侧曲柄连杆机构；驱动电路包括左侧电机和右侧电机，通过利用两个电机分别控制两个曲柄连杆机构来带动机身两侧的步行腿运动，再通过控制两个电机是否工作和正反转情况可实现六足直立式步行机器人的直线前进、后退、拐弯或者掉头，整机的机械结构和驱动电路均很简单，可降低制造和生产成本。

Description

一种六足直立式步行机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种六足直立式步行机器人。

背景技术

在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，促使了多足步行机器人的研究蓬勃发展。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。

六足机器人又叫蜘蛛机器人，是多足机器人的一种。六足机器人步行腿机构的可控关节越多，它的灵活性越好，但每个可控关节均需要要配备驱动电机，而多个驱动电机又会造成六条腿若干关节的驱动和协调变得麻烦，增大了控制和维护难度，提高了制作成本。因此，在满足六足机器人步行要求前提下，步行腿机构的自由度数目越少越好，驱动电机越少越好。

对于单向的、前后直线运动的步行机器人，可以采用单电机驱动来实现。目前，单电机驱动的六足步行机器人大多采用连杆机构带动六条步行腿以实现确定、协调的步态运动。例如申请号为201110339742.3的中国专利申请，公开了一种六足蚂蚁机器人，它是由六足机构、传动机构、头部机构、控制机构四个部分组成，它们之间的位置连接关系、信号走向是：其头部机构位于机器人前端，传动机构相当于机器人的“身体驱干”，处于中间位置；六足机构位于传动机构两侧，控制结构位于传动机构内部，由控制机构给信号，传动机构来实现力的输出，头部机构和六足机构来输出机器人的动作。这种六足蚂蚁机器人只采用一个驱动电机，虽然结构简单，但该机器人只能进行单向、前后直线运动而不能实现调头拐弯，如果要实现拐弯或调头动作，则至少需要两个驱动电机分别驱动三条步行腿来实现。

又如，申请号为201310110639.0的中国专利申请，公开一种能垂直拐弯的爬壁机器人，包括控制盒，第一移动装置，第二移动装置，一端与第一移动装置连接、另一端与第二移动装置连接的舵机；第一移动装置外部具有第一电磁履带、第一电机，并设置有第一距离传感器和第一压力传感器；第二移动装置具有第二电磁履带、第二电机，并设置有第二距离传感器和第二压力传感器；控制盒内具有控制模块，第一、第二电磁履带驱动模块，第一、第二电机驱动模块，舵机驱动模块以及给各个模块提供电源的电源模块。该爬壁机器人能够较方便的对中央空调的水平管道和竖直管道内的积尘进行清理。以上的技术，其第一电机主要用于带动第一电磁履带转动，第二电机主要用于带动第二电磁履带转动，第一电机和第二电机不能实现机器人的拐弯，其主要是利用传统的舵机来实现机器人的拐弯，该机器人其存在以下不足：1、该机器人的结构复杂，虽然实现了拐弯但仍无法实现调头的动作；2、该机器人的驱动电路复杂；3、制作成本高；4、该机器人的控制和维护难度较大。

发明内容

本申请的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种六足直立式步行机器人，该六足直立式步行机器人的机械结构和驱动电路均很简单，可实现直线前进、后退、拐弯或者调头的动作。

本申请的目的通过以下技术方案实现：

提供一种六足直立式步行机器人，其包括机身、驱动电路、对称设置于机身两侧的左侧步行腿和右侧步行腿，左侧步行腿和右侧步行腿均包括前步行腿、中间步行腿和后步行腿，其特征在于：还包括固定于机身的左侧曲柄连杆机构和右侧曲柄连杆机构；驱动电路包括左侧电机和右侧电机，左侧电机通过驱动左侧曲柄连杆机构带动左侧步行腿运动，右侧电机通过驱动右侧曲柄连杆机构带动右侧步行腿实现与左侧步行腿步调相反的运动；

驱动电路还包括接于电源和左侧电机之间的单刀双掷开关S1、接于电源和右侧电机之间的单刀双掷开关S2，左侧电机连接有正转控制端a和反转控制端b，右侧电机连接有正转控制端c和反转控制端d，其中：单刀双掷开关S1拨至正转控制端a，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c，则六足直立式步行机器人直线前行；单刀双掷开关S1拨至反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至反转控制端d，则六足直立式步行机器人直线后退；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a或者反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c和反转控制端d之间，则六足直立式步行机器人拐弯；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a和反转控制端b之间，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c或者反转控制端d，则六足直立式步行机器人拐弯；单刀双掷开关S1拨至反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c，则六足直立式步行机器人调头；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a，单刀双掷开关S2拨至反转控制端d，则六足直立式步行机器人调头。

其中，每条步行腿均包括大腿和小腿，大腿和小腿之间由铰链连接构成关节，前步行腿和后步行腿构成关节的铰链固定于机身。

其中，左侧曲柄连杆机构包括左侧从动齿轮、左侧传动轴、左侧曲柄、左侧固定杆、左侧第一连杆、左侧第二连杆和左侧第三连杆，左侧传动轴固定于左侧从动齿轮的中心，左侧传动轴的远离左侧从动齿轮的一个端面连接左侧曲柄，左侧中间步行腿构成关节的铰链与左侧曲柄的周缘固定连接，左侧第一连杆的一端与左侧中间步行腿的大腿的上部铰接，左侧第一连杆的另一端固定于左侧固定杆且左侧第一连杆可绕左侧固定杆转动，左侧固定杆固定于机身。

其中，左侧第二连杆的两端分别与左侧中间步行腿的大腿和小腿之间的关节以及左侧后步行腿的大腿的上部连接，左侧第三连杆的两端分别与左侧前步行腿的大腿的上部以及左侧后步行腿的大腿的中部连接。

其中，左侧电机与左侧从动齿轮垂直设置，左侧电机的输出端套设有左侧主动齿轮，左侧主动齿轮与左侧从动齿轮互相垂直。

其中，右侧曲柄连杆机构包括右侧从动齿轮、右侧传动轴、右侧曲柄、右侧固定杆、右侧第一连杆、右侧第二连杆和右侧第三连杆，右侧传动轴固定于右侧从动齿轮的中心，右侧传动轴的远离右侧从动齿轮的一个端面连接右侧曲柄，右侧中间步行腿构成关节的铰链与右侧曲柄的周缘固定连接，右侧第一连杆的一端与右侧中间步行腿的大腿的上部铰接，右侧第一连杆的另一端固定于右侧固定杆且右侧第一连杆可绕右侧固定杆转动，右侧固定杆固定于机身。

其中，右侧第二连杆的两端分别与右侧中间步行腿的大腿和小腿之间的关节以及右侧后步行腿的大腿的上部连接，右侧第三连杆的两端分别与右侧前步行腿的大腿的上部以及右侧后步行腿的大腿的中部连接。

其中，右侧电机与右侧从动齿轮垂直设置，右侧电机的输出端套设有右侧主动齿轮，右侧主动齿轮与右侧从动齿轮互相垂直。

其中，左侧曲柄和右侧曲柄的相位相差180度。

其中，机身包括分别设置在机身两侧的左侧固定柱和右侧固定柱，左侧固定杆固定于左侧固定柱，右侧固定杆固定于右侧固定柱。

本申请的有益效果：本申请的六足直立式步行机器人，利用两个电机分别控制左侧曲柄连杆机构和右侧曲柄连杆机构来带动机身两侧的步行腿运动，驱动电路通过控制两个电机是否工作和正反转情况可实现六足直立式步行机器人的直线前进、后退、拐弯或者调头的动作：当左侧电机和右侧电机同时正转，则六足直立式步行机器人直线前进；当左侧电机和右侧电机同时反转，则六足直立式步行机器人直线后退；当仅由其中一个电机驱动，则六足直立式步行机器人以停止摆动的步行腿作为支点拐弯；当一个电机正转、另一个电机反转时，机身两侧对应的步行腿做相逆的旋转摆动运动，六足直立式步行机器人原地调头。由此，整机的机械结构和驱动电路均很简单，可降低制造和生产成本。

附图说明

利用附图对申请作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本申请的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是六足直立式步行机器人的一个角度的局部结构示意图。

图2是六足直立式步行机器人的另一个角度的局部结构示意图。

图3是驱动电路的电路图。

图中包括有：

1——机身、01——右侧固定柱；

3——左侧从动齿轮；4——左侧传动轴；5——左侧曲柄；6——左侧第二连杆；7——左侧第三连杆；

8——右侧从动齿轮；9——右侧传动轴；10——右侧曲柄；11——右侧固定杆；12——右侧第一连杆；13——右侧第二连杆；14——右侧第三连杆；

15——左侧前步行腿；16——左侧中间步行腿；17——左侧后步行腿；

18——右侧前步行腿；19——右侧中间步行腿；20——右侧后步行腿；

21——电源、22——左侧电机、23——右侧电机；

100——铰链；

110——左侧主动齿轮、120——右侧主动齿轮。

具体实施方式

结合以下实施例对本申请作进一步描述。

本实施例的一种六足直立式步行机器人，如图1和图2所示，包括机身1、驱动电路、对称设置于机身两侧的左侧步行腿和右侧步行腿、以及固定于机身1的左侧曲柄连杆机构和右侧曲柄连杆机构，左侧步行腿和右侧步行腿均包括前步行腿、中间步行腿和后步行腿，驱动电路包括电源21、左侧电机22和右侧电机23，电源21为左侧电机22和右侧电机23供电，左侧电机22通过驱动左侧曲柄连杆机构带动左侧步行腿运动，右侧电机23通过驱动右侧曲柄连杆机构带动右侧步行腿实现与左侧步行腿步调相反的运动。

如图3所示，左侧电机22标示为M1，右侧电机23标示为M2，驱动电路控制机器人作直线前进、后退、拐弯或者调头动作的控制原理如下：

驱动电路包括接于电源21和左侧电机M1之间的单刀双掷开关S1、接于电源21和右侧电机23之间的单刀双掷开关S2，左侧电机22连接有正转控制端a和反转控制端b，右侧电机23连接有正转控制端c和反转控制端d，单刀双掷开关S1拨至正转控制端a，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c，则六足直立式步行机器人直线前行；单刀双掷开关S1拨至反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至反转控制端d，则六足直立式步行机器人直线后退；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a或者反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c和反转控制端d之间（即单刀双掷开关S2断开），则六足直立式步行机器人拐弯；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a和反转控制端b之间（即单刀双掷开关S1断开），单刀双掷开关S2拨至正转控制端c或者反转控制端d，则六足直立式步行机器人拐弯；单刀双掷开关S1拨至反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c，则六足直立式步行机器人调头；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a，单刀双掷开关S2拨至反转控制端d，则六足直立式步行机器人调头。

具体的，每条步行腿均包括大腿和小腿，大腿和小腿之间由铰链100连接构成关节，前步行腿和后步行腿构成关节的铰链100固定于机身1。步行腿可绕铰链100转动进行前后摆动行走。

具体的，左侧曲柄连杆机构包括左侧从动齿轮3、左侧传动轴4、左侧曲柄5、左侧固定杆、左侧第一连杆、左侧第二连杆6和左侧第三连杆7，左侧传动轴4固定于左侧从动齿轮3的中心，左侧传动轴4的远离左侧从动齿轮3的一个端面连接左侧曲柄5，左侧中间步行腿16构成关节的铰链100与左侧曲柄5的周缘固定连接，左侧第一连杆的一端与左侧中间步行腿16的大腿的上部铰接，左侧第一连杆的另一端固定于左侧固定杆且左侧第一连杆可绕左侧固定杆转动，左侧固定杆固定于机身1。

具体的，左侧第二连杆6的两端分别与左侧中间步行腿16的大腿和小腿之间的关节以及左侧后步行腿17的大腿的上部连接，左侧第三连杆7的两端分别与左侧前步行腿15的大腿的上部以及左侧后步行腿17的大腿的中部连接。

左侧电机22通过带动左侧从动齿轮3转动进一步带动左侧传动轴4转动，左侧传动轴4带动左侧曲柄5转动，左侧曲柄5通过左侧第一连杆带动左侧中间步行腿16前后运动，左侧中间步行腿16通过左侧第二连杆6和左侧第三连杆7带动左侧前步行腿15和左侧前步行腿15前后运动。

具体的，右侧曲柄连杆机构包括右侧从动齿轮8、右侧传动轴9、右侧曲柄10、右侧固定杆11、右侧第一连杆12、右侧第二连杆13和右侧第三连杆14，右侧传动轴9固定于右侧从动齿轮8的中心，右侧传动轴9的远离右侧从动齿轮8的一个端面连接右侧曲柄10，右侧中间步行腿19构成关节的铰链100与右侧曲柄10的周缘固定连接，右侧第一连杆12的一端与右侧中间步行腿19的大腿的上部铰接，右侧第一连杆12的另一端固定于右侧固定杆11且右侧第一连杆12可绕右侧固定杆11转动，右侧固定杆11固定于机身1。

右侧电机23通过带动右侧从动齿轮8带动右侧传动轴9转动，右侧传动轴9带动右侧曲柄10转动，右侧曲柄10通过右侧第一连杆12带动右侧中间步行腿19前后运动，右侧中间步行腿19通过右侧第二连杆13和右侧第三连杆14带动右侧前步行腿18和右侧前步行腿18前后运动。

具体的，右侧第二连杆13的两端分别与右侧中间步行腿19的大腿和小腿之间的关节以及右侧后步行腿20的大腿的上部连接，右侧第三连杆14的两端分别与右侧前步行腿18的大腿的上部以及右侧后步行腿20的大腿的中部连接。

具体的，左侧曲柄5和右侧曲柄10在初始安装位置的相位相差180度，在初始安装位置中，左侧曲柄5和右侧曲柄10的相位相差180度，也就是使左侧曲柄5和左侧中间步行腿16的铰接点与右侧曲柄10和右侧中间步行腿19的铰接点的相位相差180度，其作用是：实现左侧步行腿和右侧步行腿在运动时的步调相反，即当左侧中间步行腿16随左侧曲柄5和左侧第一连杆向下摆动时，右侧中间步行腿19随右侧曲柄10和右侧第一连杆12向上摆动。

具体的，左侧电机22与左侧从动齿轮3垂直设置，左侧电机22的输出端套设有左侧主动齿轮110，左侧主动齿轮110与左侧从动齿轮3互相垂直。

右侧电机23与右侧从动齿轮8垂直设置，右侧电机23的输出端套设有右侧主动齿轮120，右侧主动齿轮120与右侧从动齿轮8互相垂直。

左侧电机22与左侧从动齿轮3垂直设置可缩小机身1的宽度，使得整体结构布局更为合理。通过主动齿轮和从动齿轮的啮合带动曲柄转动的方式，与电机直接驱动曲柄转动相比，能起到为电机减速的作用，更能保证六足直立式步行机器人的性能。

具体的，机身1包括分别设置在机身1两侧的左侧固定柱和右侧固定柱01，左侧固定杆固定于左侧固定柱，右侧固定杆11固定于右侧固定柱01。通过固定柱的方式来固定第一连杆，可简化机身1的结构。

使用本实施例的左侧曲柄连杆机构和右侧曲柄连杆机构的结构可简化本申请的六足直立式步行机器人的机械结构，使得其机械结构更为简单。

本申请的六足直立式步行机器人，通过利用两个电机分别控制两个曲柄连杆机构来带动机身1两侧的步行腿运动，再通过控制两个电机是否工作和正反转情况可实现六足直立式步行机器人的直线前进、后退、拐弯或者调头：左侧电机22和右侧电机23同时正转，则六足直立式步行机器人直线前进；左侧电机22和右侧电机23同时反转，则六足直立式步行机器人直线后退；仅由一个电机驱动则六足直立式步行机器人以停止摆动的步行腿作为支点拐弯；当一个电机正转、另一个电机反转时，机身1两侧对应的步行腿做相逆的旋转摆动运动，六足直立式步行机器人原地调头。由此，整机的机械结构和驱动电路均很简单，可降低制造和生产成本。

具体的，机身1设置为支架式的机身1，支架式的机身1既起到支撑和固定其他部件的作用，同时也更为节省材料，使得整机结构更为简单。

具体的，左侧步行腿和右侧步行腿均设置为条状，条状的步行腿为仿哺乳类直立式腿部结构，可实现直立行走。

具体的，左侧步行腿和右侧步行腿上均设置有多个通孔，通孔用于实现步行腿与曲柄或者连杆之间的固定，设置有多个通孔，可用于调节步行腿与曲柄或者连杆之间的相对位置。

具体的，左侧曲柄5和右侧曲柄10均设置为圆盘，左侧中间步行腿16与左侧圆盘的周缘固定连接，右侧中间步行腿19与右侧圆盘的周缘固定连接，利用圆盘作为曲柄有利用控制左侧曲柄5和右侧曲柄10的相位相差180度。

具体的，电源21设置为软包装蓄电池，软包装蓄电池较为节省空间，电源21也可以是其他形式的电源21。

具体的，左侧电机22和右侧电机23均为直流电机，当使用直流电源21时，使用直流电机可直接从直流电源21处取电。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种六足直立式步行机器人，包括机身、驱动电路、对称设置于机身两侧的左侧步行腿和右侧步行腿，左侧步行腿和右侧步行腿均包括前步行腿、中间步行腿和后步行腿，其特征在于：还包括固定于机身的左侧曲柄连杆机构和右侧曲柄连杆机构；驱动电路包括左侧电机和右侧电机，左侧电机通过驱动左侧曲柄连杆机构带动左侧步行腿运动，右侧电机通过驱动右侧曲柄连杆机构带动右侧步行腿实现与左侧步行腿步调相反的运动；

驱动电路还包括接于电源和左侧电机之间的单刀双掷开关S1、接于电源和右侧电机之间的单刀双掷开关S2，左侧电机连接有正转控制端a和反转控制端b，右侧电机连接有正转控制端c和反转控制端d，其中：单刀双掷开关S1拨至正转控制端a，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c，则六足直立式步行机器人直线前行；单刀双掷开关S1拨至反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至反转控制端d，则六足直立式步行机器人直线后退；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a或者反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c和反转控制端d之间，则六足直立式步行机器人拐弯；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a和反转控制端b之间，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c或者反转控制端d，则六足直立式步行机器人拐弯；单刀双掷开关S1拨至反转控制端b，单刀双掷开关S2拨至正转控制端c，则六足直立式步行机器人调头；单刀双掷开关S1拨至正转控制端a，单刀双掷开关S2拨至反转控制端d，则六足直立式步行机器人调头；

左侧步行腿和右侧步行腿均设置为条状。

2.如权利要求1所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：每条步行腿均包括大腿和小腿，大腿和小腿之间由铰链连接构成关节，前步行腿和后步行腿构成关节的铰链固定于机身。

3.如权利要求2所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：左侧曲柄连杆机构包括左侧从动齿轮、左侧传动轴、左侧曲柄、左侧固定杆、左侧第一连杆、左侧第二连杆和左侧第三连杆，左侧传动轴固定于左侧从动齿轮的中心，左侧传动轴的远离左侧从动齿轮的一个端面连接左侧曲柄，左侧中间步行腿构成关节的铰链与左侧曲柄的周缘固定连接，左侧第一连杆的一端与左侧中间步行腿的大腿的上部铰接，左侧第一连杆的另一端固定于左侧固定杆且左侧第一连杆可绕左侧固定杆转动，左侧固定杆固定于机身。

4.如权利要求3所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：左侧第二连杆的两端分别与左侧中间步行腿的大腿和小腿之间的关节以及左侧后步行腿的大腿的上部连接，左侧第三连杆的两端分别与左侧前步行腿的大腿的上部以及左侧后步行腿的大腿的中部连接。

5.如权利要求3所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：左侧电机与左侧从动齿轮垂直设置，左侧电机的输出端套设有左侧主动齿轮，左侧主动齿轮与左侧从动齿轮互相垂直。

6.如权利要求3所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：右侧曲柄连杆机构包括右侧从动齿轮、右侧传动轴、右侧曲柄、右侧固定杆、右侧第一连杆、右侧第二连杆和右侧第三连杆，右侧传动轴固定于右侧从动齿轮的中心，右侧传动轴的远离右侧从动齿轮的一个端面连接右侧曲柄，右侧中间步行腿构成关节的铰链与右侧曲柄的周缘固定连接，右侧第一连杆的一端与右侧中间步行腿的大腿的上部铰接，右侧第一连杆的另一端固定于右侧固定杆且右侧第一连杆可绕右侧固定杆转动，右侧固定杆固定于机身。

7.如权利要求6所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：右侧第二连杆的两端分别与右侧中间步行腿的大腿和小腿之间的关节以及右侧后步行腿的大腿的上部连接，右侧第三连杆的两端分别与右侧前步行腿的大腿的上部以及右侧后步行腿的大腿的中部连接。

8.如权利要求6所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：右侧电机与右侧从动齿轮垂直设置，右侧电机的输出端套设有右侧主动齿轮，右侧主动齿轮与右侧从动齿轮互相垂直。

9.如权利要求6所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：左侧曲柄和右侧曲柄的相位相差180度。

10.如权利要求6所述的一种六足直立式步行机器人，其特征在于：机身包括分别设置在机身两侧的左侧固定柱和右侧固定柱，左侧固定杆固定于左侧固定柱，右侧固定杆固定于右侧固定柱。