CN105711675B - 一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构。本发明中的轮腿机构包括两个动力机、大腿、小腿、趾、转盘、绳索、铰接装置和一对左右旋的扭簧。本发明通过两个动力机的配合控制，可以实现机器人轮腿模式的切换，进而实现两种模式下对应的运动。本发明的轮腿机构，动力机均安装在机体上，因此腿质量轻，这有效的减小了机器人在腿模式下运动时腿的转动惯量对机器人稳定性的影响。本发明的轮腿机构，在腿的膝关节上加了一对扭簧，有效的减缓了机器人在腿模式下运动时趾撞击地面引起的振动。

Description

一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构及控制方法

技术领域

本发明涉及轮腿复合式机器人，尤其涉及轮腿复合式机器人的轮腿机构。

背景技术

在发生火灾、矿难、核泄漏、恐怖袭击等事件时，往往需要进行搜救、反恐、排爆、侦察等危险任务。为了减少人员伤亡，常借助于移动机器人。由于地面环境复杂，有平坦的和不规则的地形，因此，需要在这两种地形中均能高效运动的移动机器人。轮式机器人可以在平坦的地面上实现快速稳定的运动，而腿式机器人可以适应不规则的地形。为了集合轮式和腿式机器人的优点，轮腿复合式机器人成为移动机器人研究领域的一大热点。现有的轮腿复合式机器人轮腿的结构复杂、质量大，不利于机器人在腿模式下运动的稳定性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构及控制方法，用于克服现有轮腿复合式机器人轮腿的结构复杂、质量大的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构，包括机体、大腿、小腿、第一动力机、第二动力机以及转盘；所述第一动力机、第二动力机固定于机体上；所述大腿包括圆轮和大腿骨，所述大腿骨的顶端固定于圆轮的中心转轴上，大腿骨的末端固定于圆轮的圆周上，第一动力机控制圆轮的中心转轴旋转形成髋关节；所述小腿的长度小于圆轮的直径，小腿的顶端与大腿骨的末端铰接形成膝关节；所述第二动力机控制转盘转动，且转盘上绕有绳索且绳索的自由端固定于小腿上。小腿的末端固定趾用于与地面接触。

进一步的，在本发明中，还包括扭簧，所述扭簧的旋向与圆轮的中心转轴平行，且扭簧的一端固定于大腿骨的末端、另一端固定于小腿的顶端，使膝关节有一定的初始角度，并且有效的减缓了机器人在腿模式下运动时撞击地面引起的振动。

进一步的，在本发明中，所述大腿上设置有过孔，所述绳索的自由端穿过过孔后与小腿固定从而带动小腿绕膝关节转动。小腿绕膝关节做抬升运动是通过第二动力机驱动绳索回收克服扭簧弹力实现的，而小腿绕膝关节做下放运动是通过第二动力机驱动绳索放出利用扭簧弹力实现的。

所述的应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构的控制方法，该机构包括腿模式和轮模式两种运动模式，按照如下方式进行切换：当轮腿机构处于腿模式时，锁定第一动力机，启动第二动力机驱动转盘收缩绳索，抬升小腿至小腿完全位于大腿的圆轮的圆周内，实现从腿模式向轮模式切换；当轮腿机构处于轮模式时，锁定第一动力机，控制第二动力机驱动转盘放出绳索，放下小腿至自然状态，实现从轮模式向腿模式切换；所述腿模式下，协调控制第一动力机、第二动力机完成大腿、小腿的协调运动，实现轮腿机构的腿式运动；所述轮模式下，锁定第二动力机，控制第一动力机驱动大腿转动，实现腿轮机构的轮式运动。

有益效果：

本发明的轮腿机构，可以方便地实现轮腿模式的切换，进而实现两种模式下的相应运动。本发明的轮腿机构，动力机均安装在机体上，因此腿质量轻，这有效的减小了机器人在腿模式下运动时腿的转动惯量对机器人稳定性的影响。本发明的轮腿机构，在腿的膝关节上加了一对扭簧，有效的减缓了机器人在腿模式下运动时趾撞击地面引起的振动。本发明的轮腿机构，在不增加额外的轮结构和动力机的情况下实现轮腿复合式机器人的轮式运动，简化了轮腿复合式机器人的结构。

附图说明

图1是本发明的轮腿机构的示意图；

图2是本发明的轮腿机构在腿模式下的示意图；

图3是本发明的轮腿机构在轮模式下的示意图；

图4是本发明的轮腿机构构成的轮腿复合式机器人处于腿模式下的示意图；

图5是本发明的轮腿机构构成的轮腿复合式机器人处于轮模式下的示意图；

图6是本发明的轮腿机构另一种实现方式的示意图。

其中：102-机体，104-第一动力机，106-第二动力机，108-大腿，110-小腿，112-趾，114-转盘，115-过孔，116-绳索，118-铰接装置，120-扭簧，122-髋关节，126-膝关节，128-凸块，130-缺口，1-髋关节旋转方向，2-髋关节旋转方向，3-转盘旋转方向，4-转盘旋转方向，5-膝关节旋转方向，6-膝关节旋转方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示是本发明具体实施的轮腿机构的示意图。本发明中的轮腿机构包括第一动力机104、第二动力机106、大腿108、小腿110、趾112、转盘114、绳索116、铰接装置118和一对左右旋的扭簧120。

第一动力机104、第二动力机106安装在机体102上。所述大腿108包括圆轮和大腿骨，所述大腿骨的顶端固定于圆轮的中心转轴上，大腿骨的末端固定于圆轮的圆周上，其中第一动力机104的输出轴连接大腿骨的顶端，控制大腿108转动，形成髋关节122。

大腿骨的末端和小腿110的顶端通过铰接装置118铰接在一起，形成膝关节126。一对左右旋的扭簧120一端安装在大腿骨的末端，一端安装在小腿110顶端，使膝关节126有一定的初始角度。

第二动力机106驱动连接在其输出轴上的转盘114转动，控制安装在转盘114上的绳索116的收放，绳索116经过大腿108上的过孔115，另一端安装在小腿110上，从而带动小腿110绕膝关节126转动。小腿110绕膝关节126做抬升运动是通过第二动力机106驱动绳索116回收克服扭簧120弹力实现的，而小腿110绕膝关节126做下放运动是通过第二动力机106驱动绳索116放出利用扭簧120弹力实现的。趾112安装在小腿110的末端。

如图2和图3分别是本发明的轮腿机构在腿模式下的示意图和本发明的轮腿机构在轮模式下的示意图。

本发明中的轮腿机构处于腿模式时，通过锁定第一动力机104，保持大腿108不动，控制第二动力机106驱动转盘114按方向4转动，使绳索116回收，小腿110抬升。所述圆轮的圆周上设置有用于小腿顺利回收的缺口130，所述小腿110上设置有与缺口130匹配的凸块128，两者的相对位置满足小腿110绕膝关节126收回时，凸块128恰好填补缺口130，此时小腿110整个包含在大腿108的圆形轮廓内，即实现了轮腿机构从腿模式到轮模式的切换，圆轮的圆周也完整无缺口，滚动稳定。

本发明中的轮腿机构处于轮模式时，通过锁定第一动力机104，保持大腿108不动，控制第二动力机106驱动转盘114按方向3转动，使绳索116放出，小腿110下放，直到膝关节126处的扭簧120恢复初始状态，即实现了轮腿机构从轮模式到腿模式的切换。

如图2是本发明实施的轮腿机构在腿模式下的示意图。本发明中的轮腿机构在腿模式下，控制第一动力机104驱动大腿108绕髋关节122按方向1或2转动，使轮腿机构向后缩或向前伸。控制第二动力机106驱动转盘114按方向3或4转动，安装在转盘114上的绳索116放出或回收，绳索116经过过孔115，在扭簧120的配合下，驱动小腿110绕膝关节126按方向5或6转动，使轮腿机构向上抬或向下放。协调控制第一动力机104和第二动力机106，驱动轮腿机构的后缩、前伸、上台和下放，可以实现轮腿机构的腿式运动。

如图3是本发明实施的轮腿机构在轮模式下的示意图。本发明中的轮腿机构在轮模式下，锁定第二动力机106，转盘114和安装在转盘114上的绳索116保持不动，在绳索116和扭簧120的共同作用下，小腿110相对膝关节126保持静止。控制第一动力机104驱动大腿108绕髋关节122按方向1或2转动，使轮腿机构向前或向后转，可以实现轮腿机构的轮式运动。

如图4是本发明的轮腿机构构成的轮腿复合式机器人处于腿模式下的示意图。按上所述，本发明的轮腿机构构成的轮腿复合式机器人在腿模式下，通过协调控制第一动力机104和第二动力机106可以实现腿式运动。

如图5是本发明实施的轮腿机构构成的轮腿复合式机器人处于轮模式下的示意图。按上所述，本发明的轮腿机构构成的轮腿复合式机器人在轮模式下，通过控制第一动力机104可以实现轮式运动。

如图6是本发明的轮腿机构另一种实现方式的示意图。与图1、2中的轮腿机构相比，消除了凸块128和缺口130，扭簧也仅需一个，但是轮腿模式的转换以及轮腿模式下的运动的实现方式保持不变，只是在腿模式变换成轮模式时，仅需使小腿110整个包含在大腿108的圆形轮廓内，无需凸块128恰好填补缺口130。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构，其特征在于：包括机体（102）、大腿（108）、小腿（110）、第一动力机（104）、第二动力机（106）以及转盘（114）；所述第一动力机（104）、第二动力机（106）固定于机体（102）上；所述大腿（108）包括圆轮和大腿骨，所述大腿骨的顶端固定于圆轮的中心转轴上，大腿骨的末端固定于圆轮的圆周上，第一动力机（104）控制圆轮的中心转轴旋转形成髋关节（122）；所述小腿（110）的长度小于圆轮的直径，小腿（110）的顶端与大腿骨的末端铰接形成膝关节（126）；所述第二动力机（106）控制转盘（114）转动，且转盘（114）上绕有绳索（116）且绳索（116）的自由端固定于小腿（110）上；

还包括扭簧（120），所述扭簧（120）的旋向与圆轮的中心转轴平行，且扭簧（120）的一端固定于大腿骨的末端、另一端固定于小腿（110）的顶端；

所述大腿（108）上设置有过孔（115），所述绳索（116）的自由端穿过过孔（115）后与小腿（110）固定。

2.一种权利要求1所述的应用于轮腿复合式机器人的轮腿机构的控制方法，其特征在于：该机构包括腿模式和轮模式两种运动模式，按照如下方式进行切换：当轮腿机构处于腿模式时，锁定第一动力机（104），启动第二动力机（106）驱动转盘（114）收缩绳索（116），抬升小腿（110）至小腿（110）完全位于大腿（108）的圆轮的圆周内，实现从腿模式向轮模式切换；当轮腿机构处于轮模式时，锁定第一动力机（104），控制第二动力机（106）驱动转盘（114）放出绳索（116），放下小腿（110）至自然状态，实现从轮模式向腿模式切换；所述腿模式下，协调控制第一动力机（104）、第二动力机（106）完成大腿（108）、小腿（110）的协调运动，实现轮腿机构的腿式运动；所述轮模式下，锁定第二动力机（106），控制第一动力机（104）驱动大腿（108）转动，实现腿轮机构的轮式运动。