CN105711677A - 一种越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种越障机器人，包括机架和设置在机架上的行走系统、运载平衡系统、控制系统，所述行走系统包括前脚和后脚，所述前脚包括第一脚、第二脚，二者铰接构成一个夹角，所述第二脚与机架活接，以及通过第二传动机构与第一脚构成二者沿铰接端相向旋转来促使机架前进或后退的联动配合；所述运载平衡系统，用于将信号反馈至控制系统；所述控制系统用于驱动行走系统工作，通过控制系统来控制机器人工作，通过运载平衡系统来控制机器人的平衡性，通过传动机构，第二脚和第一脚在行走间相互转化，第二脚与第一脚在直脚?斜脚的变换之间循环，从而跨越障碍物，适应各种路面的行走。

Description

一种越障机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种越障机器人。

背景技术

移动越障机器人所处环境大多为复杂的非结构化环境，如通过上下坡段和楼梯等复杂路况，因此需要越障机器人具备高机动性、强大的环境感知能力和快速的反应能力。

目前主要的越障方式有：轮式、腿式、履带式。其中轮式的效率最高，但适应能力最差；而腿式的适应能力最强，但效率最差；履带式的虽然有良好的爬坡性能和一定的越障能力，但效率比较低，灵活机动性差。

因此，急需开发一种不仅适应能力强、效率高、灵活机动性好，而且能够越过各种复杂路况的路段，平衡性好的越障机器人。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明提供一种越障机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种越障机器人，包括机架和设置在机架上的行走系统、运载平衡系统、控制系统，所述行走系统包括对称设置在机架外侧的前脚和对称设置在机架外侧的后脚，所述前脚包括第一脚、第二脚，二者铰接构成一个夹角，所述第二脚与机架活接，以及通过第二传动机构与第一脚构成二者沿铰接端相向旋转来促使机架前进或后退的联动配合；所述运载平衡系统，用于将信号反馈至控制系统；所述控制系统包括用于驱动行走系统工作的驱动组件、传感组件、控制组件，所述控制组件与驱动组件、传感组件电连接。

所述驱动组件包括设置在第二脚上的第一伺服电机；所述第二脚上设有第一传动机构，其包括主动轮和第一曲形齿条，所述主动轮套接在第一伺服电机的输出部，并与第一曲形齿条相啮合，所述第一曲形齿条固定在机架或其他部件上；所述第二传动机构包括设置在第二脚上的第二曲形齿条和设置在第一脚上的第三曲形齿条，二者构成啮合配合。

所述第二脚和第一脚上均设有上肢和下肢，所述第一伺服电机设置在上肢上，所述上肢内设有开口向下的容腔，所述下肢沿轴向嵌置在容腔中，所述下肢与上肢构成滑移配合。

所述上肢上设有第二伺服电机和丝杆，第二伺服电机通过丝杆带动下肢沿轴向运动。

所述下肢上远离上肢的该端设有用于与地面接触的支撑组件。

所述下肢上设有沿水平方向开口的卡槽，所述支撑组件置于卡槽上，二者固定连接。

所述支撑组件包括支撑件、万向轮和连接件，所述连接件置于卡槽上，连接件的一端设有横面，所述万向轮固定在横面上，连接件的另一端设有开口向下的U型槽，所述支撑件铰接于U型槽。

所述前脚的上肢设有第一伺服电机的该端外套设外盖，所述外盖的水平面上设有转向组件。

所述转向组件包括与水平面平行的平板、连接轴、第三伺服电机、第一转向轮、第二转向轮和对称设置且相互平行的两个连杆，所述连接轴一端与外盖的水平面连接，另一端穿过平板与第一转向轮连接，所述第三伺服电机固定在平板上，第三伺服电机的输出部穿过平板，与第二转向轮连接，所述第一转向轮和第二转向轮位于平板的同一面，所述连杆的一端固定在第一转向轮上，另一端固定在第二转向轮上。

设有垂直于水平面的轴承，所述轴承套接在连接轴上，且置于外盖和平板之间。

所述运载平衡系统包括用于检测水平度的平衡仪，所述平衡仪包括壳体和设置在壳体内部的管道通路，所述管道通路包括一个口字型的第一管，在口字型第一管的每个角上设有垂直向上的第二管，所述第一管、第二管内部中空，且相互连通，在第一管、第二管中设有液体，且在每个第二管中放置球，球浮在液体表面。

所述运载平衡系统包括用于探测球高度并与控制组件电连接的电子探测器，所述电子探测器设置在壳体的四个角上，与每个第二管相对应。

所述传感组件包括用于感测前脚或者后脚落地的力传感器，所述力传感器设置在第一伺服电机的输出部。

所述控制组件包括触摸屏和电路板，所述电路板分别与第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、电子探测器、力传感器和触摸屏电连接。

所述机架包括外壳，所述外壳套接在前脚和后脚上，用作移动平台。

所述机架包括对称设置的外壳，一个所述外壳套接在一边的前脚和后脚上，两个外壳之间设有座椅。

本发明的有益效果是：本发明通过控制系统来控制机器人工作，通过运载平衡系统来控制机器人的平衡性，通过传动机构，第二脚和第一脚在行走间相互转化，第二脚与第一脚在直脚-斜脚的变换之间循环，从而跨越障碍物，适应各种路面的行走。

附图说明

图1是本发明的左侧结构示意图。

图2是图1中A处的放大图。

图3是图1中B处的放大图。

图4是本发明左前脚上肢的部分结构示意图。

图5是本发明运载平衡系统的结构示意图。

图6是本发明平衡仪内部的管道通路示意图。

图7是本发明越障机器人用作轮椅的结构示意图。

图8是本发明越障机器人用作移动平台的结构示意图。

1-前脚，11-第一脚，111-上肢，1111-外套，112-下肢，1121-卡槽，1122-盖板，12-第二脚，13-第三脚，14-第四脚，2-后脚，3-机架，31-外壳，32-座椅，41-第一伺服电机，42-第二伺服电机，51-主动轮，52-第一曲形齿条，53-第二曲形齿条，54-第三曲形齿条，61-支撑件，62-万向轮，63-连接件，631-横面，632-U型槽，71-外盖，72-平板，73-连接轴，74-第三伺服电机，75-第一转向轮，76-第二转向轮，77-连杆，78-轴承，81-壳体，82-第一管，83-第二管，84-电子探测器，9-触摸屏。

具体实施方式

本申请中前脚与后脚连接关系相同，以下描述均以机器人的左前脚为例，后脚不再赘述，其中转向组件只有前脚有。

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图1和图7所示，一种越障机器人，包括机架3和设置在机架3上的行走系统、运载平衡系统、控制系统，所述行走系统包括对称设置在机架3外侧的前脚1和对称设置在机架3外侧的后脚2，所述前脚1包括第一脚11、第二脚12，二者铰接构成一个夹角，所述第二脚12与机架3活接，该第二脚12还通过第一传动机构与其他部件构成联动配合，以及通过第二传动机构与第一脚11构成二者沿铰接端相向旋转来促使机架3前进或后退的联动配合；所述后脚2包括第三脚13、第四脚14，二者铰接构成一个夹角，所述第三脚13通过第一传动机构与机架3构成联动配合，以及通过第二传动机构与第四脚14构成二者沿铰接端相向旋转来促使机架3前进或后退的联动配合；所述运载平衡系统，用于将信号反馈至控制系统；所述控制系统包括用于驱动行走系统工作的驱动组件、传感组件、控制组件，所述控制组件与驱动组件、传感组件电连接，通过控制系统来控制机器人工作，通过运载平衡系统来控制机器人的平衡性，通过第一传动机构和第二传动机构，第二脚12和第一脚11在行走间相互转化，第二脚12与第一脚11在直脚-斜脚的变换之间循环，从而跨越障碍物，适应各种路面的行走。

如图1和图4所示，所述驱动组件包括设置在第二脚12上的第一伺服电机41；所述第一传动机构包括主动轮51和第一曲形齿条52，所述主动轮51套接在第一伺服电机41的输出部，并与第一曲形齿条52相啮合，所述第一曲形齿条52固定在机架3或其他部件上；所述第二传动机构包括设置在第二脚12上的第二曲形齿条53和设置在第一脚11上的第三曲形齿条54，二者构成啮合配合，啮合配合能更好的让第一脚11和第二脚12之间的转换，一个伺服电机控制2只脚的动作，整个机器人8只脚，只需要4个伺服电机控制，比现有的一个伺服电机控制1只脚的，要省一半的成本。

第一传动机构和第二传动机构决定第二脚12和第一脚11的旋转角度，从而决定第一脚11和第二脚12之间的这个夹角的大小。

如图1所示，所述第二脚12和第一脚11上均设有上肢111和下肢112，所述第一伺服电机41设置在上肢111上，所述上肢111内设有开口向下的容腔，所述下肢112沿轴向嵌置在容腔中，所述下肢112与上肢111构成滑移配合，通过轴向的滑移，可以适应性地伸长或者缩短第二脚12、第一脚11，从而保证机器人在行走中其中心高度不会升降，即更加稳定。

进一步的，考虑到结构的连接方便性，在上肢111设有第一伺服电机41的该端，且在设有第一传动机构的该侧上设有一个外套1111，第二曲形齿条53固定在外套1111上，由于第二曲形齿条53需要与第三曲形齿条54啮合，由于第二脚12与第三曲形齿条54之间的距离太远，用外套1111来缩短距离，然后将将第二曲形齿条53固定在外套1111上，可以得到最佳的间距，得到最小的扭矩。

如图1所示，所述上肢111上设有第二伺服电机42和丝杆，第二伺服电机42通过丝杆带动下肢112沿轴向运动，以此来实现自动控制下肢112的伸缩，由于机器人一共有4个下肢112，所以采用自动控制可以相互配合的更好，获得更好的协调性。

如图1和图3所示，所述下肢112上远离上肢111的该端设有用于与地面接触的支撑组件，保证下肢112落地在不平的平面上时，支撑组件可以调节落地的稳定性。

如图1和图3所示，所述下肢112上设有沿水平方向开口的卡槽1121，所述支撑组件沿下肢112的轴向卡嵌在卡槽1121上，外面还设有盖板1122，螺栓穿过卡槽1121、支撑组件，紧固在盖板1122上，从而保证支撑组件在卡槽1121内不滑移。

如图1和图3所示，所述支撑组件包括支撑件61、万向轮62和连接件63，所述连接件61置于卡槽1121上，连接件63的一端设有横面631，所述万向轮62固定在横面631上，连接件63的另一端设有开口向下的U型槽632，所述支撑件61铰接于U型槽632，支撑件61可以随落地面的倾斜度而适当旋转，以适应地面，实现平稳落地，此外，万向轮62是备用，当机器人在断电时，可以对支撑组件进行调节，让万向轮62落地，实现人为的推。

如图1和图2所示，所述前脚1的上肢111设有第一伺服电机41的该端外套设外盖71，所述外盖71的水平面上设有转向组件，通过转向组件实现机器人进行间的转向，此时，前脚1所对应的第一曲形齿条52固定在外盖71的内壁上，所述外盖71的外侧壁上设有扇形槽，第一伺服电机41的尾部卡嵌在扇形槽中，并在扇形槽中运动，并由此限定第一传动机构和第二传动机构的最大旋转角度。

如图 2所示，所述转向组件包括与水平面平行的平板72、连接轴73、第三伺服电机74、第一转向轮75、第二转向轮76和对称设置且相互平行的两个连杆77，所述连接轴73一端与外盖71的水平面连接，另一端穿过平板72与第一转向轮75连接，所述第三伺服电机74固定在平板72上，第三伺服电机74的输出部穿过平板72，与第二转向轮76连接，所述第一转向轮75和第二转向轮76位于平板72的同一面，所述连杆77的一端固定在第一转向轮75上，另一端固定在第二转向轮76上，通过第三伺服电机74带动第二转向轮76旋转，第二转向轮76通过连杆77将扭矩传动到第一转向轮75上，第一转向轮75 旋转，并通过连接轴73带动外盖71旋转，最终带动前脚1转向。

如图 2所示，设有垂直于水平面的轴承78，所述轴承78套接在连接轴73上，且置于外盖71和平板72之间,轴承78用于起支撑作用，用于承受轴向的负荷，且减少外盖71和平板72之间的磨损，以及用做磨损的替换件。

如图 5和图6所示，所述运载平衡系统包括用于检测水平度的平衡仪，所述平衡仪包括壳体81和设置在壳体81内部的管道通路，所述管道通路包括一个口字型的第一管82，在口字型第一管82的每个角上设有垂直向上的第二管83，即设有4个第二管83，每个第二管82代表机器人的一个前脚1或一个后脚2，所述第一管82、第二管83内部中空，且相互连通，在第一管82、第二管83中设有液体，且在每个第二管83中放置球，球浮在液体表面，每个第二管83中的球用于表示该方位的前脚1或者后脚2的高度位置，例如，当机器人的左前脚高度比其右前脚、左后脚、右后脚都低时，左前脚对应的第二管83中的球的高度会同时降低，系统即可获知机器人当前位置未达到平衡状态。

如图 5和图6所示，所述运载平衡系统包括用于探测球高度并与控制组件电连接的电子探测器84，所述电子探测器84设置在壳体81的四个角上，与每个第二管83相对应，球的高度位置会被对应的电子探测器84获知，然后电子探测器84会随之将信号传送到控制组件，由控制组件发出调整指令，驱使对应的伺服电机工作，进行对应的前脚1或后脚2的高度调整。

所述传感组件包括用于感测前脚1或者后脚2落地的力传感器，所述力传感器设置在第一伺服电机41的输出部，力传感器也是用于感应机器人对应的前脚1或者对应的后脚2的安稳落地，避免落地不稳而发生倾翻。

如图 7所示，所述控制组件包括触摸屏91和电路板，所述电路板分别与第一伺服电机41、第二伺服电机42、第三伺服电机74、电子探测器84、力传感器和触摸屏91电连接，通过触摸屏91输入相关指令，让机器人进行前进、后退、转向等动作，方便快捷，尤其当该机器人用作代步轮椅时，该机器人上还可以装置感应器，用以感应人的各项生理指标，并显示在触摸屏91上；还可装GPS定位，方便亲属进行定位从而找人；还可以通过互联网进行通话，并显示在触摸屏91上；以及设置与运动手环进行相对接的通讯口，从而将运动手环的信息显示在触摸屏91上。

如图 7所示，所述机架3包括外壳31，所述外壳31套接在前脚1和后脚2上，用作移动平台，外壳31将两边的前脚1和后脚2都覆盖住，其上表面是一个水平面，可以用于放置物品，从而用作移动平台。

如图8所示，所述机架3包括对称设置的外壳31，一个外壳31覆盖一边的前脚1和后脚2，两个外壳31之间设有座椅32，人坐在座椅32上，通过操作触摸屏91可以代步，进行正常的移动。

以机器人的左侧为例，

通过触摸屏91给机器人指令，当机器人前进时，前脚1上的主动轮51逆时针旋转，第二脚12顺时针旋转，第二脚12上的第二曲形齿条53也随之顺时针旋转，与之相啮合的第三曲形齿条54逆时针旋转，从而带动第一脚11逆时针旋转，在第一脚11、第二脚12旋转的同时，后脚2上正好相反，第二脚12逆时针旋转，第一脚11瞬时间旋转，控制组件同步会驱动前脚1上的第二伺服电机42和后脚2上的第二伺服电机42驱动各自的下肢112做适应性的伸缩，同时，电子探测器84通过感测球的高度反馈到控制组件，控制组件会进一步驱动第二伺服电机42对相应的下肢112做适应性调整，最终保证机器人稳定落地。

以上结合附图所描述的实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的保护范围的限定，任何基于本发明精神所做的改进都理应在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种越障机器人，包括机架（3）和设置在机架（3）上的行走系统、运载平衡系统、控制系统，其特征在于：

所述行走系统包括对称设置在机架（3）外侧的前脚（1）和对称设置在机架（3）外侧的后脚（2），所述前脚（1）包括第一脚（11）、第二脚（12），二者铰接构成一个夹角，所述第二脚（11）与机架（3）活接，以及通过第二传动机构与第一脚（11）构成二者沿铰接端相向旋转来促使机架（3）前进或后退的联动配合；

所述运载平衡系统，用于将信号反馈至控制系统；

所述控制系统包括用于驱动行走系统工作的驱动组件、传感组件、控制组件，所述控制组件与驱动组件、传感组件电连接。

2.根据权利要求1所述的一种越障机器人，其特征在于：所述驱动组件包括设置在第二脚（12）上的第一伺服电机（41）；所述第二脚（12）上设有第一传动机构，其包括主动轮（51）和第一曲形齿条（52），所述主动轮（51）套接在第一伺服电机（41）的输出部，并与第一曲形齿条（52）相啮合，所述第一曲形齿条（52）固定在机架（3）或其他部件上；所述第二传动机构包括设置在第二脚（12）上的第二曲形齿条（53）和设置在第一脚（11）上的第三曲形齿条（54），二者构成啮合配合。

3.根据权利要求2所述的一种越障机器人，其特征在于：所述第二脚（12）和第一脚（11）上均设有上肢（111）和下肢（112），所述第一伺服电机（41）设置在上肢（111）上，所述上肢（111）内设有开口向下的容腔，所述下肢（112）沿轴向嵌置在容腔中，所述下肢（112）与上肢（111）构成滑移配合。

4.根据权利要求3所述的一种越障机器人，其特征在于：所述前脚（1）的上肢（111）设有第一伺服电机（41）的该端外套设外盖（71），所述外盖（71）的水平面上设有转向组件，所述转向组件包括与水平面平行的平板（72）、连接轴（73）、第三伺服电机（74）、第一转向轮（75）、第二转向轮（76）和对称设置且相互平行的两个连杆（77），所述连接轴（73）一端与外盖（71）的水平面连接，另一端穿过平板（72）与第一转向轮（75）连接，所述第三伺服电机（74）固定在平板（72）上，第三伺服电机（74）的输出部穿过平板（72），与第二转向轮（76）连接，所述第一转向轮（75）和第二转向轮（76）位于平板（72）的同一面，所述连杆（77）的一端固定在第一转向轮（75）上，另一端固定在第二转向轮（76）上。

5.根据权利要求4所述的一种越障机器人，其特征在于：设有垂直于水平面的轴承（78），所述轴承（78）套接在连接轴（73）上，且置于外盖（71）和平板（72）之间。

6.根据权利要求1所述的一种越障机器人，其特征在于：所述运载平衡系统包括用于检测水平度的平衡仪，所述平衡仪包括壳体（81）和设置在壳体（81）内部的管道通路，所述管道通路包括一个口字型的第一管（82），在口字型第一管（82）的每个角上设有垂直向上的第二管（83），所述第一管（82）、第二管（83）内部中空，且相互连通，在第一管（82）、第二管（83）中设有液体，且在每个第二管（83）中放置球，球浮在液体表面。

7.根据权利要求6所述的一种越障机器人，其特征在于：所述运载平衡系统包括用于探测球高度并与控制组件电连接的电子探测器（84），所述电子探测器（84）设置在壳体（81）的四个角上，与每个第二管（83）相对应。

8.根据权利要求1所述的一种越障机器人，其特征在于：所述传感组件包括用于感测前脚（1）或者后脚（2）落地的力传感器，所述力传感器设置在第一伺服电机（41）的输出部。

9.根据权利要求1所述的一种越障机器人，其特征在于：所述机架（3）包括外壳（31），所述外壳（31）套接在前脚（1）和后脚（2）上，用作移动平台。

10.根据权利要求1所述的一种越障机器人，其特征在于：所述机架（3）包括对称设置的外壳（31），一个所述外壳（31）套接在一边的前脚（1）和后脚（2）上，两个外壳（31）之间设有座椅（32）。