CN107128390B - 一种腿轮混合机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腿轮混合机器人，解决了现有技术中可行走机器人对不同地面地形适应能力低的技术问题。该腿轮混合机器人包括车体，所述车体下部安装有车轮和步行腿，所述车轮位于所述车体行进方向的后侧，所述步行腿位于所述车体行进方向的前侧，所述车轮设置有第一驱动电机，所述机器人同时依靠所述车轮和步行腿行走。本发明既具有轮式机器人运动速度快、运动灵活的特点，又具有足式机器人越障能力强、过沟能力强的特点，本发明的腿轮混合机器人可以适应不同的地面地形，适应能力较强。

Description

一种腿轮混合机器人
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种腿轮混合机器人，用于载人或载物。
背景技术
足式机器人由步行腿组成，足式机器人具有优良的越障、过沟和地形适应能力，运动灵活性好优点，但是具有行走速度慢、驱动效率低等缺点，能量利用效率低限制了足式机器人有效载荷自重比；而轮式机器人行走速度快、驱动效率高、但是越障能力有限。当前的研究和产品主要集中在足式和轮式两种机器人方面，不能进一步集中利用两种机器人的越障能力和运行速度快的优点。
轮式机器人一般由两个电机驱动两组车轮实现机器人在地面上运动，足式机器人一般由两个或者四个腿组成，通过各个腿交替和地面接触，实现在地面上行走。
轮式机器人越障能力有限，过沟能力和地形适应能力较低；足式机器人行走速度缓慢、驱动效率低、控制复杂。
现有技术中也有采用腿轮混合设计的机器人，但是腿和轮是根据工况分别单独使用的，并非同时使用，没有充分利用轮式机器人和足式机器人的优点。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种腿轮混合机器人，同时设置了车轮和步行腿，具有较高的越障能力和过沟能力，地形适应能力强；同时行走速度快、驱动效率高、控制简单。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种腿轮混合机器人，包括车体，所述车体下部安装有车轮和步行腿，所述车轮位于所述车体行进方向的后侧，所述步行腿位于所述车体行进方向的前侧，所述车轮设置有第一驱动电机，所述机器人同时依靠所述车轮和步行腿行走。
进一步，所述车轮包括至少两组，所述车轮行走时，将驱动力通过车体传递至所述步行腿，驱动所述步行腿行走；或者所述步行腿设置有第二驱动电机，用于驱动所述步行腿行走。
进一步，所述步行腿包括至少两组，分别为左腿和右腿，左腿和右腿结构相同对称布置，在所述机器人行走过程中所述左腿和右腿交替接触地面，所述左腿和右腿均为包括若干根连杆的运动链机构。
进一步，所述左腿和右腿均包括啮合传动的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮安装在所述车体上，所述第二齿轮的中心轴的两端分别连接有第一曲柄和第二曲柄，所述第二齿轮旋转的同时驱动所述第一曲柄和第二曲柄旋转；所述第一曲柄的外端铰接有第三连杆，所述第二曲柄的外端铰接有第二连杆，所述第二连杆和第三连杆下端分别与腿部连杆铰接，所述第三连杆上铰接有第一连杆，所述第一连杆另一端与所述车体铰接。
进一步，所述第一齿轮或第二齿轮为原动件，所述第二驱动电机驱动所述第一齿轮或第二齿轮转动，所述左腿和右腿中的第一齿轮之间连接传动轴。
进一步，同一组步行腿中的所述第一曲柄和第二曲柄的位置相差180度；不同组步行腿中的所述第一曲柄的位置相差180度，所述第二曲柄的位置也是相差180度；所述第二曲柄和第二连杆均为Z字形，所述第二曲柄转动过程中可以避让所述第二驱动电机。
进一步，所述腿部连杆为T型，下端呈半圆形。
进一步，所述车体包括车架，所述车架呈平台型，所述车架下部设置有两个支腿和两个安装板，后部的两个支腿下端分别安装所述车轮，前部的两个安装板上安装所述第一齿轮、第二齿轮和第一连杆。
进一步，所述安装板垂直所述车体安装，所述第一齿轮和第二齿轮安装在所述安装板内侧，所述第一连杆、第一曲柄安装在所述安装板外侧。
进一步，所述步行腿相邻设置，两组所述步行腿的间距小于两组所述车轮的间距。
采用上述结构设置的腿轮混合机器人具有以下优点：
本发明中机器人采用了步行腿机构，该步行腿可以实现步态运动，两组步行腿可以交替和地面接触支撑。步行腿的迈步行走可以由电机驱动或者车轮驱动力实现。
本发明中机器人采用两个电机驱动车轮转动，可以在地面上实现两自由度运动，具有轮式机器人运动速度快、运动灵活等特点。
本发明中机器人根据工况，电机输出力矩，越障能力、过沟能力增强，可以跨越一定宽度的壕沟。
本发明中机器人可以适应不同的地面地形，适应能力较强。
本发明中机器人步行腿运动结构只需要一个电机驱动，控制简单。
本发明中机器人充分利用了轮式机器人和足式机器人的优点，结构新颖。
附图说明
图1是本发明实施例1中机器人的立体图；
图2是本发明实施例1中机器人的分解图；
图3是本发明实施例1中机器人的主视图；
图4是本发明实施例1中机器人的左视图；
图5是本发明实施例1中机器人的剖视图；
图6是本发明所采用步行腿(左腿)的立体图；
图7是本发明所采用步行腿(左腿)的分解图；
图8是本发明所采用步行腿(左腿)的主视图；
图9是本发明所采用步行腿(左腿)的平面机构简图。
图中：1.车体；1-1.车架；1-2.支腿；1-3.安装板；2.车轮；3.第一驱动电机；4.第二驱动电机；5.步行腿；5-1.第一连杆；5-2.第一齿轮；5-3.第二齿轮；5-4.第一曲柄；5-5.中心轴；5-6.第二曲柄；5-7.第二连杆；5-8.腿部连杆；5-9.第三连杆；6.传动轴；7.第一驱动电机；8.车轮。
具体实施方式
本发明的设计构思是：
现有技术中的轮式机器人越障能力有限，过沟能力和地形适应能力较低。足式机器人行走速度缓慢、驱动效率低、控制复杂。为此，本发明提供了一种腿轮混合机器人，同时设置了车轮和步行腿，车轮位于行进方向的后侧，步行腿位于行进方向的前侧，机器人同时依靠车轮和步行腿行走，充分利用了轮式机器人和足式机器人的优点。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1、图2、图3、图4所示为本发明实施例1，在该实施例中，一种腿轮混合机器人，包括车体1，车体1下部安装有车轮和步行腿5，车轮位于车体1行进方向的后侧，步行腿5位于车体1行进方向的前侧，车轮设置有第一驱动电机，机器人同时依靠车轮和步行腿5行走。
如图1所示，车轮包括两组，即车轮2、8，车轮2设置有第一驱动电机3，车轮8设置有第一驱动电机7。
在该实施例中，步行腿5设置有第二驱动电机4，用于驱动步行腿5行走，即步行腿5可以主动行走。第二驱动电机4输出力矩，机器人的越障能力、过沟能力增强，可以跨越一定宽度的壕沟。
如图3所示，步行腿5包括两组，分别为左腿和右腿，左腿和右腿结构相同对称布置，在机器人行走过程中左腿和右腿交替接触地面，左腿和右腿均为包括若干根连杆的运动链机构。第二驱动电机4仅需要设置一组，驱动左腿和右腿均可，左腿和右腿之间还设置有传动轴6，下面有具体描述。
如图6、图7、图8所示，左腿和右腿均包括啮合传动的第一齿轮5-2和第二齿轮5-3，第一齿轮5-2和第二齿轮5-3安装在车体1上，第二齿轮5-3的中心轴5-5的两端分别连接有第一曲柄5-4和第二曲柄5-6，第二齿轮5-3旋转的同时驱动第一曲柄5-4和第二曲柄5-6旋转。
中心轴5-5的两端和第一曲柄5-4和第二曲柄5-6不是铰接结构，而是传动结构，例如可以采用方孔和方轴的连接结构。
第一曲柄5-4的外端铰接有第三连杆5-9，第二曲柄5-6的外端铰接有第二连杆5-7，第二连杆5-7和第三连杆5-9下端分别与腿部连杆5-8铰接，第三连杆5-9上铰接有第一连杆5-1，第一连杆5-1另一端与车体1铰接。
在该机构中，第一齿轮5-2或第二齿轮5-3为原动件，第二驱动电机4驱动第一齿轮5-2或第二齿轮5-3转动，左腿和右腿中的第一齿轮5-2之间连接传动轴6。第二驱动电机4的输出轴可以直接连接第一齿轮5-2或第二齿轮5-3的中心轴，或者第二驱动电机4的输出轴通过齿轮与第一齿轮5-2或第二齿轮5-3啮合传动。
第二驱动电机4需要安装在车体1上，无论是驱动第一齿轮5-2还是第二齿轮5-3，第二驱动电机4的安装结构都不能影响运动链的运动轨迹。
如图6、图7所示，同一组步行腿5中的第一曲柄5-4和第二曲柄5-6的位置相差180度；因为左腿和右腿需要交替接触地面，所以如图1、图2所示，不同组步行腿5中的第一曲柄5-4的位置相差180度，第二曲柄5-6的位置也是相差180度。
第二曲柄5-6和第二连杆5-7均为Z字形。
当第二驱动电机4驱动第二齿轮5-3转动时，Z字形的第二曲柄5-6转动过程中可以避让第二驱动电机4。
如图8所示，腿部连杆5-8为T型，下端呈半圆形，有利于腿部连杆5-8与地面以弧线移动轨迹接触并离开。
如图3、图4、图5所示，车体1包括车架1-1，车架1-1呈平台型，车架1-1下部设置有两个支腿1-2和两个安装板1-3，后部的两个支腿1-2下端分别安装车轮2、8，前部的两个安装板1-3上安装第一齿轮5-2、第二齿轮5-3和第一连杆5-1。
安装板1-3垂直车体安装，第一齿轮5-2和第二齿轮5-3安装在安装板1-3内侧，第一连杆5-1、第一曲柄5-4安装在安装板1-3外侧。
支腿1-2、安装板1-3和车架1-1可以一体制成，可以采用结构强度较高重量较轻的铝合金、塑料、碳纤维等材料制成。步行腿5中的运动链结构要求采用结构强度较高的不锈钢、塑料、碳纤维等材料制成。车架1-1上还可以设置辅助固定物，用来固定所载物体。
如图3所示，步行腿5相邻设置，两组步行腿5的间距小于两组车轮2、8的间距。机器人整体类似一个三足结构。两组步行腿5相邻设置，间距较小，这样设计能够避免步行腿5交替接触地面时车体1发生明显颠簸。
步行腿5的自由度数由公式F＝3n-(2Pl+Ph)进行计算，可以分两种情况来计算，参考图9所示的左腿平面机构简图。
当第一齿轮5-2为原动件时，第一齿轮5-2和第二齿轮5-3是机构的一部分，其中活动构件数n＝6，低副数Pl＝8，高副数Ph＝1，则F＝1，机构具有确定运动。
其中，低副包括第一齿轮5-2的中心轴安装处、第二齿轮5-3的中心轴5-5安装处、第一连杆5-1的两端铰接处、第三连杆5-9的两端铰接处和第二连杆5-7的两端铰接处，高副仅包括第一齿轮5-2和第二齿轮5-3的啮合传动。
当第二齿轮5-3为原动件时，第一齿轮5-2可以不算是机构的一部分，其中活动构件数n＝5，低副数Pl＝7，高副数Ph＝0，则F＝1，机构具有确定运动。
其中，低副包括第二齿轮5-3的中心轴5-5安装处、第一连杆5-1的两端铰接处、第三连杆5-9的两端铰接处和第二连杆5-7的两端铰接处，高副为零。
实施例2
在该实施例中，与实施例1所不同的是，步行腿5不设置第二驱动电机4，当车轮2、8行走时，将驱动力通过车体1传递至步行腿5，驱动步行腿5行走。
因为没有第二驱动电机4输出力矩，机器人的越障能力、过沟能力相比实施例1会弱一些，但是比轮式机器人还是要明显提高。
在该实施例中腿轮混合机器人的其他结构与实施例1中相同，此处不再重复描述。
实施例3
在该实施例中，与实施例1所不同的是，步行腿5可以设置多于两组的偶数个，车轮也可以设置多于两组的偶数个。
例如两组车轮和四组步行腿5的组合，两组车轮还是位于车体1行进方向的后侧，四组步行腿5位于车体1行进方向的前侧。要求前面两组步行腿5和中部的两组步行腿5结构相同，车体1左右两侧可以同时具有接触地面的步行腿5，这样机器人的行进速度会更快，也更平稳，越障能力、过沟能力更强。
例如四组车轮和两组步行腿5的组合，四组车轮还是位于车体1行进方向的后侧，两组步行腿5位于车体1行进方向的前侧。这样机器人的行进速度会更快，也更平稳，承载能力更高。
在该实施例中腿轮混合机器人的其他结构与实施例1中相同，此处不再重复描述。
以上，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种腿轮混合机器人，包括车体，其特征在于，所述车体下部安装有车轮和步行腿，所述车轮位于所述车体行进方向的后侧，所述步行腿位于所述车体行进方向的前侧，所述车轮设置有第一驱动电机，所述机器人同时依靠所述车轮和步行腿行走；
所述步行腿包至少括两组，分别为左腿和右腿，左腿和右腿结构相同对称布置；
所述左腿和右腿均包括啮合传动的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮安装在所述车体上，所述第二齿轮的中心轴的两端分别连接有第一曲柄和第二曲柄，所述第二齿轮旋转的同时驱动所述第一曲柄和第二曲柄旋转；所述第一曲柄的外端铰接有第三连杆，所述第二曲柄的外端铰接有第二连杆，所述第二连杆和第三连杆下端分别与腿部连杆铰接，所述第三连杆上铰接有第一连杆，所述第一连杆另一端与所述车体铰接。
2.如权利要求1所述的腿轮混合机器人，其特征在于，所述车轮包括至少两组，所述车轮行走时，将驱动力通过车体传递至所述步行腿，驱动所述步行腿行走；或者所述步行腿设置有第二驱动电机，用于驱动所述步行腿行走。
3.如权利要求1所述的腿轮混合机器人，其特征在于，在所述机器人行走过程中所述左腿和右腿交替接触地面，所述左腿和右腿均为包括若干根连杆的运动链机构。
4.如权利要求2所述的腿轮混合机器人，其特征在于，所述第一齿轮或第二齿轮为原动件，所述第二驱动电机驱动所述第一齿轮或第二齿轮转动，所述左腿和右腿中的第一齿轮之间连接传动轴。
5.如权利要求2所述的腿轮混合机器人，其特征在于，同一组步行腿中的所述第一曲柄和第二曲柄的位置相差180度；不同组步行腿中的所述第一曲柄的位置相差180度，所述第二曲柄的位置也是相差180度；所述第二曲柄和第二连杆均为Z字形，所述第二曲柄转动过程中可以避让所述第二驱动电机。
6.如权利要求1所述的腿轮混合机器人，其特征在于，所述腿部连杆为T型，下端呈半圆形。
7.如权利要求1所述的腿轮混合机器人，其特征在于，所述车体包括车架，所述车架呈平台型，所述车架下部设置有两个支腿和两个安装板，后部的两个支腿下端分别安装所述车轮，前部的两个安装板上安装所述第一齿轮、第二齿轮和第一连杆。
8.如权利要求7所述的腿轮混合机器人，其特征在于，所述安装板垂直所述车体安装，所述第一齿轮和第二齿轮安装在所述安装板内侧，所述第一连杆、第一曲柄安装在所述安装板外侧。
9.如权利要求1所述的腿轮混合机器人，其特征在于，所述步行腿相邻设置，两组所述步行腿的间距小于两组所述车轮的间距。
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