CN108502045B

CN108502045B - 行走机构

Info

Publication number: CN108502045B
Application number: CN201810295748.7A
Authority: CN
Inventors: 罗冯涛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: US10717484B2; US20190308678A1; CN108502045A

Abstract

本申请涉及一种行走机构，其包括行走单元，行走单元包括载荷框，载荷框上固定穿设有芯轴，芯轴上套设有内轴套，内轴套能够绕芯轴旋转；载荷框的两侧分别至少设置二个迈腿支撑组件；迈腿支撑组件包括大齿轮、外轴套和支撑座轴套；大齿轮固定套设在内轴套上，大齿轮上开设有若干锁销孔；外轴套与大齿轮并排设置，且外轴套活动套设在内轴套上；支撑座轴套固定套设在外轴套上；支撑座轴套上设置有伸缩缸，伸缩缸连接有着地腿；控制单元，控制单元包括主控制器和辅控单元，辅控单元包括辅控制器、重力传感器、陀螺仪、电磁销和电机；重力传感器、陀螺仪和电磁销均与辅控制器连接；辅控制器与电机和伸缩缸连接；辅控制器与主控制器进行通信。

Description

行走机构

技术领域

本申请属于机械行走技术领域，具体涉及一种行走机构。

背景技术

现有的行走机构大多采用轮式或者履带式行走机构，或者仿人行的行走机构，这些机构多模仿美国波士顿动力的仿人行行走机构或者机器狗。

轮式行走机构存在越野性能差、不能爬楼梯等缺陷；履带式行走机构存在重量过重、不能入室等缺陷；轮式或者履带式行走机构在进行野外工作时，也存在体积笨重、爬山或越障等具有很多局限性等缺陷。目前市面上流行的机器狗或机器人都存在负载轻、耗电大、结构复杂，系统断电后无法保持自平衡、控制复杂等各种缺陷。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种行走机构。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种行走机构，其包括：

行走单元，所述行走单元包括载荷框、芯轴、内轴套和迈腿支撑组件；所述载荷框上固定穿设一根所述芯轴，或者在所述载荷框的两侧分别固定设置一根所述芯轴；所述内轴套套设在所述载荷框两侧的所述芯轴上，所述内轴套能够绕所述芯轴旋转；所述载荷框的两侧分别至少设置二个所述迈腿支撑组件；

所述迈腿支撑组件包括大齿轮、外轴套和支撑座轴套；所述大齿轮固定套设在所述内轴套上，所述大齿轮上开设有若干锁销孔；所述外轴套与大齿轮并排设置，且所述外轴套活动套设在所述内轴套上；所述支撑座轴套固定套设在所述外轴套上；所述支撑座轴套上设置有伸缩缸，所述伸缩缸连接有着地腿；

控制单元，所述控制单元包括主控制器和辅控单元，所述辅控单元设置在所述支撑座轴套上；

所述辅控单元包括辅控制器、重力传感器、陀螺仪、电磁销和电机；所述重力传感器、陀螺仪和电磁销均与所述辅控制器连接；所述辅控制器通过电机驱动电路与所述电机连接；所述辅控制器通过伸缩缸驱动电路与所述伸缩缸连接；所述电机连接有小齿轮，所述小齿轮与大齿轮啮合；所述电磁销与锁销孔配合实现所述内轴套与外轴套的固定连接状态或相对转动状态；所述辅控制器与主控制器进行通信。

进一步地，所述载荷框上固定穿设一根所述芯轴时，所述芯轴的两端到所述载荷框中心的距离相等。

进一步地，所述芯轴的两端均设置一阻尼器，所述阻尼器与主控制器连接。

进一步地，所述行走机构中还设置有无线通信模块，所述主控制器通过所述无线通信模块与外部上位机进行通信；所述上位机通过所述无线通信模块对所述主控制器进行远程控制，所述主控制器通过所述无线通信模块将所述迈腿支撑组件的工作状态信号发送给所述上位机。

进一步地，所述内轴套上设置有键，所述大齿轮的中心处设置有键孔或键槽，所述键与键孔或键槽匹配设置。

进一步地，每个所述迈腿支撑组件中设置一个所述电磁销，在所述大齿轮上设置至少一个所述锁销孔。

更进一步地，所述电磁销位于所述大齿轮的盘面上，绕所述大齿轮所在的圆周均匀设置3个或3个以上所述锁销孔。

更进一步地，所述载荷框的一侧设置有二或三或四个所述迈腿支撑组件；不同的所述迈腿支撑组件中的锁所述销孔错位设置。

进一步地，所述着地腿的底部设置有固定轮。

进一步地，其特征在于，所述大齿轮与芯轴之间还设置有滑动隔套。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请采用机电一体化的机构，设置了行走单元和控制单元，行走单元包括芯轴、内轴套和多个结构完全相同的迈腿支撑组件，控制单元包括主控制器和辅控单元；行走单元采用双层轴套结构，锁销孔与电磁销的配合、大齿轮与小齿轮之间的啮合运动，能够简化系统的控制过程，保证迈腿和支撑之间的自由转换；控制单元只需要简单的伸缩和换腿控制，就能够使行走机构实现常规的行走、爬坡和跳跃等动作。本申请创造性地采用并排多个结构完全相同的迈腿支撑组件的形式，利用控制单元实现迈腿支撑组件的伸缩和换腿控制，能够简化行走机构直立行走的复杂性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种行走机构的结构示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种行走机构中迈腿支撑组件的结构示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种行走机构中控制单元的原理图之一。

图4是根据一示例性实施例示出的一种行走机构中控制单元之二。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

如图1～图3所示，本申请行走机构包括行走单元1和控制单元2，行走单元1在控制单元2的控制下能够实现常规的行走、爬坡和跳跃等动作。

行走单元1包括载荷框11、芯轴12、内轴套13和迈腿支撑组件14。其中，载荷框11上固定穿设一根芯轴12，或者在载荷框11的两侧分别固定设置一根芯轴12。当载荷框11上固定穿设一根芯轴12时，芯轴12的两端到载荷框11中心的距离相等。当载荷框11的两侧分别固定设置一根芯轴12时，两根芯轴12采用完全相同的芯轴，且两根芯轴12位于同一条直线上。

内轴套13套设在载荷框11两侧的芯轴12上，内轴套13能够绕芯轴12旋转。载荷框11的两侧分别至少设置二个迈腿支撑组件14。

迈腿支撑组件14包括大齿轮141、外轴套142和支撑座轴套143。其中，大齿轮141固定套设在内轴套13上，大齿轮141上开设有若干锁销孔1411。外轴套142与大齿轮141并排设置，且外轴套142活动套设在内轴套13上。支撑座轴套143固定套设在外轴套142上。

支撑座轴套143上设置有伸缩缸144，伸缩缸144连接有着地腿145。

控制单元2包括主控制器21和辅控单元22，其中，辅控单元22设置在支撑座轴套143上。辅控单元22包括辅控制器221、重力传感器222、陀螺仪223、电磁销224和电机225。重力传感器222、陀螺仪223和电磁销224均与辅控制器221连接。辅控制器221通过电机驱动电路与电机225连接。辅控制器221通过伸缩缸驱动电路与伸缩缸144连接。电机225连接有小齿轮226，小齿轮226与大齿轮141啮合。电磁销224与锁销孔1411配合使用，实现内轴套13与外轴套142的固定连接状态或相对转动状态。辅控制器221与主控制器21进行通信。主控制器21向辅控制器221发送控制指令，辅控制器221根据接收到的控制指令分别控制所在支撑座轴套143上的伸缩缸144、电磁销224和电机225。

另外，本实施例中，也可以直接省去各辅控单元22中的辅控制器221，直接使用主控制器21接收重力传感器222采集到的重力信号和陀螺仪223采集到的角度、加速度、速度信号，以及对支撑座轴套143上的伸缩缸144、电磁销224和电机225进行控制。

具体的，当辅控制器221控制电磁销224插入锁销孔1411中时，外轴套142依次通过支撑座轴套143、电磁销224、锁销孔1411和大齿轮141与内轴套13固定连接，这时与外轴套142固定连接的支撑座轴套143上连接的着地腿145就能够与大齿轮141同步转动。当辅控制器221控制电磁销224从锁销孔1411中拔出时，外轴套142能够绕内轴套13旋转，这时与外轴套142固定连接的支撑座轴套143上连接的着地腿145就能够相对于大齿轮141绕内轴套13转动，实现着地腿145的前迈；而且该着地腿145前迈时，不影响内轴套13，已经与内轴套13固定连接的外轴套142上固定的迈腿支撑组件14能够支撑整个行走机构前进。

在电磁销224从锁销孔1411中拔出的情况下，辅控制器221控制电机225动作，电机225带动小齿轮226转动，小齿轮226带动大齿轮141转动。辅控制器221控制伸缩缸144做伸缩运动，伸缩缸144带动着地腿145做抬起或着地运动。

当着地腿145着地时，通过伸缩缸144的伸缩，实现行走平台的前进。

当两条着地腿145或者一条着地腿145确保行走平台前进时，其余的非着地状态的着地腿145所在的支撑座轴套143上的电磁销224从锁销孔1411中移出，确保该支撑座轴套143与大齿轮141以及内轴套13为自由状态。然后由电机225驱动该不着地的着地腿145向前进方向迈腿，迈到相应位置后，重新控制电磁销224插入锁销孔1411中，内轴套13与外轴套142变为固定连接状态；确保下一步来临前，这条不着地的着地腿145已经做好撑地准备，可以保证前进步伐的连续进行。为了保证迈腿的过程中，着地腿145不和地面发生碰撞，辅控制器221必须控制迈腿的着地腿145连接的伸缩缸144为缩短状态。

其中，重力传感器222采集所在着地腿145的重力信号，并发送给辅控制器221。

陀螺仪223采集所在着地腿145的前进速度以及所在着地腿145与竖直方向的夹角，并发送给辅控制器221信号。

辅控制器221根据接收到的各迈腿支撑组件14上重力传感器222和陀螺仪223的信号，分别对应控制各迈腿支撑组件14撑地、前迈或后摆，实现行走机构的前进。

本实施例中，具体地，内轴套13上设置有键，大齿轮141的中心处设置有键孔或键槽，键与键孔或键槽匹配设置。通过键孔与键或者键槽与键的配合使用，大齿轮141与内轴套13固定连接。

在一个具体的实施例中，位于大齿轮141的盘面上，绕大齿轮141所在的圆周均匀设置3个或3个以上锁销孔1411。确保电磁销224可以固定的锁死在相应的锁销孔1411中，保证内轴套13和外轴套142的锁紧力矩。

在一个具体的实施例中，载荷框11的一侧设置有二、三或四个迈腿支撑组件14。不同的迈腿支撑组件14中的锁销孔1411错位设置。对于载荷框11一侧的迈腿支撑组件14，当其中一个迈腿支撑组件14迈腿时，其余有迈腿支撑组件14对行走平台进行支撑。

在一个具体的实施例中，载荷框11的两侧分别设置三个迈腿支撑组件14，每个迈腿支撑组件14相应设置有一辅控单元22。如图4所示，载荷框11右侧的三个迈腿支撑组件14从右向左依次用Ra、Rb和Rc表示，载荷框11左侧的三个迈腿支撑组件14从右向左依次用La、Lb和Lc表示。其中，Ra与La同步动作，Rb与Lb同步动作，Rc与Lc同步动作。

假设第一状态下，Ra后摆、Rb撑地，Rc前迈；第一状态的下一状态即第二状态下，Ra前迈、Rb后摆，Rc撑地；第二状态的下一状态即第三状态下，Ra撑地、Rb前迈，Rc后摆。

其中，迈腿支撑组件14在后摆的预设位置向前迈的预设位置的运动过程中，辅控制器221控制电磁销224从锁销孔1411中拔出，辅控制器221控制电机225动作，电机225带动小齿轮226转动，小齿轮226带动大齿轮141转动，迈腿支撑组件14相对于大齿轮141转动。迈腿支撑组件14向前迈到预设角度时，辅控制器221通过伸缩缸驱动电路驱动伸缩缸144带动着地腿145伸长。

迈腿支撑组件14在前迈的预设位置向撑地位置运动的过程中，伸缩缸144的伸长量保持不变。

迈腿支撑组件14在撑地位置向后摆的预设位置运动的过程中，迈腿支撑组件14后摆到预设角度时，辅控制器221通过伸缩缸驱动电路驱动伸缩缸144带动着地腿145缩短。

Ra～Rc按照第一到第三状态进行循环，实现行走机构的行走。

行走机构的爬坡过程和平路行走过程类似，只是迈腿支撑组件14在完成爬坡动作的过程中伸缩缸144的伸缩量比完成平路行走动作的过程中伸缩缸144的伸缩量更大。

当伸缩速度满足要求时，同时着地的几个迈腿支撑组件14按照一定的速度，同时快速伸长伸缩缸144，就可以保证整个机器人离地。并在离地后，迈腿支撑组件14又按照一定的速度收缩伸缩缸144，确保行走机构在着地时，伸缩缸是收缩的状态，以降低重心提高行走机构着地的稳定性，就完成了行走机构的跳跃动作。

一些实施例中，在行走机构前进的过程中，考虑到步伐的起伏，载荷框11会在前进方向上做往复运动。为抑制载荷框11的这种往复运动，在芯轴12的两端均设置一阻尼器15。阻尼器15与主控制器21连接。

一些实施例中，本申请行走机构中还设置有无线通信模块3，主控制器21通过无线通信模块3与外部上位机进行通信。上位机通过无线通信模块3对主控制器21进行远程控制，主控制器21通过无线通信模块3将各辅控单元22采集到的所在迈腿支撑组件14的工作状态信号发送给上位机，便于上位机对各辅控单元22进行数据监测。

在一个具体的实施例中，着地腿145的底部设置有可松动的轮子作为固定轮，便于减小一些特殊动作中着地腿145与地面的摩擦力。

在一个具体的实施例中，大齿轮141与芯轴12之间还设置有滑动隔套，便于降低芯轴12与大齿轮141之间的摩擦力。

本申请行走机构巧妙地采用机电一体化的机构，只需要简单的伸缩和换腿控制，就能够使行走机构实现常规的行走、爬坡和跳跃等动作。本申请通过在载荷框11两侧并联多条结构完全相同的迈腿支撑组件14，迈腿支撑组件14中的着地腿145能够进行迈腿和支撑的自由转换，能够简化行走机构直立行走的复杂性。

本申请行走机构充分参考了人行走的特点，也充分利用了机械结构相对于人运动的优越性，通过结构简化，行走机构能够承担更大的有效载荷。极限设计时，有效载荷和机械本身的重量比介于0.66～1.0之间，即60kg的行走机构，可以配备40kg重的有效载荷。而且通过电磁销224和锁销孔1411以及阻尼器15等锁死机构的相互咬死，可以确保行走机构在直立状态下，能够承受各种机械冲击，如机械动作的各种后坐力等。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种行走机构，其特征在于，它包括：

2.根据权利要求1所述的行走机构，其特征在于，所述载荷框上固定穿设一根所述芯轴时，所述芯轴的两端到所述载荷框中心的距离相等。

3.根据权利要求1所述的行走机构，其特征在于，所述芯轴的两端均设置一阻尼器，所述阻尼器与主控制器连接。

4.根据权利要求1所述的行走机构，其特征在于，所述行走机构中还设置有无线通信模块，所述主控制器通过所述无线通信模块与外部上位机进行通信；所述上位机通过所述无线通信模块对所述主控制器进行远程控制，所述主控制器通过所述无线通信模块将所述迈腿支撑组件的工作状态信号发送给所述上位机。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的行走机构，其特征在于，所述内轴套上设置有键，所述大齿轮的中心处设置有键孔或键槽，所述键与键孔或键槽匹配设置。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的行走机构，其特征在于，每个所述迈腿支撑组件中设置一个所述电磁销，在所述大齿轮上设置至少一个所述锁销孔。

7.根据权利要求6所述的行走机构，其特征在于，所述电磁销位于所述大齿轮的盘面上，绕所述大齿轮所在的圆周均匀设置3个以上所述锁销孔。

8.根据权利要求6所述的行走机构，其特征在于，所述载荷框的一侧设置有三或四个所述迈腿支撑组件；不同的所述迈腿支撑组件中的锁所述销孔错位设置。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的行走机构，其特征在于，所述着地腿的底部设置有固定轮。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的行走机构，其特征在于，其特征在于，所述大齿轮与芯轴之间还设置有滑动隔套。