CN108705514B - 多模式两足行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模式两足行走机构，包括支架平台和两足，足为平面四连杆机构，两足分设在支架平台相对的两侧，足与支架平台通过连杆连接，连杆一端与支架平台通过转动副I枢接，连杆的另一端与足通过转动副II枢接，平面四连杆机构由四连杆通过多个转动副III枢接而成；转动副I、转动副II及至少一转动副III均通过独立驱动件驱动。本发明结构对称，以平面四连杆机构作为两足，利用平面四连杆机构的变形特点，通过控制电路板对各舵机的分时控制，实现变宽度直行、侧走、转向等多模式，适应性好，极具应用前景。

Description

多模式两足行走机构

技术领域

本发明属移动机器人领域，涉及一种多模式两足行走机构。

背景技术

随着移动机器人技术的快速发展，机器人的工作环境逐渐面向未知的、复杂的环境(如星球探测、地震救援等)，在救援、检测、勘探等环境下的地面机构的移动方式有足式、滚动、蠕动及跳跃等多种移动方式，在面对极端复杂的地面环境时，如大尺度岩石、大跨度沟、大坡度峭壁、超低矮桥梁及极狭窄洞穴等，具有单一移动方式的机构无法到达指定区域，无法适应复杂多变的环境，因此多运动模式的移动机构应运而生。

现有的多模式机构中，可实现多种移动模式的机构很少，Mark Yim设计了一种通过模块化自重构实现蛇形蠕动、环形滚动等运动模式的“PolyBot”机器人，NASA研制了一种多模式移动机器人--“Superbot”，虽然以上机器人具有多种运动模式，但其以模块化自重构方式实现多运动模式，具有刚度、精度不足以及控制复杂等缺点。

因此，开发一种刚度好且控制简单的多模式行走机构极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供一种刚度好且控制简单的多模式两足行走机构，本发明的多模式两足行走机构结构对称，可应对复杂多变的环境，地面移动通行能力强。本发明摒除模块化自重构方式实现多运动模式的控制复杂性，借助可操作多模式思想，本发明巧妙运用单环四杆机构的自变形、易控制的特点，加入局部闭链机构以改善动力学性能，增加结构刚度。本发明通过对舵机的分时控制，实现机构的变宽度直行、转向、侧走等多运动模式及其模式间的自动切换，避免了单一移动方式的局限性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

多模式两足行走机构，包括支架平台和两足，所述足为平面四连杆机构，两足分设在所述支架平台相对的两侧，所述足与所述支架平台通过连杆连接，所述连杆一端与所述支架平台通过转动副I(髋关节)枢接，所述连杆的另一端与所述足通过转动副II(膝关节)枢接，所述平面四连杆机构由四连杆通过多个转动副III(踝关节)枢接而成；所述转动副I、转动副II及至少一转动副III均通过独立驱动件驱动。当多模式两足行走机构处于初始状态(支架平台位置最高且与两足垂直)，两足平行或呈一定夹角。

多模式包括变宽度直行、侧走、转向等多种运动模式；

变宽度直行运动模式：首先在初始状态下根据环境障碍物的变化，通过对转动副I和转动副II进行调节，机构变换成不同形态如分开、并拢两足，再将两侧下端的四杆机构作为移动机构，通过控制两足转动副III交替转动，足变形，实现机构的变宽度直行；

侧走运动模式：转动副I及转动副III不转动，交替转动两足的转动副II，实现机构的横向即侧走运动；

转向运动模式：在变宽度直行运动模式下，通过调节两足转动副III的转动角度，即通过两足的移动速度差(差速)以实现机构的转向；

本发明的两足行走机构两足紧靠，通过转动转动副I及转动副III，实现滚动运动。

作为优选的技术方案：

如上所述的多模式两足行走机构，所述支架平台为矩形。本发明的保护范围并不仅限于此，其他形状的支架平台也适用于本发明。

如上所述的多模式两足行走机构，所述连杆为相互平行的两连接杆。两连接杆的长度可相同也可不同，本发明的连杆并不局限于此，单根连接杆也可适用于本发明，当连杆为单根杆时，可通过改变连杆与杆II的角度，即改变杆I与行走界面的角度以适用不同的工作环境。

如上所述的多模式两足行走机构，所述平面四连杆机构为平行四边形结构，其包括远离支架平台的杆I，与杆I平行的杆II及相互平行的杆III、杆IV。本发明的保护范围并不仅限于此，其他形状的平面四连杆机构也可适用于本发明。

如上所述的多模式两足行走机构，所述杆I上安装有与行走界面接触的被动轮，用于减小机构与行走界面的摩擦。

如上所述的多模式两足行走机构，由独立驱动件驱动的转动副III位于杆II与杆III的连接处。本发明的被驱动转动副III的位置并不局限于此，只要能够使得平面四连杆机构的内角发生变化即可。

如上所述的多模式两足行走机构，所述独立驱动件包括与转动副I连接的舵机I、与转动副II连接的舵机II、与由独立驱动件驱动的转动副III连接的舵机III。

如上所述的多模式两足行走机构，所述舵机I与所述支架平台固定连接；所述舵机II安装在杆II上；所述舵机III安装在杆III上。舵机的安装位置并不局限于此，只要舵机能够使得与之相连的转动副转动即可。

如上所述的多模式两足行走机构，所述舵机I、II及III与控制电路板连接，由控制电路板控制舵机I、II及III以实现机构的多模式运动。

发明机理：

四杆机构在现有技术中用于滚动式移动机构，现有技术的应用四杆机构的结构多为整体闭链机构，而本发明将四杆机构用作机构移动的两足，并通过四杆机构变形实现移动，本发明的两足中间安有一支架平台，整体为开链结构，足通过连杆与支架平台连接，通过调整连杆与支架平台间的髋关节及连杆与足间的膝关节的角度即两足的间距，可实现支架平台的升降，以进行避障，适应各应用场景，固定髋关节及踝关节不动，转动膝关节本发明可实现侧向移动模式，进一步扩展了本发明的运动模式及应用范围。此外，本发明还可通过两足的运动速度差即踝关节的转动角度差即实现直行运动模式下的转向，相较于现有技术的“通过十字滑块联轴器连接两端连杆机构，利用差动系统实现转向”，简化了结构及控制程序，降低了成本。本发明通过简单的结构实现了两足行走机构的多种运动模式(变宽度直行、侧走、转向运动模式)，极具应用前景。

有益效果：

(1)本发明的多模式两足行走机构，结构对称，以平面四连杆机构作为两足，利用平面四连杆机构的变形特点，结合两足速度的控制，实现了变宽度直行、侧走、转向等多种运动模式，适应性好，极具应用前景；

(2)本发明的多模式两足行走机构，通过控制电路板对各舵机进行分时控制，可实现运动模式之间的自动转换；

(3)本发明的多模式两足行走机构，共设有四个局部闭链机构，其中足均为局部闭链机构，支架平台一边、连杆(两平行杆)、杆II组成一局部闭链机构，改善了动力学性能，增加结构刚度，扩大了移动机构在救援、检测、勘探等环境中的应用范围和通行能力。

附图说明

图1为本发明的多模式两足行走机构的结构示意图；

图2.1、2.2、2.3及2.4为本发明的多模式两足行走机构的变宽度直行运动模式的形态图；

图3.1、3.2、3.3、3.4及3.5为本发明的多模式两足行走机构的直行步态图；

图4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7及4.8为本发明的多模式两足行走机构的转向步态图；

图5.1、5.2、5.3及5.4为本发明的多模式两足行走机构的侧走步态图；

其中，1-支架平台，2-舵机I，3-连杆，4-转动副II，5-由独立驱动件驱动的转动副III，6-被动轮，7-舵机III，8-转动副I，9-杆II，10-舵机II，11-杆I，12-杆III。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本发明的多模式两足行走机构，如图1所示，包括支架平台1和两足；

支架平台1为矩形，支架平台相对的两侧分别设有一足，足通过连杆3与支架平台1相连；

足为平面四连杆机构，其为平行四边形结构，其包括远离大腿机构的杆I 11，与杆I平行的杆II 9及相互平行的杆III 12、杆IV；杆I上安装有与行走界面接触的被动轮6；连杆3为两根相互平行的连接杆，连杆3一端与支架平台1通过转动副I 8(髋关节)枢接，转动副I与固定在支架平台上的舵机I 2连接，连杆3的另一端与足通过转动副II 4(膝关节)枢接，转动副II 4与安装在杆II 9上的舵机II 10连接；杆II与杆III的连接处设有由安装在杆III 12上的舵机III 7驱动的转动副III；舵机I、II及III与控制电路板连接。

本发明的多模式两足移动机构共有变宽度直行、转向、侧走等多种运动模式，每种模式都是从图1所示的初始状态下开始运动，过程如下：

变宽度直行运动模式：首先在初始状态下根据环境障碍物的变化，通过对舵机的分时控制，机构变换成不同形态，再将两侧下端的四杆机构作为移动机构，实现机构的变宽度直行模式，本发明的直行步态图如图3.1～图3.5所示；

变宽度直行运动模式主要有以下4种变异形态，根据障碍物的大小，通过改变对称布置的上端、下端四杆机构的相对位置，实现机构在直行过程中的高度、宽度的变化，增强机构的地面通行能力；

形态一：当遇到较宽障碍物时，先通过舵机I 2控制转动副I 8即活动髋关节使得连杆3向外转动一定角度即增大小腿间距，然后锁死舵机I 2、舵机II 10即固定转动副I 8、转动副II 4，此时通过舵机III 7控制转动副III 5交替驱动两侧的足变形实现移动，如图2.1所示；

形态二：当遇到极狭窄洞穴时，先通过舵机I 2控制转动副I 8即活动髋关节使得连杆3向内转动一定角度即缩小两足间距，然后锁死舵机I 2、舵机II 10即固定转动副I 8、转动副II 4，此时通过舵机III 7控制转动副III 5交替驱动两足变形实现移动，如图2.2所示；

形态三：当遇到上窄下宽的障碍物时，先锁死舵机I 2即固定转动副I 8(固定髋关节)，再通过舵机II 10控制转动副II 4即活动膝关节使得足向外侧转动一定角度即增大两足间距，然后锁死舵机II 10即固定转动副II 4，此时通过舵机III 7控制转动副III 5交替驱动两足变形实现移动，如图2.3所示；

形态四：通过舵机I 2控制转动副I 8即活动髋关节及通过舵机II 10控制转动副II 4即活动膝关节增大两足间距，然后锁死舵机I 2、舵机II 10即固定转动副I 8、转动副II 4(也可实时控制)，此时通过舵机III 7控制转动副III 5交替驱动两足变形实现移动，如图2.4所示。

当发现无法直行通过的障碍物时，该机构可转向实现绕过障碍物，转向运动模式是在变宽度直行运动模式下，改变两侧下端的平面四连杆机构的移动步长，即通过差速驱动实现机构的转向，上述形态下的两足行走机构均可进行转向运动，其转向步态图如图4.1～4.8所示，其初始状态如图4.1所示，最终完成转向状态如图4.8所示。

当发现无法直行通过的障碍物时，可直接绕过障碍物，无须转向，侧走运动模式是在初始位形时，锁死舵机I 2、舵机III 7即固定转动副I 8、转动副III 5，再通过舵机II 10控制转动副II 4横向转动实现机构的横向侧走，首先如图5.2所示，横向摆动一足并保持两足与地面接触，然后如图5.3所示，再横向摆动另一足至两足平行，最终同时摆动两足至足与地面垂直完成侧走如图5.4所示，其侧走步态图如图5.1～5.4所示。

实施例2

本发明的多模式两足行走机构，其结构与实施例1基本相同，不同在于其位于杆I与杆III的连接处还设有一与安装在杆I的舵机III连接转动副III，其行走模式与实施例1相同。

实施例3

本发明的多模式两足行走机构，其结构与实施例1基本相同，不同在于其连杆为单根连接杆，本例结构较实施例1、2结构刚性稍差，但本例结构适应性更加，其可实现“踮脚尖”动作即改变杆I与行走界面的夹角，更能适应不同的应用环境。

Claims (3)

1.多模式两足行走机构，其特征是：包括支架平台和两足，所述足为平面四连杆机构，两足分设在所述支架平台相对的两侧，所述足与所述支架平台通过连杆连接，所述连杆一端与所述支架平台通过转动副I枢接，所述连杆的另一端与所述足通过转动副II枢接，所述平面四连杆机构由四连杆通过多个转动副III枢接而成；所述转动副I、转动副II及至少一转动副III均通过独立驱动件驱动；

所述平面四连杆机构为平行四边形结构，其包括远离支架平台的杆I，与杆I平行的杆II及相互平行的杆III、杆IV；

所述杆I上安装有与行走界面接触的被动轮；

由独立驱动件驱动的转动副III位于杆II与杆III的连接处；

所述独立驱动件包括与转动副I连接的舵机I、与转动副II连接的舵机II、与由独立驱动件驱动的转动副III连接的舵机III；

所述舵机I与所述支架平台固定连接；所述舵机II安装在杆II上；所述舵机III安装在杆III上；

所述舵机I、II及III与控制电路板连接，由控制电路板控制舵机I、II及III以实现机构的多模式运动；

当多模式两足行走机构处于初始状态时，支架平台位置最高且与两足垂直；

多模式包括变宽度直行、侧走、转向多种运动模式；

变宽度直行运动模式：首先在初始状态下根据环境障碍物的变化，通过对转动副I和转动副II进行调节，机构变换成不同形态，再将两侧下端的平面四连杆机构作为移动机构，通过控制两足转动副III交替转动，足变形，实现机构的变宽度直行；

侧走运动模式：转动副I及转动副III不转动，交替转动两足的转动副II，实现机构的横向即侧走运动；

转向运动模式：在变宽度直行运动模式下，通过调节两足转动副III的转动角度，即通过两足的移动速度差以实现机构的转向。

2.根据权利要求1所述的多模式两足行走机构，其特征在于，所述支架平台为矩形。

3.根据权利要求2所述的多模式两足行走机构，其特征在于，所述连杆为相互平行的两连接杆。