CN109292017A - 一种轮腿变换式的多足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，公开了一种轮腿变换式的多足机器人，包括用于实现步态驱动和轮式驱动功能的可变换轮腿机构和内部设置有驱动控制单元、多种功能模块单元；所述可变换轮腿机构由结构不同的第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿通过相应的旋转轴连接形成的具有三个转动自由度的串联机构；第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿的外缘形状为直径相同的圆弧结构。本发明的整体结构简单，刚度强，稳定可靠；轮腿变换式的多足机器人兼顾越障能力和移动速度，可以增添多种功能模块，使得轮腿变换式的多足机器人功能完善，具有很高的实用性和广阔的应用价值。

Description

一种轮腿变换式的多足机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种轮腿变换式的多足机器人。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着科技的飞速发展，机器人因其具有灵活性、机动性，可以代替人完成重复、繁琐或危险的劳动等特点，被广泛应用到服务、医疗卫生、探索、救援、生产、军事等各个不同的领域中，在人类的日常生活中发挥着越来越重要的作用。目前主要的机器人按照移动方式可以划分为轮式机器人、履带式机器人，多足机器人，蛇形机器人等。虽然机器人的种类越来越多，功能越来越完善，但是经过分析发现各自有自己的缺陷：轮式机器人，结构简单，噪声低、能够快速移动，但是对路面的要求高，没办法适应野外复杂的环境。履带式机器人，越障能力和适应地形的能力较强，但结构笨重，速度较低，效率低，噪声大。多足机器人，能适应各种复杂的地形，越障能力强，但是在较平坦的路面情况移动速度较轮式机器人慢了很多。蛇形机器人因其特殊的形态，只在狭小的空间中具有极强的移动性能。如何设计出一款兼具移动速度和越障能力的机器人，变得越来越具有现实意义。现常用的设计方法是在机器人腿的底部加上轮子和驱动电机。这样的设计经过分析也发现存在缺陷：第一，腿部的轮子和电机的质量增加了腿部各个关节驱动的负载，根据力矩等于力乘以力臂，腿部关节需要选择具有更大驱动力矩的电机，这意味着电机的尺寸和质量会进一步加大，造成关节尺寸偏大和腿部的整体尺寸偏大的问题。第二，无法彻底解决难以兼顾移动速度和越障能力的问题，因为轮子的驱动电机转动一定角度，轮面与地面接触，不存在相对移动,使得轮子转动的轮面的长度即是轮子在地面行进的长度。自然，直径越大的轮子转过一定的角度行进的距离更大，即移动速度更快；但是更大直径的轮子的质心位于车轮回转中心，当车轮与复杂地面接触时，其质心的与接触点的距离更远，力臂也就更远，机器人的稳定稳定控制更加困难，使得越障能力下降；反之，若轮子直径变小，则越障能力提高，但移动速度下降。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)轮子和驱动电机增加了腿部关节驱动的负载，腿部驱动电机需要选择更大力矩也更大尺寸的型号，使得机器人体积重量变大。

(2)无法彻底解决难以兼顾移动速度和越障能力的问题，轮子直径大，移动速度提高，但越障能力下降；若轮子直径小，则越障能力提高，但移动速度下降。

解决上述技术问题的难度和意义：设计一套新的机器人可变换轮腿机构，结构上去掉传统轮腿机构的轮子和驱动电机，可以极大的减轻腿部关节驱动的负载，选择合适的驱动电机，使得机器人腿部质量和体积减小，结构简单紧凑，外型美观。同时，去掉直径较大的轮子，腿部直接与复杂地面接触，机器人质心调节更加方便，越障能力提高，步态驱动状态的稳定性显著提高。在较平坦的路面，为实现快速移动，必须采用轮式驱动的方法。设计的可变换轮腿机构能通过各级机械腿的折叠收拢转换成轮子结构，并且，各级机械腿上设计支撑轮子结构的轮辐结构和支撑结构，使之能相互接触锁死，增加轮子结构的刚度和稳定性，折叠后的轮子具有较大的直径尺寸，能实现机器人的快速移动，具有很强的机动性、灵活性和适应性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轮腿变换式的多足机器人。

本发明是这样实现的，一种轮腿变换式的多足机器人，所述轮腿变换式的多足机器人包括用于实现步态驱动和轮式驱动功能的可变换轮腿机构和内部设置有驱动控制单元、多种功能模块单元；

所述可变换轮腿机构由结构不同的第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿通过相应的旋转轴连接形成的具有三个转动自由度的串联机构；第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿的外缘形状为直径相同的圆弧结构。

进一步，所述第一支撑腿由半圆环状的第一轮辋、长方体的轮毂、第一辐条；

轮毂首尾分别固接第一轮辋的首尾，第一辐条的一端固接在轮毂中心，一端固接在轮毂上，轮毂上安装有第一支撑结构和第二支撑结构，第一支撑结构位于轮毂侧面的中心位置；

第二支撑结构位于垂直于第一支撑结构所在侧面的轮毂底面，且位于轮毂一端的位置；

轮毂上与第一支撑结构所在侧面平行的另外一侧面的中心位置固接第一旋转轴，第一旋转轴铰接在轮腿变换式的多足机器人机体侧边，其另外一端连接安装在机器人机体内的驱动单元上；

轮毂侧面铰接第二旋转轴，第二旋转轴的一端固接第二支撑腿，另一端与轮毂内部安装的驱动单元相连接；第二旋转轴位于轮毂上与第一支撑结构同一侧面的中心线上，且与第二支撑结构所在轮毂顶端相反的另一端上。

进一步，所述第二支撑腿由第二轮辋、第二辐条；

第二轮辋侧面的一端中心位置固接第二旋转轴，第二辐条固接在垂直于固接第二旋转轴侧面的第二轮辋内壁，位于固接第二旋转轴的一端相反的另一端上；安装于第一支撑腿内部的驱动单元驱动第二旋转轴旋转，带动与第二旋转轴固接的第二支撑腿转动；

第二辐条一端与第二支撑腿固接，第二支撑腿的侧面铰接第三旋转轴，第三旋转轴的一端固接第三支撑腿，另一端与第二轮辋内部安装的驱动单元相连接；

第三旋转轴位于固接第二旋转轴的同一侧面的中心线上，且位于第二轮辋上与第二旋转轴所处顶端相反的另一端上。

进一步，所述第三支撑腿侧面的一端的中心位置与第三旋转轴固接，位于第二支撑腿内的驱动单元驱动第三旋转轴旋转；第三支撑腿的另外一端转动到与第一支撑腿的第二支撑结构相互接触锁紧，形成轮子结构。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述轮腿变换式的多足机器人的多个转动自由度的装置，所述多个转动自由度的装置设置有：

第一支撑腿；

第一支撑腿的第一支撑结构和第二支撑结构变化，第一支撑结构变为辐条状的结构，一端固接在轮毂上与固接第一旋转轴侧面平行的另一侧面的中心位置，一端沿第一轮辋径向方向。第二支撑结构位于轮毂上第一支撑结构所处的同一侧面，且铰接第二旋转轴一端相反的另一端上；

第二支撑腿由半圆环状的第二轮辋和第三支撑结构组成；第二轮辋的直径等于第一支撑腿第一轮辋直径，第三支撑结构位于垂直于固接第二旋转轴侧面的第二轮辋内壁；

第一支撑腿内的驱动单元驱动第一旋转轴旋转，带动一端与第一旋转轴固接的第二支撑腿转动所需角度；第二支撑腿的第三支撑结构随着转动与第一支撑腿的第一支撑结构接触锁紧，第二支撑腿的另一端与第一支撑腿的第二支撑结构接触锁紧。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明能很好的解决移动速度和越障能力的兼顾问题，在复杂的环境中，轮腿变换式的多足机器人通过腿结构步态驱动，仅需要一些离散的点来供其落足，成功通过崎岖、松软或泥泞的地面。还可以通过调节自身重心而避免倾覆，具有更高的稳定性。在较平坦的路面，轮腿变换式的多足机器人的腿部可以按照特定的方式折叠成轮状结构进行轮式驱动，具有很强的机动性、灵活性和适应性。而且轮腿变换式的多足机器人腿部结构简单，电机驱动所需负载小，折叠收拢后的轮状结构通过锁紧轮子刚度，结构稳定可靠。

传统的机器人可以划分为轮式机器人、履带式机器人，多足机器人等。轮式机器人，结构简单，噪声低、能够快速移动，但是对路面的要求高，没办法适应野外复杂的环境；履带式机器人，越障能力和适应地形的能力较强，但结构笨重，速度较低，效率低，噪声大；多足机器人，能适应各种复杂的地形，越障能力强，但是在较平坦的路面情况移动速度较轮式机器人慢了很多。较新的轮腿式的机器人为腿部末端添加轮子结构，没办法兼顾移动速度和越障能力的问题。而本发明能够在较平坦路面上，可变换轮腿机构折叠收拢成轮子结构，实现高速移动；也能在复杂环境中，使用腿部结构行走，保持轮腿变换式的多足机器人运动过程中平衡，对环境的适应性强，移动效率高；轮腿变换结构通过折叠收拢成轮子结构，各级支撑腿与相应的支撑结构啮合锁紧，并且外缘安装有减振材料；整体结构简单，刚度强，稳定可靠；轮腿变换式的多足机器人兼顾越障能力和移动速度，可以增添多种功能模块，使得轮腿变换式的多足机器人功能完善，具有很高的实用性和广阔的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的轮腿变换式的多足机器人结构示意图；

图中：(a)机器人步态驱动轴侧视图；(b)机器人步态驱动正视图；(c)机器人轮式驱动轴侧视图；(d)机器人轮式驱动正视图。

图2是本发明实施例提供的第一支撑腿结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第二支撑腿结构示意图；

图4是本发明实施例提供的第三支撑腿结构示意图；

图5是本发明实施例提供的n＝2，可变换轮腿机构的结构示意图；

图中：(a)可变换轮腿机构步态驱动的轴侧视图；(b)可变换轮腿机构轮式驱动的正视图。

图6是本发明实施例提供的旋转滑环结构示意图。

图中：Ⅰ、可变换轮腿机构；Ⅱ、机器人机体；1、第一支撑腿；101、第一轮辋；102、轮毂；103、第一辐条；104、第一支撑结构；105、第二支撑结构；106、第二旋转轴；2、第二支撑腿；201、第二轮辋；202、第二辐条；203、第三旋转轴；3、第三支撑腿；4、减振材料；5、第一旋转轴；6、旋转滑环；601、转子；602、定子；7、图像识别系统；8、雷达探测系统；9、无线通讯系统；10、第三支撑结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术轮子和驱动电机增加了腿部关节驱动的负载，腿部驱动电机需要选择更大力矩也更大尺寸的型号，使得机器人体积重量变大；无法彻底解决难以兼顾移动速度和越障能力的问题，轮子直径大，移动速度提高，但越障能力下降；若轮子直径小，则越障能力提高，但移动速度下降的问题。在复杂的环境中，机器人使用腿部结构行走，高效完成作业任务；在较平坦的路面，机器人的腿部结构按照特定的方式折叠收拢成轮状结构，实现高速运动；轮腿变换式的多足机器人结构简单，稳定可靠，具有很高的推广性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的轮腿变换式的多足机器人包括用于实现步态驱动和轮式驱动功能的可变换轮腿机构Ⅰ和内部设置有驱动控制单元、多种功能模块单元，能够高效地完成多种作业任务的机器人机体Ⅱ两个部分。所述可变换轮腿机构Ⅰ，是由结构不同的第一支撑腿1、第二支撑腿2和第三支撑腿3依次通过相应的旋转轴连接形成的具有三个转动自由度的串联机构。每个支撑腿的外缘形状为直径相同的圆弧结构，绕其对应的旋转轴转动，相互接触锁紧，可以折叠收拢成完整的圆形的轮辋结构。

如图2所示，第一支撑腿1，由半圆环状的第一轮辋101，长方体的轮毂102和第一辐条103等组成。轮毂102长度等于第一轮辋101的直径，其首尾分别固接第一轮辋101的首尾部分，形成半圆环状的封闭结构。第一辐条103的一端固接在轮毂102中心，一端固接在轮毂102上，增加第一支撑腿1的刚度。轮毂102上安装有第一支撑结构104和第二支撑结构105，第一支撑结构104位于轮毂102侧面的中心位置。第二支撑结构105位于垂直于第一支撑结构104所在侧面的轮毂102底面，且位于轮毂102一端的位置。可变换轮腿机构Ⅰ折叠收拢成轮子时，第二支撑腿2的第二辐条202和第一支撑结构104接触锁紧，第三支撑腿3和第二支撑结构105接触锁紧，增加轮子结构的刚度。轮毂102上与第一支撑结构104所在侧面平行的另外一侧面的中心位置固接第一旋转轴5，第一旋转轴5铰接在轮腿变换式的多足机器人机体Ⅱ侧边，其另外一端连接安装在机器人机体Ⅱ内的驱动单元上，驱动单元可以驱动第一支撑腿1绕第一旋转轴5转动。轮毂102侧面铰接了第二旋转轴106，第二旋转轴106的一端固接第二支撑腿2，另一端与轮毂102内部安装的驱动单元相连接。其中，第二旋转轴106位于轮毂102上与第一支撑结构104同一侧面的中心线上，且与第二支撑结构105所在轮毂102顶端相反的另一端上。具体位置为使得收拢折叠后第二支撑腿2的外缘圆弧边线与第一支撑腿1的外缘圆弧边线的端点重合，边线相切。

如图3所示，所述第二支撑腿2，由第二轮辋201和第二辐条202等组成，第二轮辋201的外缘圆弧线直径等于第一支撑腿1第一轮辋101的直径，其侧面的一端中心位置固接第二旋转轴106，第二辐条202固接在垂直于固接第二旋转轴106侧面的第二轮辋201内壁，并且位于固接第二旋转轴106的一端相反的另一端上。安装于第一支撑腿1内部的驱动单元驱动第二旋转轴106旋转，带动与第二旋转轴106固接的第二支撑腿2转动，完成相应的作业任务。同时，第二辐条202一端与第二支撑腿2固接，另一端随着转动与第一支撑腿1的第一支撑结构104接触锁紧，形成轮子结构。当轮辋结构受到径向力时，第二辐条202起到很好的支撑作用。第二支撑腿2的侧面铰接第三旋转轴203，第三旋转轴203的一端固接第三支撑腿3，另一端与第二轮辋201内部安装的驱动单元相连接。其中，第三旋转轴203位于固接第二旋转轴106的同一侧面的中心线上，且位于第二轮辋201上与第二旋转轴106所处顶端相反的另一端上。具体位置为使得收拢折叠后第三支撑腿3的外缘圆弧边线与第二支撑腿2的外缘圆弧边线的端点重合，边线相切。

如图4所示，第三支撑腿3，为外缘圆弧线直径等于第一支撑腿1第一轮辋101直径的轮辋状结构。第三支撑腿3侧面的一端的中心位置与第三旋转轴203固接，位于第二支撑腿2内的驱动单元驱动第三旋转轴203旋转，带动第三支撑腿3转动所需角度，完成相应作业任务。同时，第三支撑腿3的另外一端转动到与第一支撑腿1的第二支撑结构105相互接触锁紧，形成轮子结构。

如图1所示，第一支撑腿1的第一轮辋101、第二支撑腿2的第二轮辋201和第三支撑腿3的轮辋结构外壁都安装有厚度均匀的减振材料4，用于可变换轮腿机构Ⅰ折叠成轮子绕第一旋转轴5滚动时实现减振功能，使得运动更加平稳。

如图5所示，可变换轮腿机构可以根据作业任务需要，设计成n(n＝2～5)个支撑腿组成的具有n个转动自由度的装置，n个支撑腿折叠收拢后，形成完整的圆形的轮辋结构。若n＝2，第一支撑腿1的第一支撑结构104和第二支撑结构105发生变化，其余结构保持不变。第一支撑结构104变为辐条状的结构，一端固接在轮毂102上与固接第一旋转轴侧面平行的另一侧面的中心位置，一端沿第一轮辋101径向方向。第二支撑结构105位于轮毂102上第一支撑结构104所处的同一侧面，且铰接第二旋转轴106一端相反的另一端上，具体位置为使得收拢折叠后第二支撑腿2的外缘圆弧边线与第一支撑腿1的外缘圆弧边线的

端点重合，边线相切。第二支撑腿2由半圆环状的第二轮辋201和第三支撑结构10组成。第二轮辋201的直径等于第一支撑腿1第一轮辋101直径，第三支撑结构10位于垂直于固接第二旋转轴106侧面的第二轮辋201内壁。第一支撑腿1内的驱动单元驱动第一旋转轴旋转，带动一端与第一旋转轴固接的第二支撑腿2转动所需角度，完成相应作业任务，同时，第二支撑腿2的第三支撑结构10随着转动与第一支撑腿1的第一支撑结构104接触锁紧，第二支撑腿2的另一端与第一支撑腿1的第二支撑结构105接触锁紧，折叠收拢为完整的圆形的轮辋结构。

如图1和图5所示，可变换轮腿机构Ⅰ为模块化的机构，可以根据作业任务的需要，安装合适的数量在轮腿变换式的多足机器人机体Ⅱ的侧边。

如图1所示，轮腿变换式的多足机器人机体Ⅱ，包括驱动控制单元、功能模块单元等。其中，第一旋转轴5铰接在机器人机体Ⅱ的侧边，其一端连接机体内部安装的驱动单元，一端固接第一支撑腿1。旋转滑环6安装在第一旋转轴5上，其转子601随第一旋转轴5转动，定子602固接在轮腿变换式的多足机器人机体Ⅱ侧边，能够从机器人机体Ⅱ给连续转动的第一支撑腿1和第二支撑腿2中的驱动单元输送稳定的能源与数据信号，见图6。可变换轮腿机构Ⅰ中的驱动器均封装在轮腿变换式的多足机器人机体Ⅱ内部，减小可变换轮腿机构Ⅰ的负载。在机体上安装多个功能单元，如图像识别系统7、雷达探测系统8、无线通讯系统9等。增加轮腿变换式的多足机器人对环境的适应性，高效的完成作业任务。

下面说明轮腿变换式的多足机器人如何实现步态驱动和轮式驱动功能：

本发明的可变换轮腿机构Ⅰ是由第一支撑腿1、第二支撑腿2和第三支撑腿3构成的三自由度串联机构。多个可变换轮腿机构Ⅰ组合成的传统多足步行机器人，通过动态步态规划和控制，能在复杂地面环境中，实现高效稳定移动。当轮腿可变换的机器人处于较平坦路面环境中，可变换轮腿机构Ⅰ的第一支撑腿1、第二支撑腿2和第三支撑腿3转动，使得第一支撑腿1的第一轮辋101接触地面后，第一旋转轴5锁定，第一支撑腿1位置保持不变。然后，第二旋转轴106和第三旋转轴203旋转，驱动第二支撑腿2和第三支撑腿3转动，使得第二支撑腿2的第二辐条202与第一支撑腿1的第一支撑结构104接触锁紧，第三支撑腿3与第一支撑腿1的第二支撑结构105相互接触锁紧，可变换轮腿机构Ⅰ即变成轮子结构。而且第一支撑腿1和第三支撑腿3位于第二支撑腿2的同一侧面。此时，第一旋转轴5连续转动，可以实现高速移动，并且通过控制相应的机器人机体Ⅱ内驱动单元的速度、方向，可以实现轮腿变换式的多足机器人的转向和倒退运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种轮腿变换式的多足机器人，其特征在于，所述轮腿变换式的多足机器人包括用于实现步态驱动和轮式驱动功能的可变换轮腿机构和内部设置有驱动控制单元、多种功能模块单元；

所述可变换轮腿机构由结构不同的第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿通过相应的旋转轴连接形成的具有三个转动自由度的串联机构；第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿的外缘形状为直径相同的圆弧结构。

2.如权利要求1所述的轮腿变换式的多足机器人，其特征在于，所述第一支撑腿由半圆环状的第一轮辋、长方体的轮毂、第一辐条；

轮毂首尾分别固接第一轮辋的首尾，第一辐条的一端固接在轮毂中心，一端固接在轮毂上，轮毂上安装有第一支撑结构和第二支撑结构，第一支撑结构位于轮毂侧面的中心位置；

第二支撑结构位于垂直于第一支撑结构所在侧面的轮毂底面，且位于轮毂一端的位置；

轮毂上与第一支撑结构所在侧面平行的另外一侧面的中心位置固接第一旋转轴，第一旋转轴铰接在轮腿变换式的多足机器人机体侧边，其另外一端连接安装在机器人机体内的驱动单元上；

轮毂侧面铰接第二旋转轴，第二旋转轴的一端固接第二支撑腿，另一端与轮毂内部安装的驱动单元相连接；第二旋转轴位于轮毂上与第一支撑结构同一侧面的中心线上，且与第二支撑结构所在轮毂顶端相反的另一端上。

3.如权利要求1所述的轮腿变换式的多足机器人，其特征在于，所述第二支撑腿由第二轮辋、第二辐条；

第二轮辋侧面的一端中心位置固接第二旋转轴，第二辐条固接在垂直于固接第二旋转轴侧面的第二轮辋内壁，位于固接第二旋转轴的一端相反的另一端上；安装于第一支撑腿内部的驱动单元驱动第二旋转轴旋转，带动与第二旋转轴固接的第二支撑腿转动；

第二辐条一端与第二支撑腿固接，第二支撑腿的侧面铰接第三旋转轴，第三旋转轴的一端固接第三支撑腿，另一端与第二轮辋内部安装的驱动单元相连接；

第三旋转轴位于固接第二旋转轴的同一侧面的中心线上，且位于第二轮辋上与第二旋转轴所处顶端相反的另一端上。

4.如权利要求1所述的轮腿变换式的多足机器人，其特征在于，所述第三支撑腿侧面的一端的中心位置与第三旋转轴固接，位于第二支撑腿内的驱动单元驱动第三旋转轴旋转；第三支撑腿的另外一端转动到与第一支撑腿的第二支撑结构相互接触锁紧，形成轮子结构。

5.一种实施权利要求1所述轮腿变换式的多足机器人的多个转动自由度的装置，其特征在于，所述多个转动自由度的装置设置有：

第一支撑腿；

第一支撑腿的第一支撑结构和第二支撑结构变化，第一支撑结构变为辐条状的结构，一端固接在轮毂上与固接第一旋转轴侧面平行的另一侧面的中心位置，一端沿第一轮辋径向方向；第二支撑结构位于轮毂上第一支撑结构所处的同一侧面，且铰接第二旋转轴一端相反的另一端上；

第二支撑腿由半圆环状的第二轮辋和第三支撑结构组成；第二轮辋的直径等于第一支撑腿第一轮辋直径，第三支撑结构位于垂直于固接第二旋转轴侧面的第二轮辋内壁；

第一支撑腿内的驱动单元驱动第一旋转轴旋转，带动一端与第一旋转轴固接的第二支撑腿转动所需角度；第二支撑腿的第三支撑结构随着转动与第一支撑腿的第一支撑结构接触锁紧，第二支撑腿的另一端与第一支撑腿的第二支撑结构接触锁紧。