CN109367644A - 一种多模式步行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模式步行机器人，包括机身、对称分布在机身两侧的若干个机械腿，所述机械腿包括步行动力机构、步行执行机构，所述步行动力机构固定于机身内部的底板上，包括两组动力单元，分别驱动步行执行机构的两个组件独立运动/复合运动。本发明通过在机械腿内设置具有两组动力单元的步行动力机构，使得机械腿具有三种步态模式，极大丰富了机器人行走模式的类型；在不同的应用场景中，通过选择不同的步态模式来选择不同的行走模式以最大限度提高机器人的环境适应能力和移动能力，使得机器人能够适应更多异形地面上平稳行走的要求，具备更强的实用性能。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种多模式步行机器人。
背景技术
步行机器人种类繁多，可用于军事、生活服务、抢险救灾和娱乐等多个领域。按照机器人的行走方式，可以将机器人分为轮式机器人、履带式机器人和足式机器人。轮式机器人和履带式机器人移动方式对周围环境的要求较高，因此其应用范围受到一定的限制。足式机器人凭借其在行走过程中与地面的非连续接触特性表现出了很强的适应性，尤其在有障碍物的通道上或很难接近的工作场地上具有更广阔的发展前景。绝大多数足式机器人的足数为偶数，按照足数，可以将足式机器人分为双足、四足、六足和八足，甚至更多。四足机器人既能以静态步行方式实现不平地面及复杂地形上的行走，又能以动态步行方式实现高速行走，因此更加受到重视。
目前市面上步行机器人机构种类繁多，基本结构组成都是十分相似，只有一种或两种步态，不能够变换出更多的步态，因而机器人的步行模式种类有限，无法满足各种异形地面上平稳、高速行走的要求。
因此，需要设计一种能够变换更多步态的机器人。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多模式步行机器人，通过在机械腿内设置具有两组动力单元的步行动力机构，两组动力单元通过合理的机械结构实现三种驱动模式，使得机械腿具有三种步态模式，极大丰富了机器人行走模式的类型。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多模式步行机器人，包括机身、对称分布在机身两侧的若干个机械腿，所述机械腿包括步行动力机构、步行执行机构；
所述步行执行机构包括曲柄杆、曲柄摇杆支架、摇杆、运动杆；
所述曲柄杆的侧面一端固定有曲柄转动轴、另一端与运动杆的一端通过销钉转动连接；
所述曲柄摇杆支架的短臂端与曲柄转动轴的中部轴段转动连接、长臂端与摇杆的一端通过销钉转动连接，摇杆的另一端与运动杆的中部通过销钉转动连接。
所述步行动力机构固定于机身内部的底板上，包括两组动力单元，两组动力单元分别驱动曲柄杆、曲柄摇杆支架独立运动/复合运动。
进一步的，所述运动杆为“J”型结构，其直段端部与曲柄杆的端部转动连接。
进一步的，所述曲柄摇杆支架与曲柄转动轴的连接处设置至少一个轴承。
进一步的，所述步行动力机构包括底板、第一动力单元、第二动力单元，所述第一动力单元、第二动力单元分别固定在底板的顶面。
进一步的，所述第一动力单元包括固定在底板上的第一电机支架、安装在第一电机支架上的第一电机，第一电机的输出轴端通过联轴器连接有内转动轴，内转动轴的另一端与曲柄摇杆支架的中部固定连接；
所述第二动力单元包括固定在底板上的第二电机支架、空套在内转动轴外侧的外转动轴、安装在第二电机支架上的第二电机，第二电机的输出轴端固定连接有小齿轮，外转动轴的一端固定连接有与小齿轮啮合连接的大齿轮、另一端通过传动构件与曲柄转动轴的端部固定连接。
进一步的，所述传动构件包括固定连接在外转动轴端部的大皮带轮、固定连接在所述曲柄转动轴端部的小皮带轮，大皮带轮和小皮带轮通过皮带传动连接。
进一步的，所述传动构件包括固定连接在外转动轴端部的大同步带轮、固定连接在所述曲柄转动轴端部的小同步带轮，大同步带轮和小同步带轮通过同步带传动连接。
进一步的，所述底板的顶面还固定安装有至少一个小轴承支座，所述内转动轴的中部轴段通过轴承与小轴承座转动连接。
进一步的，所述底板的顶面还固定安装有至少一个大轴承支座，所述外转动轴的中部轴段通过轴承与大轴承支座转动连接。
进一步的，所述内转动轴与外转动轴之间设置有至少一个轴承，轴承的内圈与内转动轴的外表面相贴合连接、外圈与外转动轴的内表面贴合连接。
本发明的有益效果如下：
1.本发明通过在机械腿内设置具有两组动力单元的步行动力机构，两组动力单元通过合理的机械结构实现三种驱动模式，使得机械腿具有三种步态模式，极大丰富了机器人行走模式的类型；
2.本发明应用于不同的应用场景中，通过选择不同的步态模式来选择不同的行走模式，以最大限度提高机器人的环境适应能力和移动能力，使得机器人能够适应更多异形地面上平稳行走的要求，具备更强的实用性能。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为所述右机械腿的立体结构示意图；
图3为所述步行动力机构的立体结构示意图；
图4为本发明提出的一种多模式步行机器人的步态模式示意图之一；
图5为本发明提出的一种多模式步行机器人的步态模式示意图之二；
图6为本发明提出的一种多模式步行机器人的步态模式示意图之三；
图中：1机械腿、11步行动力机构、1101底板、1102第一电机、1103联轴器、1104第一电机支架、1105小轴承座、1106内转动轴、1107外转动轴、1108大轴承支座、1109大齿轮、1110小齿轮、1111大皮带轮、1111′大同步带轮，1112皮带、1112′同步带、1113小皮带轮、1113′小同步带轮、1114第二电机、1115第二电机支架、12步行执行机构、121曲柄杆、122曲柄摇杆支架、123摇杆、124运动杆、125曲柄转动轴、2机身。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1和图2，一种多模式步行机器人，包括机身2、对称分布在机身3两侧的若干个机械腿，本实施例以四足机器人为例进行说明，即机器人包括两个左机械腿和两个右机械腿。机械腿1包括步行动力机构11、步行执行机构12，步行动力机构11固定于机身2内部的底板上，包括两组动力单元，分别驱动步行执行机构12的两个组件独立运动/复合运动，根据两组动力单元的工作状态，使得步行执行机构12具有三种不同的运动方式，即每个机械腿1具有三种不同的步态。
如图2所示，本实施例中，步行执行机构12采用切比雪夫连杆机构，包括曲柄杆121、曲柄摇杆支架122、摇杆123、运动杆124。曲柄杆121的侧面一端固定有曲柄转动轴125、另一端与运动杆124的一端通过销钉转动连接，曲柄摇杆支架122的短臂端与曲柄转动轴125的中部轴段转动连接、长臂端与摇杆123的一端通过销钉转动连接，摇杆123的另一端与运动杆124的中部通过销钉转动连接。运动杆124为“J”型结构，其直段端部与曲柄杆121的端部转动连接。为保证曲柄杆121和曲柄摇杆支架122能够各自独立工作、降低彼此之间摩擦作用，在曲柄摇杆支架122与曲柄转动轴125的连接处设置一个轴承。
如图3所示，本实施例中，步行动力机构11包括底板1101、第一动力单元、第二动力单元，第一动力单元、第二动力单元分别固定在底板1101的顶面。第一动力单元包括固定在底板1101上的第一电机支架1104，安装在第一电机支架1104上的第一电机1102，第一电机1102的输出轴端通过联轴器1103连接有内转动轴1106，内转动轴1106的另一端与曲柄摇杆支架122的中部固定连接。第二动力单元包括固定在底板1101上的第二电机支架1115、空套在内转动轴1106外侧的外转动轴、安装在第二电机支架1115上的第二电机1114，第二电机1114的输出轴端固定连接有小齿轮1110，外转动轴1107的一端固定连接有与小齿轮1110啮合连接的大齿轮1109、另一端通过传动构件与曲柄转动轴125的端部固定连接。
优选的，所述底板1101的底面还固定安装有两个小轴承支座1105，内转动轴1106的中部轴段通过轴承与小轴承座1105转动连接，提高内转动轴1106的平稳性；所述底板1101的顶面还固定安装有两个大轴承支座1108，外转动轴1107的中部轴段通过轴承与大轴承支座1108转动连接，以提高外转动轴1107的平稳性；此外，在内转动轴1106与外转动轴1107之间设置有两个轴承，轴承的内圈与内转动轴1106的外表面相贴合连接、外圈与外转动轴1107的内表面贴合连接，保证内转动轴6与外转动轴1107各自运动的独立性。
所述传动构件采用皮带传动机构，包括固定连接在外转动轴1107端部的大皮带轮1111、固定连接在曲柄转动轴125端部的小皮带轮1113，大皮带轮1111和小皮带轮1113通过皮带1112传动连接。所述传动构件或采用同步带传动机构，包括固定连接在外转动轴1107端部的大同步带轮1111′、固定连接在曲柄转动轴125端部的或小同步带轮1113′，大同步带轮1111′和小同步带轮1113′通过同步带1112′传动连接。优选的，传动构件采用皮带传动机构。
本发明在使用时，在机身2的内部配置有现有技术的机器人控制模块，可根据控制模块内预置的控制程序控制步行动力机构11内第一电机1102和第二电机1114的运行，具有三种不同的工作状态，即第一电机1102单独工作，第二电机1114单独工，第一电机1102、第二电机1114同时工作，由于第一电机1102直接驱动曲柄摇杆支架122的转动、第二电机1114通过传动构件、外转动轴1107、大齿轮1109、小齿轮1110传动驱动曲柄杆121的转动，使得步行执行机构12具有三种不同的运动方式，即每个机械腿具有三种不同形式的步态；加之机器人的四个机械腿有不同的运动组合形式，如四个交替运动(行走状态)、四个同步运动(跳跃步态)、对角两个同步运动并两侧交替(小跑步态)、同侧两个同步运动并两侧交替(溜蹄步态)等，步态形式与运动形式的任意组合，使得机器人的的综合步行模式多样化，能够适应不同的地理路况。
以下列出本发明的机器人常见步行模式中的三种，对三种步态的工作过程加以说明：
步态一：第一电机1102不运行、仅第二电机1114运行，使得曲柄摇杆支架122在机器人行走过程中保持位置不变、曲柄杆121整周旋转。在这种步态下，若选择对角两个机械腿同步运行两侧交替的模式，即机器人左前腿与右后腿的运行状态完全相同、右前腿与左后腿的运行状态完全相同，左右两侧的机械腿1交替向前行进，如图4所示，在这种步行模式下，机器人可紧贴地面小跑式前进。
步态二：仅第一电机1102运行、第二电机1114不运行，使得曲柄杆121与曲柄摇杆支架122在机器人行走过程中保持相对位置不变、曲柄摇杆支架122整周旋转。在这种步态下，若选择四个机械腿同步运行的模式，即四个机械腿的运行状态完全相同、同时向前行进，如图5所示，在这种步行模式下，机器人可跳跃式前进。
步态三：第一电机1102和第二电机1114同时运行，使得曲柄摇杆支架122与曲柄杆121相对运动、曲柄摇杆支架122与曲柄杆121均不整周旋转。在这种步态下，若选择对角两个机械腿同步运行两侧交替的模式，即机器人左前腿与右后腿的运行状态完全相同、右前腿与左后腿的运行状态完全相同，左右两侧的机械腿1交替向前行进，如图6所示，在这种步行模式下，机器人做大跨距的小跑式前进。
本发明通过在机械腿内设置具有两组动力单元的步行动力机构，两组动力单元通过合理的机械结构实现三种驱动模式，使得机械腿具有三种步态模式，极大丰富了机器人行走模式的类型；在不同的应用场景中，通过选择不同的步态模式来选择不同的行走模式以最大限度提高机器人的环境适应能力和移动能力，使得机器人能够适应更多异形地面上平稳行走的要求，具备更强的实用性能。显然地，上述具备三种步态的机械腿也同样适用于其它任意足数的步行机器人。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种多模式步行机器人，包括机身(2)、对称分布在机身(2)两侧的若干个机械腿(1)，其特征在于：所述机械腿(1)包括步行动力机构(11)、步行执行机构(12)；
所述步行执行机构(12)包括曲柄杆(121)、曲柄摇杆支架(122)、摇杆(123)、运动杆(124)；
所述曲柄杆(121)的侧面一端固定有曲柄转动轴(125)、另一端与运动杆(124)的一端通过销钉转动连接；
所述曲柄摇杆支架(122)的短臂端与曲柄转动轴(125)的中部轴段转动连接、长臂端与摇杆(123)的一端通过销钉转动连接，摇杆(123)的另一端与运动杆(124)的中部通过销钉转动连接；
所述步行动力机构(11)固定于机身(2)内部的底板上，包括两组动力单元，两组动力单元分别驱动曲柄杆(121)、曲柄摇杆支架(122)独立运动/复合运动。
2.根据权利要求1所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述运动杆(124)为“J”型结构，其直段端部与曲柄杆(121)的端部转动连接。
3.根据权利要求1所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述曲柄摇杆支架(122)与曲柄转动轴(125)的连接处设置至少一个轴承。
4.根据权利要求1所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述步行动力机构(11)包括底板(1101)、第一动力单元、第二动力单元，所述第一动力单元、第二动力单元分别固定在底板(1101)的顶面。
5.根据权利要求4所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述第一动力单元包括固定在底板(1101)上的第一电机支架(1104)、安装在第一电机支架(1104)上的第一电机(1102)，第一电机(1102)的输出轴端通过联轴器(1103)连接有内转动轴(1106)，内转动轴(1106)的另一端与曲柄摇杆支架(122)的中部固定连接；
所述第二动力单元包括固定在底板(1101)上的第二电机支架(1115)、空套在内转动轴(1106)外侧的外转动轴(1107)、安装在第二电机支架(1115)上的第二电机(1114)，第二电机(1114)的输出轴端固定连接有小齿轮(1110)，外转动轴(1107)的一端固定连接有与小齿轮(1110)啮合连接的大齿轮(1109)、另一端通过传动构件与曲柄转动轴(125)的端部固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述传动构件包括固定连接在外转动轴(1107)端部的大皮带轮(1111)、固定连接在所述曲柄转动轴(125)端部的小皮带轮(1113)，大皮带轮(1111)和小皮带轮(1113)通过皮带(1112)传动连接。
7.根据权利要求5所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述传动构件包括固定连接在外转动轴(1107)端部的大同步带轮(1111′)、固定连接在所述曲柄转动轴(125)端部的小同步带轮(1113′)，大同步带轮(1111′)和小同步带轮(1113′)通过同步带(1112′)传动连接。
8.根据权利要求5所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述底板(1101)的顶面还固定安装有至少一个小轴承支座(1105)，所述内转动轴(1106)的中部轴段通过轴承与小轴承座(1105)转动连接。
9.根据权利要求5所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述底板(1101)的顶面还固定安装有至少一个大轴承支座(1108)，所述外转动轴(1107)的中部轴段通过轴承与大轴承支座(1108)转动连接。
10.根据权利要求5所述的一种多模式步行机器人，其特征在于：所述内转动轴(1106)与外转动轴(1107)之间设置有至少一个轴承，轴承的内圈与内转动轴(1106)的外表面相贴合连接、外圈与外转动轴(1107)的内表面贴合连接。
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