CN109501880B - 独轮双足行走机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独轮双足行走机器人，包括机体和安装在机体上的两条仿生腿，机体上还安装有轮腿，轮腿包括腿架和安装在腿架上的一个以上行走滚轮，腿架通过调节组件以能调节高度的方式安装在机体上。该独轮双足行走机器人具有运动灵活性好、适应能力强、适用范围广、结构简单紧凑、成本低廉等优点。

Description

独轮双足行走机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种独轮双足行走机器人。

背景技术

地面行走机器人的运动方式分为轮式、足式、履带式以及复合式等，以适应不同的工作环境。

在复杂的地形中，足式机器人具有很大的优势，它类似于人类步行的运动方式能够很好的适应环境。双足人形机器人作为机器人的重要部分，具有优秀的动态性能。它对环境要求低，无论是在平地上，还是复杂路面上，都可以很好的适应，而且具有能够在狭小空间作业、跨越障碍等优势。但是足式机器人的步态规划一直制约着其发展，因为它的行走速度有限，平衡不好掌控，步态规划复杂。轮式机器人的优势在于机械结构简单、平衡稳定性好，与地面接触少，因此控制简单，动态干扰少。但是它对地形非常敏感，跨越障碍的能力差。

综上，研制一种融合轮式机器人和足式机器人各自优势的新型机器人变得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种运动灵活性好、适应能力强、适用范围广、结构简单紧凑、成本低廉的独轮双足行走机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种独轮双足行走机器人，包括机体和安装在机体上的两条仿生腿，所述机体上还安装有轮腿，所述轮腿包括腿架和安装在腿架上的一个以上行走滚轮，所述腿架通过调节组件以能调节高度的方式安装在机体上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述调节组件包括第一摆臂和第二摆臂，所述第一摆臂以能上下摆动的方式铰接安装在机体上，所述第二摆臂以能上下摆动的方式铰接安装在第一摆臂的摆动端，所述机体上安装用于驱动第一摆臂摆动的第一驱动件，所述第一摆臂上安装有用于驱动第二摆臂摆动的第二驱动件，所述腿架安装在第二摆臂上。

所述腿架通过一缓冲减震机构安装在第二摆臂上，所述缓冲减震机构包括连接于腿架上的滑杆，所述滑杆滑设于第二摆臂上且在设定的高度范围内滑动，所述腿架与第二摆臂之间连接有弹性迫使滑杆向下滑动的弹性件。

所述第二摆臂上设有滑动导向孔，所述滑杆穿设在所述滑动导向孔中并与所述滑动导向孔上下滑动配合，所述腿架连接于滑杆的下端并限定所述高度范围的最高位置，所述滑杆上螺纹连接有调节螺母，所述调节螺母位于滑动导向孔的上方并限定所述高度范围的最高位置。

所述弹性件为伸缩弹簧，所述伸缩弹簧套设在滑杆外部且其两端分别对应与腿架和第二摆臂相抵。

所述第一驱动件和第二驱动件为伸缩液压缸或直线电机或伸缩气缸。

所述第一摆臂和第二摆臂的摆动范围能使腿架位于机体的正上方位置。

所述仿生腿包括髋关节、大腿、小腿和足部，所述髋关节以能向机体内侧和外侧摆动的方式铰接安装在机体上，所述大腿以能前后摆动的方式铰接安装在髋关节上，所述小腿以能前后摆动的方式铰接安装在大腿上，所述足部连接于小腿上，所述髋关节、大腿和小腿分别连接有摆动驱动件。

所述足部通过弹性铰链铰接于小腿上。

所述摆动驱动件为伸缩液压缸或直线电机或伸缩气缸。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的独轮双足行走机器人可实现两种运动模式，一种是将轮腿提升，仅利用两条仿生腿驱动行进的双足运动模式；另一种是将轮腿放下，轮腿起支撑转向作用，并利用两条仿生腿驱动行进的轮足运动模式。在轮足运动模式时，独轮双足行走机器人同时具备轮式机器人和足式机器人的优势，其运动性能稳定、灵活性好、速度快，而且对于复杂地形适应性强；在双足运动模式时，则能够适应更为复杂的地形，其移动“盲区”小，工作空间大，能够在狭小空间作业以及进行跨越障碍作业。该独轮双足行走机器人具有运动灵活性好、适应能力强、适用范围广、结构简单紧凑、成本低廉的优点，能够以更好的运动性能应用在各种不同的场合。

附图说明

图1为独轮双足行走机器人的立体结构示意图。

图2为仿生腿摆向机体外侧的立体结构示意图。

图3为在轮足运动模式下独轮双足行走机器人处于蹲下状态的立体结构示意图。

图4为在轮足运动模式下独轮双足行走机器人左侧仿生腿向前迈出时的立体结构示意图。

图5为在轮足运动模式下独轮双足行走机器人右侧仿生腿向前迈出时的立体结构示意图。

图6为在双足运动模式下独轮双足行走机器人左侧仿生腿向前迈出时的立体结构示意图。

图7为在双足运动模式下独轮双足行走机器人右侧仿生腿向前迈出时的立体结构示意图。

图例说明：

1、机体；2、仿生腿；201、髋关节；202、大腿；203、小腿；204、足部；205、第一液压缸；206、第二液压缸；207、第三液压缸；3、轮腿；301、腿架；302、行走滚轮；303、第一摆臂；304、第二摆臂；305、第一驱动件；306、第二驱动件；307、滑杆；308、弹性件；309、调节螺母。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例的独轮双足行走机器人，包括机体1和安装在机体1上的两条仿生腿2，机体1上还安装有轮腿3，轮腿3包括腿架301和安装在腿架301上的一个行走滚轮302，腿架301通过调节组件以能调节高度的方式安装在机体1上，通过调节组件可调节腿架301相对于机体1的高度。该独轮双足行走机器人可实现两种运动模式，一种是将轮腿3提升，仅利用两条仿生腿2驱动行进的双足运动模式；另一种是将轮腿3放下，轮腿3起支撑转向作用，并利用两条仿生腿2驱动行进的轮足运动模式。在轮足运动模式时，独轮双足行走机器人同时具备轮式机器人和足式机器人的优势，其运动性能稳定、灵活性好、速度快，而且对于复杂地形适应性强；在双足运动模式时，则能够适应更为复杂的地形，其移动“盲区”小，工作空间大，能够在狭小空间作业以及进行跨越障碍作业。该独轮双足行走机器人具有运动灵活性好、适应能力强、适用范围广、结构简单紧凑、成本低廉的优点，能够以更好的运动性能应用在各种不同的场合。

本实施例中，调节组件包括第一摆臂303和第二摆臂304，第一摆臂303以能上下摆动的方式铰接安装在机体1上，第二摆臂304以能上下摆动的方式铰接安装在第一摆臂303的摆动端，机体1上安装用于驱动第一摆臂303摆动的第一驱动件305，第一摆臂303上安装有用于驱动第二摆臂304摆动的第二驱动件306，腿架301安装在第二摆臂304上。通过第一驱动件305和第二驱动件306驱动第一摆臂303和第二摆臂304摆动，可带着腿架301相应上下摆动，进而调节腿架301和行走滚轮302的高度。该调节组件可以实现机器人行走滚轮302的大范围高度调整，便于调节机器人的重心位置，且运动部件为转动副，可靠性高、承载能力强。

本实施例中，腿架301通过一缓冲减震机构安装在第二摆臂304上，可起到减震作用。缓冲减震机构包括连接于腿架301上的滑杆307，滑杆307滑设于第二摆臂304上且在设定的高度范围内滑动，腿架301与第二摆臂304之间连接有弹性迫使滑杆307向下滑动的弹性件308，在行走滚轮302不支撑机体1的正常情况下，弹性件308的作用使滑杆307处于上述高度范围的最低位置(下极限位置)，在行走滚轮302支撑机体1时，由于弹性件308可被压缩，滑杆307可以上下滑动，从而达到减震目的。该缓冲减震机构的结构简单、成本低、易于制作。

本实施例中，第二摆臂304上设有滑动导向孔，滑杆307穿设在滑动导向孔中并与滑动导向孔上下滑动配合，腿架301连接于滑杆307的下端并限定高度范围的最高位置，滑杆307上螺纹连接有调节螺母309，调节螺母309位于滑动导向孔的上方并限定高度范围的最高位置。通过调整调节螺母309在滑杆307上的位置，可以改变滑杆307的滑动范围，从而可以根据实际情况方便的调节行走滚轮302的高度，可降低制作装配难度。

本实施例中，弹性件308为伸缩弹簧，伸缩弹簧套设在滑杆307外部且其两端分别对应与腿架301和第二摆臂304相抵，可保证伸缩弹簧安装的稳定可靠性，进而保证独轮双足行走机器人工作的稳定可靠性。在其他实施例中，弹性件308还可采用现有其他可被压缩的弹性部件。

本实施例中，第一驱动件305和第二驱动件306为伸缩液压缸。在其他实施例中，第一驱动件305和第二驱动件306也可采用直线电机或伸缩气缸等现有其他驱动端伸缩运动的驱动件。

本实施例中，第一摆臂303和第二摆臂304的摆动范围能使腿架301位于机体1的正上方位置。在双足运动模式时，使腿架301位于机体1的正上方位置，可避免独轮双足行走机器人的重心偏移，提高依靠两条仿生腿2行进时的稳定性。

本实施例中，仿生腿2包括髋关节201、大腿202、小腿203和足部204，髋关节201以能向机体1内侧和外侧摆动的方式铰接安装在机体1上，大腿202以能前后摆动的方式铰接安装在髋关节201上，小腿203以能前后摆动的方式铰接安装在大腿202上，足部204连接于小腿203上，髋关节201、大腿202和小腿203分别连接有摆动驱动件。具体的，髋关节201与机体1的铰接轴线平行于机体1的前后方向(也即行进方向)，大腿202与髋关节201的铰接轴线垂直于机体1的前后方向，小腿203与大腿202的铰接轴线垂直于机体1的前后方向。

本实施例中，摆动驱动件为伸缩液压缸。具体的，驱动髋关节201摆动的伸缩液压缸为第一液压缸205，驱动大腿202的伸缩液压缸为第二液压缸206，驱动小腿203的伸缩液压缸为第三液压缸207。第一液压缸205的缸体绕铰接安装在机体1上，第一液压缸205的伸缩杆与髋关节201铰接，第二液压缸206的缸体铰接安装在髋关节201上，第二液压缸206的伸缩杆与大腿202铰接，第三液压缸207的缸体铰接安装在大腿202上，第三液压缸207的伸缩杆与小腿203铰接。在其他实施例中，摆动驱动件还可采用直线电机或伸缩气缸等现有其他驱动端伸缩运动的驱动件。

通过相应的摆动驱动件驱动髋关节201、大腿202和小腿203摆动可实现仿生腿2的运动。以摆动驱动件为伸缩液压缸为例，其中，第二液压缸206和第三液压缸207控制大腿202和小腿203前后摆动，当第二液压缸206和第三液压缸207收缩时，为蹲下状态，当第二液压缸206和第三液压缸207伸出时，为起立状态，当第二液压缸206伸出而第三液压缸207收缩时，为向前迈步，当第二液压缸206压缩而第三液压缸207伸张时，为向后迈步。第一液压缸205则驱动髋关节201带着仿生腿2整体向内和向外摆动(也即左右摆动)，当第一液压缸205收缩时，为向外摆动，反之则向内摆动。

本实施例中，足部204通过弹性铰链铰接于小腿203上，足部204与小腿203的铰接轴线与机体1前后方向垂直。

本实施例中的轮腿3仅设置一个行走滚轮302，在其他实施例中，也可设置两个以上行走滚轮302。

优选的，在轮足运动模式时，为提高独轮双足行走机器人行进时的平衡性，采用控制系统实时控制使行走滚轮302的高度与仿生腿2的高度一致，具体可以是，控制系统采集两条仿生腿2中高度最低的足部204的高度值，通过调节组件实时调节行走滚轮302的高度保持在该高度值。前述高度均指相对于机体1的高度。

本发明的独轮双足行走机器人运用领域非常的广泛，只要经过简单的改装，就可以完成物资运输、地形侦查、执勤通信、反恐爆破等一系列工作。

以下对独轮双足行走机器人的两种运动模式进行具体说明：

在轮足运动模式时，如图3至图5所示，轮腿3被放下，独轮双足行走机器人在第二液压缸206和第三液压缸207的驱动下可以做起立(参见图4和图5)和蹲下(参见图3)动作，同时第一驱动件305和第二驱动件306驱动行走滚轮302相应上下摆动，可使得机体1整体下降或上升。如图4和图5所示，独轮双足行走机器人行进时，在第二液压缸206和第三液压缸207的驱动下，使得仿生腿2由后向前迈出，当一条仿生腿2落下时，另一条仿生腿2抬起做出相同动作，这样两条仿生腿2交替向前迈出，形成走步动作，推动行走滚轮302行进，当两条仿生腿2交替速度加快时便形成跑步效果。

在双足运动模式时，如图6和图7所示，轮腿3被抬起，独轮双足行走机器人类似于双足机器人，在第一液压缸205、第二液压缸206和第三液压缸207的驱动下，两条仿生腿2交替由后向前迈出运动，实现独轮双足行走机器人的行进。该模式下行进与轮足运动模式下行进不同的是，在行进时，第一液压缸205驱动仿生腿2侧向摆动来移动独轮双足行走机器人的重心位置，以保证独轮双足行走机器人的平衡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种独轮双足行走机器人，包括机体(1)和安装在机体(1)上的两条仿生腿(2)，其特征在于：所述机体(1)上还安装有轮腿(3)，所述轮腿(3)包括腿架(301)和安装在腿架(301)上的行走滚轮(302)，所述腿架(301)通过调节组件以能调节高度的方式安装在机体(1)上；所述调节组件包括第一摆臂(303)和第二摆臂(304)，所述第一摆臂(303)以能上下摆动的方式铰接安装在机体(1)上，所述第二摆臂(304)以能上下摆动的方式铰接安装在第一摆臂(303)的摆动端，所述机体(1)上安装用于驱动第一摆臂(303)摆动的第一驱动件(305)，所述第一摆臂(303)上安装有用于驱动第二摆臂(304)摆动的第二驱动件(306)，所述腿架(301)安装在第二摆臂(304)上；所述第一摆臂(303)和第二摆臂(304)的摆动范围能使腿架(301)位于机体(1)的正上方位置；

所述腿架(301)通过一缓冲减震机构安装在第二摆臂(304)上，所述缓冲减震机构包括连接于腿架(301)上的滑杆(307)，所述滑杆(307)滑设于第二摆臂(304)上且在设定的高度范围内滑动，所述腿架(301)与第二摆臂(304)之间连接有弹性迫使滑杆(307)向下滑动的弹性件(308)。

2.根据权利要求1所述的独轮双足行走机器人，其特征在于：所述第二摆臂(304)上设有滑动导向孔，所述滑杆(307)穿设在所述滑动导向孔中并与所述滑动导向孔上下滑动配合，所述腿架(301)连接于滑杆(307)的下端并限定所述高度范围的最高位置，所述滑杆(307)上螺纹连接有调节螺母(309)，所述调节螺母(309)位于滑动导向孔的上方并限定所述高度范围的最高位置。

3.根据权利要求1所述的独轮双足行走机器人，其特征在于：所述弹性件(308)为伸缩弹簧，所述伸缩弹簧套设在滑杆(307)外部且其两端分别对应与腿架(301)和第二摆臂(304)相抵。

4.根据权利要求1所述的独轮双足行走机器人，其特征在于：所述第一驱动件(305)和第二驱动件(306)为伸缩液压缸或直线电机或伸缩气缸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的独轮双足行走机器人，其特征在于：所述仿生腿(2)包括髋关节(201)、大腿(202)、小腿(203)和足部(204)，所述髋关节(201)以能向机体(1)内侧和外侧摆动的方式铰接安装在机体(1)上，所述大腿(202)以能前后摆动的方式铰接安装在髋关节(201)上，所述小腿(203)以能前后摆动的方式铰接安装在大腿(202)上，所述足部(204)连接于小腿(203)上，所述髋关节(201)、大腿(202)和小腿(203)分别连接有摆动驱动件。

6.根据权利要求5所述的独轮双足行走机器人，其特征在于：所述足部(204)通过弹性铰链铰接于小腿(203)上。

7.根据权利要求5所述的独轮双足行走机器人，其特征在于：所述摆动驱动件为伸缩液压缸或直线电机或伸缩气缸。

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