CN109866552B - 轮足变形式机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种轮足变形式机器人行走机构，包括底盘，底盘的左右两侧分别设置有变形轮，底盘还分别设置有与变形轮对应的电机，电机通过传动机构驱动变形轮整体周转，变形轮实现轮行走模式；所述变形轮包括轮毂、变形脚；轮毂位于变形轮内部，所述变形轮的外边缘为沿其中心并圆周方向等角度排列的变形脚；变形脚与轮毂固定；变形脚的中轴线设置有电动伸缩杆，电动伸缩杆伸缩驱动变形脚变形，变形轮实现足行走模式。本发明通过伸缩杆可以实现一定长度范围内的伸缩，使变形轮具有轮式和足式两种模式配合运行，能够实现楼梯、沟壑、斜坡、草坪等等的复杂地形，提高了生存能力。

Description

轮足变形式机器人行走机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种轮足变形式机器人行走机构。

背景技术

目前，国内机器人的行走机构大致分为履带式行走机构、足式行走机构、轮组式行走机构等。

履带式行走机构传动效率高，重心高度稳定，适用的地形范围较广，但该机构转向不方便且重量较大。此外，在爬楼过程中对楼梯边缘损坏程度较大。足式行走机构是一套仿生机构，适合多种路况，在行走或爬台阶过程中需要大量的机构参与协调，以保证机身的平衡，此外还要通过传感器判断楼梯的踏步来确定自己的步距和步高参数。普通足式机器人难以对重心稳定控制。对控制系统的准确性要求极高，操作复杂、效率低下，在平地上行走缓慢。轮组式行走机构直接利用轮转动达到爬行的目的，运动灵活，但是上下楼运动平稳性不高，重心起伏较大，行走机构体积较大。既要在爬行台阶的过程中同步转动，又要像在平整地面上的运动一样达到重心平稳是很困难的，不适合在普通复杂的住宅楼使用。因此，每种移动方式均具有其适用的特定地形条件。

公开号为CN 108263507A的中国专利公开了一种机器人用轮足转换装置，安装与机器人机体上，至少包括两个轮足转换机构，每个轮足转换机构包括转换板、足端、行走轮，连杆一、连杆二、导向套、动力装置和使连杆一与连杆二反向运动的联动机构，转换板连接机器人机体，动力装置及导向装置设置于转换板上，连杆一活动穿设在导向套中，连杆二活动穿设在另一导向套中，连杆一和连杆二平行设置，连杆一的上端连接动力装置，下端连接足端，连杆二通过联动结构连接连杆一，连杆二的下端连接行走轮。虽然此专利融合了轮式与足式移动的优点，解决单一移动方式的机器人只适用于特定地形条件的问题，但是，该专利分别通过行走轮、足端实现轮式行走与足式行走，无法将轮式行走与足式行走集中在同一轮子上，结构复杂，机器人重量较重。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中无法将轮式行走与足式行走集中在同一轮子上的问题，提供了一种轮足变形式机器人行走机构。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

轮足变形式机器人行走机构，包括底盘，底盘的左右两侧分别设置有变形轮，底盘还分别设置有与变形轮对应的电机，电机通过传动机构驱动变形轮整体周转，变形轮实现轮行走模式；所述变形轮包括轮毂、变形脚；轮毂位于变形轮内部，所述变形轮的外边缘为沿其中心并圆周方向等角度排列的变形脚；变形脚与轮毂固定；变形脚的中轴线设置有电动伸缩杆，电动伸缩杆伸缩驱动变形脚变形，变形轮实现足行走模式。

进一步地，变形脚还包括U型套、轮圈、轮辐；U型套位于变形脚的顶部，轮圈位于变形脚的底端，轮辐位于变形脚的两侧；轮圈由第一轮圈、第二轮圈相互连接而成；变形脚通过U型套与轮毂固定。

进一步地，所述电动伸缩杆的一端位于U型套内，另一端与第一轮圈、第二轮圈的连接端连接；轮辐与轮毂连接组成第一转动副，轮辐与轮圈连接组成第二转动副，轮圈与所述电动伸缩杆连接组成第三转动副。

进一步地，变形轮还包括法兰盘，法兰盘转动设于轮毂的中心，电动伸缩杆的一端固定于法兰盘。

进一步地，所述传动机构为齿轮传动，包括大齿轮，小齿轮，空心轴；底盘设置有支撑架，轴承；电机通过支撑架与底盘连接，大齿轮与电机的输出轴固定；空心轴通过轴承与底盘连接，小齿轮固定于空心轴；轮毂固定于空心轴，变形轮通过轮毂与空心轴连接。

进一步地，所述空心轴套设有电刷开关，所述电动伸缩杆配置有伸缩杆电机，电刷开关驱动伸缩杆电机转动，伸缩杆电机转动带动电动伸缩杆伸缩，电动伸缩杆通过螺纹传动的方式进行伸缩。

进一步地，不同变形脚的电动伸缩杆由并行口控制，不同变形脚的控制相互独立。

进一步地，所述变形脚安装有位置传感器，通过位置传感器感知平地和障碍物的位置。

进一步地，所述变形脚左右轮幅之间的夹角为60°，左右轮幅长度相等，所述电动伸缩杆完全收缩时的总长度等于任一轮幅长度；第一轮圈与第二轮圈长度相等，所述电动伸缩杆完全伸长时的总长度等于任一轮辐长度与任一轮圈长度之和。

进一步地，所述轮圈外边缘设有防滑装置。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、本发明采用数个变形脚组合成一个变形轮，伸缩杆可以实现一定长度范围内的伸缩，使变形轮具有轮式和足式两种模式配合运行，能够实现楼梯、沟壑、斜坡、草坪等等的复杂地形，提高了生存能力。当伸缩杆处于收缩状态时，行走机构类似于圆形滚轮，相对于机身进行周转运动，为轮行走模式，既可满足移动机器人控制移动速度要求，又可达到一定灵活程度的目标；当伸缩杆处于伸长状态时，为足行走模式；将轮行走模式和足行走模式有机结合，有效的减轻了机器人重量，提高机器人的协调性；

二、本发明采用电刷开关与空心轴配合的方式，当上下楼和越障驱动时，电动伸缩杆驱动导线经过电刷开关转换，解决了导线缠绕的问题，具有低成本，高效率的优点；

三、本发明的变形轮的每个变形脚左右轮幅之间的夹角呈60°，具有一定的稳定性和灵活性；

四、本发明通过电动伸缩杆驱动变形轮变形，通过齿轮传动驱动变形轮，实现了上下楼，直线，转向等功能，结构简单，成本低，易于生产，可广泛应用于现实日常生活和特殊环境；

五、本发明变形驱动的伸缩杆采用螺纹传动方式，具有承载能力高，省力、能自锁的优点；采用齿轮传动直接驱动变形轮，具有传动精度高、工作可靠、传动效率高的特点。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明轮行走模式下的变形轮后视图；

图3是本发明轮行走模式下的变形轮主视图；

图4是本发明足行走模式下的变形轮主视图；

图5是本发明变形轮的解剖视图；

图6是本发明伸缩杆收缩后变形脚示意图；

图7是本发明伸缩杆伸出后变形脚示意图；

图8是本发明传动机构结构示意图；

图9是本发明底盘结构示意图；

图10是本发明底盘内部结构示意图；

图11是本发明爬楼驱动方式示意图；

图12是本发明爬楼运动过程简图。

图中，1—变形轮，2—底盘，3—法兰盘，4—轮毂，5—变形脚，6—轮辐，7—U型套，8—电动伸缩杆，9—轮圈，10-空心轴、11—电刷开关，12—小齿轮，13—电机，14—大齿轮，15—轴承,16—支撑架。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如图1-10所示，轮足变形式机器人行走机构，包括底盘2，底盘2的左右两侧分别设置有变形轮1并相互对称，底盘2还分别设置有与变形轮1对应的电机13，电机13通过传动机构驱动变形轮1整体周转，变形轮1实现轮行走模式。变形轮1包括轮毂4、变形脚5。轮毂4位于变形轮1内部，变形轮1的外边缘为沿其中心并圆周方向等角度排列的变形脚5。变形脚5与轮毂4固定。变形脚5包括位于其中轴线的电动伸缩杆8，电动伸缩杆8通过伸缩驱动变形脚5变形，变形轮1实现足行走模式。本实施例通过变形脚5的变形，使变形轮1能够融合轮行走模式与足行走模式的优点，使机器人适用于多种复杂环境。

变形脚5还包括有U型套7、轮圈9、轮辐6。U型套7位于变形脚5的顶部，轮圈9位于变形脚5的底端且为变形轮1的外边缘，轮辐6位于变形脚5的两侧。轮圈9由第一轮圈、第二轮圈相互连接。本实施例的变形脚由一个电动伸缩杆8、两个轮辐6和两个轮圈9组成，相互之间通过销轴活动式连接，每个变形轮1有六个变形脚5。U型套7的两端通过销轴固定在轮毂上，变形脚5通过U型套7与轮毂连接。

电动伸缩杆8的一端位于U型套7内，另一端与第一轮圈、第二轮圈的连接端连接。轮辐6与轮毂4连接组成转动副，轮辐6与轮圈9连接组成转动副，轮圈9与所述电动伸缩杆8连接组成转动副。电动伸缩杆8在U型套7的导向作用下伸长时，第一轮圈、第二轮圈均绕连接端的销轴转动并靠近电动伸缩杆8，轮辐6绕其两端的销轴转动并靠近电动伸缩杆8。

变形轮1还包括法兰盘3，法兰盘3转动设于轮毂4的中心，电动伸缩杆8的一端固定于法兰盘3，变形脚5通过电动伸缩杆8与法兰盘3固定。

本实施例的传动机构为齿轮传动，本实施例含有两组齿轮传动结构，分别与底盘2的左右两侧的变形轮1相对应。每一组齿轮传动机构均包括大齿轮14，小齿轮12，空心轴10。底盘设置有支撑架16、轴承15，支撑架16、轴承15均通过螺纹连接固定于底盘2。电机13通过支撑架16与底盘2连接连接，大齿轮14与电机13的输出轴固定。空心轴10通过轴承15与底盘2连接，小齿轮12固定于空心轴10。轮毂4固定于空心轴10，变形轮1通过轮毂4与空心轴10连接。大齿轮14与小齿轮12啮合，电机13的转动依次经大齿轮14、小齿轮12、空心轴10、轮毂4传递给变形轮1。

左右两侧的变形轮1对应的两个电机13输出轴中心线平行，左右两侧的变形轮1对应的两个电动伸缩杆8型号相等。位于底盘2左右两侧的变形轮1和空心轴10的布置均相同。位于底盘2左右两侧的两根空心轴10的中心线重合，即同轴度为零。位于左右两侧变形轮1上的变形脚5、轮毂4、法兰盘3布置均相同。

本实施例还包括控制器，电机13与控制器连接，控制器控制两个电机13转速或转向不同时，即可实现转向功能。空心轴10上还套设有电刷开关11，所述电刷开关11包括定子和转子，定子通过导线与所述控制器连接，转子通过导线穿过空心轴10与电动伸缩杆8连接。所述变形轮1固定于所述空心轴10端部，所述电机13通过齿轮传动驱动所述空心轴10，所述空心轴10带动所述变形轮1转动，所述电动伸缩杆8驱动所述变形脚5变形，所述变形轮1通过所述变形脚5的变形而变形。其中，驱动电动伸缩杆8的为伸缩杆电机，电刷开关11驱动伸缩杆电机转动，伸缩杆电机转动直接带动电动伸缩杆8伸缩。电动伸缩杆8通过螺纹传动的方式进行伸缩，具有承载能力高，省力、能自锁的优点。

变形脚5上的电动伸缩杆8由并行口控制，不同变形脚5的控制部分相互独立。在足行走模式下，控制器能够控制小于等于六个的变形脚伸出并且参与行走，若干个变形脚伸出且参与行走，剩下若干个变形脚完全收缩。在轮行走模式下，控制器能够控制六个变形脚完全收缩。

变形脚5安装有位置传感器。变形脚5通过位置传感器感知平地和障碍物的位置，能够根据不同路况，变形成相应的行走模式。同时，变形脚5根据平地和障碍物的位置的不同，在不超过伸缩极限的前提下，电动伸缩杆8可以伸出相应的长度并自锁，保证轮足变形式机器人质心的运动稳定性。

变形脚5左右轮幅之间的夹角为60°，左右轮幅长度相等，电动伸缩杆8完全收缩时的总长度等于任一轮幅长度。第一轮圈与第二轮圈长度相等，电动伸缩杆8完全伸长时的总长度等于任一轮辐长度与任一轮圈长度之和。轮圈9外边缘设有防滑装置，增加变形脚5着地的稳定性。

如图11、图12所示，本发明实施例上下楼驱动原理为：电源控制部分发出电信号，直接驱动电机13，电机13的输出轴通过大齿轮14传递至小齿轮12，小齿轮12与空心轴10同步顺时针周转，变形轮1跟随空心轴10同步周转。电源控制部分发出电信号，电源控制部分通过导线控制电刷开关11通电，经过电刷开关11驱动伸缩杆电机转动，再经过电动伸缩杆8传动，驱动变形轮1变形。变形轮1周转的过程中，变形脚5变形着地，每次着地的变形脚5均与楼梯台面宽度中线处接触，根据周转方向，变形脚5相继着地，车体实现上楼驱动。同理，下楼驱动方式与上述所有方向均反方向运行即可。本发明沟壑环境驱动方式与上下楼驱动方式类似。

本发明实施例水平转向驱动原理为：电源控制部分发出不同强度电信号驱动两台电机13以不同速度转动，再经过齿轮传动，驱动两个变形轮1以不同速度周转，致使底盘2围绕中心位置或底盘2中心以一定的弧度转向。

本发明实施例能够使机器人快速稳定的上下楼梯，并含有多种运动模式，能够在楼梯、平地、沟壑、斜坡等复杂环境中行走，具备灵活性、机动性、高效率，能够提高机器人生存能力，同时结构简单，质量轻，易于生产，便于操纵，运动性能良好。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.轮足变形式机器人行走机构，包括底盘(2)，其特征在于：

底盘(2)的左右两侧分别设置有变形轮(1)，底盘(2)还分别设置有与变形轮(1)对应的电机(13)，电机(13)通过传动机构驱动变形轮(1)整体周转，变形轮(1)实现轮行走模式；

所述变形轮(1)包括轮毂(4)、变形脚(5)；轮毂(4)位于变形轮(1)内部，所述变形轮(1)的外边缘为沿其中心并圆周方向等角度排列的变形脚(5)；变形脚(5)与轮毂(4)固定；变形脚(5)的中轴线设置有电动伸缩杆(8)，电动伸缩杆(8)伸缩驱动变形脚(5)变形，变形轮(1)实现足行走模式；

变形脚(5)还包括U型套(7)、轮圈(9)、轮辐(6)；U型套(7)位于变形脚(5)的顶部，轮圈(9)位于变形脚(5)的底端，轮辐(6)位于变形脚(5)的两侧；轮圈(9)由第一轮圈、第二轮圈相互连接而成；变形脚(5)通过U型套(7)与轮毂(4)固定；所述电动伸缩杆(8)的一端位于U型套(7)内，另一端与第一轮圈、第二轮圈的连接端连接；轮辐(6)与轮毂(4)连接组成第一转动副，轮辐(6)与轮圈(9)连接组成第二转动副，轮圈(9)与所述电动伸缩杆(8)连接组成第三转动副。

2.根据权利要求1所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：变形轮(1)还包括法兰盘(3)，法兰盘(3)转动设于轮毂(4)的中心，电动伸缩杆(8)的一端固定于法兰盘(3)。

3.根据权利要求1所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：所述传动机构为齿轮传动，包括大齿轮(14)，小齿轮(12)，空心轴(10)；底盘(2)设置有支撑架(16)，轴承(15)；电机(13)通过支撑架(16)与底盘(2)连接，大齿轮(14)与电机(13)的输出轴固定；空心轴(10)通过轴承(15)与底盘(2)连接，小齿轮(12)固定于空心轴(10)；轮毂(4)固定于空心轴(10)，变形轮(1)通过轮毂(4)与空心轴(10)连接。

4.根据权利要求3所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：所述空心轴(10)套设有电刷开关(11)，所述电动伸缩杆(8)配置有伸缩杆电机，电刷开关(11)驱动伸缩杆电机转动，伸缩杆电机转动带动电动伸缩杆(8)伸缩，电动伸缩杆(8)通过螺纹传动的方式进行伸缩。

5.根据权利要求4所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：不同变形脚(5)的电动伸缩杆(8)由并行口控制，不同变形脚(5)的控制相互独立。

6.根据权利要求5所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：所述变形脚(5)安装有位置传感器，通过位置传感器感知平地和障碍物的位置。

7.根据权利要求6所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：所述变形脚(5)左右轮幅之间的夹角为60°，左右轮幅长度相等，所述电动伸缩杆(8)完全收缩时的总长度等于任一轮幅长度；第一轮圈与第二轮圈长度相等，所述电动伸缩杆(8)完全伸长时的总长度等于任一轮辐长度与任一轮圈长度之和。

8.根据权利要求1所述的轮足变形式机器人行走机构，其特征在于：所述轮圈(9)外边缘设有防滑装置。

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