CN110001813A - 一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，包括驱干、大腿驱动装置、大腿A和大腿B，大腿A和大腿B下端分别铰接复合小腿组A和复合小腿组B，大腿驱动装置包括固定装设于躯干上的支架A、支架B、转轴和固定装设于转轴上的主动轮，与主动轮相啮合传动的从动齿轮轴；复合小腿组A与复合小腿组B结构完全相同，均包括外置平板足和内置滚动足；通过二者的相对高度运动，使得复合小腿组与地面的摩擦转换，增加了稳定性又节约了前进动能通过步进电机转动。本发明所述的机器人腿是一种结构简单合理、单足驱动稳定性更高、能够实现滚动摩擦和滑动摩擦自由切换的功能。

Description

一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿

技术领域

本发明涉及机器人领域，特指一种单足驱动同时具有滚动摩擦和滑动摩擦的机器人腿。

背景技术

传统的双足机器人足与地面的接触形式通常是单一的，即面接触或滚动线接触，面接触的优点是稳定性好，缺点是前行需要效果更多的能量；而滚动线接触的优点是运动耗能少，但稳定性较差。因此，需要设计一种滚动摩擦和滑动摩擦自由切换的机器人腿，这样即达到较高的运动稳定性，又可实现低耗能运动。

发明内容

本发明为了解决上述缺陷，研制出一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，包括驱干、装设于驱干下端的大腿驱动装置、大腿A和大腿B，在所述大腿A和大腿B下端分别铰接复合小腿组A和复合小腿组B，其特征在于，所述大腿驱动装置包括固定装设于所述躯干上的支架A、支架B和装设于所述支架A、支架B上的转轴，所述转轴的一端装设步进电机A，固定装设于所述转轴上且在所述大腿A的上端的主动轮，与所述主动轮相啮合传动的从动齿轮轴，在所述转轴上且在大腿B正上方固定装设定位盘和大扭矩弹簧，所述大扭矩弹簧两端分别连接主动轮与定位盘；

所述大腿A与复合小腿组A之间装设有扭转弹簧A，所述大腿B与复合小腿组B之间装设有扭转弹簧B，所述复合小腿组A与复合小腿组B的结构相同设置，均包括外置平板足和内置滚动足，可通过步进电机转动，使得复合小腿组A、或复合小腿组B分别通过外置平板足或者内置滚动足向前前进。

优选的，所述外置平板足包括分别与大腿A和大腿B铰接的小腿顶板装设于小腿顶板下方且相互平行的小腿连杆A和小腿连杆，同时与小腿连杆A和小腿连杆B下端铰接的摩擦平板足，其摩擦平板足中心开设有过轮孔。

优选的，所述内置滚动足包括相互平行装设于小腿连杆A与小腿连杆B之间的固定板A和固定板B，固定板A的上端设有步进电机B，所述固定板A和固定板B之间且相互平行设有光杆A、光杆B和丝杆，并与所述丝杠啮合传动可沿所述光杆A、光杆B自由升降的U型移动架，其U型移动架下端装设有升降板，所述升降板下端面装设有连杆，连杆下端装设有滚轮，并且其二者中心铰接，所述滚轮能够自由穿过轮孔。

优选的，所述大腿A与复合小腿组A共线时对应于扭转弹簧A的零扭矩状态，所述大腿B与复合小腿组B之间共线时对应于扭转弹簧B的零扭矩状态。

优选的，所述步进电机A转动，带动主动轮相对于从动齿轮轴转动，使所述大腿A和复合小腿组A向前转动

优选的，所述滚轮在步进电机B的作用下向下运动穿过自身的过轮孔，从而使得复合小腿组B中的内置滚动足接触地面并向前前进。

优选的，所述步进电机B反向转动，使得滚轮向上运动退出过轮孔，即复合小腿组B的外置平板足与地面接触并向前前进。

优选的，复合小腿组A中的步进电机B转动并且带动丝杠进行正、反向转动，进而带动U型移动架和升降板进行向上或者向下运动，以实现滚轮与摩擦平板足分别与地面接触的自由切换。

优选的，摩擦平板足的材料为摩擦系数较大的非金属材料制作。

本发明所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，相对于技术相比，具有如下优点：本发明所述的单足驱动同时具有滚动摩擦和滑动摩擦的机器人腿设有大腿驱动装置和大扭矩弹簧，能够通过一条大腿向前运动，产生弹性势能并随后释放弹性势能使另一条大腿向前运动；此外，本发明的复合小腿组还包括外置平板足和内置滚动足，通过二者的相对高度运动，从而使得复合小腿组与地面的摩擦转换，即增加了稳定性又节约了前进动能。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为复合小腿组的结构原理示意图；

其中，1- 驱干，21-步进电机A，22-支架A，23-支架B ，24-主动轮，25-从动齿轮轴，26-转轴，27-大扭矩弹簧，28-定位盘，31-大腿A，32-大腿B，41-小腿顶板，42-小腿连杆A，43-小腿连杆B，44-摩擦平板足，441-过轮孔，51-步进电机B，521-固定板A，522-固定板A ，531-光杆A，532-光杆B ，54-U型移动架，55-升降板，56-连杆，57-滚轮，58-丝杆，6-扭转弹簧A，7-扭转弹簧B。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例，结合附图1-2，一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，包括驱干1、装设于驱干1下端的大腿驱动装置、大腿A 31和大腿B 32，在所述大腿A 31和大腿B32下端分别铰接复合小腿组A和复合小腿组B，所述大腿驱动装置包括固定装设于所述躯干1上的支架A 22、支架B 23和装设于所述支架A 22、支架B 23上的转轴26，所述转轴26的一端装设步进电机A 21，固定装设于所述转轴26上且在所述大腿A 31的上端的主动轮24，与所述主动轮24相啮合传动的从动齿轮轴25，在所述转轴26上且在大腿B3 2正上方固定装设定位盘28和大扭矩弹簧27，所述大扭矩弹簧27两端分别连接主动轮24与定位盘28；大腿A31与复合小腿组A之间装设有扭转弹簧A 6，所述大腿B 32与复合小腿组B之间装设有扭转弹簧B 7，复合小腿组A与复合小腿组B的结构相同设置，均包括外置平板足和内置滚动足，可通过步进电机转动，使得复合小腿组A、或复合小腿组B分别通过外置平板足或者内置滚动足向前前进。

外置平板足包括分别与大腿A 31和大腿B 32铰接的小腿顶板41、装设于小腿顶板41下方且相互平行的小腿连杆A 42和小腿连杆B 43，同时与小腿连杆A 42和小腿连杆B 43下端铰接的摩擦平板足44，其摩擦平板足44中心开设有过轮孔441，摩擦平板足44的材料为摩擦系数较大的非金属材料制作。其内置滚动足包括相互平行装设于小腿连杆A 42与小腿连杆B 43之间的固定板A 521和固定板B 522，固定板A 521的上端设有步进电机B 51，所述固定板A 521和固定板B 522之间且相互平行设有光杆A 531、光杆B 532和丝杆58，并与所述丝杠58啮合传动可沿所述光杆A 531、光杆B 532自由升降的U型移动架54，其U型移动架54下端装设有升降板55，所述升降板55下端面装设有连杆56，连杆56下端装设有滚轮57，并且其二者中心铰接，所述滚轮57能够自由穿过轮孔441。

所述大腿A 31与复合小腿组A共线时对应于扭转弹簧A 6的零扭矩状态，所述大腿B 32与复合小腿组B之间共线时对应于扭转弹簧B 7的零扭矩状态。当步进电机A 21转动，带动主动轮24相对于从动齿轮轴25转动，使所述大腿A 31和复合小腿组A向前转动；所述滚轮57在步进电机B 51的作用下向下运动穿过自身的过轮孔441，从而使得复合小腿组B中的内置滚动足接触地面并向前前进；所述步进电机B 51反向转动，使得滚轮57向上运动退出过轮孔441，即复合小腿组B的外置平板足与地面接触并向前前进。复合小腿组A中的步进电机B 51转动并且带动丝杠58进行正、反向转动，进而带动U型移动架54和升降板55进行向上或者向下运动，以实现滚轮57与摩擦平板足44分别与地面接触的自由切换。

大腿A 31上端设有空心凸台A，大腿B32上端设有空心凸台B；转轴26穿过空心凸台A、空心凸台B和固定装设于空心凸台B上的定位盘28；大扭矩弹簧27装设于转轴26上，其两端分别连接主动轮24与定位盘28。

工作原理：当复合小腿组A和复合小腿组B中的滚轮57均高于过轮孔441，即复合小腿组A和复合小腿组B上的外置平板足与地面接触。工作时，首先，步进电机A21转动，带动主动轮24相对于从动齿轮轴25转动，即使得大腿A31和复合小腿组A向前转动，复合小腿组A在自重作用以及扭转弹簧A6的作用下保持铅垂向下，使得复合小腿组A向前前进；接着，复合小腿组B中的滚轮57在步进电机B51的作用下向下运动穿过自身的过轮孔441，从而使得复合小腿组B中的内置滚动足接触地面；由于步进电机A21的转动使得大扭矩弹簧27储存了大量的扭转势能，此时复合小腿组B中的滚轮57在大扭矩弹簧27的作用下向前滚动，直至弹性势能完全释放；进而，步进电机B反向转动，使得复合小腿组B中的滚轮57向上运动退出过轮孔441，即复合小腿组B的外置平板足与地面接触；复合小腿组A中的步进电机B51转动，带动丝杠58正、反向转动，进而带动U型移动架54和升降板55上、下运动，以实现滚轮57与摩擦平板足44与地面接触的自由切换。

以上为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，包括驱干（1）、装设于驱干（1）下端的大腿驱动装置、大腿A（31）和大腿B（32），在所述大腿A（31）和大腿B（32）下端分别铰接复合小腿组A和复合小腿组B，其特征在于，所述大腿驱动装置包括固定装设于所述躯干（1）上的支架A（22）、支架B（23）和装设于所述支架A（22）、支架B（23）上的转轴（26），所述转轴（26）的一端装设步进电机A（21），固定装设于所述转轴（26）上且在所述大腿A（31）的上端的主动轮（24），与所述主动轮（24）相啮合传动的从动齿轮轴（25），在所述转轴（26）上且在大腿B（32）正上方固定装设定位盘（28）和大扭矩弹簧（27），所述大扭矩弹簧（27）两端分别连接主动轮（24）与定位盘（28）；

所述大腿A（31）与复合小腿组A之间装设有扭转弹簧A（6），所述大腿B（32）与复合小腿组B之间装设有扭转弹簧B（7），所述复合小腿组A与复合小腿组B的结构相同设置，均包括外置平板足和内置滚动足，可通过步进电机转动，使得复合小腿组A、复合小腿组B分别通过外置平板足或者内置滚动足向前前进。

2.如权利要求1所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，所述外置平板足包括分别与大腿A（31）和大腿B（32）铰接的小腿顶板（41）、装设于小腿顶板（41）下方且相互平行的小腿连杆A（42）和小腿连杆B（43），同时与小腿连杆A（42）和小腿连杆B（43）下端铰接的摩擦平板足（44），其摩擦平板足（44）中心开设有过轮孔（441）。

3.如权利要求1所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，所述内置滚动足包括相互平行装设于小腿连杆A（42）与小腿连杆B（43）之间的固定板A（521）和固定板B（522），固定板A（521）的上端设有步进电机B（51），所述固定板A（521）和固定板B（522）之间且相互平行设有光杆A（531）、光杆B（532）和丝杆（58），并与所述丝杠（58）啮合传动可沿所述光杆A（531）、光杆B（532）自由升降的U型移动架（54），其U型移动架（54）下端装设有升降板（55），所述升降板（55）下端面装设有连杆（56），连杆（56）下端装设有滚轮（57），并且其二者中心铰接，所述滚轮（57）能够自由穿过轮孔（441）。

4.如权利要求3所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，所述大腿A（31）与复合小腿组A共线时对应于扭转弹簧A（6）的零扭矩状态，所述大腿B（32）与复合小腿组B之间共线时对应于扭转弹簧B（7）的零扭矩状态。

5.如权利要求3-4任一项所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，所述步进电机A（21）转动，带动主动轮（24）相对于从动齿轮轴（25）转动，使所述大腿A（31）和复合小腿组A向前转动。

6.如权利要求3-4任一项所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，所述滚轮（57）在步进电机B（51）的作用下向下运动穿过自身的过轮孔（441），从而使得复合小腿组B中的内置滚动足接触地面并向前前进。

7.如权利要求3-4任一项所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，所述步进电机B（51）反向转动，使得滚轮（57）向上运动退出过轮孔（441），即复合小腿组B的外置平板足与地面接触并向前前进。

8.如权利要求7所述的一种单足驱动同时能够滚动摩擦与滑动的机器人腿，其特征在于，复合小腿组A中的步进电机B（51）转动并且带动丝杠（58）进行正、反向转动，进而带动U型移动架（54）和升降板（55）进行向上或者向下运动，以实现滚轮（57）与摩擦平板足（44）分别与地面接触的自由切换。