CN110065549A - 一种行走着地机构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种行走着地机构，包括：行走架体；主动足系，包括行走架和第一传动杆，所述行走架包括行走足、第一连杆和第一传动杆，所述行走足沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体，所述第一连杆沿Z轴方向延伸并且连接于所述行走足，所述第一传动杆的一端连接所述第一连杆，所述第一传动杆用于推拉带动所述行走足绕X轴摆动直至所述行走足的端部着地或离地。上述的行走着地机构和方法通过第一传动杆推拉第一连杆，使得第一连杆带动行走足绕X轴摆动直至所述行走足的端部着地或离地，以实现行走足的抬腿或端部着地行走的功能。

Description

一种行走着地机构和方法
技术领域
本发明属于机器人领域，具体公开了一种行走着地机构和方法。
背景技术
爬行机构是仿生机器的重要组成部分。契贝谢夫行走着地机构是普遍应用的行走着地机构并成为一种范式，现有诸多的行走着地机构都是在契贝谢夫机构的基础上演化而来。
发明内容
本发明的目的在于提供一种行走着地机构和方法，以实现仿生爬行功能。
为此，本发明提供了一种行走着地机构，包括：
行走架体；
主动足系，包括行走架和第一传动杆，所述行走架包括行走足、第一连杆和第一传动杆，所述行走足沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体，所述第一连杆沿Z轴方向延伸并且连接于所述行走足，所述第一传动杆的一端连接所述第一连杆，所述第一传动杆用于推拉带动所述行走足绕X轴摆动直至所述行走足的端部着地或离地。
优选地，所述行走架还包括第二连杆，所述第二连杆沿X轴方向延伸，所述第二连杆的一端连接所述第一连杆，另外一端连接所述第一传动杆，使得所述行走足和所述第一连杆位于YZ平面内，所述第一连杆和第二连杆位于XZ平面内。
优选地，还包括：
曲轴，沿X轴方向延伸并且转动地连接于所述行走架体，包括垂直于所述曲轴的中轴线的第一曲凸，所述第一传动杆的一端连接所述第一曲凸，另外一端连接所述第二连杆。
优选地，所述曲轴还包括第二曲凸，所述行走着地机构还包括：
支地足系，包括支地足、第三连杆和第二传动杆，所述支地足沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体，所述第三连接杆沿Z轴方向延伸并且连接所述支地足，所述第二传动杆的一端连接所述第二曲凸，另外一端连接所述第三连杆，所述第二曲凸摆动以通过所述第二传动杆带动所述支地足绕所述X轴摆动直至所述支地足的端部处于着地或离地。
优选地，所述主动足系的数量为2个，所述支地足系的数量为2个，所述主动足系沿X轴对称设于所述行走架体的两侧以及所述支地足系沿X轴对称设于所述行走架体的两侧，所述第一曲凸和第二曲凸之间的相位差为180°，使得所述行走架体的不同侧的所述行走足和支地足同时离地或着地，同一侧的所述行走足着地和支地足离地或者同一侧的所述行走足处于离地和支地足着地。
优选地，还包括一驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接所述曲轴以驱动所述曲轴绕X轴转动或摆动。
优选地，所述曲轴的两端转动地连接于所述行走架体。
一种行走着地方法，包括：
第一传动杆推动第二连杆绕Z轴摆动，从而带动第一连杆绕X轴摆动；
所述第一连杆绕X轴摆动时，带动所述行走足绕X轴摆动，使得所述行走足的端部离地或者着地。
优选地，通过曲轴的第一曲凸转动以推拉所述第一传动杆，以及
所述曲轴的第二曲凸摆动以通过第二传动杆带动支地足绕所述X轴摆动直至所述支地足的端部处于着地或离地。
优选地，所述第一曲凸和第二曲凸之间的相位差为180°，使得所述行走架体的不同侧的所述行走足和支地足同时离地或着地，同一侧的所述行走足着地和支地足离地或者同一侧的所述行走足处于离地和支地足着地。
相较于现有技术，上述的行走着地机构和方法通过第一传动杆推拉第一连杆，使得第一连杆带动行走足绕X轴摆动直至所述行走足的端部着地或离地，以实现行走足的抬腿或端部着地行走的功能。
附图说明
图1是行走机构的结构示意图。
图2是曲轴的结构示意图。
图3是主动足系的结构示意图。
图4是支地足系的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
图1是行走机构的结构示意图。如图1所示，该行走机构包括行走架体L12L32R32R12、曲轴O1O2、主动足系、支地足系和从动足系。行走足系用于向前或向后移动，在支地足系的辅助支撑下，带动或者与从动足系同步移动，实现行走机构的“爬行”功能。
行走架体L12L32R32R12可以是四边形或者其他多边形，与曲轴O1O2、主动足系、支地足系和从动足系连接。图1中的L12、L22、L32、L13、L23、L33、R12、R22、R32、R13、R23、R33以及G1、G2、J1、J2、J3、F1、F2、F3、F4均为活动铰链，这些活动铰链是连接前述行走架体L12L32R32R12、曲轴O1O2、主动足系、支地足系和从动足系的关节。为了便于说明，图1示出的关节点中，字母“L”开头标号标记左侧的关节点，字母“R”开头标号标记右侧的关节点。
图2是曲轴的结构示意图。如图1和图2所示，曲轴O1O2的两端通过活动铰链O1、O3转动地连接于所述行走架体L12L32R32R12，并视曲轴O1O2的长度在适当位置加强固定(如O2)。所述曲轴O1O2的长度方向沿X轴方向延伸并且转动地连接于所述行走架体L12L32R32R12，包括垂直于所述曲轴O1O2的中轴线的第一曲凸J1、第二曲凸J2和第三曲凸J3，所述第一曲凸J1和第二曲凸J2之间的相位差为180°，所述第三曲凸J3与所述第一曲凸J1同相。所述第三曲凸J3为一端固定于所述曲轴O1O2的杆件，所述杆件的另外一端连接所述从动足系的第四连杆。本实施方式中，曲轴O1O2可以连接一驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接所述曲轴O1O2以驱动所述曲轴O1O2绕X轴转动或摆动。以图1示出的曲凸为3个，视爬行足数量的增加，图1的曲凸可以增加到多个。
图3是主动足系的结构示意图，如图1和图3所示，主动足系相对于X轴对称设置，包括左侧的主动足系的行走架L11F1L12L13和第一传动杆G1J1以及右侧的主动足系的行走架R11R12R13G2和第一传动杆J1G2。左侧和右侧的主动足系对对称布置。
左侧的主动足系包括行走架L11L12L13G1和第一传动杆J1G1，左侧的行走架L11L12L13G1铰接于所述行走架体L12L32R32R12，所述行走架L11L12L13G1包括行走足L11F1L12、第一连杆L12L13、第二连杆L13G1和第一传动杆J1G1。其中，左侧的第一连杆L13L12和第二连杆L13G1与XOZ面平行。左侧的行走足L11F1L12、第一连杆L12L13与YOZ面平行。第二连杆L13L12和第一传动杆J1G1可绕行走足L11F1L12转动、第二连杆L13G1可绕第一连杆L13L12转动。
右侧的主动足系包括行走架R11R12R13G2和第一传动杆J1G2，所述行走架R11R12R13G2铰接于所述行走架体L12L32R32R12，所述行走架R11R12R13G2包括行走足R11F3R12、第一连杆R12R13、第二连杆R13G2和第一传动杆J1G2。所述行走足R11F3R12沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体L12L32R32R12，所述第一连杆R12R13沿Z轴方向延伸并且连接于所述行走足R11F3R12。所述第二连杆R13G2沿X轴方向连接所述第一连杆R12R13，使得所述行走足R11F3R12和所述第一连杆R12R13位于YZ平面内，所述第一连杆R12R13和第二连杆R13G2位于XZ平面内。所述第一传动杆J1G2的一端连接所述第一曲凸J1，另外一端连接所述第二连杆R13G2，使得所述第一曲凸J1摆动时，通过所述第一传动杆J1G2带动所述行走足R11F3R12的端部沿X轴方向移动并且所述行走足R11F3R12绕所述X轴摆动直至所述所述行走足R11F3R12的端部实现着地或离地，以实现行走足的抬腿或端部着地行走的功能。
图4是支地足系的结构示意图。如图1和图4所示，支地足系相对于X轴对称设置并且沿X轴方向位于所述主动足系和所述从动足系之间，整个为平面机构，与YOZ面平行。左侧的支地足系可绕铰链L22在YOZ面的法线转动，右侧的支地足系可绕铰链R22在YOZ面的法线转动。
以图1所示的右侧的支地足系为例，包括支地足R21R22、第三连杆R22R23和第二传动杆R23J2，所述支地足R21R22沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体L12L32R32R12，所述第三连接杆沿Z轴方向延伸并且连接所述支地足R21R22，所述第二传动杆R23J2的一端连接所述第二曲凸J2，另外一端连接所述第三连杆R22R23，使得所述第二曲凸J2摆动时，通过所述第二传动杆R23J2带动所述支地足R21R22绕所述X轴摆动以着地或者离地，以实现支地足的抬腿或端部着地行走的功能。
从动足系相对于X轴对称设置，以图1示出的右侧从动足系为例，须成对对称布置。整个从动足系为平面机构，与YOZ面平行。左侧的从动足系可绕铰链L22在YOZ面的法线转动，还可以绕左侧的第四连杆L32L23转动。右侧的从动足系可绕铰链R22在YOZ面的法线转动，还可以绕右侧的第四连杆R32R23转动。所示例子中，主动足系与从动足系相同。
从动足系包括从动足R31F4R32和足系连杆F3F4，所述从动足R31F4R32沿Y轴方向延伸并且一端铰接于所述行走架体L12L32R32R12，所述足系连杆F3F4的一端连接所述从动足R31F4R32的靠近所述行走架体L12L32R32R12的端部，另外一端连接所述行走足R11F3R12的靠近所述行走架体L12L32R32R12的端部，使得所述从动足R31F4R32与所述行走足R11F3R12同步移动。在一些实施方式中，所述从动足R31F4R32系还包括第四连杆R32R33和第三传动杆R33J3，所述第四连接杆沿Z轴方向延伸并且连接所述从动足R31F4R32，所述第三传动杆R33J3的一端连接所述第三曲凸J3，另外一端连接所述第四连杆R32R33，使得所述第三曲凸J3摆动时，通过所述第三传动杆R33J3带动所述从动足R31F4R32的端部沿X轴方向移动并且所述从动足R31F4R32绕所述X轴摆动。
下面详细介绍上述行走机构的移动过程。
首先，曲轴O1O2转动时，以顺时针转动为例，第一传动杆J1G2拉动第二连杆R13G2绕第一连杆R12R13顺时针转动，使行走足R11F3R12的足端R11向X轴方向产生位移。
与此同时，曲轴O1O2带动行走架体L12L32R32R12的第一侧的主动足系的行走足R11F3R12沿X轴的正方向移动时，第一传动杆J1G1推动第二连杆L13G1绕第一连杆L12L13(即绕Z轴)顺时针转动，使行走足L11F1L12的足端L11向X轴反方向产生位移，这两个位移是沿着X轴的位移源。曲轴O1O2反时针转动时，产生的位移方向相反。足系连杆F1F2、足系连杆F3F4连接行走足与从动足，使得行走足与从动足同步前进或后退，即所述行走足R11F3R12带动同侧的从动足R31F4R32与同步移动。
同时，曲轴O1O2转动时，以顺时针转动为例，如限制第二连杆R13G2绕第一连杆R12R13、第二连杆L13G1绕第一连杆L12L13的转角范围，则一方面限制足端L11、R11在X轴上的位移大小，另一方面在达到所限制转角极限后，可使第一传动杆J1G1推动第二连杆L13G1、行走足L11F1L12绕行走架体L12L32R32R12的杆件L12L22(即绕X轴)转动而使足端L11离地悬空，与此同时足端R11着地形成一个着地支点。因此，曲轴O1O2带动所述带动行走架体L12L32R32R12的第一侧的主动足系的行走足R11F3R12沿X轴的负方向移动时，所述行走足R11F3R12绕所述X轴摆动使得该行走足R11F3R12离地，第二侧的主动足系的行走足R11F3R12沿X轴的正方向移动并绕所述X轴摆动使得该行走足R11F3R12着地。
在爬行过程中，曲轴O1O2转动时，所述行走足R11F3R12绕所述X轴摆动使得该行走足R11F3R12着地，第二侧的主动足系的行走足R11F3R12沿X轴的反方向移动并绕所述X轴摆动使得该行走足R11F3R12离地。所述曲轴O1O2在0～180°范围转动时，曲轴O1O2带动行走架体L12L32R32R12的第一侧的主动足系的行走足R11F3R12沿X轴的正方向移动，带动所述第一侧的支地足系的支地足R21R22绕所述X轴摆动以离地，以及，所述曲轴O1O2带动所述第二侧的支地足系的支地足R21R22绕所述X轴摆动以着地。在所述曲轴O1O2在180°～360°范围转动时，曲轴O1O2带动所述带动行走架体L12L32R32R12的第一侧的主动足系的行走足R11F3R12沿X轴的负方向移动，带动所述第一侧的支地足系的支地足R21R22绕所述X轴摆动以着地，以及，所述曲轴O1O2带动所述第二侧的支地足系的支地足R21R22绕所述X轴摆动以离地。
具体而言，以顺时针转动为例，第二传动杆R23J2推动支地足R21R22和第三连杆R22R23绕第三连杆R12R32逆时针，使得足端R21悬空。与此同时，第二传动杆J2L23拉动支地足L21L22和第三连杆L22L23绕第三连杆L12L32逆时针转动使得足端L21支地。从动足系的从动足L31L32与支地足L21L22连接在相位相反的曲凸上，故支地足L21L22支地时，从动足系的从动足R31R32也支地，形成第三个支地点。支地点R11、L21与R31形成三点支地确保系统稳定。曲轴反时针转动时，使得六足中的另外三个足支地，实现交替行走。在一些实施方式中，当曲轴O1O2的曲凸半径适度时，控制曲轴O1O2转动也实现连续爬行。此外，从动足系可以跟主动足系设计得完全一样，此时可形成前后双驱动，前进动力更大。
以图3为例，加大将主动足系的第一连杆R12R13与第二连杆R13G2之间的角度，大于90度和小于角度，都会产生自然的运动，不会限制其转动角度，只有等于90度的时候，才会限制其转动角度，则不需要前述“限制第二连杆G2R13绕第一连杆R12R13”转角范围，使前足自然行走。按照此六足设计，增加一个六足单元可形成多足爬行。
上述的行走机构和方法可以通过曲轴O1O2转动以通过第一传动杆J1G2带动所述行走足R11F3R12的端部沿X轴方向移动并且所述行走足R11F3R12绕所述X轴摆动，在行走足R11F3R12移动时，还可以带动从动足R31F4R32与所述行走足R11F3R12同步移动，实现行走机构整体爬行行走的功能。
应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种行走着地机构，其特征在于，包括：
行走架体；
主动足系，包括行走架和第一传动杆，所述行走架包括行走足、第一连杆和第一传动杆，所述行走足沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体，所述第一连杆沿Z轴方向延伸并且连接于所述行走足，所述第一传动杆的一端连接所述第一连杆，所述第一传动杆用于推拉带动所述行走足绕X轴摆动直至所述行走足的端部着地或离地。
2.如权利要求1所述行走着地机构，其特征在于，所述行走架还包括第二连杆，所述第二连杆沿X轴方向延伸，所述第二连杆的一端连接所述第一连杆，另外一端连接所述第一传动杆，使得所述行走足和所述第一连杆位于YZ平面内，所述第一连杆和第二连杆位于XZ平面内。
3.如权利要求2所述行走着地机构，其特征在于，还包括：
曲轴，沿X轴方向延伸并且转动地连接于所述行走架体，包括垂直于所述曲轴的中轴线的第一曲凸，所述第一传动杆的一端连接所述第一曲凸，另外一端连接所述第二连杆。
4.如权利要求3所述行走着地机构，其特征在于，所述曲轴还包括第二曲凸，所述行走着地机构还包括：
支地足系，包括支地足、第三连杆和第二传动杆，所述支地足沿Y轴方向延伸并且端部铰接于所述行走架体，所述第三连接杆沿Z轴方向延伸并且连接所述支地足，所述第二传动杆的一端连接所述第二曲凸，另外一端连接所述第三连杆，所述第二曲凸摆动以通过所述第二传动杆带动所述支地足绕所述X轴摆动直至所述支地足的端部处于着地或离地。
5.如权利要求4所述行走着地机构，其特征在于，所述主动足系的数量为2个，所述支地足系的数量为2个，所述主动足系沿X轴对称设于所述行走架体的两侧以及所述支地足系沿X轴对称设于所述行走架体的两侧，所述第一曲凸和第二曲凸之间的相位差为180°，使得所述行走架体的不同侧的所述行走足和支地足同时离地或着地，同一侧的所述行走足着地和支地足离地或者同一侧的所述行走足处于离地和支地足着地。
6.如权利要求5所述行走着地机构，其特征在于，还包括一驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接所述曲轴以驱动所述曲轴绕X轴转动或摆动。
7.如权利要求6所述的行走着地机构，其特征在于，所述曲轴的两端转动地连接于所述行走架体。
8.一种行走着地方法，其特征在于，包括：
第一传动杆推动第二连杆绕Z轴摆动，从而带动第一连杆绕X轴摆动；
所述第一连杆绕X轴摆动时，带动所述行走足绕X轴摆动，使得所述行走足的端部离地或者着地。
9.如权利要求8所述的行走着地方法，其特征在于，通过曲轴的第一曲凸转动以推拉所述第一传动杆，以及
所述曲轴的第二曲凸摆动以通过第二传动杆带动支地足绕所述X轴摆动直至所述支地足的端部处于着地或离地。
10.如权利要求9所述的行走着地方法，其特征在于，所述第一曲凸和第二曲凸之间的相位差为180°，使得所述行走架体的不同侧的所述行走足和支地足同时离地或着地，同一侧的所述行走足着地和支地足离地或者同一侧的所述行走足处于离地和支地足着地。
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