CN110667723A - 仿生式全地形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生式全地形机器人包括：车身本体；多组在前后方向上间隔开排布的轮腿装置，每组轮腿装置包括左右方向上对称布置的两个，每个轮腿装置均包括腿部组件和行走轮，腿部组件的动力输出轴和行走轮相连；悬挂装置设在车身主体内，悬挂装置与多组轮腿装置中至少分别位于最前端和最后端的两组相连，悬挂装置包括多个驱动组件，每个驱动组件和对应的腿部组件相连，每个驱动组件包括电动缸和伸缩杆，伸缩杆设在电动缸上，电动缸可驱动伸缩杆伸长或者缩短；阻尼器，阻尼器连接在车身本体和腿部组件之间；弹性件，弹性件套设在阻尼器上。根据本发明实施例的仿生式全地形机器人，提升越障能力，具有很好减震性能，对复杂地形适应能力强。

Description

仿生式全地形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种仿生式全地形机器人。

背景技术

目前，全地形机器人主要包括轮式机器人、履带式机器人、腿式机器人、复合式机器人(如轮+履带等)以及仿生式机器人(如蛇形等)。在相关技术中，轮式机器人在复杂地面不宜行走，且越障能力很差，适应能力相对较差；腿式机器人结构和控制复杂，稳定性差，行走速度和行走效率较低；履带式机器人的摩擦阻力大，损耗较大，容易被土壤磨损；仿生式机器人的运动平稳性不强、承载能力差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出一种仿生式全地形机器人，所述仿生式全地形机器人的越障能力强，运动稳定性好。

根据本发明实施例的仿生式全地形机器人包括：车身本体；多组在前后方向上间隔开排布的轮腿装置，每组所述轮腿装置包括左右方向上对称布置的两个，所述两个轮腿装置分别设在所述车身本体的左右两侧，每个所述轮腿装置均包括：腿部组件和行走轮，所述腿部组件的动力输出轴和所述行走轮相连以带动所述行走轮运转；悬挂装置，所述悬挂装置设在所述车身主体内，所述悬挂装置与所述多组轮腿装置中至少分别位于最前端和最后端的两组相连，所述悬挂装置包括多个驱动组件，每个所述驱动组件和对应的所述腿部组件相连以驱动所述腿部组件抬起或下压，每个所述驱动组件包括：电动缸和伸缩杆，所述伸缩杆设在所述电动缸上，所述电动缸可驱动所述伸缩杆伸长或者缩短；阻尼器，所述阻尼器连接在所述车身本体和所述腿部组件之间；弹性件，所述弹性件套设在所述阻尼器上。

根据本发明实施例的仿生式全地形机器人，通过在悬挂装置与多组轮腿装置中至少分别位于最前端和最后端的两组相连，在遇到障碍物时，腿部组件可抬起以跨过障碍物，提升了越障能力，且车身本体和腿部组件之间连接有阻尼器和弹性件，具有很好的减震性能，使得运行更加平稳，对复杂地形的适应能力强。

根据本发明的一个实施例，所述伸缩杆伸长可驱动所述腿部组件抬起，所述伸缩杆缩短可驱动所述腿部组件下压。

根据本发明的另一个实施例，所述腿部组件包括：电机，在所述电机上设有动力输入轴；传动轴，所述传动轴和所述动力输入轴相连以驱动所述传动轴转动；动力输出轴，所述动力输出轴和所述行走轮连接以带动所述行走轮转动；腿部传动组件，所述腿部传动组件连接在所述传动轴和所述动力输出轴之间，所述腿部传动组件包括：配合相连的第一连接壳体和第二连接壳体，所述第一连接壳体和所述第二连接壳体限定出安装腔；传动轮组，所述传动轮组设在所述安装腔内以带动所述动力输出轴转动。

根据本发明一个可选的示例，所述传动轮组包括：第一带轮、第二带轮和传动带，所述第一带轮的径向尺寸小于所述第二带轮的径向尺寸，所述传动带连接在所述第一带轮和所述第二带轮之间，所述第一带轮和所述传动轴相连，所述第二带轮和所述动力输出轴相连。

根据本发明另一个可选的示例，所述行走轮上设有联轴器，所述动力输出轴通过所述联轴器和所述行走轮连接。

根据本发明的又一个实施例，多组所述轮腿装置在由前至后的方向上依次为第一轮腿装置、第二轮腿装置和第三轮腿装置，所述第一轮腿装置的腿部组件向前倾斜且与竖直方向呈第一夹角布置，所述第二轮腿装置的腿部组件、第三轮腿装置的腿部组件均向后倾斜且分别与竖直方向呈第二夹角布置。

进一步地，所述第一夹角为a1，所述第二夹角为a2，其中30°≤a1≤90°，90°≤a2≤150°。

根据本发明的再一个实施例，所述车身本体包括：外壳，所述外壳内限定出容纳腔；主控制器模块，所述主控制器模块设在所述容纳腔内；图像采集器和图像处理模块，所述图像采集器和所述图像处理模块相连，所述图像处理模块和所述主控制器模块相连，所述图像采集器采集环境信息并传输至所述图像处理模块进行分析处理以将所述环境信息转化成相应指令，并将所述指令发送至所述主控制器模块；无线通信模块，所述主控制器模块通过所述无线通信模块接收所述指令；防水声呐模块，所述主控制器模块通过所述防水声呐模块采集所述外壳与周围障碍物之间的距离；姿态传感器，所述主控制器模块通过所述姿态传感器采集姿态信息，所述主控制器模块通过对所述姿态信息进行分析和判断以完成主动越障；电机驱动模块和执行电机模块，所述主控制器模块通过计算所接收的指令给所述电机驱动模块发送驱动指令，以驱动所述执行电机模块进行相应动作。

可选地，所述外壳上设有多个通孔以用于安装所述防水声呐模块。

可选地，所述外壳的前侧和后侧均设有倾斜延伸的斜挡板。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的立体图；

图2是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的另一个视角的立体图；

图3是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的又一个视角的立体图；

图4是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的腿部组件的立体图；

图5是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的腿部组件的侧视图；

图6是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的腿部组件的悬挂装置和轮腿装置的立体图；

图7是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的腿部组件的悬挂装置和轮腿装置的侧视图；

图8是根据本发明实施例仿生式全地形机器人的车身本体内各个功能模块的连接示意图。

附图标记：

仿生式全地形机器人100，

车身本体10，通孔11，斜挡板12，上盖板13、前侧的斜挡板14、前挡板15、下盖板16、后挡板17、后侧的斜挡板18、右支撑板19、左支撑板191，

轮腿装置20，腿部组件21，电机211，动力输入轴212，传动轴213，动力输出轴214，腿部传动组件215，第一连接壳体216，第二连接壳体217，第一固定座218，第二固定座219，行走轮22，

驱动组件31，电动缸311，伸缩杆312，阻尼器313，弹性件314。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的仿生式全地形机器人100。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的仿生式全地形机器人100包括车身本体10、多组轮腿装置20和悬挂装置。

其中，多组轮腿装置20在前后方向上间隔开排布，多组轮腿装置20对车身本体10具有支撑功能，每组轮腿装置20包括左右方向上对称布置的两个，两个轮腿装置20分别设在车身本体10的左右两侧。每个轮腿装置20均包括腿部组件21和行走轮22，腿部组件21的动力输出轴214和行走轮22相连以带动行走轮22运转。通过多组轮腿装置20可实现对车身本体10的支撑以及实现整体移动。

悬挂装置设在车身本体10内，悬挂装置与多组轮腿装置20中至少分别位于最前端和最后端的两组相连，使得轮腿装置20可以抬起或下压，进而实现越障功能，适应复杂地形，同时可以起到减震作用，具有较好的运动稳定性。

如图6所示，具体地，悬挂装置包括多个驱动组件31，每个驱动组件31和对应的腿部组件21相连以驱动腿部组件21抬起或下压，每个驱动组件31包括电动缸311、伸缩杆312、阻尼器313和弹性件314，其中伸缩杆312设在电动缸311上，电动缸311可驱动伸缩杆312伸长或者缩短，可精确控制伸缩杆312的伸缩长度，伸缩杆312的伸长或者缩短可以带动腿部组件21上抬或者下压，例如，当伸缩杆312在伸长时可带动腿部部件向上抬起，以越过前面的障碍物，当伸缩杆312在缩短时可以带动腿部组件21下压，继续稳定地前行。

进一步地，阻尼器313连接在车身本体10和腿部组件21之间，弹性件314套设在阻尼器313上，可以提升腿部组件21的减震性能，运动稳定性更高。

根据本发明实施例的仿生式全地形机器人100，通过在悬挂装置与多组轮腿装置20中至少分别位于最前端和最后端的两组相连，在遇到障碍物时，腿部组件21可抬起以跨过障碍物，提升了越障能力，且车身本体10和腿部组件21之间连接有阻尼器313和弹性件314，具有很好的减震性能，使得运行更加平稳，对复杂地形的适应能力强。

根据本发明的一个实施例，伸缩杆312伸长可驱动腿部组件21向上抬起，进而越过前面的障碍物，伸缩杆312收缩可驱动腿部组件21下压，实现对车身本体10的支撑并继续前行，提升机器人100对复杂地形的适应能力。

如图4和图5所示，根据本发明的另一个实施例，腿部组件21包括电机211、传动轴213、动力输出轴214和腿部传动组件215，在电机211上设有动力输入轴212，传动轴213和动力输入轴212相连以驱动传动轴213转动，动力输出轴214和行走轮22连接以带动行走轮22进行转动，腿部传动组件215连接在传动轴213和动力输出轴214之间，腿部传动组件215包括第一连接壳体216、第二连接壳体217和传动轮组，第一连接壳体216和第二连接壳体217配合相连以限定出安装腔，传动轮组设在安装腔内以带动动力输出轴214转动。可选地，电机211可以采用直流无刷电机211。

可以理解的是，腿部传动组件215连接在动力输入轴212和动力输出轴214之间以进行动力传输，腿部传动组件215的外轮廓被构造成两端呈圆弧状、中间呈长条状的结构。

进一步地，在第一连接壳体216朝向动力输入轴212设置，第二连接壳体217朝向动力输出轴214设置，动力输入轴212和传动轴213通过第一固定座218和腿部传动组件215相连，动力输出轴214通过第二固定座219和腿部传动组件215相连，从而使得动力输入轴212和动力输出轴214分别与腿部传动组件215的配合更加可靠。

根据本发明一个可选的示例，传动轮组包括第一带轮、第二带轮和传动带，第一带轮的径向尺寸小于第二带轮的径向尺寸，传动带连接在第一带轮和第二带轮之间，第一带轮和传动轴213相连，第二带轮和动力输出轴214相连，以实现减速功能，且均采用机械传动方式，与相关技术中的机器人的电器结构传动方式，可以涉水，具有防水功能。

根据本发明另一个可选的示例，在行走轮22上设有联轴器，动力输出轴214通过联轴器和行走轮22连接，连接更加可靠，且可以承受较大的载荷，具有更大的承载功能。每个行走轮22均采用100mm宽度的轮胎，可适用于各种复杂的路况。

根据本发明的又一个实施例，多组轮腿装置20在由前至后的方向上依次为第一轮腿装置20、第二轮腿装置20和第三轮腿装置20，第一轮腿装置20的腿部组件21向前倾斜且与竖直方向呈第一夹角布置，第二轮腿装置20的腿部组件21、第三轮腿装置20的腿部组件21均向后倾斜且分别与竖直方向呈第二夹角布置，使得整个结构的重心较低，运动稳定性更好。

进一步地，第一夹角为a1，第二夹角为a2，其中30°≤a1≤90°，90°≤a2≤150°，a1可以为30°、60°、80°、90°，a2可以为90°、120°、140°、150°，具体可以根据实际需要进行设计，通过将第一夹角a1和第二夹角a2限定在上述范围之内，可以使得整个结构的重心保持较低的状态，提升运动稳定性。

需要进一步说明的是，本发明实施例的轮腿装置20设计使得整个结构的重心低，可承重大负载，在承重大载荷时，弹性件314压缩，车身本体10的重心下降，会产生竖直方向减震效果。

如图8所示，根据本发明的再一个实施例，车身本体10包括外壳、主控制器模块、图像采集器、图像处理模块、无线通信模块、防水声呐模块、姿态传感器、电机驱动模块和执行电机模块。其中外壳内限定出容纳腔，主控制器模块设在容纳腔内，图像采集器和图像处理模块相连，图像处理模块和主控制器模块相连，通过图像采集器采集环境信息，并将环境信息传输至图像处理模块进行分析处理，用于将环境信息转化成相应指令，图像处理模块可以将指令发送至主控制器模块处，主控制器模块通过无线通信模块接收指令，无线通信模块可以采用2.4G无线通信模块。

进一步地，主控制器模块通过防水声呐模块采集外壳与周围障碍物之间的距离，进而实现避障功能，主控制器模块通过姿态传感器采集姿态信息，主控制器模块通过对姿态信息进行分析和判断以完成主动越障，主控制器模块通过计算所接收的指令给电机驱动模块发送驱动指令，以驱动执行电机模块进行相应动作，需要说明的是，电机驱动模块包括轮式电机驱动模块和腿部电机驱动模块，执行电机模块包括执行轮式电机模块和执行腿部电机模块，其中轮式电机驱动模块连接在执行轮式电机模块和主控制器模块之间，腿部电机驱动模块连接在执行腿部电机模块和主控制器模块之间。

需要说明的是，执行轮式电机模块可以控制行走轮22的转动，执行腿部电机模块可以控制腿部组件21的动作。

可选地，车身本体10上还设有供电电源模块用以给上述各个电器功能模块进行供电。

可选地，外壳上设有多个通孔11以用于安装防水声呐模块。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1至图3所示，可选地，外壳的前侧和后侧均设有倾斜延伸的斜挡板，车身本体10的外壳包括上盖板13、前侧的斜挡板14、前挡板15、下盖板16、后挡板17、后侧的斜挡板18、右支撑板19、左支撑板191和三个位于容纳腔内的支撑梁，每个支撑梁的左右两端各设有安装孔，车身本体10成轴对称设计，左支撑板191和右支撑板19形状和厚度相同，左支撑板191和右支撑板19上的安装孔位置也相同，两个前侧的斜挡板14(上斜挡板和下斜挡板)的厚度相同。

进一步地，车身本体10均为IP67(Ingress Protection Rating的缩写，防护安全级别)级防水，前挡板15和后挡板17分别设有两个通孔11，通孔11的直径可以为19mm，用于安装防水声呐模块，在盖板、挡板、斜挡板和支撑板之间的连接处均进行灌胶处理，以保证密封性。

如图1至图3所示，六个腿部组件21分布在车身本体10的两侧，在车身本体10的每侧设有三个腿部组件21，六个腿部组件21分别固定在左支撑板191和右支撑板19上，六个腿部组件21的固定中心在同一水平面上，六个腿部组件21的大小、形状和尺寸均相同。需要说明的是，可以保证至少四个腿部组件21同时工作，增强整车系统的稳定性，当出现一个或两个腿部组件21失效时，其他四个可正常运行，并且六个腿部组件21的设计尺寸，形状，结构功能均相同，只是安装方向不同，模块化设计，有利于拆解更换，增加系统稳定性和可靠性。

本发明实施例仿生式全地形机器人100为基于尺蠖攀爬行为的具有主动越障功能的全地形机器人100。

本发明实施例的仿生式全地形机器人100的六个轮腿装置20均采用独立悬挂，且六个轮腿装置20均可独立驱动，具备优良的地形适应性和动力输出特性。此外，在车身本体10内设置的悬挂装置，通过电动缸311进行驱动，可以为每个轮腿装置20提供独立的活动自由度，使其腿部组件21能够主动抬起、下压，可越过高度为210-320mm的障碍物，且具备“轮腿结合”的蠕动行走功能。此外，对车身本体10的外壳进行拓扑(研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质，只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小)优化，在保证零件高刚度、高强度前提下大大减轻重量，提升被动越障性能。

本发明实施例公开的仿生式全地形机器人100的前档板和后档板上各安装两个高精度的防水声呐模块，用于距离探测和防撞检测，同时在车身本体10的前侧安装了图像采集器，该图像采集器可以选用500万自动对焦高清摄像头，利用图像处理模块对采集后图像进行实时处理识别，当检测到前方障碍物的尺寸等于或小于1.5倍行走轮22的直径高度时，可以自动越过障碍物；当检测到前方障碍物大于1.5倍行走轮22的直径高度时，仿生式全地形机器人100自动在距离障碍物1m前停下，然后绕过障碍物。

根据本发明实施例的仿生式全地形机器人100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种仿生式全地形机器人，其特征在于，包括：

车身本体；

多组在前后方向上间隔开排布的轮腿装置，每组所述轮腿装置包括左右方向上对称布置的两个，所述两个轮腿装置分别设在所述车身本体的左右两侧，每个所述轮腿装置均包括：腿部组件和行走轮，所述腿部组件的动力输出轴和所述行走轮相连以带动所述行走轮运转；

悬挂装置，所述悬挂装置设在所述车身主体内，所述悬挂装置与所述多组轮腿装置中至少分别位于最前端和最后端的两组相连，所述悬挂装置包括多个驱动组件，每个所述驱动组件和对应的所述腿部组件相连以驱动所述腿部组件抬起或下压，每个所述驱动组件包括：

电动缸和伸缩杆，所述伸缩杆设在所述电动缸上，所述电动缸可驱动所述伸缩杆伸长或者缩短；

阻尼器，所述阻尼器连接在所述车身本体和所述腿部组件之间；

弹性件，所述弹性件套设在所述阻尼器上。

2.根据权利要求1所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述伸缩杆伸长可驱动所述腿部组件抬起，所述伸缩杆缩短可驱动所述腿部组件下压。

3.根据权利要求1所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述腿部组件包括：

电机，在所述电机上设有动力输入轴；

传动轴，所述传动轴和所述动力输入轴相连以驱动所述传动轴转动；

动力输出轴，所述动力输出轴和所述行走轮连接以带动所述行走轮转动；

腿部传动组件，所述腿部传动组件连接在所述传动轴和所述动力输出轴之间，所述腿部传动组件包括：

配合相连的第一连接壳体和第二连接壳体，所述第一连接壳体和所述第二连接壳体限定出安装腔；

传动轮组，所述传动轮组设在所述安装腔内以带动所述动力输出轴转动。

4.根据权利要求3所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述传动轮组包括：第一带轮、第二带轮和传动带，所述第一带轮的径向尺寸小于所述第二带轮的径向尺寸，所述传动带连接在所述第一带轮和所述第二带轮之间，所述第一带轮和所述传动轴相连，所述第二带轮和所述动力输出轴相连。

5.根据权利要求3所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述行走轮上设有联轴器，所述动力输出轴通过所述联轴器和所述行走轮连接。

6.根据权利要求1所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，多组所述轮腿装置在由前至后的方向上依次为第一轮腿装置、第二轮腿装置和第三轮腿装置，所述第一轮腿装置的腿部组件向前倾斜且与竖直方向呈第一夹角布置，所述第二轮腿装置的腿部组件、第三轮腿装置的腿部组件均向后倾斜且分别与竖直方向呈第二夹角布置。

7.根据权利要求6所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述第一夹角为a1，所述第二夹角为a2，其中30°≤a1≤90°，90°≤a2≤150°。

8.根据权利要求1所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述车身本体包括：

外壳，所述外壳内限定出容纳腔；

主控制器模块，所述主控制器模块设在所述容纳腔内；

图像采集器和图像处理模块，所述图像采集器和所述图像处理模块相连，所述图像处理模块和所述主控制器模块相连，所述图像采集器采集环境信息并传输至所述图像处理模块进行分析处理以将所述环境信息转化成相应指令，并将所述指令发送至所述主控制器模块；

无线通信模块，所述主控制器模块通过所述无线通信模块接收所述指令；

防水声呐模块，所述主控制器模块通过所述防水声呐模块采集所述外壳与周围障碍物之间的距离；

姿态传感器，所述主控制器模块通过所述姿态传感器采集姿态信息，所述主控制器模块通过对所述姿态信息进行分析和判断以完成主动越障；

电机驱动模块和执行电机模块，所述主控制器模块通过计算所接收的指令给所述电机驱动模块发送驱动指令，以驱动所述执行电机模块进行相应动作。

9.根据权利要求8所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述外壳上设有多个通孔以用于安装所述防水声呐模块。

10.根据权利要求8所述的仿生式全地形机器人，其特征在于，所述外壳的前侧和后侧均设有倾斜延伸的斜挡板。

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