CN110696940B - 全向轮足式机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种全向轮足式机器人，包括：机架和安装在机架下方的多个串联腿；每个串联腿从上至下依次包括万向节、大腿连接件和小腿连接件；所述万向节输入端可绕垂直于所述机架所在的平面的轴线转动,万向节输出端与大腿连接件相连；所述小腿连接件可相对于所述大腿连接件转动。本申请的全向轮足式机器人通过巧妙的结构设计使得机器人的结构紧凑、控制简单、运动效率高、腿部机构灵活、承载能力高，适用于星球探测中复杂地形下高速移动以及运输作业。

Description

全向轮足式机器人

技术领域

本申请涉及机械工程中机器人技术领域，特别涉及一种全向轮足式机器人。

背景技术

全向轮足式机器人是一种用车轮代替机器人脚部的机器人，该机器人能够在复杂地形中稳定地行走或在平坦的路面快速全方位移动，可以代替人类在危险的环境中工作，比如：勘测复杂的地形地貌、灾后运送伤员、战场上运送装备和货物等。与腿式机器人相比，全向轮足式机器人在平坦的路面上可以通过驱动轮足进行行走，极大的提高了机器人的行走速度并且降低了对机器人的控制难度，对提高步行机器人的运动效率和运动稳定性有着重要的意义；采用串联式腿部可以提高机器人的结构强度和稳定性，驱动装置结构简单、布置容易，使用电机驱动器可以使得机器人腿部结构更加紧凑，有效地减少机器人腿部质量，同时每腿串联机构的末端装有轮驱动电机，提高机器人的驱动效率。

经检索发现，申请号为201710853492.2，申请日期为2017年9月20日的中国发明专利公开了《一种四轮足机器人》，用于实现轮足机器人和腿式机器人功能上的集合。该发明包括：一个平台和四个轮子，四个轮子分别安装在该平台左右两侧的前后位置；其中，每个轮子上都活动连接有两根支腿，当两根支腿与轮子的连接端的连线处于水平状态时，单根支腿的长度足以将与其连接的轮子撑离底面；且两根支腿的连接端均设置有微电机，用于转动该支腿至指定状态下并锁死；微电机不工作，仅充当轴承使用，轮子转动时，在重力的作用下，支腿的自由端悬空时，该支腿始终处于自然下垂的状态，当轮子转动到该支腿的自由端接触到地面时，该支腿为倾斜状态，倾斜的支腿在惯性的作用下，将与其连接的轮子撑起；微电机启动，转动相应的支腿，将每个轮子上的两根支腿调整成Z字形的状态并锁死，每个轮子上的两根支腿相互平行但方向相反；在四轮式机器人的每个轮子上均采用了两根可控的支腿结构，既可使机器人在平坦路面实现快速移动，又可使机器人在非平坦路面依靠腿部进行行走。该专利并未考虑机器人在复杂路面上的越障能力，并且机器人腿部尺寸过小，难以完成对平台位姿进行调整。

因此，本领域迫切需要开发一种全向轮足式机器人，能够克服上述缺点，并且结构紧凑、控制简单、运动效率高、腿部机构灵活、承载能力高、适用于复杂路面或者星球探测中复杂地形下高速移动以及运输作业。

发明内容

本申请的目的在于提供一种全向轮足式机器人，该全向轮足式机器人结构紧凑、控制简单、运动效率高、腿部机构灵活、承载能力高，适用于复杂路面上高速移动以及运输作业。

本申请提供了一种全向轮足式机器人，包括：机架和安装在机架下方的多个串联腿；每个串联腿从上至下依次包括万向节、大腿连接件和小腿连接件；所述万向节输入端可绕垂直于所述机架所在的平面的轴线转动,万向节输出端与大腿连接件相连；所述小腿连接件可相对于所述大腿连接件转动。

在另一优选例中，还包括用于带动小腿运动的小腿驱动电机和连杆机构；所述连杆机构包括铰接在一起的第一连杆和第二连杆，第一连杆与大腿连接件铰接，第二连杆与小腿连接件铰接；小腿驱动电机驱动第一连杆转动带动第二连杆从而带动所述小腿连接件相对于所述大腿连接件转动，通过连杆机构的设计，即第一连杆与大腿连接件铰接，小腿驱动电机驱动第一连杆使得小腿驱动电机设置在串联腿的上部。

在另一优选例中，所述万向节的输入端设有腿转向电机。

在另一优选例中，所述万向节包括第一轴和第二轴，所述第一轴连接有用于驱动所述大腿连接件绕第一轴转动的腿侧摆驱动电机；所述第二轴连接有用于驱动大腿绕第二轴转动的大腿驱动电机。

在另一优选例中，所述万向节还包括U件、连接板、第一架板和第二架板，第一架板和第二架板设置在连接板相对的两端，连接板与第一轴固定连接，连接板与U件的侧面通过第一轴铰接，所述腿侧摆驱动电机可以驱动所述第一轴转动；所述大腿连接件包括第一大腿连杆和第二大腿连杆，所述第一大腿连杆通过第二轴与所述第一架板铰接，所述大腿驱动电机设置在第一架板上，所述大腿驱动电机可驱动所述第二轴转动，第二轴可带动大腿连接件相对于架板绕第二轴转动。

在另一优选例中，所述串联腿还包括大腿传动机构，所述大腿传动机构包括用皮带连接的第一带轮和第二带轮，所述第一带轮设置在第一架板的内侧，且所述第一带轮与所述大腿驱动电机的输出端连接，所述第二带轮设置在所述第一大腿连杆内侧，所述第二带轮与第二轴连接，所述第二轴与所述第一大腿连杆固定连接，所述大腿驱动电机驱动所述第一带轮转动，第一带轮带动第二带轮转动，从而带动所述第一大腿连杆相对于所述第一架板转动。

在另一优选例中，所述串联腿还包括用于带动小腿运动的小腿驱动电机、连杆机构、用皮带连接的第三带轮和第四带轮，所述小腿驱动电机设置在第二架板上，所述连杆机构包括铰接在一起的第一连杆和第二连杆，所述第二连杆与小腿连接件铰接；所述第三带轮设置在所述第二架板的内侧，且所述第三带轮与所述小腿驱动电机的输出端连接，所述第四带轮设置在所述第二大腿连杆内侧，所述第四带轮通过连接轴与第一连杆固定连接，所述连接轴与所述第二大腿连杆铰接，所述小腿驱动电机驱动所述第三带轮转动，从而带动第四带轮转动，第四带轮带动所述第一连杆转动，第一连杆转动带动第二连杆从而带动所述小腿连接件相对于所述大腿连接件转动，通过采用皮带连接的方式，进一步地将小腿驱动电机眼串联腿进一步上移，减小了运动惯量，使得小腿连接件运动更加灵活。

在另一优选例中，所述小腿连接件包括与大腿连接件铰接的小腿板，在小腿板设有与小腿板固定连接的固定轴，所述固定轴与所述第二连杆铰接。

在另一优选例中，所述小腿连接件的末端连接有轮机架，以及设置在所述轮机架上的车轮和轮驱动电机，所述轮驱动电机用于驱动所述车轮绕车轮轴线旋转

在另一优选例中，轮驱动电机不工作时，机器人在腿式机器人模式下运行，通过一定步态进行全方位运动，轮驱动电机工作时，机器人在轮式机器人模式下运行，机器人可以实现在平坦路面上的高速运动。

在另一优选例中，所述串联腿的数量为4，所述4个串联腿采用对称布置。

本发明的有益效果在于提供了一种全向轮足式机器人，该机器人采用的串联腿结构提高了四足机器人腿部的承载能力、简化了腿部结构，并且提高了机器人的越障能力。每条腿的结构为对称结构，同时机器人本身也采用了对称结构，具有各向同性。车轮布置在腿部末端，既可以驱动机器人前进或者后退，同时也减小了腿部尺寸，增加了腿部的灵活性，使机器人在移动的过程中能够灵活的调整机架的位姿。通过轮驱动电机的转动可以使车轮以最简单的方式进行运动。本发明结构紧凑、控制简单、运动效率高、腿部机构灵活、承载能力高，适用于复杂路面上或星球探测中复杂地形下高速移动以及运输作业。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明全向轮足式机器人的结构示意图；

图2是本发明全向轮足式机器人的串联腿结构示意图。

各附图中，各标识如下：

1-机架

21-U件

22-连接板

231-第一架板

232-第二架板

24-第一轴

25-第二轴

26-腿转向电机

27-腿侧摆驱动电机

28-大腿驱动电机

29-小腿驱动电机

31-第一大腿连杆

32-第二大腿连杆

33-横撑杆

41-第一带轮

42-第二带轮

51-第一小腿板

52-第二小腿板

61-第一连杆

62-第二连杆

63-固定轴

71-第三带轮

72-第四带轮

81-车轮

82-轮机架

83-车轮连接构件

84-轮驱动电机

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开了一种结构紧凑、控制简单、承载能力高以及运动效率高的全向轮足式机器人。该全向轮足式机器人采用平行四边形连杆机构传递膝关节转动，将驱动电机集成到腿的上半部分，不仅有效的减小了腿部运动惯量，而且使得腿部机构灵活；并且机器人的每条腿的结构为对称结构，同时机器人本身也采用了对称结构，具有各向同性。在该机器人的腿部末端布置有车轮，既可以驱动机器人前进或者后退，同时也减小了腿部尺寸，增加了腿部的灵活性，使机器人在移动的过程中能够灵活的调整机架的位姿，通过轮驱动电机的转动可以使车轮以最简单的方式进行运动，适用于复杂路面上或星球探测中复杂地形下高速移动以及运输作业。

术语

如本文所用的，术语“第一架板内侧”或“第二架板内侧”指的是第一架板和第二架板形成的内侧区域，“第一架板外侧”或“第二架板外侧”指的是第一架板和第二架板形成的外侧区域。

如本文所用的，术语“第一大腿连杆内侧”或“第二大腿连杆内侧”指的是第一大腿连杆和第二大腿连杆内侧形成的内侧区域。

需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参考图1-图2所示，图1是全向轮足式机器人的结构示意图；图2是本发明全向轮足式机器人的串联腿结构示意图。

本发明的全向轮足式机器人包括机架1和安装在机架下方的串联腿。机架至少有一个安装平面用于安装串联腿。串联腿的数量为4个，优选地，安装在机架上的四条腿绕中心等角度分布，优选地，每个串联腿的结构相同。

以一个串联腿为例，串联腿从上至下依次包括万向节、大腿连接件和小腿连接件和车轮组件。

万向节包括1个U件21、连接板22、一对架板即第一架板231和第二架板232、第一轴24和第二轴25，U件21的底面上形成有向外延伸的输入端，输入端为圆柱形，输入端与机架1的安装平面连接，使得输入端可绕垂直于机架安装平面的轴线方向转动。第一轴24与连接板22固定连接在一起，连接板22与U件21的侧面通过第一轴铰接，使得连接板22可绕第一轴24转动。所述第一架板231和第二架板232设置在连接板22相对的两端。在串联腿安装在机架上时，U件为倒置U形，且U件的上表面与机架安装表面的下表面邻接，机架1上设有腿转向电机26，腿转向电机26带动输入端转动，串联腿可以实现原地转弯。在U件的侧面上设有用于驱动第一轴24转动的腿侧摆驱动电机27。第一架板231和第二架板232之间连接有第二轴25，第二轴25的轴线与第一轴24的轴线垂直。第二轴25可相对于架板转动。大腿连接件包括第一大腿连杆31和第二大腿连杆32，第一大腿连杆31和第二大腿连杆32之间设有横撑杆33，以将第一大腿连杆31和第二大腿连杆32连接为一个整体部件；第一大腿连杆21通过第二轴25与第一架板231铰接连接，在第一架板231上设有驱动第二轴25转动，使得大腿连接件绕第二轴转动的大腿驱动电机28，从而形成了万向节的输出端。

优选地，串联腿还包括大腿传动机构，在本实施例中，大腿传动机构被配置为包括第一带轮41和第二带轮42，大腿驱动电机28设置在第一架板231上，且大腿驱动电机28设置在第一架板231的外侧，第一带轮41位于第一架板231内侧并安装在大腿驱动电机28的输出轴上，大腿驱动电机28驱动第一带轮41转动。第二带轮42与第二轴25通过连接套筒连接，第二带轮42的转动可以带动第二轴的转动，并且第二带轮42设置在第一大腿连杆31的内侧，第二轴25与第一大腿连杆31固定连接，由于第二轴与第一架板231铰接连接，第二轴转动时可以带动第一大腿连杆41相对于第一架板231绕第二轴24转动。大腿驱动电机28驱动第一带轮41，第一带轮41通过皮带与第二带轮42连接，并带动第二带轮42转动，从而带动第一大腿连杆31也就是带动大腿连接件相对于第一架板231绕第二轴25转动。当然，也可以采用其他传动方式带动大腿连接件转动，不限于本实施例所说的皮带传动方式。在本发明中通过巧妙的结构设计，使得大腿连接件运动时，架板不动，并且将大腿驱动电机设置在架板上，不跟随大腿连接件的运动而运动，达到了大腿连接件运动灵活的效果。并且大腿连杆上设有减轻孔，并且两个大腿连杆通过横撑杆连接，这种设计减轻了腿部关节的质量。

小腿连接件包括第一小腿板51和第二小腿板52。在一实施例中，第一小腿板51和第二小腿板52通过轴与第一大腿连杆31和第一大腿连杆32铰接。串联腿还包括用于带动小腿运动的小腿驱动电机29和连杆机构，连杆机构被配置为包括铰接在一起的第一连杆61和第二连杆62，第一连杆61与大腿连接件铰接，第二连杆62与小腿连接件铰接，相当于一个平行四边形连杆机构，小腿驱动电机29驱动第一连杆61转动带动第二连杆62从而带动所述小腿连接件转动。在另一实施例中，小腿驱动电机29设置在第二架板232上，与大腿驱动电机28相对设置，串联腿还包括第三带轮71和第四带轮72，第三带轮71设置于第二架板232的内侧，并且安装小腿驱动电机29的输出轴上，小腿驱动电机29驱动第三带轮71转动。第四带轮72设置于第二大腿连杆的内侧，第四带轮72通过连接轴与第一连杆61固定连接，而第二大腿连杆32和第二架板232与连接轴铰接连接，第四带轮72转动可以带动连接轴转动，小腿驱动电机29驱动第三带轮71，第三带轮71与第四带轮72通过皮带连接，从而带动第四带轮72转动，第四带轮72带动所述第一连杆61转动，第一连杆61带动第二连杆62转动，最终带动小腿连接件相对于大腿连接件转动。在本实施例中，在第一小腿板51和第二小腿板52之间设有固定轴63，固定轴63与小腿板固定连接，且固定轴63与第二连杆62铰接，在第二连杆62转动时，带动小腿连接件相对于大腿连接件转动。本实施例采用的是皮带传动巧妙地将小腿驱动电机设置在架板上端部也就是串联腿的上部从而减小了运动惯量，使得小腿连接件可以灵活运动。当然，也可以采用其他传动方式带动连杆机构运动，不限于本实施例所说的皮带传动方式。并且由于连接轴与第二架板和第二大腿连杆铰接连接，实现了小腿运动时，架板和大腿连接件不动，也就是小腿单独的运动，使得小腿运动灵活，串联腿的应用范围更加广泛。

在本实施例中，车轮组件包括车轮81、轮机架82、车轮连接构件83和轮驱动电机84，轮机架82通过车轮连接构件83与小腿连接件相连，车轮81安装在轮机架82上，轮驱动电机84通过轮机架82与车轮81相连，轮驱动电机84用于驱动车轮81绕车轮轴线旋转。

轮驱动电机不工作时，机器人在腿式机器人模式下运行，通过一定步态进行全方位运动，轮驱动电机工作时，机器人在轮式机器人模式下运行，机器人可以实现在平坦路面上的高速运动。

实际作业时，单条串联腿具有五个驱动自由度，腿转向电机可以完成绕腿转向电机轴线的旋转，实现串联腿朝各个方向的运动；腿侧摆驱动电机工作时，能够实现大腿连接件的侧摆运动，从而适应复杂地面环境；大腿驱动电机带动第三带轮转动，第三带轮和第四带轮之间由皮带传动，第四带轮带动大腿连杆转动，实现大腿连接件的旋转运动；小腿驱动电机带动第一带轮转动，第一带轮和第二带轮之间由皮带传动，第二带轮带动第一连杆、第二连杆转动，相当于一个平行四边形机构，得以实现小腿连接件旋转运动。轮驱动电机通过轮机架带动车轮完成绕轮轴线的旋转。

本实施例采用的腿转向电机、腿侧摆驱动电机、大腿驱动电机、小腿驱动电机和轮驱动电机，并将腿侧摆驱动电机、大腿驱动电机、小腿驱动电机设置在串联腿的上部，减小了运动惯量，当然，其他实施例也可以采用任意类型能满足驱动要求的旋转驱动系统。

本发明的主要优点

(a)本发明的全向轮足式机器人结构紧凑、控制简单、运动效率高、腿部机构灵活、承载能力高，适用于星球探测中复杂地形下高速移动以及运输作业。

(b)本发明的全向轮足式机器人的每个串联腿和机架接触处有一个转动副，可以实现机器人原地转弯。

(c)本发明的全向轮足式机器人将将驱动电机集成到腿上半部分，采用平行四边形连杆机构传递膝关节转动，有效的减小了腿部运动惯量，同时使得机器人的腿部机构灵活。

(d)本发明的全向轮足式机器人综合考虑机器人腿部结构尺寸以及在运动期间力矩的传递，在腿部进行了减重设计减少腿部关节的质量，即对腿部结构的尺寸进行了优化，使得平行四边形结构件尺寸(即腿部结构尺寸)和力矩传递二者之间的达到平衡关系。

(e)本发明的全向轮足式机器人在腿的下部设置有车轮，将车轮和串联腿的优势结合起来，既能实现轮式前进，又能实现腿式迈进。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种全向轮足式机器人，其特征在于，包括：机架和安装在机架下方的多个串联腿；每个串联腿从上至下依次包括万向节、大腿连接件和小腿连接件；所述万向节输入端可绕垂直于所述机架所在的平面的轴线转动,万向节输出端与大腿连接件相连；所述小腿连接件可相对于所述大腿连接件转动，所述全向轮足式机器人还包括用于带动小腿运动的小腿驱动电机和连杆机构；所述连杆机构包括铰接在一起的第一连杆和第二连杆，第一连杆与大腿连接件铰接，第二连杆与小腿连接件铰接；所述小腿驱动电机驱动第一连杆转动带动第二连杆从而带动所述小腿连接件相对于所述大腿连接件转动，所述小腿驱动电机设置在所述万向节上，所述万向节包括第一轴和第二轴，所述第一轴连接有用于驱动所述大腿连接件绕第一轴转动的腿侧摆驱动电机；所述第二轴连接有用于驱动大腿连接件绕第二轴转动的大腿驱动电机，所述大腿驱动电机设置在所述万向节上，所述万向节还包括U件、连接板、第一架板和第二架板，所述小腿驱动电机设置在所述第二架板上，第一架板和第二架板设置在连接板相对的两端，连接板与U件的侧面通过第一轴铰接，所述腿侧摆驱动电机可以驱动所述第一轴转动，所述第二轴设置在所述第一架板和第二架板之间，所述大腿驱动电机设置在第一架板上，所述大腿驱动电机可驱动所述第二轴转动，第二轴可带动大腿连接件相对于架板绕第二轴转动。

2.如权利要求1所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述小腿驱动电机与所述大腿驱动电机对称设置。

3.如权利要求1所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述万向节的输入端设有腿转向电机。

4.如权利要求1所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述连接板与所述第一轴固定连接，所述大腿连接件包括第一大腿连杆和第二大腿连杆，所述第一大腿连杆通过第二轴与所述第一架板铰接。

5.如权利要求4所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述U件为倒置U形。

6.如权利要求4所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述串联腿还包括大腿传动机构，所述大腿传动机构包括用皮带连接的第一带轮和第二带轮，所述第一带轮设置在第一架板的内侧，且所述第一带轮与所述大腿驱动电机的输出端连接，所述第二带轮设置在所述第一大腿连杆内侧，所述第二带轮与第二轴连接，所述第二轴与所述第一大腿连杆固定连接，所述大腿驱动电机驱动所述第一带轮转动，第一带轮带动第二带轮转动，从而带动所述第一大腿连杆相对于所述第一架板转动。

7.如权利要求4所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述串联腿还包括用于带动小腿运动的小腿驱动电机、连杆机构、用皮带连接的第三带轮和第四带轮，所述连杆机构包括铰接在一起的第一连杆和第二连杆，所述第二连杆与小腿连接件铰接；所述第三带轮设置在所述第二架板的内侧，且所述第三带轮与所述小腿驱动电机的输出端连接，所述第四带轮设置在所述第二大腿连杆内侧，所述第四带轮通过连接轴与第一连杆固定连接，所述连接轴与所述第二大腿连杆铰接，所述小腿驱动电机驱动所述第三带轮转动，从而带动第四带轮转动，第四带轮带动所述第一连杆转动，第一连杆转动带动第二连杆从而带动所述小腿连接件相对于所述大腿连接件转动。

8.如权利要求7所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述小腿连接件包括与大腿连接件铰接的小腿板，在小腿板设有与小腿板固定连接的固定轴，所述固定轴与所述第二连杆铰接。

9.如权利要求1所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述小腿连接件的末端连接有轮机架，以及设置在所述轮机架上的车轮和轮驱动电机，所述轮驱动电机用于驱动所述车轮绕车轮轴线旋转。

10.如权利要求1所述的全向轮足式机器人，其特征在于，所述串联腿的数量为4，所述4个串联腿采用对称布置。

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