CN110843952A - 一种可轮式运动的双足机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可轮式运动的双足机器人及其工作方法，包括顶部安装板，顶部安装板底部的左右两侧分别通过三个舵机连接用于行走的第一脚底板和第二脚底板，顶部安装板的左前侧和右前侧分别通过第一舵机和第八舵机对应连接第一轮和第二轮。本发明具有结构简单、轮径尺寸大的特点，能够在平坦地形上快速滚动，并且地形适应能力较强；机器人也可以切换为双足形式的足式机器人，可以实现类似人体下肢的行走方式，可以适应崎岖复杂的地形环境，整个结构简单合理，易于实现变形，能够广泛应用于生产生活的场合。

Description

一种可轮式运动的双足机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可轮式运动的双足机器人及其工作方法。

背景技术

当今，机器人已被广泛地研究以及应用于日常生活的很多领域，而其运动特点为主要研究内容。若机器人采用轮式运动方式，则无法适应山地、沟壑等崎岖地形；采用足式运动方式，则移动较为缓慢，所以出现了轮腿式机器人。但是目前的轮腿式机器人还存在着生产成本高，结构复杂和变形切换运动方式难等缺点。所以，在机器人技术领域，目前迫切需要解决的一个技术问题是可以设计一种结构简单、稳定性好且可灵活切换的轮腿式变形机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可轮式运动的双足机器人及其工作方法，根据地形和路况的需要，机器人能够自主进行轮式和足式的变形；在平整的地面上移动时，可以将双足蜷缩起来，采用轮式移动方式，提高移动速度，减小能耗。在不平整地面或复杂地形运动时，可以将双足伸出，采用足式移动方式，灵活稳定。本发明整个切换移动方式的变形过程不需要手动操作，解决了目前机器人单一运动方式的缺点，而且本发明结构简单、运行稳定。

本发明采用以下技术方案：

一种可轮式运动的双足机器人，包括顶部安装板，顶部安装板底部的左右两侧分别通过三个舵机连接用于行走的第一脚底板和第二脚底板，顶部安装板的左前侧和右前侧分别通过第一舵机和第八舵机对应连接第一轮和第二轮。

具体的，顶部安装板的底部左侧设置有第一U型舵机连接件，第一U型舵机连接件连接第二舵机，第二舵机依次连接第三舵机和第四舵机，第四舵机通过下侧安装的第二舵机支架与第一脚底板固定。

进一步的，第二舵机和第三舵机的两侧通过第一矩形舵机连接件和第二矩形舵机连接件连接，第三舵机和第四舵机之间依次通过第二U型舵机连接件和第三U型舵机连接件连接，第二U型舵机连接件和第三U型舵机连接件相互垂直设置。

具体的，顶部安装板的底部右侧设置有第六U型舵机连接件，第六U型舵机连接件连接第七舵机，第七舵机依次连接第六舵机和第五舵机，第五舵机通过下侧安装的第三舵机支架与第二脚底板固定。

进一步的，第七舵机和第六舵机的两侧通过第三矩形舵机连接件和第四矩形舵机连接件连接，第六舵机和第五舵机之间依次通过第五U型舵机连接件与第四U型舵机连接件连接，第五U型舵机连接件与第四U型舵机连接件相互垂直设置。

具体的，顶部安装板的左前侧设置第一舵机支架，第一舵机设置在第一舵机支架上。

具体的，顶部安装板的右前侧设置第四舵机支架，第八舵机设置在第四舵机支架上。

本发明的另一个技术方案是，一种可轮式运动的双足机器人工作方法，双足机器人包括顶部安装板，顶部安装板的底部左侧依次通过第二舵机、第三舵机和第四舵机连接第一脚底板，第三舵机和第四舵机之间通过垂直设置的第二U型舵机连接件和第三U型舵机连接件固定连接；顶部安装板的底部右侧依次通过第七舵机、第六舵机和第五舵机连接第二脚底板，第六舵机和第五舵机之间通过垂直设置的第五U型舵机连接件与第四U型舵机连接件固定连接；顶部安装板的左前侧通过第一舵机连接第一轮，右前侧通过第八舵机连接第二轮；

当地形不平整或是有障碍物时，采用足式运动，左侧机械足的第二舵机、第三舵机通过顺时针或逆时针转动实现左侧前后摆动，通过第四舵机控制第一脚底板，右侧机械足的第五舵机、第六舵机通过顺时针或逆时针转动实现右侧前后摆动，控制其前进后退动作，通过第五舵机控制第二脚底板，第一脚底板、第二脚底板下落时与地面形成一个偏角从而实现左右转向，两条机械腿相互配合交替工作，完成向前迈步运动的动作；

当地形平坦时，采用轮式运动，两条机械腿蜷缩在第一轮和第二轮的中心轴上，第一舵机和第八舵机分别控制第一轮和第二轮同时转动实现轮式运动，当需要转向时，第一轮顺时针转、第二轮逆时针转可实现右转，第一轮逆时针转、第二轮顺时针转可实现左转。

具体的，足式运动切换为轮式运动时，第三舵机和第六舵机同时逆时针转动机器人重心下移，第二舵机和第七舵机同时逆时针转带动顶部安装板下移使第一轮与第二轮接触地面，第三舵机和第六舵机再进行逆时针转动使脚部结构完全收于第一轮和第二轮的中心轴周围。

具体的，轮式运动切换为足式运动时，第三舵机和第六舵机同时顺时针转动一定角度使第一脚底板和第二脚底板与地面平行，第二舵机和第七舵机顺时针转动使第一轮与第二轮从地面抬起，同时第一脚底板和第二脚底板接触地面，第三舵机和第六舵机继续顺时针转动使机器人直立。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种可轮式运动的双足机器人，具有双运动模式，机器人舵机与各类型舵机支架和连接件的配合紧密且合理最优地提升了运动效率，符合结构学的基本要求，保证实现本发明基本功能的前提下整体结构简单、合理且运行稳定。

进一步的，双足结构设置的好处是，使其足式运动时与人行走形态类似，既有平衡性的保障也符合运动美学的特点，相比于多足机器人能耗更小，行动速度更快。双足运动可提高运动效率，在地面环境比较复杂时，切换为足式运动模式，可跨越障碍，跨过凹坑等。

进一步的，轮式结构设置的好处是，大半径轮式结构运动能力更强，轮式运动时两条腿收于第一轮和第二轮的中心轴周围，使得本发明的重量分布均匀可以减小能耗，提高轮式运动的效率。双轮结构的意义相对于四轮等结构来讲，狭窄环境作业能力更强。

一种可轮式运动的双足机器人工作方法，整个机器人工作方法设置的好处是，足式运动几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍，有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定。轮式运动在平坦地面移动时，能耗更小、机动能力更强。对于不同地形机器人可以自主切换足式运动和轮式运动的运动模式，无需人为干预。足式运动与轮式运动相互切换时，具有易于切换、稳定性好、效率高的优点。

综上所述，本发明具有结构简单、轮径尺寸大的特点，能够在平坦地形上快速滚动，并且地形适应能力较强；机器人也可以切换为双足形式的足式机器人，可以实现类似人体下肢的行走方式，可以适应崎岖复杂的地形环境，整个结构简单合理，易于实现变形，能够广泛应用于生产生活的场合。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为本发明足式运动示意图；

图3为本发明轮式运动示意图；

图4为本发明一种足式运动向轮式运动切换过程示意图；

图5为本发明另一种足式运动向轮式运动切换过程示意图；

图6为本发明一种轮式运动向足式运动切换过程示意图；

图7为本发明另一种轮式运动向足式运动切换过程示意图；

图8为U型舵机连接件；

图9为矩形舵机连接件；

图10为第二舵机支架和第三舵机支架；

图11为第一舵机支架和第四舵机支架。

其中：1.顶部安装板；2.第一舵机支架；3.第一轮；4.第一舵机；5.第二舵机；6.第一矩形舵机连接件；7.第二矩形舵机连接件；8.第三舵机；9.第二U型舵机连接件；10.第三U型舵机连接件；11.第一脚底板；12.第二舵机支架；13.第四舵机；14.第一U型舵机连接件；15.第六U型舵机连接件；16.第三舵机支架；17.第五舵机；18.第四U型舵机连接件；19.第五U型舵机连接件；20.第六舵机；21.第四矩形舵机连接件；22.第三矩形舵机连接件；23.第七舵机；24.第八舵机；25.第二轮；26.第四舵机支架；27.第二脚底板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种可轮式运动的双足机器人，包括长方形结构的顶部安装板1，顶部安装板1的底部左侧设置有第一U型舵机连接件14，顶部安装板1的底部右侧设置有第六U型舵机连接件15，顶部安装板1的前方左侧设置第一舵机支架2，顶部安装板1的前方右侧设置第四舵机支架26；第一舵机支架2用来固定第一舵机4，第四舵机支架26用来固定第八舵机24；当轮式运动时，第一舵机4驱动第一轮3，第八舵机24驱动第二轮25。

第一U型舵机连接件14连接第二舵机5，第六U型舵机连接件15连接第七舵机23。

第一矩形舵机连接件6和第二矩形舵机连接件7用来连接第二舵机5和第三舵机8，第三矩形舵机连接件22和第四矩形舵机连接件21用来连接第六舵机20和第七舵机23。

第三舵机8下侧连接第二U型舵机连接件9，第六舵机20下侧连接第五U型舵机连接件19。

第二U型舵机连接件9与第三U型舵机连接件10固定且呈垂直关系，第五U型舵机连接件19与第四U型舵机连接件18固定且呈垂直关系。第三U型舵机连接件10连接第四舵机13，第四U型舵机连接件18连接第五舵机17。第四舵机13下侧安装第二舵机支架12、第五舵机17下侧安装第三舵机支架16。第二舵机支架12与第一脚底板11固定，第三舵机支架16与第二脚底板27固定。

请参阅图2，当足式运动时，双足结构类似人的行走步态，第二舵机5顺时针转动45度带动第一条腿部抬起，第三舵机8逆时针转动45度，第二U型舵机连接件10带动脚部下垂，使得第一脚底板11与地面平行；第七舵机23逆时针旋转45度带动第二腿部后撤，第六舵机20顺时针转动45度，第四U型舵机连接件18带动脚部下垂，使得第二脚底板27与地面平行；这是一个步态的具体动作。

当需要转向时第四舵机13带动第一脚底板11与地面形成一定角度，第五舵机17带动第二脚底板27与地面形成一定角度就可实现转向。

请参阅图3，当轮式运动时，两条腿收于第一轮3和第二轮25的中心轴周围，第一轮3和第二轮25与地面接触，第一舵机4和第八舵机24同时顺时针转动实现向前快速移动，第一舵机4和第八舵机24同时逆时针转动实现向后快速移动，当需要转向时第一轮3与第二轮25差速运动实现左转和右转。

请参阅图4和图5，足式运动向轮式运动切换，第三舵机8和第六舵机20同时逆时针转动45度使本发明重心下移，第二舵机5和第七舵机23同时逆时针转动90度使第一轮3与第二轮25接触地面，第三舵机8和第六舵机20进一步逆时针转动使得脚部结构完全收于第一轮3和第二轮25的中心轴周围，即完成足式运动向轮式运动切换。

请参阅图6和图7，轮式运动向足式运动切换正好是足式运动向轮式运动切换的逆动作。第三舵机8和第六舵机20同时顺时针转动一定角度使第一脚底板11和第二脚底板27与地面平行，第二舵机5和第七舵机23顺时针转动90度使第一轮3与第二轮25从地面抬起，同时第一脚底板11与脚底板27接触地面，第三舵机8和第六舵机20进一步顺时针转动使得本发明直立。完成轮式运动向足式运动切换。

当地形不平整或是有障碍物时，采用双足结构行走，当地形平坦时，采用双轮结构运动，并且具有灵活性和稳定性较好的优点，具有广泛应用的前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可轮式运动的双足机器人，其特征在于，包括顶部安装板(1)，顶部安装板(1)底部的左右两侧分别通过三个舵机连接用于行走的第一脚底板(11)和第二脚底板(27)，顶部安装板(1)的左前侧和右前侧分别通过第一舵机(4)和第八舵机(24)对应连接第一轮(3)和第二轮(25)。

2.根据权利要求1所述的可轮式运动的双足机器人，其特征在于，顶部安装板(1)的底部左侧设置有第一U型舵机连接件(14)，第一U型舵机连接件(14)连接第二舵机(5)，第二舵机(5)依次连接第三舵机(8)和第四舵机(13)，第四舵机(13)通过下侧安装的第二舵机支架(12)与第一脚底板(11)固定。

3.根据权利要求2所述的可轮式运动的双足机器人，其特征在于，第二舵机(5)和第三舵机(8)的两侧通过第一矩形舵机连接件(6)和第二矩形舵机连接件(7)连接，第三舵机(8)和第四舵机(13)之间依次通过第二U型舵机连接件(9)和第三U型舵机连接件(10)连接，第二U型舵机连接件(9)和第三U型舵机连接件(10)相互垂直设置。

4.根据权利要求1所述的可轮式运动的双足机器人，其特征在于，顶部安装板(1)的底部右侧设置有第六U型舵机连接件(15)，第六U型舵机连接件(15)连接第七舵机(23)，第七舵机(23)依次连接第六舵机(20)和第五舵机(17)，第五舵机(17)通过下侧安装的第三舵机支架(16)与第二脚底板(27)固定。

5.根据权利要求4所述的可轮式运动的双足机器人，其特征在于，第七舵机(23)和第六舵机(20)的两侧通过第三矩形舵机连接件(22)和第四矩形舵机连接件(21)连接，第六舵机(20)和第五舵机(17)之间依次通过第五U型舵机连接件(19)与第四U型舵机连接件(18)连接，第五U型舵机连接件(19)与第四U型舵机连接件(18)相互垂直设置。

6.根据权利要求1所述的可轮式运动的双足机器人，其特征在于，顶部安装板(1)的左前侧设置第一舵机支架(2)，第一舵机(4)设置在第一舵机支架(2)上。

7.根据权利要求1所述的可轮式运动的双足机器人，其特征在于，顶部安装板(1)的右前侧设置第四舵机支架(26)，第八舵机(24)设置在第四舵机支架(26)上。

8.一种可轮式运动的双足机器人工作方法，其特征在于，双足机器人包括顶部安装板，顶部安装板的底部左侧依次通过第二舵机、第三舵机和第四舵机连接第一脚底板，第三舵机和第四舵机之间通过垂直设置的第二U型舵机连接件和第三U型舵机连接件固定连接；顶部安装板的底部右侧依次通过第七舵机、第六舵机和第五舵机连接第二脚底板，第六舵机和第五舵机之间通过垂直设置的第五U型舵机连接件与第四U型舵机连接件固定连接；顶部安装板的左前侧通过第一舵机连接第一轮，右前侧通过第八舵机连接第二轮；

当地形不平整或是有障碍物时，采用足式运动，左侧机械足的第二舵机、第三舵机通过顺时针或逆时针转动实现左侧前后摆动，通过第四舵机控制第一脚底板，右侧机械足的第五舵机、第六舵机通过顺时针或逆时针转动实现右侧前后摆动，控制其前进后退动作，通过第五舵机控制第二脚底板，第一脚底板、第二脚底板下落时与地面形成一个偏角从而实现左右转向，两条机械腿相互配合交替工作，完成向前迈步运动的动作；

当地形平坦时，采用轮式运动，两条机械腿蜷缩在第一轮和第二轮的中心轴上，第一舵机和第八舵机分别控制第一轮和第二轮同时转动实现轮式运动，当需要转向时，第一轮顺时针转、第二轮逆时针转可实现右转，第一轮逆时针转、第二轮顺时针转可实现左转。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，足式运动切换为轮式运动时，第三舵机和第六舵机同时逆时针转动机器人重心下移，第二舵机和第七舵机同时逆时针转带动顶部安装板下移使第一轮与第二轮接触地面，第三舵机和第六舵机再进行逆时针转动使脚部结构完全收于第一轮和第二轮的中心轴周围。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，轮式运动切换为足式运动时，第三舵机和第六舵机同时顺时针转动一定角度使第一脚底板和第二脚底板与地面平行，第二舵机和第七舵机顺时针转动使第一轮与第二轮从地面抬起，同时第一脚底板和第二脚底板接触地面，第三舵机和第六舵机继续顺时针转动使机器人直立。

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