CN110962955B - 一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，属于星球探测复合机器人设计领域；包括机体、腰单元、4个轮腿机构、2个单腿机构和轮行驱动单元；其中，机体为水平放置的板状结构；腰单元固定安装在机体的下表面；2个单腿机构对称安装在腰单元的两端；4个轮腿机构两两对称分布；且4个轮腿机构分别与腰单元的4个端部连接；轮行驱动单元固定安装在腰单元的底部的中部；本发明实现了用较少数目的电机对机器人进行驱动，利用腿部连杆机构构态变换和主被动轮行驱动单元实现机器人足式行走和轮式行驶以及多驱动模式的快速切换。

Description

一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人

技术领域

本发明属于星球探测复合机器人设计领域，涉及一种用于星球探测的少驱动足/轮-腿式复合机器人。

背景技术

目前对于航天环境下的星球探索、未知区域勘察等作业任务主要由轮式机器人完成。太空星球表面的可通过区域是离散非连续的，此情况限制了轮式机器人的应用。相对于轮式机器人，足式机器人通过离散的落足点与星球表面接触，可以适应各种复杂地形与极端环境，在崎岖的星球表面上自由行走，而具备适用于星球探测的优点。因此采用轮腿复合式移动系统设计，可利用轮行模式快速通过平整的地面，而步行模式则能灵活地通过崎岖不平以及坡度较大的路面，实现在复杂星表的可靠移动。公开号为CN201710271810.4的发明专利提出了一种具有悬挂系统的轮腿式六足机器人，虽然其实现了轮式移动和足式移动模式的切换，但其自由度较多增大了机器人的控制难度。

虽然足式机器人的腿一般具有较高自由度，使它们的运动更加灵活，以跨越更大的障碍物(如沟渠、山脊等)，进而更加适应复杂的地形。但是，足式机器人的高自由度也带来了控制算法、机械和电子硬件复杂程度高的弊端。一定程度上降低足式机器人的驱动树木，可以有效降低机器人的控制难度，并且提高机器人的稳定性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于星球探测的少驱动足/轮-腿式复合机器人，实现了用较少数目的电机对机器人进行驱动，利用腿部连杆机构构态变换和主被动轮行驱动单元实现机器人足式行走和轮式行驶以及多驱动模式的快速切换。

本发明解决技术的方案是：

一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，包括机体、腰单元、4个轮腿机构、2个单腿机构和轮行驱动单元；其中，机体为水平放置的板状结构；腰单元固定安装在机体的下表面；2个单腿机构对称安装在腰单元的两端；4个轮腿机构两两对称分布；且4个轮腿机构分别与腰单元的4个端部连接；轮行驱动单元固定安装在腰单元的底部的中部。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，所述腰单元包括上腰盘结构、下腰盘结构和腰部支架；其中，上腰盘结构和下腰盘结构均为水平放置的三角框架；上腰盘结构固定安装在机体的下表面；下腰盘结构安装在上腰盘结构的下表面；且上腰盘结构与下腰盘结构呈180°放置；下腰盘结构与上腰盘结构旋转连接；腰部支架为框架结构；腰部支架固定安装在下腰盘结构的下表面；下腰盘结构的顶部与机体固连，实现带动机体旋转。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，所述其中2个轮腿机构和其中1个单腿机构分别安装在上腰盘结构的3个端角处；另外2个轮腿机构和另外1个单腿机构分别安装在下腰盘结构的3个端角处；且2个单腿机构相对呈180°安装；4个轮腿机构对称分布在2个单腿机构连线的两侧。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，所述轮腿机构包括腿部基座、大腿减速器、大腿结构、小腿结构和2个橡胶轮；其中，腿部基座为水平放置的框架结构；腿部基座顶部与对应的腰盘结构下表面固定连接；大腿结构的轴向顶端与腿部基座旋转连接；小腿结构的轴向顶端与大腿结构的轴向底端旋转连接；大腿减速器设置在大腿结构与腿部基座的连接处，实现对大腿结构摆动速度的控制；2个橡胶轮对称设置在大腿结构与小腿结构连接处的两侧。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，所述单腿机构包括单腿支架、单腿大腿、单腿减速器和单腿小腿；其中，单腿支架为水平放置的框架结构；单腿支架的顶部与对应的腰盘结构下表面固定连接；单腿大腿轴向顶端与单腿支架旋转连接；单腿减速器设置在单腿大腿与单腿支架的连接处；实现对单腿大腿摆动速度的控制；单腿小腿的轴向顶端与单腿大腿的轴向底端旋转连接。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，所述轮行驱动单元包括主动轮支架和主动橡胶轮；所述主动轮支架为水平放置的框架结构；主动轮支架固定安装在腰部支架的底部；主动橡胶轮安装在主动轮支架的下表面；主动橡胶轮实现带动橡胶轮旋转运动。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，所述机器人的运动方式包括步行移动和轮式移动两种；当路况崎岖有高度差时，机器人采用步行移动的运动方式；当路况平坦时机器人采用轮式移动的运动方式。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，当机器人步行移动时，4个轮腿机构中的小腿结构轴向底端与地面接触；大腿结构绕腿部基座旋转实现摆动；带动小腿结构向前运动；小腿结构轴向底端着陆时，小腿结构相对于大腿结构旋转，适应路况，实现稳定着陆；2个单腿机构中的单腿小腿轴向底端与底面接触；单腿大腿绕单腿支架旋转实现摆动；带动单腿小腿向前运动；单腿小腿轴向底端着陆时，单腿小腿相对于单腿大腿旋转，适应路况，实现稳定着陆。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，当机器人轮式移动时，2个单腿机构中的单腿小腿相对于单腿大腿旋转；旋转至水平状态；4个轮腿机构中的小腿结构相对于大腿结构旋转，旋转至水平状态；实现4个轮腿机构的8个橡胶轮着陆；同时4大腿结构相对于腿部基座旋转，实现8个橡胶轮与主动橡胶轮位于同一水平面；主动橡胶轮带动8个橡胶轮转动，实现机器人轮式移动。

在上述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，当需要转弯时，下腰盘结构相对于上腰盘结构旋转，带动机体旋转，实现对机器人的运动方向调整。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明利用驱动分离式的腰单元设计大幅减少机器人驱动电机数目，降低了质量的同时也有效降低了机器人的能耗，利用腿部并联机构将驱动部件在髋关节处进行集中防护，提高了机器人在执行星球探测任务中的可靠性；

(2)本发明通过腿部构态变换和主被动轮行驱动单元的设计实现了机器人足式行走、轮式行驶以及多驱动模式的快速切换，同时兼具轮式构型效率高、腿足式构型可达性强的优点，提高了机器人对星球表面未知、非结构环境的适用性；

(3)本发明能利用腿部并联机构的分解与合成扩展运动范围，完成既定作业任务，降低了机器人控制难度。

附图说明

图1为本发明机器人结构示意图；

图2为本发明机器人侧视图；

图3为本发明腰单元结构示意图；

图4为本发明轮腿机构示意图；

图5为本发明单腿机构示意图；

图6为本发明轮行驱动单元示意图；

图7为本发明机器人轮式移动示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，能够用较少数目的电机对机器人进行驱动，利用腿部连杆机构构态变换和主被动轮行驱动单元实现机器人足式行走和轮式行驶以及多驱动模式的快速切换，可同时兼具在平坦地面快速行驶的高效性和在星表未知、非结构环境中稳定步行的适应性。

如图1、图2所示，少驱动轮腿式复合机器人，主要包括机体1、腰单元2、4个轮腿机构3、2个单腿机构4和轮行驱动单元5；其中，机体1为水平放置的板状结构；腰单元2固定安装在机体1的下表面；2个单腿机构4对称安装在腰单元2的两端；4个轮腿机构3两两对称分布；且4个轮腿机构3分别与腰单元2的4个端部连接；轮行驱动单元5固定安装在腰单元2的底部的中部。

如图3所示，腰单元2包括上腰盘结构201、下腰盘结构202和腰部支架203；其中，上腰盘结构201和下腰盘结构202均为水平放置的三角框架；上腰盘结构201固定安装在机体1的下表面；下腰盘结构202安装在上腰盘结构201的下表面；且上腰盘结构201与下腰盘结构202呈180°放置；下腰盘结构202与上腰盘结构201旋转连接；腰部支架203为框架结构；腰部支架203固定安装在下腰盘结构202的下表面；下腰盘结构202的顶部与机体1固连，实现带动机体1旋转。其中2个轮腿机构3和其中1个单腿机构4分别安装在上腰盘结构201的3个端角处；另外2个轮腿机构3和另外1个单腿机构4分别安装在下腰盘结构202的3个端角处；且2个单腿机构4相对呈180°安装；4个轮腿机构3对称分布在2个单腿机构4连线的两侧。通过腰部转向机构连接，2个轮腿机构3和1个单腿机构4结构呈三角形构型布置于上、下腰盘的三个支角。

其中的轮腿机构3包括腿部基座305、大腿减速器310、大腿结构312、小腿结构313和2个橡胶轮316。如图4所示，，腿部基座305为水平放置的框架结构；腿部基座305顶部与对应的腰盘结构下表面固定连接；大腿结构312的轴向顶端与腿部基座305旋转连接；小腿结构313的轴向顶端与大腿结构312的轴向底端旋转连接；大腿减速器310设置在大腿结构312与腿部基座305的连接处，实现对大腿结构312摆动速度的控制；2个橡胶轮316对称设置在大腿结构312与小腿结构313连接处的两侧。

另外，单腿机构4与轮腿机构3结构相似，仅没有橡胶轮316。单腿机构4包括单腿支架401、单腿大腿402、单腿减速器403和单腿小腿404；如图5所示，单腿支架401为水平放置的框架结构；单腿支架401的顶部与对应的腰盘结构下表面固定连接；单腿大腿402轴向顶端与单腿支架401旋转连接；单腿减速器403设置在单腿大腿402与单腿支架401的连接处；实现对单腿大腿402摆动速度的控制；单腿小腿404的轴向顶端与单腿大腿402的轴向底端旋转连接。

轮行驱动单元5为机器人轮式移动的主动输出部件。轮行驱动单元5包括主动轮支架501和主动橡胶轮502；如图6所示，主动轮支架501为水平放置的框架结构；主动轮支架501固定安装在腰部支架203的底部；主动橡胶轮502安装在主动轮支架501的下表面；主动橡胶轮502实现带动橡胶轮316旋转运动。

机器人的运动方式包括步行移动和轮式移动两种；当路况崎岖有高度差时，机器人采用步行移动的运动方式；当路况平坦时机器人采用轮式移动的运动方式。当机器人步行移动时，4个轮腿机构3中的小腿结构313轴向底端与地面接触；大腿结构312绕腿部基座305旋转实现摆动；带动小腿结构313向前运动；小腿结构313轴向底端着陆时，小腿结构313相对于大腿结构312旋转，适应路况，实现稳定着陆；2个单腿机构4中的单腿小腿404轴向底端与底面接触；单腿大腿402绕单腿支架401旋转实现摆动；带动单腿小腿404向前运动；单腿小腿404轴向底端着陆时，单腿小腿404相对于单腿大腿402旋转，适应路况，实现稳定着陆。当机器人轮式移动时，2个单腿机构4中的单腿小腿404相对于单腿大腿402旋转；旋转至水平状态；4个轮腿机构3中的小腿结构313相对于大腿结构312旋转，旋转至水平状态；实现4个轮腿机构3的8个橡胶轮316着陆；同时4大腿结构312相对于腿部基座305旋转，实现8个橡胶轮316与主动橡胶轮502位于同一水平面；主动橡胶轮502带动8个橡胶轮316转动，实现机器人轮式移动，如图7所示。当需要转弯时，下腰盘结构202相对于上腰盘结构201旋转，带动机体1旋转，实现对机器人的运动方向调整。

小腿结构313和单腿小腿404的末端安装有足端缓冲装置；下腰盘结构202底部设置轮行驱动单元5。本发明具有并联少驱动的轮腿式六足机器人，通过腰部转向机构，减少机器人驱动数目，且利用并联机构将驱动部件集中防护，提高可靠性，具有轮式、腿式两种运动方式，可根据路况选择运动方式，具有极强的运动能力和环境适应能力。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：包括机体(1)、腰单元(2)、4个轮腿机构(3)、2个单腿机构(4)和轮行驱动单元(5)；其中，机体(1)为水平放置的板状结构；腰单元(2)固定安装在机体(1)的下表面；2个单腿机构(4)对称安装在腰单元(2)的两端；4个轮腿机构(3)两两对称分布；且4个轮腿机构(3)分别与腰单元(2)的4个端部连接；轮行驱动单元(5)固定安装在腰单元(2)的底部的中部；

所述腰单元(2)包括上腰盘结构(201)、下腰盘结构(202)和腰部支架(203)；其中，上腰盘结构(201)和下腰盘结构(202)均为水平放置的三角框架；上腰盘结构(201)固定安装在机体(1)的下表面；下腰盘结构(202)安装在上腰盘结构(201)的下表面；且上腰盘结构(201)与下腰盘结构(202)呈180°放置；下腰盘结构(202)与上腰盘结构(201)旋转连接；腰部支架(203)为框架结构；腰部支架(203)固定安装在下腰盘结构(202)的下表面；实现带动机体(1)旋转。

2.根据权利要求1所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：其中2个轮腿机构(3)和其中1个单腿机构(4)分别安装在上腰盘结构(201)的3个端角处；另外2个轮腿机构(3)和另外1个单腿机构(4)分别安装在下腰盘结构(202)的3个端角处；且2个单腿机构(4)相对呈180°安装；4个轮腿机构(3)对称分布在2个单腿机构(4)连线的两侧。

3.根据权利要求2所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：所述轮腿机构(3)包括腿部基座(305)、大腿减速器(310)、大腿结构(312)、小腿结构(313)和2个橡胶轮(316)；其中，腿部基座(305)为水平放置的框架结构；腿部基座(305)顶部与对应的腰盘结构下表面固定连接；大腿结构(312)的轴向顶端与腿部基座(305)旋转连接；小腿结构(313)的轴向顶端与大腿结构(312)的轴向底端旋转连接；大腿减速器(310)设置在大腿结构(312)与腿部基座(305)的连接处，实现对大腿结构(312)摆动速度的控制；2个橡胶轮(316)对称设置在大腿结构(312)与小腿结构(313)连接处的两侧。

4.根据权利要求3所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：所述单腿机构(4)包括单腿支架(401)、单腿大腿(402)、单腿减速器(403)和单腿小腿(404)；其中，单腿支架(401)为水平放置的框架结构；单腿支架(401)的顶部与对应的腰盘结构下表面固定连接；单腿大腿(402)轴向顶端与单腿支架(401)旋转连接；单腿减速器(403)设置在单腿大腿(402)与单腿支架(401)的连接处；实现对单腿大腿(402)摆动速度的控制；单腿小腿(404)的轴向顶端与单腿大腿(402)的轴向底端旋转连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：所述轮行驱动单元(5)包括主动轮支架(501)和主动橡胶轮(502)；所述主动轮支架(501)为水平放置的框架结构；主动轮支架(501)固定安装在腰部支架(203)的底部；主动橡胶轮(502)安装在主动轮支架(501)的下表面；主动橡胶轮(502)实现带动橡胶轮(316)旋转运动。

6.根据权利要求5所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：所述机器人的运动方式包括步行移动和轮式移动两种；当路况崎岖有高度差时，机器人采用步行移动的运动方式；当路况平坦时机器人采用轮式移动的运动方式。

7.根据权利要求6所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：当机器人步行移动时，4个轮腿机构(3)中的小腿结构(313)轴向底端与地面接触；大腿结构(312)绕腿部基座(305)旋转实现摆动；带动小腿结构(313)向前运动；小腿结构(313)轴向底端着陆时，小腿结构(313)相对于大腿结构(312)旋转，适应路况，实现稳定着陆；2个单腿机构(4)中的单腿小腿(404)轴向底端与底面接触；单腿大腿(402)绕单腿支架(401)旋转实现摆动；带动单腿小腿(404)向前运动；单腿小腿(404)轴向底端着陆时，单腿小腿(404)相对于单腿大腿(402)旋转，适应路况，实现稳定着陆。

8.根据权利要求7所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：当机器人轮式移动时，2个单腿机构(4)中的单腿小腿(404)相对于单腿大腿(402)旋转；旋转至水平状态；4个轮腿机构(3)中的小腿结构(313)相对于大腿结构(312)旋转，旋转至水平状态；实现4个轮腿机构(3)的8个橡胶轮(316)着陆；同时4大腿结构(312)相对于腿部基座(305)旋转，实现8个橡胶轮(316)与主动橡胶轮(502)位于同一水平面；主动橡胶轮(502)带动8个橡胶轮(316)转动，实现机器人轮式移动。

9.根据权利要求8所述的一种用于星球探测的少驱动轮腿式复合机器人，其特征在于：当需要转弯时，下腰盘结构(202)相对于上腰盘结构(201)旋转，带动机体(1)旋转，实现对机器人的运动方向调整。

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