CN111114667B - 一种单电机驱动的多杆四足步行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单电机驱动的多杆四足步行装置，包括：机架，四组多杆步行机构，分别安装设置在所述机架前部的两侧和后部的两侧，所述多杆步行机构包括动力臂，以及传动机构，包括电机、电机传动轴、前动力臂传动轴、后动力臂传动轴、同步带，所述前动力臂传动轴和所述后动力臂传动轴分别与所述机架转动连接，其中，所述前动力臂传动轴和所述后动力臂传动轴通过所述同步带与所述电机传动轴同步转动。通过设置同步带和单一电机控制，使前动力臂传动轴和后动力臂传动轴可以同步转动，进而带动四组多杆步行机构同步工作，完成行走步态，省略单独控制带来的电机调试环节，使得多杆四足步行装置的控制复杂性降低。

Description

一种单电机驱动的多杆四足步行装置

技术领域

本发明涉及移动机器人领域，具体涉及一种单电机驱动的多杆四足步行装置。

背景技术

移动机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

根据移动方式来分，可分为：轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型；按工作环境来分，可分为：室内移动机器人和室外移动机器人；按控制体系结构来分，可分为:功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分，可分为：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等。

当前市面上的四足步行机器人的机构多种多样，虽然步行机构的样式丰富，但是机器人腿部多为一个腿部对应一个电机，为了完成行走目的，需要通过PLC控制每个电机的运动顺序和速度，此时对电机控制要求较高。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种单电机驱动的多杆四足步行装置，以降低多杆四足步行装置的控制难度。

为此，本发明提出了一种单电机驱动的多杆四足步行装置，包括机架，四组多杆步行机构，分别安装设置在所述机架前部的两侧和后部的两侧，所述多杆步行机构包括动力臂和用于步行的连杆组件，以及传动机构，包括电机、电机传动轴、前动力臂传动轴、后动力臂传动轴、以及同步带，其中，所述前动力臂传动轴和所述后动力臂传动轴通过所述同步带与所述电机传动轴同步转动。

其中，所述前动力臂传动轴两端分别与位于其两端的两组多杆步行机构的动力臂连接，所述后动力臂传动轴两端分别与位于其两端的两组多杆步行机构的动力臂连接，且通过四组所述多杆步行机构相互配合实现整个步行装置的移动步伐。

进一步地，所述前动力臂传动轴、后动力臂传动轴、以及电机传动轴上均固定设置有同步带轮，所述同步带依次与三个所述同步带轮带传动。

进一步地，所述连杆组件包括连杆、短摆动臂、以及形状基本呈三角形的足端杆件，其中，所述足端杆件上部具有顶角部一和顶角部二，所述顶角部一与短摆动臂的下端铰接，所述顶角部二与所述连杆的一端铰接，并且所述连杆另一端与所述动力臂的活动端铰接，所述短摆动臂的上端与所述机架铰接。

进一步地，所述连杆组件还包括长摆动臂，其中，所述长摆动臂的上端与所述机架铰接，所述长摆动臂下端与所述连杆中部铰接。

进一步地，所述足端杆件包括下顶角部和支脚，其中，所述支脚与所述下顶角部连接为一体，且所述足端杆件处于直立状态时，所述支脚与步行装置前进方向的夹角为锐角。

进一步地，所述顶角部一相对于所述顶角部二靠近步行装置前进方向一侧。

进一步地，所述连杆呈V型，且所述长摆动臂的长度大于短摆动臂的长度。

进一步地，所述机架包括相互连接的前机架和后机架，且所述前机架与所述后机架在机架宽度方向上错开设置，以使所述机架同一侧的两组多杆步行机构不产生干涉。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置，通过设置同步带和单一电机控制，使前动力臂传动轴和后动力臂传动轴可以同步转动，进而带动四组多杆步行机构同步工作，完成行走步态，省略单独控制带来的电机调试环节，使得多杆四足步行装置的控制复杂性降低。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的结构示意图；

图2为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置中多杆步行机构的结构图；

图3为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置中传动机构的结构图；

图4为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图一；

图5为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图二；

图6为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图三；

图7为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图四；

图8为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图五；

图9为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图六；以及

图10为本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的行走步态图七。

附图标记说明

1、多杆步行机构；2、机架；3、传动机构；11、动力臂；12、连杆；13、长摆动臂；14、短摆动臂；15、足端杆件；151、支脚；31、电机；32、电机安装架；33、电机传动轴；34、前动力臂传动轴；35、后动力臂传动轴；36、同步带轮；37、同步带。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1-图10示出了根据本发明的一些实施例。

如图1-3所示，一种单电机驱动的多杆四足步行装置，包括四组多杆步行机构1、机架2、以及传动机构3，其中，四组多杆步行机构1分别安装在机架2前部和后部的两侧，传动机构3安装设置在机架2上，且四组多杆步行机构1与同一个传动机构3传动连接，用于驱动整个步行装置移动。

具体地，如图2所示，多杆步行机构1包括动力臂11和用于步行的连杆组件，其中，连杆组件包括连杆12、长摆动臂13、短摆动臂14、足端杆件15。动力臂11一端与传动机构3的传动轴传动连接，其中，传动机构3的传动轴与机架2转动连接，动力臂11的另一端与连杆12一端铰接连接，短摆动臂14的上端与机架2铰接，长摆动臂13的上端也与机架2铰接，长摆动臂13的下端与连杆12中部铰接，且长摆动臂13位于短摆动臂14与动力臂11之间。

其中，足端杆件15包括三角形连杆、以及支脚151，三角形连杆具有下顶角部、顶角部一、以及顶角部二，支脚151与三角形连杆下部的下顶角部连接为一体，三角形连杆顶角部一与短摆动臂14的下端铰接，三角形连杆顶角部二与连杆12的另一端铰接。

当传动机构3带动动力臂11转动时，连杆12在长摆动臂13的限制下随动力臂11摆动，连杆12在移动过程中，足端杆件15在短摆动臂14的限制下随连杆12摆动而摆动，使足端杆件15的支脚前后摆动，再通过四个足端杆件15相互配合，从而使步行装置完成行走动作。

其中，本实施例中设置的长摆动臂13，可以限制连杆12移动范围，提高连杆12摆动的稳定性，足端杆件15按照固定的轨迹运动，进一步提高足端杆件15摆动的稳定性，使整个步行装置移动更加平稳。

具体地，如图3所示，传动机构3包含电机31、电机安装架32、电机传动轴33、前动力臂传动轴34、后动力臂传动轴35、同步带轮36、同步带37。

前动力臂传动轴34位于机架2前端，两端通过滚动轴承与机架2转动连接，并且前动力臂传动轴34两端端部与两组多杆步行机构1的动力臂11分别通过键连接，然后通过机械螺钉固定；后动力臂传动轴35位于机架2后端，两端通过滚动轴承与机架2转动连接，并且后动力臂传动轴35两端端部与两组多杆步行机构1的动力臂11分别通过键连接，然后通过机械螺钉固定。

其中，前动力臂传动轴34、后动力臂传动轴35、以及电机传动轴33上均固定设置有同步带轮36，同步带37缠绕在三个同步带轮36上，通过同步带轮36上的齿形传递动力，从而可以通过电机传动轴33转动带动同步带37滚动，进一步带动前动力臂传动轴34和后动力臂传动轴35转动，最后带动多杆步行机构1摆动，完成行走动作。

其中，电机传动轴33、前动力臂传动轴34、以及后动力臂传动轴35上均设有轴肩，三个同步带轮36分别通过卡簧和轴肩实现轴向定位，并通过机械螺钉固定，实现周向定位，以满足传动要求。电机31与电机安装架32通过机械螺钉固定，电机安装架32与机架2通过机械螺钉固定，电机31与电机传动轴33通过联轴器相连，电机传动轴33另一端与机架2通过滚动轴承转动连接。

在一实施例中，如图1、2所示，机架前侧的两个动力臂11与前动力臂传动轴34固定连接后，两个动力臂11关于前动力臂传动轴34的重心中心对称，即所述前动力臂传动轴34连接的两个动力臂11平行设置，且两个动力臂11的转动相位角相差180°。

机架后侧与后动力臂传动轴35连接的两个动力臂11与步行装置前进方向的夹角也相差180°，即所述后动力臂传动轴35连接的两个动力臂11平行设置，且两个动力臂11的转动相位角相差180°。

此外，机架上对角设置的两组多杆步行机构1的动力臂11相互平行设置，即与机架2上对角设置的两组多杆步行机构1的动力臂11的转动相位角相等；且跟随传动机构3同步转动，使得机架对角设置的两组多杆步行机构步行动作一致。当步行装置行走时，机架对角的两只脚同时落地，另外两只脚同时抬起，四只脚交替的落地、抬起，可以完成行走动作，同时，机架对角两只脚同时工作的方式，可以增加整个步行装置行走的稳定性。

在一实施例中，多杆步行机构1中的动力臂11、连杆12、长摆动臂13、短摆动臂14、足端杆件15均为扁平杆件，其中，动力臂11、长摆动臂13、足端杆件15位于中间厚度层，连杆12位于最外厚度层，短摆动臂14位于最内厚度层。其中，相应地，前机架和后机架上具有错位安装部，用于安装短摆动臂14，以防止运动干涉。

在一实施例中，如图1、2所示，机架包括前机架和后机架，前机架和后机架结构相同，并且都呈L形，机架前部的两组多杆步行机构1、以及前动力臂传动轴34安装在前机架上，机架后部的两组多杆步行机构1、以及后动力臂传动轴安装在后机架上。

其中，为了缩短机架的长度，同时保证前后侧的多杆步行机构1不产生相互干涉，前机架与后机架在步行装置宽度方向上错开设置，并且前机架的后部与后机架的前部通过固定杆连接，当步行装置移动时，同一侧的两组多杆步行机构1不会产生干涉。

在一实施例中，如图1、2所示，顶角部一位于连杆12中部一侧，顶角部二位于连杆12后端一侧，即所述顶角部一相对于顶角部二更靠近步行装置前进方向一侧，相对于顶角部一与短摆动臂14连接点位于连杆12一端外侧，本发明的这种设置可以增加足端杆件15的摆动幅度，进而提高多杆步行机构1每一步跨越的距离，提高步行装置移动速度。

在一实施例中，如图1、2所示，连杆12呈V型，且连杆12的折弯角朝下，使连杆后端上扬，同时，长摆动臂13的长度大于短摆动臂14的长度，在长摆动臂13长度一定的情况下，可以使足端杆件15摆动的高度更高，从而使足端杆件15获得更大摆动幅度，提高多杆步行机构1每一步跨越的距离，提高步行装置移动速度。

在一实施例中，如图1、2所示，支脚151与三角形连杆下部的下顶角部连接为一体，当顶角部一与顶角部二同一高度时，即所述足端杆件15处于直立状态时，所述支脚151与步行装置前进方向具有60～80°的夹角，通过这种类似于弯腿的设置，使多杆步行机构工作过程中足端杆件15更加稳定，增加整个步行装置行走的稳定性。

本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的工作过程如下：

首先，将步行装置的各部件组装好，并且调整好四个多杆步行机构1中动力臂11的初始位置，使同一根动力臂传动轴上的两个动力臂11与水平面的夹角也相差180°；

然后，通过控制器控制电机31工作，电机31带动电机传动轴33转动，电机传动轴33上的同步带轮36通过同步带37带动前动力臂传动轴34和后动力臂传动轴35上的同步带轮36以及前动力臂传动轴34、后动力臂传动轴35转动；

再然后，前动力臂传动轴34和后动力臂传动轴35带动两端的动力臂11转动，连杆12在长摆动臂13的限制下随动力臂11移动，连杆12在移动过程中，足端杆件15在短摆动臂14的限制下随连杆12移动而摆动，使足端杆件15的支脚前后摆动；

最后，通过四个足端杆件15相互配合，使步行装置完成行走动作。

本发明的单电机驱动的多杆四足步行装置的步态变化过程如下：

首先，将机架右前方和左后方设置的两个动力臂11定义为第一组动力臂，另两个动力臂11定义为第二组动力臂，如图4所示，当第一组动力臂转动到大概两点钟方向时，第二组动力臂转动到大概八点钟方向，此时步行装置四个足端杆件15的支脚与地面均接触，步行装置处于原始位置。

动力臂沿逆时针继续转动，第一组动力臂转动到大概十二点方向过程中，连杆12后端向后下方移动，使得足端杆件15向后倾斜，向前抬脚，为下一步移动做准备，第二组动力臂准点到大概六点钟方向，连杆12后端向前上方移动，使足端杆件15向前倾斜，推动整个步行装置向前移动，然后抬起支脚，如图5所示。

如图6所示，在第一组动力臂11沿逆时针继续转动到十点钟方向过程中，支脚与地面始终接触，且足端杆件15以支脚为支点顺时针转动，推动整个步行装置向前移动，第二组动力臂沿逆时针继续转动到四点钟方向，足端杆件15前倾并使支脚脱离地面。

如图7所示，在第一组动力臂11沿逆时针继续转动到八点钟方向过程中，足端杆件15继续以支脚为支点顺时针转动，推动整个步行装置向前移动，第二组动力臂11沿逆时针继续转动到二点钟方向，足端杆件15逆时针转动并使支脚慢慢接近地面。

如图8所示，在第一组动力臂11沿逆时针继续转动到六点钟方向过程中，足端杆件15向前倾斜，推动整个步行装置向前移动，然后抬起支脚，第二组动力臂沿逆时针继续转动到十二点钟方向，足端杆件15向后倾斜，向前抬脚，为下一步移动做准备。

如图9所示，在第一组动力臂11沿逆时针继续转动到四点点钟方向过程中，足端杆件15前倾并使支脚脱离地面，第二组动力臂沿逆时针继续转动到十点钟方向，支脚与地面始终接触，且足端杆件15以支脚为支点顺时针转动，推动整个步行装置向前移动。

如图10所示，在第一组动力臂11沿逆时针继续转动到二点钟方向过程中，足端杆件15逆时针转动并使支脚慢慢接近地面，第二组动力臂沿逆时针继续转动到八点钟方向，足端杆件15继续以支脚为支点顺时针转动，推动整个步行装置向前移动。

步行装置按照如图4～图10所示的运动步骤循环工作，可以使步行装置平稳的向前移动。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单电机驱动的多杆四足步行装置，包括机架(2)，其特征在于，还包括：

四组多杆步行机构(1)，分别安装设置在所述机架(2)前部的两侧和后部的两侧，所述多杆步行机构(1)包括动力臂(11)和用于步行的连杆组件，以及

传动机构(3)，包括电机(31)、电机传动轴(33)、前动力臂传动轴(34)、后动力臂传动轴(35)、以及同步带(37)，其中，所述前动力臂传动轴(34)和所述后动力臂传动轴(35)通过所述同步带(37)与所述电机传动轴(33)同步转动，

其中，所述前动力臂传动轴(34)两端分别与位于其两端的两组多杆步行机构(1)的动力臂(11)连接，所述后动力臂传动轴(35)两端分别与位于其两端的两组多杆步行机构(1)的动力臂(11)连接，且通过四组所述多杆步行机构(1)相互配合实现整个步行装置的移动步伐；

所述连杆组件包括连杆(12)、长摆动臂(13)、短摆动臂(14)、足端杆件(15)；动力臂(11)一端与传动机构(3)的传动轴传动连接，其中，传动机构(3)的传动轴与机架(2)转动连接，动力臂(11)的另一端与连杆(12)一端铰接连接，短摆动臂(14)的上端与机架(2)铰接，长摆动臂(13)的上端也与机架(2)铰接，长摆动臂(13)的下端与连杆(12)中部铰接，且长摆动臂(13)位于短摆动臂(14)与动力臂(11)之间；

所述足端杆件(15)包括三角形连杆、以及支脚(151)，三角形连杆具有下顶角部、顶角部一、以及顶角部二，支脚(151)与三角形连杆下部的下顶角部连接为一体，三角形连杆顶角部一与短摆动臂(14)的下端铰接，三角形连杆顶角部二与连杆(12)的另一端铰接；所述支脚(151)与步行装置前进方向具有60～80°的夹角；

单电机驱动的多杆四足步行装置的工作过程如下：

首先，将步行装置的各部件组装好，并且调整好四个多杆步行机构(1)中动力臂(11)的初始位置，使同一根动力臂传动轴上的两个动力臂(11)与水平面的夹角也相差180°；

然后，通过控制器控制电机(31)工作，电机(31)带动电机传动轴(33)转动，电机传动轴(33)上的同步带轮(36)通过同步带(37)带动前动力臂传动轴(34)和后动力臂传动轴(35)上的同步带轮(36)以及前动力臂传动轴(34)、后动力臂传动轴(35)转动；

再然后，前动力臂传动轴(34)和后动力臂传动轴(35)带动两端的动力臂(11)转动，连杆(12)在长摆动臂(13)的限制下随动力臂(11)移动，连杆(12)在移动过程中，足端杆件(15)在短摆动臂(14)的限制下随连杆(12)移动而摆动，使足端杆件(15)的支脚前后摆动；

最后，通过四个足端杆件(15)相互配合，使步行装置完成行走动作。

2.根据权利要求1所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述前动力臂传动轴(34)、后动力臂传动轴(35)、以及电机传动轴(33)上均固定设置有同步带轮(36)，所述同步带(37)依次与三个所述同步带轮(36)带传动。

3.根据权利要求1所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述连杆组件包括连杆(12)、短摆动臂(14)、以及形状基本呈三角形的足端杆件(15)，其中，所述足端杆件(15)上部具有顶角部一和顶角部二，所述顶角部一与短摆动臂(14)的下端铰接，所述顶角部二与所述连杆(12)的一端铰接，并且所述连杆(12)另一端与所述动力臂(11)的活动端铰接，所述短摆动臂(14)的上端与所述机架(2)铰接。

4.根据权利要求3所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述连杆组件还包括长摆动臂(13)，其中，所述长摆动臂(13)的上端与所述机架(2)铰接，所述长摆动臂(13)下端与所述连杆(12)中部铰接。

5.根据权利要求3所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述足端杆件(15)包括下顶角部和支脚(151)，其中，所述支脚与所述下顶角部连接为一体，且所述足端杆件(15)处于直立状态时，所述支脚与步行装置前进方向的夹角为锐角。

6.根据权利要求3所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述顶角部一相对于所述顶角部二靠近步行装置前进方向一侧。

7.根据权利要求3所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述连杆(12)呈V型，且所述长摆动臂(13)的长度大于短摆动臂(14)的长度。

8.根据权利要求1所述的单电机驱动的多杆四足步行装置，其特征在于，所述机架(2)包括相互连接的前机架和后机架，且所述前机架与所述后机架在机架(2)宽度方向上错开设置，以使所述机架(2)同一侧的两组多杆步行机构(1)不产生干涉。

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