CN111267141A - 一种可扩展的机器人关节及其构成的驱动方式可切换的机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种可扩展的机器人关节，以及通过该关节的合理组合，构成的一种具备轮履状态、步行状态、四足状态运行的机器人。还提供该类关节模块化扩展的设计方法、对该类关节组合出的机器人驱动方式进行切换的方法。该关节包含连接臂（1）、驱动器（14）、主动轮（10）、从动轮（11）、从动轮轴承（12）、传动链（13）、支撑轮（9）、支撑轴（8）等零件。在保持主体特征不变的情况下，对连接臂（1）进行合理变形，可构成具有连接功能、衔接功能、驱动功能、执行功能的关节；将上述4种关节合理地安装到机器人主体（24）上，可构成具有不同自由度的机器人。该机器人，因能够实现轮履状态、步行状态、四足状态3种主要运行状态的切换，从而大大提高了其越障能力，和对复杂工况环境的适应能力。

Description

一种可扩展的机器人关节及其构成的驱动方式可切换的机 器人

技术领域

本申请涉及一种可扩展的机器人关节及该关节的模块化设计方法，以及使用该关节构成的能够实现轮履状态、步行状态、四足状态切换的机器人及其切换方法。

背景技术

目前机器人领域的相关专利，赋予机器人的行进方式多为四轮驱动方式或四足驱动方式，个别设计四轮、四足驱动方式切换的机构，其设计方案为在四足驱动方式基础上，串联出足态驱动机构，结构复杂，可扩展性不足，且不能够进行双足步态驱动，机器人柔性不足，不能够适应各种复杂的运行环境。有鉴于此，如何提供一种关节扩展性强，能够实现轮履驱动状态、步行驱动状态、四足驱动状态自由切换，以适应各种不同的作业环境的机器人，成为机器人领域需要解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本申请提供一种可扩展的机器人关节，通过该关节的合理组合，能够组合出一种具备轮履状态、步行状态、四足状态运行的机器人。同时提供所述机器人关节可扩展的设计方法、对该类关节组合出的机器人驱动方式进行切换的方法。

为了达到上述目的，本申请技术方案如下：

一种可扩展的机器人关节，该关节由连接臂、驱动器、主动轮、从动轮、从动轮轴承、支撑轴、支撑轮、传动链构成。

优选的，所述的驱动器可以用于驱动关节转动或驱动主动轮或从动轮转动；所述驱动器壳体两侧均设计有连接法兰，且为双输出轴结构，驱动器连接法兰上绕着输出轴周向均布有安装孔。当所述驱动器用于驱动关节转动时为内转子结构，输出轴为圆形轴；当所述驱动器用于驱动主动轮转动为外转子结构，且两端输出轴为异形输出轴，如D型轴或花键轴。

优选的，所述的连接臂A端、连接臂B端设计有驱动器输出轴孔，A端轴孔根据驱动器功能不同，可设计为圆形孔或异形孔，B端轴孔为异形孔。连接臂的B端还设计有凸缘，凸缘内壁面与A端外壁面共面；当扩展关节，使2个连接臂连接时，第一个连接臂的A端轴孔与第二个连接臂的B端异形轴孔同轴配合，第二个连接臂B端凸缘内壁面与第一个连接臂A端外壁面重合配合。

优选地，所述的驱动器与所述的连接臂进行装配时，连接臂对称地布置在驱动器两侧，且连接臂A端轴孔、B端异形轴孔与驱动器输出轴同轴。

优选地，所述驱动器驱动所述连接臂转动时，连接臂A端输出轴孔为圆形孔，驱动器输出轴与连接臂A端轴孔同轴，且为间隙配合。连接臂通过A端连接孔与驱动器固定连接。驱动器输出轴端面与连接臂B端凸缘重合，当两个连接臂A端B端同轴连接时，驱动器输出轴与连接臂B端异形轴孔配合，当驱动器轴转动（此时驱动器为内转子结构）时，可带动相邻连接臂转动。下文中将该类关节定义为连接关节。

优选地，所述驱动器驱动主动轮时，连接臂A端轴孔为异形孔，驱动器异形输出轴与A端轴孔配合连接，当驱动器转动时，驱动器异形输出轴与连接臂无相对运动，驱动器外壳转动，构成外转子驱动器。

优选地，所述的主动轮，固定连接在所述外转子驱动器上，当驱动器转动，驱动主动轮相对连接臂转动。下文中将说明书[0009]、[0010]条所述关节定义为驱动关节。

优选地，所述的从动轮，通过从动轮轴承，同轴转动地连接在所述的内转子结构驱动器上。

优选地，所述的连接臂上开有一对或多对支撑轴孔，用于安装所述支撑轴。

优选地，所述的支撑轴固定安装在所述连接臂的支撑轴孔中。

优选地，所述的主动轮、从动轮、支撑轮，可以设计为皮带轮、齿形带轮、V带轮、履带轮。

优选地，所述的传动链，可以是皮带、齿形皮带、V型带、履带等，传动链连接所述主动轮、从动轮、支撑轮，同时传动链的结构与各轮的结构匹配，如传动链为同步带，则各轮为同步带轮。

优选地，所述的支撑轮沿竖直方向对称地布置在所述主动轮或从动轮一侧。所述支撑轮与主动轮或从动轮外圆之间留有间隙，且该间隙设计为仅允许所述传动链从中间转动穿过，使所述传动链始终贴紧在所述主动轮或从动轮上。例如，对于等厚平皮带，该间隙为等厚平皮带的厚度。通过该设计方式，可以保证关节转动过程中，传动链不会因相邻两个连接臂上支撑轮之间距离的变化，而出现传动链松弛脱离传动轮或拉紧锁死而限制摆动角度的问题。

优选地，所述的支撑轮根据所在关节实现功能及尺寸的不同，可设计为1对或多对。当设计为1对时，该对支撑轮与连接臂左侧和右侧可扩展的主动轮或从动轮间的尺寸，满足说明书[0016]条所述的尺寸关系；当所述支撑轮为对多时，该多对支撑轮中，最左侧的支撑轮与A端主动轮或从动轮满足说明书[0016]条中所述的尺寸关系；该多对支撑轮中，最右侧的支撑轮与B端可扩展关节的主动轮或从动轮满足说明书[0016]条中所述的关系。

优选地，对上文所述的连接关节进行优化，可构成衔接关节，其构成方法如下：取消安装连接臂上的支撑轴和支撑轮，将连接臂从靠近B端位置分割，将分割后的、对称安装在所述驱动器上的连接臂，在分割位置前后连接，并在A端连接面上开出圆形轴孔，在B端连接面上开出异形孔，同时在A端一侧安装驱动器，驱动器通过异形输出轴与B端连接面上的异形孔连接，可驱动B端相对于A端转动。下文中，将衔接关节的A端定义为关节大臂，将衔接关节的B端定义为关节小臂。

优选地，对上文所述连接关节进行优化，可构成执行器关节，其构成方法如下：在连接关节结构的基础上，在A端和B端中间设计出异形孔，该异形孔与驱动器异形输出轴吻合，该异形孔中间固定连接驱动器异形输出轴。此时，执行器关节A端驱动器用于驱动关节转动，B端驱动器用于驱动执行器运行，中间驱动器为外转子驱动器，用于驱动主动轮转动。

优选地，所述的执行器关节B端驱动器位置，可以扩展出关节执行器。

优选地，所述的驱动器，可以是电动机或液压机，外转子结构驱动器用于驱动对应机器人以轮、履态运行，需要响应迅速，优选电动机；内转子结构驱动器用于驱动连接臂转动，因连接臂调整角度后需要保持，优选旋转液压缸。当液压缸配合具备保压功能的液压阀，可以实现关节角度的保持，在保持姿态的过程中，不需要再提供能量，可达到节约机器人能耗的效果。

优选地，所述连接关节、驱动关节、衔接关节、执行器关节的A端与B端可以进行连接组合，形成各种不同构造的机器人。

本申请优选地，提供一种使用上文所述4种关节扩展出来的机器人，该机器人能够实现步行状态、四足状态、轮履状态的自由切换，从而大大提高机器人的越障能力及对环境的适应能力。

优选地，所述的机器人，具备1个机器人主体及上文所述的4种机器人关节。所述的机器人主体由主体安装座、动力模块、驱动模块、三轴转动关节构成。

优选地，在所述的主体安装座两端位置，能够各安装1个三轴转动关节，并且在安装座上能够安装所述动力模块、驱动模块。

所述的动力模块，优选动力电池组，也可为发电机组，可固定安装在所述主体安装座上，用于实现对电动驱动器的驱动。

所述的驱动模块，优选液压站，可固定安装在主体安装座上，用于实现对液压驱动器的驱动。

优选地，所述三轴转动关节，包括关节连接块、十字轴、十字轴叉臂、叉臂轴座。关节连接块一端与十字轴的X向轴杆转动连接，另一端与衔接臂固定连接；十字轴叉臂一端与十字轴Z向轴杆转动连接，另一端与叉臂轴座转动连接，叉臂轴座固定连接在主体安装座上。该三轴转动关节具有沿着X轴、Y轴、Z轴转动的能力（所述X轴、Y轴、Z轴分别对应纵向、横向、竖直方向）。进一步地，可以通过限定某个轴的转动能力，从而不同的关节自由度。

优选地，将所述的衔接关节固定在所述的关节连接块上，则衔接关节可获得相对于主体安装座，围绕X轴、Y轴、Z轴转动的能力。

优选地，所述的关节连接块上固定连接衔接关节，衔接关节大臂上转动连接第一个连接关节的B端，第一个连接关节的A端连接第二个连接关节的B端，第二个连接关节的A端，连接1个驱动关节的B端，构成机器人的腿部。

优选地，在在所述的衔接关节小臂上转动连接1个连接关节的A端，连接关节的B端连接执行器关节的A端，执行器关节末端的驱动器上可安装执行器，构成机器人的手臂。

优选的，本申请所述步态机器人，其手臂末端执行器关节上扩展具备2个自由度的执行器，使执行器相对衔接关节具有球面运行空间；同时，手部执行器相对于机器人本体，具备6个自由度。

优选地，所述机器人腿部、手臂，对称地从机器人本体两侧的的三轴转动关节上扩展出来，构成步态机器人的2个手臂及2个腿部。所述腿部从衔接关节到末端驱动器关节，具备3个自由度；所述手臂从衔接关节到执行器关节（不包括执行器），具备4个自由度。

优选地，通过对所述机器人的手臂、腿部关节进行调整，可驱动各关节运动，从而使机器人可以以步态方式行进，还可以变换形态；优选地，可使步态机器人切换为轮履驱动状态或四足驱动状态。

优选地，所述关节模块化方法为，所述机器人关节具有统一的结构，即关节由连接臂、驱动器、主动轮、从动轮、支撑轴、支撑轮组成；所述关节（连接臂）具有可循环扩展的接口，即所述的连接臂B端可以与连接臂A端共面配合，且两端轴孔可同轴转动连接；同时，当关节接口A端与关节接口B端连接时，A端或B端可以和驱动器的连接法兰固定连接，另一端（B端或A端）与驱动器输出轴固定连接，驱动器运行，使两个关节产生相对运动。

进一步地，所述的关节模块化设计方法包括，主动轮、从动轮集成在关节臂内部，主动轮与关节驱动器同轴固定连接，从动轮与关节驱动器通过从动轮轴承支撑，同轴转动连接；各个主动轮或从动轮之间通过传动链进行连接；连接臂上设计有说明书[0017]条所述支撑轮，以保证传动链在相邻两关节角度变化的情况下，不发生松弛脱出传动轮或张紧锁死问题。

再进一步地，所述的关节模块化设计方法包括，所述机器人关节可以根据关节实现功能的不同进行相应变形，如可根据说明书[0018]条所述，可将连接关节分割为可转动连接的连接臂大臂和连接臂小臂两部分，构成衔接关节；或如说明书[0019]条所述，可在连接臂关节中间扩展驱动器，使同一关节上具有3个或3个以上的驱动器，构成执行器关节。

优选地，以所述步态机器人为例，如图4所示，说明机器人驱动方式切换的方法。因所述机器人具有2个手臂和2个腿部，腿部具有3个自由度，手部具有4个自由度（除执行器外），各关通过节上具有驱动器调整关节角度，可以模拟出步态行进的动作。此时的连接关节、衔接关节上的驱动器，用于调整各关节的相对角度；驱动关节上的主动轮驱动器，用于适应各关节转动而引起的传动链的转动。

进一步地，所述的机器人驱动方式切换的方法为，通过驱动器调节各关节的相对角度， 将关节位置转换到图5所示状态，则机器人变为4足驱动状态，其中2个腿部（步态机器人的腿部）具备3个自由度，另外2个腿部（步态机器人的手部）具备4个自由度，可以拟合出类似四足行走的运动。此时的连接关节和衔接关节上的驱动器用于调整各关节的相对角度；驱动关节上主动轮驱动器，用于适应关节转动而引起的传动链的转动。

再进一步地，所述的机器人驱动方式切换的方法为，通过驱动器调节各关节的相对角度，将关节位置转换到图6所示状态，则机器人变为轮履驱动状态，与关节驱动器同轴安装的主动轮或从动轮接触地面，因主动轮和从动轮之间通过传动链连接，故各轮可以同时转动，通过加长连接臂或增加支撑轮等方法，可以使连接臂最左侧和最右侧的支撑轮之间的传动链接触地面，实现以轮履驱动方式行进。此时连接关节和衔接关节上的驱动器保持姿态，通过驱动关节和执行器关节上的主动轮驱动器驱动机器人以轮履状态行进。

附图说明

下面将参考附图详细说明本发明的具体实施例。这些示例性实施例的具体特征在被单独或组合观察的情况下可以代表本发明的一般性特征，而与其出现在上下文中具体什么位置无关。需要说明的是，为明确表达本申请各部分特征，所述传动链仅在说明其结构的图2中进行标示，其余附图中均省略传动链。

图1为本申请所述4种关节的结构示意图。

图2为本申请传动链、主/从动轮及支撑轮的结构示意图。

图3为本申请机器人主体的结构示意图。

图4为本申请步行状态机器人的结构示意图。

图5为本申请四足状态机器人的结构示意图。

图6为本申请轮履状态机器人的结构示意图。

图中：1-连接臂，2-连接臂A端，3-连接臂A端轴孔，4-连接臂A端连接孔，5-连接臂B端，6-连接臂B端异形轴孔，7-连接臂B端凸缘，8-支撑轴，9-支撑轮，10-主动轮，11-从动轮，12-从动轮轴承，13-传动链，14-驱动器，15-驱动器异形输出轴，16-驱动器连接法兰，17-衔接关节大臂，18-衔接关节小臂，19-衔接臂驱动器，20-连接关节，21-衔接关节，22-驱动关节，23-执行器关节，24-机器人主体，25-主体安装座，26-动力模块，27驱动模块，28-三轴转动关节，29-关节连接块，30-十字轴，31-十字轴叉臂，32-叉臂轴座。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本申请。本领域技术人员能够理解，在不冲突的情况下，本申请中的各种关节及其关节特征的实施例可以相互组合，从而扩展出多种不同结构的机器人。因此，本申请所述的实施例仅用于说明本申请，其不以任何方式限制本申请的范围。

首先说明机器人关节及其模块化设计方法。如图1所示，本申请提供可扩展的、具有相同结构特征的4种机器人关节。4种关节由统一的结构：连接臂（1）、驱动器（14）、主动轮（10）、从动轮（11）、支撑轴（8）、支撑轮（9）组成。所述关节（连接臂）具有可循环扩展的接口，即说明书[0006]条所述的连接臂B端（5）可以与连接臂A端（2）共面配合，且两端轴孔可同轴转动连接；同时，当关节接口A端（2）与关节接口B端（5）连接时，A端或B端可与驱动器的连接法兰（16）固定连接，另一端（B端或A端）可与驱动器输出轴（15）固定连接，驱动器运行，使两个关节产生相对运动。

进一步地，将主动轮（10）、从动轮（11）集成在关节臂内部，主动轮（10）与关节驱动器（14）同轴固定连接，从动轮（11）与关节驱动器通过从动轮轴承（12）支撑，同轴转动连接；各个主动轮（10）或从动轮（11）之间通过传动链（13）进行连接；连接臂上设计有所述支撑轮（9），所述支撑根据说明书[0017]条进行设计，以保证传动链（13）在相邻两关节转动过程中，不会因相邻两个支撑轮（9）之间距离的变化，而出现传动链松弛脱离传动轮或拉紧锁死的问题。

进一步地，所述机器人关节可以根据关节实现功能的不同进行相应变形，如可根据说明书[0018]条所述，可将连接关节（20）分割为可转动连接的连接臂大臂（17）和连接臂小臂（18）两部分，构成衔接关节；或如说明书[0019]条所述，可在连接关节（20）中间扩展驱动器，使同一关节上具有3个或3个以上的驱动器，构成执行器关节（23）。其中执行器关节上可扩展具有不同数量自由度的执行器。

下面说明本申请步态机器人的构成及该机器人驱动方式切换的方法。所述步态机器人具备1个机器人主体（24）及上文所述的4种机器人关节。所述的机器人主体（24）由主体安装座（25）、动力模块（26）、驱动模块（27）、三轴转动关节（28）构成。

进一步地，在所述主体安装座（25）两端位置能够各安装1个三轴转动关节（28），并在安装座上能够固定安装所述动力模块（26）、驱动模块（27）。动力模块（26）优选动力电池组，也可为发电机组，用于实现对电动驱动器的驱动；驱动模块（27）优选液压站，用于实现对液压驱动器的驱动。

进一步地，所述三轴转动关节（28）包括关节连接块（29）、十字轴（30）、十字轴叉臂（31）、叉臂轴座（32）。关节连接块（29）一端与十字轴（30）的X向轴杆转动连接，另一端与衔接臂固定连接；十字轴叉臂（31）一端与十字轴（30）Z向轴杆转动连接，另一端与叉臂轴座（32）转动连接，叉臂轴座（32）固定连接在主体安装座（25）上。该三轴转动关节（28）具有沿着X轴、Y轴、Z轴转动的能力（所述X轴、Y轴、Z轴分别对应横向、纵向、竖直向）。本申请优选地，采用三轴结构，但需说明的是，也可以通过限定或取消某个轴的转动能力，从而减少转动关节的自由度数目，使机器人达到想要的关节效果。

进一步地，在所述的关节连接块（29）上固定连接衔接关节（21），衔接关节大臂（17）上转动连接第一个连接关节（20）的B端，第一个连接关节（20）的A端连接第二个连接关节（20）的B端，第二个连接关节（20）的A端，连接1个驱动关节的B端，构成机器人的腿部。 在所述的衔接关节小臂（18）上转动连接1个连接关节（20）的A端，在连接关节（20）的B端连接执行器关节的A端（2），执行器关节（23）末端的驱动器（14）上可安装执行器，构成机器人的手臂。优选的，本专利所述步态机器人，其手臂执行器关节（23）末端的驱动器（14）上，扩展出有2个自由度、具有球面可达空间的执行器，从而使手部执行器相对于机器人主体，具备6个自由度。

进一步地，将所述机器人腿部、手臂对称地从机器人本体的3轴连接座上扩展出来，使机器人具有2个手臂及2个腿部，从而完成步态机器人的组合。此机器人每个腿部从衔接关节（21）到末端驱动器（14）关节，具备3个自由度；每个手臂从衔接关节（21）到执行器关节（23）（不包括执行器），具备4个自由度，通过增加具有2个自由度的执行器，每个手臂具有6个自由度。通过控制驱动器（14）的运行，可以拟合出类似步态行走的运动。此时的连接关节（20）和衔接关节（21）上的驱动器（14）用于调整各关节的相对角度，驱动关节（22）上主动轮驱动器（14），用于适应关节转动而引起的传动链（13）的转动。

进一步地，通过驱动器调节各关节的相对角度， 将关节位置转换到图5所示状态，则机器人变为4足状态，其中2个腿部（步态机器人的腿部）具备3个自由度，另外2个腿部（步态机器人的手臂）具备4个自由度。通过控制驱动器运行，可以拟合出类似四足行走的运动。此时的连接关节（20）和衔接关节（21）上的驱动器（14）用于调整各关节的相对角度；驱动关节（22）上主动轮驱动器（14），用于适应关节转动而引起的传动链（13）的转动。

进一步地，通过驱动器（14）调节各关节的相对角度，当关节位置转换到图6所示状态，则机器人变为轮履驱动状态，与关节驱动器（14）同轴安装的主动轮（10）或从动轮（11）接触地面，因主动轮（10）和从动轮（11）之间通过传动链（13）连接，故各轮可以同时转动，通过加长连接臂或增加支撑轮等方法，可以使连接臂最左侧和最右侧的支撑轮之间的传动链接触地面，实现以轮履驱动方式行进。此时连接关节（20）和衔接关节（21）上的驱动器（14）保持姿态，通过驱动关节（22）和执行器关节（23）上的主动轮驱动器（14）驱动机器人以轮履状态行进。

以上所述仅为本申请的较佳实施方式，并不限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可扩展的机器人关节，其特征在于，该关节包括：

连接臂（1）、驱动器（14）、主动轮（10）、从动轮（11）、从动轮（11）轴承、支撑轴（8）、支撑轮（9）、传动链（13）；

所述的驱动器（14），用于驱动关节转动或驱动所述主动轮（10）或从动轮（11）转动，该驱动器（14）壳体两侧均设计有连接法兰（16），且为双输出轴结构，驱动器连接法兰（16）上绕着输出轴周向均布有安装孔；

当所述驱动器用于驱动连接臂（1）转动时为内转子结构，输出轴为圆形轴；

当所述驱动器（14）用于驱动主动轮（10）转动时为外转子结构，且两端输出轴为异形输出轴，如D型轴或花键轴；

所述的连接臂（1），在其A端（2）、B端（5）设计有驱动器输出轴孔，A端轴孔（3）根据驱动器（14）功能不同，可设计为圆形孔或异形孔，B端轴孔为异形孔；连接臂B端（5）还设计有凸缘（7），凸缘（7）内壁面与A端（2）外壁面共面；

当扩展关节，使2个连接臂（1）连接时，第一个连接臂（1）的A端轴孔（3）与第二个连接臂（1）的B端异形轴孔（6）同轴配合，第二个连接臂B端凸缘（7）内壁面与第一个连接臂A端（2）外壁面重合配合；

所述的连接臂（1）上还开有一对或多对支撑轴孔，用于安装所述支撑轴（8）。

2.根据权利要求1所述，当所述驱动器（14）驱动所述连接臂（1）转动时，其特征在于：

连接臂（1）对称地布置在驱动器（14）两侧，且连接臂A端轴孔（3）、B端异形轴孔（6）与驱动器输出轴（15）同轴；

连接臂A端（2）输出轴孔为圆形孔，驱动器输出轴（15）与连接臂A端轴孔（3）同轴，且为间隙配合；连接臂（1）通过A端连接孔（4）与驱动器（14）固定连接，驱动器输出轴（15）的端面与连接臂B端凸缘（7）重合；

当两个连接臂（1）按权利要求要求1所述方式进行扩展时，驱动器输出轴（15）与连接臂B端异形孔（6）配合，当驱动器（14）输出轴转动时，可驱动相邻连接臂（1）转动；此时驱动器为内转子结构，下文中将该类关节定义为连接关节（20）；

当所述驱动器（14）驱动所述主动轮（10）转动时，连接臂A端轴孔（3）为异形孔，驱动器异形输出轴（15）与A端轴孔（3）配合固定连接，当驱动器（14）转动时，驱动器异形输出轴（15）与连接臂（1）无相对运动，驱动器（14）外壳转动，构成外转子驱动器；

所述的主动轮（10），同轴固定连接在所述外转子驱动器上，当驱动器（14）转动，驱动主动轮（10）相对连接臂（1）转动；

下文中将所述外转子驱动器驱动所述主动轮（10）的关节，定义为驱动关节（22）。

3.根据权利要求1所述的机器人关节，其特征还在于，

所述的从动轮（11），通过从动轮轴承（12），同轴转动连接在权利要求2中所述的内转子结构的驱动器上；

所述的支撑轴（8），固定安装在权利要求1中所述的一对或多对支撑轴孔中；

所述的主动轮（10）、从动轮（11）、支撑轮（9），可以设计为皮带轮、齿形带轮、V带轮、履带轮；

相对应地，所述的传动链（13），可以是皮带、齿形皮带、V型带、履带等，传动链（13）用于连接所述主动轮（10）、从动轮（11）、支撑轮（9），传动链（13）的结构与各轮的结构匹配，如传动链（13）为同步带，则各轮为同步带轮。

4.根据权利要求3所述的主动轮（10）、从动轮（11）、支撑轮（9）、传动链（13），其特征在于：

所述的支撑轮（9），竖直对称地布置在所述主动轮（10）或从动轮（11）一侧；所述支撑轮（9）与主动轮（10）或从动轮（11）外圆之间留有间隙，且该间隙被设计为仅允许所述传动链（13）从中间滚动穿过，以使所述传动链（13）始终贴紧在所述主动轮（10）或从动轮（11）上；例如，对于等厚平皮带，该间隙为皮带的厚度；

通过该设计方法，可以保证关节转动过程中，传动链（13）不会因相邻两个连接臂（1）上的支撑轮（9）之间距离的变化，而出现传动链（13）松弛脱离传动轮或拉紧锁死，而限制摆动角度的问题；

进一步地，所述的支撑轮（9），根据所在关节功能及尺寸的不同，可设计为1对或多对；当设计为1对时，该对支撑轮（9）与连接臂（1）左侧和右侧可扩展的主动轮（10）或从动轮（11）间的尺寸，满足上文所述的传动链（13）与支撑轮（9）之间的尺寸关系；当所述支撑轮（9）为对多时，该多对支撑轮（9）中，最左侧的支撑轮（9）与A端主动轮（10）或从动轮（11）满足上文所述的传动链（13）与支撑轮（9）之间的尺寸关系；该多对支撑轮（9）中，最右侧的支撑轮（9）与B端可扩展关节的主动轮（10）或从动轮（11）满足上文所述的传动链（13）与支撑轮（9）之间的尺寸关系。

5.根据关节实现功能的不同，在满足权利要求1特征的条件下，对权利要求2所述的连接关节（20）进行优化，可构成衔接关节（21）和执行器关节（23），其特征在于：

所述衔接关节，取消权利要求4所述的安装连接臂上的支撑轴（8）和支撑轮（9），将连接臂（1）从靠近B端位置分割，将分割后的、对称安装在驱动器（14）上的连接臂（1），在分割位置前后连接，并在A端（2）连接面上开出圆形轴孔，在B端（5）连接面上开出异形孔，同时在A端一侧安装驱动器（14），驱动器（14）通过异形输出轴（15）与B端连接面上的异形孔连接，可驱动B端相对于A端转动；下文中，将衔接关节（21）的A端定义为衔接关节大臂（17），将衔接关节（21）的B端定义为衔接关节小臂（18）；

所述执行器关节（23），在连接关节（20）结构的基础上，在A端和B端中间设计出异形孔，该异形孔与驱动器（14）异形输出轴吻合，在该异形孔中间，通过驱动器异形输出轴（15）固定连接一驱动器；此时，执行器关节（23）A端（2）的驱动器（14）用于驱动关节转动，B端（5）扩展的驱动器（14）用于驱动执行器转动，中间驱动器（14）与权利要求2所述的驱动关节（22）上的驱动器功能相同，为外转子驱动器，用于驱动主动轮（10）转动；

所述的执行器关节（23），其关节B端驱动器位置，可以扩展出关节执行器；

进一步地，所述的连接关节（20）、驱动关节（22）、衔接关节（21）、执行器关节（23），各关节的A端与B端可以进行扩展连接，形成各种不同构造的机器人。

6.根据权利要求1-5所述的驱动器（14），其特征为，可以是电动机或液压机；

所述的外转子结构驱动器用于驱动对应机器人以轮、履态运行，需要响应迅速，优选电动机；

所述的内转子结构驱动器用于驱动连接臂（1）转动，因连接臂（1）调整角度后需要保持，优选液压缸；当液压缸配合具备保压功能的液压阀，可以实现关节角度的保持，在保持姿态的过程中，不需要再提供能量，可达到节约机器人能耗的效果。

7.本申请还提供一种使用权利要求2、5中所述4种关节扩展出来的机器人，该机器人能够实现轮履状态、步行状态、四足状态的自由切换，从而大大提高机器人的越障能力及对环境的适应能力，其特征在于：

所述的机器人，具有1个机器人主体及权利要求2、5所述的机器人关节，所述的机器人主体由主体安装座（25）、动力模块（26）、驱动模块（27）、三轴转动关节（28）构成，其特征在于：

所述的主体安装座（25），在其两端位置能够各安装1个三轴转动关节（28），并在安装座上能够安装所述动力模块（26）、驱动模块（27）；

所述的动力模块（26），可固定安装在所述主体安装座（25）上，优选动力电池组，也可为发电机组，用于实现对电动驱动器的驱动；

所述的驱动模块（27），可固定安装在主体安装座（25）上，优选液压站，用于实现对液压驱动器的驱动；

所述的三轴转动关节（28），由关节连接块（29）、十字轴（30）、十字轴叉臂（31）、叉臂轴座（32）组成，关节连接块（29）一端与十字轴（30）的X向轴杆转动连接，另一端与关节固定连接；十字轴叉臂（31）一端与十字轴（30）的Z向轴杆转动连接，另一端与叉臂轴座（32）转动连接，叉臂轴座（32）固定连接在主体安装座（25）上；

该三轴转动关节具有沿着X轴、Y轴、Z轴转动的能力（所述X轴、Y轴、Z轴分别对应横向、纵向、竖直方向）。

8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于：

将权利要求2、5所述的4种关节固定连接在权利要求7所述的关节连接块（29）上，则权利要求2、5所述的4种关节可获得相对于主体安装座（25），围绕X轴、Y轴、Z轴转动的能力；

进一步地，在权利要求7所述的关节连接块（29）上固定连接衔接关节（21），衔接关节大臂（17）上转动连接第一个连接关节（20）的B端，第一个连接关节（20）的A端连接第二个连接关节（20）的B端，第二个连接关节（20）的A端，连接1个驱动关节的B端，构成所述机器人的腿部；

进一步地，在所述的衔接关节小臂（18）上转动连接1个连接关节（20）的A端（2），连接关节（20）的B端（5）连接执行器关节的A端（2），执行器关节（23）B端（5）的驱动器（14）上可安装执行器，构成机器人的手臂；优选地，本申请所述的步态机器人，其手臂末端执行器关节（23）上扩展出具有2个自由度的、具有球面可达空间的执行器；从而，手部执行器相对于机器人本体，具有6个自由度；

进一步地，所述腿部、手臂对称地从机器人主体（24）的三轴转动关节（28）上扩展出来，使所述的步态机器人具有2个手臂和2个腿部；

进一步地，所述腿部从衔接关节（21）到末端驱动关节（22），具备3个自由度；所述手臂从衔接关节（21）到末端执行器关节（23）（不包括执行器），具备4个自由度；

通过对所述的手臂、腿部关节进行调整，可驱动各关节运动，从而使机器人可以以步态方式行进，还可以变换形态；优选地，可使步态机器人切换为轮履驱动状态或四足驱动状态。

9.关节模块化设计方法，其特征在于，所述机器人关节具有统一的结构，即关节由连接臂（1）、驱动器（14）、主动轮（10）、从动轮（11）、支撑轴（8）、支撑轮（9）组成；

所述关节（连接臂）具有可循环扩展的接口，即权利要求1所述的连接臂B端（5）可以与权利要求1所述的连接臂A端（2）共面配合，且两端轴孔可同轴转动连接；

同时，当关节接口A端（2）与关节接口B端（5）连接时，A端或B端与驱动器的连接法兰（16）固定连接，另一端（B端或A端）与驱动器输出轴（15）固定连接，驱动器运行，可使两个关节产生相对运动；

进一步地，主动轮（10）、从动轮（11）集成在关节臂内部，主动轮（10）与关节驱动器（14）同轴固定连接，从动轮（11）与关节驱动器通过从动轮轴承（12）支撑，同轴转动连接；

各个主动轮（10）或从动轮（11）之间通过传动链（13）进行连接；支撑轴（8）上设计有权利要求4中所述支撑轮（9），以保证传动链（13）在相邻两关节角度变化的情况下，传动链（13）不发生松弛脱出传动轮或张紧锁死问题；

进一步地，所述机器人关节可以根据关节实现功能的不同进行相应变形，如根据权利要求5所述，可将连接臂分割为可转动连接的连接臂大臂（17）和连接臂小臂（18）两部分，构成衔接关节；

或如权利要求5所述，可在连接臂（1）中间扩展驱动器，使同一关节上具有3个或3个以上的驱动器，构成执行器关节（23）；

进一步地，所述的连接关节（20）、驱动关节（22）、衔接关节（21）、执行器关节（23），各关节的A端与B端可以进行扩展连接，形成各种不同构造的机器人。

10.以权利要求8所述步态机器人（图4）为例，说明机器人驱动方式切换的方法，其特征在于：

所述机器人具有2个手臂和2个腿部，腿部具有3个自由度，手臂具有4个自由度（除执行器外），各个关节上具有驱动器，从而可以模拟出步态行进的方式；此时连接关节（20）上的驱动器（14）为关节驱动器，用于调整各关节的相对角度；驱动关节上主动轮（10）的转动，用于适应各关节转动而引起的传动链（13）的转动；

进一步地，通过驱动器调节各关节的相对角度，将关节位置转换到图5所示状态，则机器人变为4足状态，其中2个腿部具备3个自由度，2个腿部具备4个自由度，可以拟合出类似四足行走的运动；此时连接关节（20）、衔接关节（21）上的驱动器（14），用于调整各关节的相对角度；驱动关节（22）上主动轮（10）的转动，用于适应关节转动而引起的传动链（13）的转动；

进一步地，通过驱动器调节各关节的相对角度，当关节位置转换到图6所示状态，则机器人变为轮履驱动状态，与关节驱动器（14）同轴安装的主动轮（10）或从动轮（11）接触地面，因主动轮（10）和从动轮（11）之间通过传动链（13）连接，故各轮可以同时转动，通过加长连接臂（1）或增加支撑轮（9）等方法，可以使连接臂（1）最左侧和最右侧的支撑轮（9）之间的传动链（13）接触地面，从而实现轮履驱动方式行进；此时连接关节（20）、衔接关节（21）上的驱动器（14）保持姿态，通过驱动关节（22）和执行器关节（23）上的主动轮驱动器（14），可以驱动机器人以轮履状态行进。

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