CN111532354B - 一种多运动模式的步行装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多运动模式的步行装置，包括机架和四组多杆步行机构，多杆步行机构包括安装板、电机、动力臂、液压连杆、摆动臂、以及三角着地杆，四组安装板均与机架连接，且四组安装板分别位于机架前部和后部的两侧，电机能驱动液压连杆摆动，使三角着地杆在摆动臂限制下跟随液压连杆摆动而摆动，再通过四个三角着地杆之间的相互配合，使步行装置能完成行走动作。通过设置可伸缩的液压连杆，步行装置在前进时通过调节液压连杆的长度对步行装置的步态模式进行调整，使得步行装置能实现正常步态模式与抬腿步态模式的转变，增强地形适应性，增强不同工况下的适应能力，提高步行装置移动过程中的稳定性。

Description

一种多运动模式的步行装置

技术领域

本发明涉及移动装置领域，具体涉及一种多运动模式的步行装置。

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。其中，虽然部分步行机器人的越障性能和稳定性高，但是结构过于复杂，设计成本和装配要求高；然而，结构简单的步行机器人的越障性能和稳定性不高，不能达到使用要求。因此需要设计一款结构相对简单，且越障性能和稳定性高的步行装置。

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多运动模式的步行装置，以满足步行机构对越障性能和稳定性的要求。

为此，本发明提出了一种多运动模式的步行装置，包括机架和四组多杆步行机构，所述多杆步行机构包括安装板、电机、动力臂、液压连杆、摆动臂、以及三角着地杆，四组所述安装板均与机架连接，且四组安装板分别位于所述机架前部和后部的两侧。

其中，所述三角着地杆具有上顶角部一和上顶角部二，所述上顶角部一与所述摆动臂的下端铰接，所述上顶角部二与所述液压连杆的下端铰接，其中，所述摆动臂上端与所述安装板铰接，所述液压连杆的上端与所述动力臂的活动端铰接，而所述动力臂通过联轴器与设置在所述安装板上的所述电机传动连接。

其中，所述电机能驱动所述液压连杆摆动，使所述三角着地杆在所述摆动臂限制下跟随所述液压连杆摆动而走动，四组所述多杆步行机构的四个所述三角着地杆之间的相互配合，完成行走动作。

进一步地，所述液压连杆与所述摆动臂之间设有稳定连杆，且所述稳定连杆的两端分别与所述液压连杆和所述摆动臂铰接。

进一步地，所述稳定连杆形状呈月牙状，用于避让所述三角着地杆中的所述上顶角部一。

进一步地，所述机架前部的宽度与机架后部的宽度不等，且安装在所述机架同一侧的两个所述安装板在所述机架宽度方向上相互错开设置。

进一步地，所述三角着地杆还包括与下顶角部相连的支脚，其中，所述支脚与所述下顶角部连接为一体。

进一步地，所述机架前部和/或后部相对设置的两个安装板之间设置有固定杆，且所述固定杆两端分别与两个所述安装板连接。

进一步地，相邻设置的两组所述多杆步行机构中所述动力臂的转动相位角相差180°，且对角设置的两组所述多杆步行机构中所述动力臂的转动相位角相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的多运动模式的步行装置，通过设置可伸缩的液压连杆，步行装置在前进时通过调节液压连杆的长度对步行装置的步态模式进行调整，使得步行装置能实现正常步态模式与抬腿步态模式的转变，增强地形适应性，增强不同工况下的适应能力；当遇到障碍后，装置上的控制部分通过控制液压连杆和电机相互配合，实现越过障碍的目的，提高步行装置移动过程中的稳定性。

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为本发明的多运动模式的步行装置的结构示意图；

图2为本发明的多运动模式的步行装置中多杆步行机构的结构示意图；

图3-图9为本发明中液压连杆长度较短时行走装置的步态变化示意图；以及

图10-图16为本发明中液压连杆长度较长时行走装置的步态变化示意图。

附图标记说明

1、多杆步行机构；2、机架；11、安装板；12、电机；13、动力臂；14、液压连杆；15、三角着地杆；16、稳定连杆；17、摆动臂；18、固定杆；151、支脚。

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16示出了根据本发明的一些实施例。

如图1～2所示，一种多运动模式的步行装置，包括机架2、以及四组多杆步行机构1，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；通过四组多杆步行机构1之间的配合，使步行装置能向前移动。

具体地，如图2所示，多杆步行机构1包括安装板11、电机12、动力臂13、液压连杆14、三角着地杆15、摆动臂17。其中，所述安装板11通过沉头螺钉连接在机架2上，且四组安装板11分别安装在机架2前部和后部的两侧，使多杆步行机构1能固定安装在所述机架2上。

其中，所述电机12通过机械螺钉固定在所述安装板11内侧，所述动力臂13设置在所述安装板11外侧，并且所述动力臂13的一端通过联轴器与所述电机12传动连接，使所述动力臂13能随所述电机12转动。其中，所述动力臂13的活动端与所述液压连杆14的一端铰接，而所述液压连杆14的另一端与所述三角着地杆15铰接。

如图2所示，所述三角着地杆15包括三角形连杆、以及支脚151，三角形连杆具有下顶角部、上顶角部一、以及上顶角部二，支脚151与三角形连杆下部的下顶角部连接为一体，三角形连杆的上顶角部一与所述摆动臂17的下端铰接，三角形连杆的上顶角部二与所述液压连杆14的下端铰接，而所述摆动臂17上端通过机械螺钉与所述安装板11铰接，通过摆动臂17和液压连杆14限制所述三角着地杆15摆动。

其中，液压连杆的第一端设有第一连接柄块、第二端设有第二连接柄块，第一连接柄块与动力臂13铰接，第二连接柄块三角着地杆15铰接。

当电机12带动动力臂13转动时，液压连杆14随动力臂13转动而发生摆动，三角着地杆15在摆动臂17的限制下随液压连杆14摆动而摆动，使三角着地杆15的支脚前后摆动，再通过四个三角着地杆15相互配合，可以让步行装置完成行走动作。

具体地，如图1所示，步行装置运动过程中，对角设置的两组多杆步行机构1中动力臂13的转动相位角相等；使得对角设置的两组多杆步行机构1步行动作一致；相邻设置的两组多杆步行机构1中动力臂13的转动相位角相差180°。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。机架上对角设置的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。

其中，如图1-2所示，多杆步行机构1中动力臂13、液压连杆14、三角着地杆15、摆动臂17均为扁平杆件，各杆件连接时在机架2宽度方向上错位设置，并且安装板11上具有错位安装部，使多杆步行机构1中各杆件铰接后不产生干涉。

其中，液压连杆及其两端的连接柄块位于第一厚度层，动力臂13和三角着地杆15位于第二厚度层，摆动臂17位于第三厚度层。在本发明中，四组多杆步行机构的各连杆采用分层设置，解决了机构运动干涉问题。

在一实施例中，为了缩短机架2的长度，同时保证机架2同一侧的两组多杆步行机构1不产生相互干涉，机架2前部的宽度与机架2后部的宽度不等，即安装在机架2前部的两个安装板11之间的距离与安装在机架2后部的两个安装板11之间的距离不等，且安装在所述机架2同一侧的两个所述安装板11沿所述机架2宽度方向上错开设置；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所示，机架2前部和后部相对设置的两个安装板11之间设置有固定杆18，固定杆18的两端通过沉头螺钉与安装板11固定连接，固定杆18对安装板11具有横向支撑作用，可以增加安装板11和整个多杆步行机构的稳定性。

在一实施例中，如图1所示，液压连杆14与摆动臂17之间设有稳定连杆16，稳定连杆16两端分别与液压连杆14、摆动臂17下端铰接，通过稳定连杆16的设置，可以限制三角着地杆15的摆动幅度，进一步提高步行装置运动的稳定性。

在一实施例中，如图2所示，稳定连杆16与三角着地杆15在机架2宽度方向上位置一致，位于同一厚度层，为了避免三角着地杆15运动过程中与稳定连杆16产生干涉，将稳定连杆16设置成月牙形，使稳定连杆16可以避让开三角着地杆15中的上顶角部一。

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，当上顶角部一与上顶角部二处于同一高度时，即三角着地杆15处于直立状态时，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三角着地杆15更加稳定，增加整个步行装置行走的稳定性。

本发明的多运动模式的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，并且通过控制器控制电机转动，调整好四个多杆步行机构1中动力臂13的初始位置，使相邻设置的两组多杆步行机构1中动力臂13的转动相位角相差180°，对角设置的两组多杆步行机构1中动力臂13的转动相位角相等；

然后，通过控制器控制电机12工作，电机12带动所述动力臂13转动，液压连杆14随动力臂13转动而发生摆动，三角着地杆15在摆动臂17和稳定连杆16的限制下随液压连杆14摆动，使三角着地杆15的支脚前后摆动；

最后，通过四个三角着地杆15相互配合，可以让步行装置完成行走动作。

本发明的多运动模式的步行装置的步态变化过程如下：

如图3-9所示，液压连杆的长度较短，此时步行装置具有第一步姿。

首先将机架右前方和左后方设置的两个动力臂13定义为第一组动力臂，另两个动力臂13定义为第二组动力臂，如图3所示，当第一组动力臂转动到大概七点钟方向时，第二组动力臂转动到大概一点钟方向，此时步行装置四个三角着地杆15的支脚与地面均接触，步行装置处于原始位置。

如图4所示，动力臂沿顺时针继续转动，第一组动力臂转动到大概九点半方向过程中，液压连杆14活动端向上移动，使得三角着地杆15以支脚为支点从向后倾倒状态变为直立状态，推动整个步行装置向前移动，第二组动力臂转动到大概三点半钟方向，液压连杆14活动端向前移动，使三角着地杆15向前上方抬脚并与地面脱离，为下一步移动做准备。

如图5所示，在第一组动力臂13沿顺时针继续转动到十一点钟方向过程中，液压连杆14活动端继续向上方移动，使得三角着地杆15以支脚为支点向前倾斜，推动整个步行装置向前移动，第二组动力臂沿顺时针继续转动到大概五点钟方向，液压连杆14活动端向前下方移动，使三角着地杆15向前方抬脚，为下一步移动做准备。

如图6所示，在第一组动力臂13沿顺时针继续转动到一点钟方向过程中，液压连杆14活动端向前方继续移动，使三角着地杆15以支脚为支点继续向前倾斜，推动整个步行装置向前移动，第二组动力臂13沿顺时针继续转动到大概七点钟方向过程中，液压连杆14活动端向后方移动，使三角着地杆15的支脚向下移动并与地面接触。

如图7所示，在第一组动力臂13沿顺时针继续转动到三点钟方向过程中，液压连杆14活动端向前方继续移动，使三角着地杆15向前上方抬脚并与地面脱离，为下一步移动做准备；第二组动力臂13沿顺时针继续转动到大概九点钟方向过程中，液压连杆14活动端向上方移动，使得三角着地杆15以支脚为支点从向后倾倒状态变为直立状态，推动整个步行装置向前移动。

如图8所示，在第一组动力臂13沿顺时针继续转动到五点钟方向过程中，液压连杆14活动端向前方继续移动，液压连杆14活动端向前下方移动，使三角着地杆15向前方抬脚，为下一步移动做准备；第二组动力臂13沿顺时针继续转动到大概十一点钟方向过程中，液压连杆14活动端向上方移动，使得三角着地杆15以支脚为支点向前倾斜，推动整个步行装置向前移动。

如图9所示，第一组动力臂13沿顺时针继续转动到大概七点钟方向过程中，液压连杆14活动端向后方移动，使三角着地杆15的支脚向下移动并与地面接触；在第二组动力臂13沿顺时针继续转动到一点钟方向过程中，液压连杆14活动端向前方继续移动，使三角着地杆15以支脚为支点继续向前倾斜，推动整个步行装置向前移动。

步行装置按照如图3～图9所示的运动步骤循环工作，机架对角的两只三角着地杆15同时落地，另外两只三角着地杆15同时抬起，四只三角着地杆15交替的落地、抬起，可以使步行装置平稳的向前移动。

如图10-16所示，液压连杆的长度变长，此时步行装置具有第二步姿。

相比于图3-图9中步行装置，图10-16中步行装置的液压连杆的长度等到增长，使步行装置的运动状态发生变化。在步行装置移动过程中，由于液压连杆14伸长，使三角着地杆15向前上方抬脚时，三角着地杆15向上提升高度增加，提高了步行装置的通过性，同时使三角着地杆15向前跨越的距离增加，提高了多杆步行机构每一步向前移动的距离，进而达到提高移动速度效果。

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 (6)

1.一种多运动模式的步行装置，其特征在于，包括机架(2)和四组多杆步行机构(1)，

所述多杆步行机构(1)包括安装板(11)、电机(12)、动力臂(13)、液压连杆(14)、摆动臂(17)、以及三角着地杆(15)，四组所述安装板(11)均与机架(2)连接，且四组所述安装板分别位于所述机架(2)前部和后部的两侧，

所述三角着地杆(15)具有上顶角部一和上顶角部二，所述上顶角部一与所述摆动臂(17)的下端铰接，所述上顶角部二与所述液压连杆(14)的下端铰接，其中，所述液压连杆(14)与所述摆动臂(17)之间设有稳定连杆(16)，且所述稳定连杆(16)的两端分别与所述液压连杆(14)和所述摆动臂(17)铰接；

所述摆动臂(17)上端与所述安装板(11)铰接，所述液压连杆(14)的上端与所述动力臂(13)的活动端铰接，而所述动力臂(13)通过联轴器与设置在所述安装板(11)上的所述电机(12)传动连接，

其中，所述电机(12)能驱动所述液压连杆(14)摆动，使所述三角着地杆(15)在所述摆动臂(17)限制下跟随所述液压连杆(14)摆动而走动，四个所述三角着地杆(15)之间的相互配合，完成行走动作。

2.根据权利要求1所述的多运动模式的步行装置，其特征在于，所述稳定连杆(16)形状呈月牙状，用于避让所述三角着地杆(15)中的所述上顶角部一。

3.根据权利要求1所述的多运动模式的步行装置，其特征在于，所述机架(2)前部的宽度与机架(2)后部的宽度不等，且安装在所述机架(2)同一侧的两个所述安装板(11)在所述机架(2)宽度方向上相互错开设置。

4.根据权利要求1所述的多运动模式的步行装置，其特征在于，所述三角着地杆(15)还包括与下顶角部相连的支脚(151)，其中，所述支脚(151)与所述下顶角部连接为一体。

5.根据权利要求1所述的多运动模式的步行装置，其特征在于，所述机架(2)前部和/或后部相对设置的两个安装板(11)之间设置有固定杆(18)，且所述固定杆(18)两端分别与两个所述安装板(11)连接。

6.根据权利要求1所述的多运动模式的步行装置，其特征在于，相邻设置的两组所述多杆步行机构(1)中所述动力臂(13)的转动相位角相差180°，且对角设置的两组所述多杆步行机构(1)中所述动力臂(13)的转动相位角相同。

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