CN111846001B - 轮腿变结构机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮腿变结构机器人，包括：机架、机械臂和机械腿，机械臂安装在机架上面；机械腿安装在机架两侧，对称设置多条轮腿，能够切换轮式或腿式的运动模式；机械腿为串联构型，机械腿通过驱动支链连接且各具有多个自由度。本发明通过在各驱动支链上均串联安装有刚度不同弹簧，可以作为被动悬挂减少机器人腿式行走时电机受到的冲击载荷；操作机械臂具有七个自由度，具有较好的运动灵活性，能够进行采样或搬运作业；本发明提供的轮腿变结构机器人运动快速灵活，地形适应性强，越障能力好，可以满足复杂非结构地形下的地形探测、物资运输、采集样品以及人员搜救等工作的需求。

Description

轮腿变结构机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种轮腿变结构机器人，尤其涉及一种具有两个腰部的六轮腿变结构机器人。

背景技术

现阶段已有应用的移动机器人多为轮式、腿式、履带式结构以及各种具有复合运动形式的机器人。其中，轮腿机器人结合轮式机器人与腿式机器人的优点，在较为平缓的地面上拥有较快的移动速度，以及优良的机动性能，当遇到起伏较大地面或者有无法越过的障碍时，可以切换机器人形态，使机器人以腿式运动模式越过障碍。传统的轮腿机器人在腿式机器人的基础上在其足端或其他位置增加轮式驱动，使其可以通过轮子移动，这样的结构没有将轮式机构和腿式机构充分融合，支撑腿和轮子分开独立布置的布局使机器人有较大的整体质量，因此对轮腿一体化的移动机器人研究具有重要价值。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：CN108995728A，名称为：一种高机动轮足复合机器人，该技术包括：第一至第四轮足模块(A、B、C、D)，第一至第四直流电机(1、2、3、4)，第一、第二车架(E、F)。其中：轮足模块通过电机驱动机架相对转动，可以实现高越障足式模式和轮式模式的相互切换，采用同一种结构形状可实现足式高抬腿功能与轮式高速滚动功能。该机器人实现了轮足一体化设计与转化，足式模式时共有16条腿。轮式模式时共有4个轮子，其每条腿对应四分之一圆弧的轮，将腿组合成轮时，轮面并不是一个平面，这样机器人在砂石地面运动时容易在轮中卡入石头，损害机器人结构，且机器人腿数目角度较多，有较大控制难度。

又经检索发现，中国专利申请号为：CN104249599B，名称为：具有轮足复合推进功能的便携式移动装置，该技术包括车体、车轮、探测系统、通信系统和负载接插模块。其中：车轮包括第一车轮胎面、第二车轮胎面、第三车轮胎面，第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、驱动盘、旋转盘，整车采用六轮三轴式布置方式，提高了移动稳定性及爬坡性能。该机器人保证了轮式模式下车轮的完整性，但在其足式模式下，并没实现完全足式运动。可以看作将原有轮式机器人的车轮半径增大，且提高了变形轮对崎岖地面的通过能力。在足式运动模式中，当机器人高速运动时，机器人重心将上下颠簸，无法平稳运动，这对机器人硬件造成一定损害。

还经检索发现，欧洲航天局(European Space Agency)发布的一款外星球探测概念机器人，包括机架、一条机械臂以及六条轮腿。该机器人机架为一体式设计，在轮式行走过程中各轮腿不能很好地贴合地面，难以实现对地形起伏的适应；进行腿式运动时，机器人腿部驱动没有串联弹性环节，抵抗地形对腿部的冲击和扰动的能力较弱。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轮腿变结构机器人，轮腿变结构机器人拥有轮式和腿式两种运动模式，可以根据地形条件选择适宜的运动模式进行高效快速移动，特别适用于复杂非结构地形条件下的探测任务。

根据本发明提供的一种轮腿变结构机器人，包括：机架、机械臂和机械腿，机械臂安装在机架上面，具有多个独立自由度，可以实现复杂抓取任务；

机械腿安装在机架两侧，对称设置多条轮腿，能够切换轮式或腿式的运动模式，能够通过控制机械腿驱动使其实现轮与腿之间的转化，以适应不同地形的运动需要；

机械腿为串联构型，且各具有多个自由度。

优选地，机架包括前段机架、中段机架和后段机架，前段机架与中段机架相连，中段机架连接后段机架。

优选地，机械臂包括大臂和小臂，大臂和小臂通过铰链连接，大臂包括上段大臂和下段大臂，上段大臂和下段大臂通过旋转电机连接，能够绕大臂轴线旋转；小臂包括上段小臂和下段小臂，上段小臂和下段小臂通过旋转电机连接，能够绕小臂轴线旋转；上段小臂和下段大臂通过旋转电机连接，能够绕铰链轴线旋转。

优选地，机械臂还包括机械臂基座、手腕和机械爪，机械臂基座和机架通过旋转电机连接，能够绕竖直轴旋转；机械臂的上段大臂和机械臂基座通过旋转电机连接，能够绕水平轴旋转；手腕和小臂通过铰链连接，手腕和机械臂的下段小臂通过旋转电机连接，能够绕铰链轴线旋转；机械爪和手腕通过旋转电机连接，能够绕手腕轴线旋转。

优选地，机械腿包括小腿、中腿和大腿，小腿和中腿通过铰链连接，中腿和大腿通过铰链连接。

优选地，机械腿还包括小腿驱动支链、中腿驱动支链和大腿驱动支链，小腿驱动支链的两端通过R副分别连接机械腿的小腿和中腿；中腿驱动支链的两端通过R副分别连接机械腿的中腿和大腿；大腿驱动支链的两端通过R副分别连接机械腿的大腿和轮式前进驱动电机；R副是指转动副，也称为回转副。

优选地，机械腿还包括轮式转向驱动电机和侧摆驱动电机，机械腿的大腿和轮式前进驱动电机通过铰链连接，轮式前进驱动电机能够绕着轮式转向驱动电机沿水平轴主动旋转；轮式转向驱动电机能够绕着侧摆驱动电机沿竖直轴主动旋转；侧摆驱动电机能够绕着机架沿水平轴主动旋转。

优选地，还包括雷达、相机和电池仓，雷达、相机和电池仓安装在机架上面，箱机通过一个三自由度相机自稳云台连接，以保证机器人运动过程中相机拍摄的图像不会有太大的抖动；雷达固定在机架四周，测量与周围障碍物之间的距离，当机器人接近障碍物时可以预警机器人采用相应的避障措施。

优选地，小腿驱动支链、中腿驱动支链和大腿驱动支链上均串联安装有刚度不同的弹簧，大腿驱动支链上的弹簧刚度大于中腿驱动支链上的弹簧刚度，中腿驱动支链上的弹簧刚度大于小腿驱动支链上的弹簧刚度。

优选地，机械腿采用轮腿一体化结构，当轮腿变结构机器人切换腿式运动模式时，机械腿的形状为“C”型；当轮腿变结构机器人切换轮式运动模式时，机械腿的形状为圆形。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采用轮腿一体化结构的机械腿，相较于传统的轮腿相互独立结构，该结构更加紧凑，且总体质量较小，能够切换轮式和腿式两种运动模式，根据地形选择运动模式。

2、本发明通过设置具有两个腰部、分为三个部段的机架，三段机架之间使用铰链连接，提供机器人对地形适应能力，当机器人以轮式模式运动时，能够确保各段身体的两轮与地面贴合。

3、本发明通过在机械腿中的各驱动支链均串联安装有刚度不同的弹簧，能够实现机器人腿部从上到下逐步增加柔顺特性，更好地降低复杂地形对机器人的冲击和扰动。

4、本发明搭载有多自由度的机械臂，能够实现在复杂环境下对目标物体进行抓取等操作。

5、本发明搭载有雷达和相机等探测设备，能够实现机器人的自主路径规划与移动以及位置环境的探测任务。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为轮腿变结构机器人的整体结构示意图；

图2为轮腿变结构机器人的单腿结构示意图；

图3为轮腿变结构机器人的轮式模式侧视图；

图4为轮腿变结构机器人的轮腿转化过程示意图；

图5为轮腿变结构机器人的腿式模式轴视图；

图6为轮腿变结构机器人的轮式模式轴视图。

图中：

小腿1； 侧摆驱动电机9； 手腕17；

小腿驱动支链2； 前段机架10； 机械爪18；

中腿3； 雷达11； 虎克铰链19；

中腿驱动支链4； 机械臂基座12； 中段机架20；

大腿5； 上段大臂13； 相机21；

大腿驱动支链6； 下段大臂14； 后段机架22；

轮式前进驱动电机7； 上段小臂15； 电池仓23。

轮式转向驱动电机8； 下段小臂16；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本发明提供的一种轮腿变结构机器人，包括小腿1、小腿驱动支链2、中腿3、中腿驱动支链4、大腿5、大腿驱动支链6、轮式前进驱动电机7、轮式转向驱动电机8、侧摆驱动电机9、前段机架10、雷达11、机械臂基座12、上段大臂13、下段大臂14、上段小臂15、下段小臂16、手腕17、机械爪18、中段机架20、相机21、后段机架22和电池仓23。

其中，小腿1和中腿3通过铰链连接，小腿驱动支链2两端通过R副分别连接小腿1和中腿3；中腿3和大腿5通过铰链连接，中腿驱动支链4两端通过R副分别连接中腿3和大腿5；大腿5和轮式前进驱动电机7通过铰链连接，大腿驱动支链6两端通过R副分别连接大腿5和轮式前进驱动电机7；轮式前进驱动电机7可以绕轮式转向驱动电机8沿水平轴主动旋转，轮式转向驱动电机8可以绕侧摆驱动电机9沿竖直轴主动旋转，侧摆驱动电机9可以绕着机架沿水平轴主动旋转。

进一步来说，机械臂基座12和机架通过旋转电机连接，可以绕竖直轴旋转；上段大臂13和机械臂基座12通过旋转电机连接，可以绕水平轴旋转；下段大臂14和上段大臂13通过旋转电机连接，可以绕大臂轴线旋转；上段小臂15和下段大臂14通过旋转电机和铰链连接，可以绕铰链轴线旋转；下段小臂16和上段小臂15通过旋转电机连接，可以绕小臂轴线旋转；手腕17和下段小臂16通过旋转电机和铰链连接，可以绕铰链轴线旋转；机械爪18和手腕17通过旋转电机连接，可以绕手腕轴线旋转。机械臂用串联形式的七自由度机构，相较于传统六自由度机械臂，具有更好的灵活性以及更大的工作空间，可以按任意姿态达到工作空间内的任意点。机械爪18可以是具有一定自由度的作业工具实现对目标物体的抓取等操作。

再进一步来说，小腿驱动支链2、中腿驱动支链4和大腿驱动支链6均采用直线驱动方式，通过控制直线驱动驱动支链可以直接控制各支链上下连杆之间的相对距离，从而控制机械腿的运动。驱动支链上均串联安装有刚度不同弹簧，其中：大腿驱动支链弹簧刚度大于腿驱动支链弹簧刚度；中腿驱动支链弹簧刚度大于小腿驱动支链弹簧刚度。

同时参照图3所示，变结构机器人的机架具有两个腰部，分为三个部段，即前段机架10、中段机架20、后段机架22，各段机架通过虎克铰链19连接；有多个雷达11布置在机架四周；相机21通过三自由度相机自稳云台与中段机架20连接；电池仓23固定在后段机架22上。

本发明的变化例，作进一步说明。

在一个变化例中，基于上述基础实施例，前段机架10、中段机架20和后段机架22通过虎克铰链19连接中的虎克铰链19可以替换为球铰。

在又一个变化例中，基于上述基础实施例，小腿驱动支链2、中腿驱动支链4和大腿驱动支链6均采用直线驱动方式可以采用气动、液压驱动以及其他直线驱动方式。

在再一个变化例中，基于上述基础实施例，本发明的机架上除了安装有相机21和雷达11来用于地形探测和路线规划之外，也可以安装有通讯装置，用于操作人员或其他机器人进行通信。

本发明的优选例，作进一步说明。

基于上述基础实施例，机架上搭载的雷达11可以采用激光测距雷达。

基于上述基础实施例，小腿1、中腿3和大腿5外侧可以包覆有带条纹的橡胶垫，以增大其与地面摩擦力，且有一定减震能力。

工作原理：

本发明有两种运动模式，分别为腿式运动模式(如图5所示)和轮式运动模式(如图6所示)，当机器人处于腿式运动模式时，控制腿上各驱动支链使轮腿展开为腿式模式(如图4所示为机器人姿态转化过程)，配合轮式前进驱动电机7和侧摆驱动电机9使机器人以六足机器人形态在起伏较大的不平坦地形上运动；当机器人处于轮式运动模式时，控制腿上各驱动电机使轮腿合拢为轮式模式，配合轮式前进驱动电机7和轮式转向驱动电机8使机器人以六轮机器人形态在起伏不大的平坦地形上高速运动，同时侧摆驱动电机9可以改变轮腿与地面夹角，提高机器人轮式运动时的抓地力和稳定性。

本发明配合搭载有雷达11、相机21和电池仓23等探测、控制元件，上位机可以根据传感器获得的地形数据，规划机器人的运动方式，若地形复杂则规划腿式行走的步态以及路径，若地形平坦则规划机器人轮式运动行进轨迹。上位机通过分析所获得的视觉和激光数据规划机械臂进行抓取、采样等操作。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种轮腿变结构机器人，其特征在于，包括：机架、机械臂和机械腿，

所述机械臂安装在所述机架上面；

所述机械腿安装在机架两侧，对称设置多条轮腿，能够切换轮式或腿式的运动模式；

所述机械腿为串联构型，且各具有多个自由度；

所述机械腿包括小腿（1）、中腿（3）、大腿（5）、轮式前进驱动电机（7）、轮式转向驱动电机（8）和侧摆驱动电机（9）；

所述小腿（1）和中腿（3）通过铰链连接，所述中腿（3）和大腿（5）通过铰链连接；

所述大腿（5）和轮式前进驱动电机（7）通过铰链连接，所述轮式前进驱动电机（7）能够绕着轮式转向驱动电机（8）沿水平轴主动旋转；所述轮式转向驱动电机（8）能够绕着侧摆驱动电机（9）沿竖直轴主动旋转；所述侧摆驱动电机（9）能够绕着机架沿水平轴主动旋转；

所述机械腿还包括小腿驱动支链（2）、中腿驱动支链（4）和大腿驱动支链（6），

所述小腿驱动支链（2）的两端通过R副分别连接机械腿的小腿（1）和中腿（3）；

所述中腿驱动支链（4）的两端通过R副分别连接机械腿的中腿（3）和大腿（5）；

所述大腿驱动支链（6）的两端通过R副分别连接机械腿的大腿（5）和轮式前进驱动电机（7）；

所述小腿驱动支链（2）、中腿驱动支链（4）和大腿驱动支链（6）上均串联安装有刚度不同的弹簧，所述大腿驱动支链（6）上的弹簧刚度大于中腿驱动支链（4）上的弹簧刚度，所述中腿驱动支链（4）上的弹簧刚度大于小腿驱动支链（2）上的弹簧刚度。

2.根据权利要求1所述的轮腿变结构机器人，其特征在于，所述机架包括前段机架（10）、中段机架（20）和后段机架（22），所述前段机架（10）与中段机架（20）相连，所述中段机架（20）连接后段机架（22）。

3.根据权利要求1所述的轮腿变结构机器人，其特征在于，所述机械臂包括大臂和小臂，所述大臂和小臂通过铰链连接；

所述大臂包括上段大臂（13）和下段大臂（14），所述上段大臂（13）和下段大臂（14）通过旋转电机连接，能够绕大臂轴线旋转；

所述小臂包括上段小臂（15）和下段小臂（16），所述上段小臂（15）和下段小臂（16）通过旋转电机连接，能够绕小臂轴线旋转；

所述上段小臂（15）和下段大臂（14）通过旋转电机连接，能够绕铰链轴线旋转。

4.根据权利要求1所述的轮腿变结构机器人，其特征在于，所述机械臂还包括机械臂基座（12）、手腕（17）和机械爪（18），

所述机械臂基座（12）和机架通过旋转电机连接，能够绕竖直轴旋转；

所述机械臂的上段大臂（13）和机械臂基座（12）通过旋转电机连接，能够绕水平轴旋转；

所述手腕（17）和机械臂的小臂通过铰链连接，所述手腕（17）和机械臂的下段小臂（16）通过旋转电机连接，能够绕铰链轴线旋转；

所述机械爪（18）和手腕（17）通过旋转电机连接，能够绕手腕（17）轴线旋转。

5.根据权利要求1所述的轮腿变结构机器人，其特征在于，还包括雷达（11）、相机（21）和电池仓（23），所述雷达（11）、相机（21）和电池仓（23）安装在机架上面。

6.根据权利要求1所述的轮腿变结构机器人，其特征在于，所述机械腿采用轮腿一体化结构，当轮腿变结构机器人切换腿式运动模式时，所述机械腿的形状为“C”型；当轮腿变结构机器人切换轮式运动模式时，所述机械腿的形状为圆形。

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