CN111846002A - 轮腿复合移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轮腿复合移动机器人，包括：机械腿、上躯干、下躯干和腰部旋转电机，上躯干和下躯干之间通过腰部旋转电机连接；机械腿设置有多条，采用多连杆进行串联，分别与上躯干和下躯干相连；腰部旋转电机能够实现机器人在轮式移动模式和腿式移动模式下的多方位转向。机器人的六条轮腿中，三条腿与上躯干连接，三条腿与下躯干连接，与同一个躯干连接的三条腿成等边三角形布置，两个躯干上连接的轮腿构成的等边三角形全等。本发明所提供的一种具有腰部转向机构的六轮腿复合移动机器人具有驱动少，结构简单，机动性能好的优点，可以实现在复杂地形条件下的运动与探测需求。

Description

轮腿复合移动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种轮腿复合移动机器人，尤其涉及一种具有腰部转向机构的六轮腿复合移动机器人。

背景技术

目前常见的移动机器人运动形式有轮式、腿式和复合式等，轮式机器人速度较快，通常采用主动或被动悬架机构保持机架平稳，但难以越过沟壑等复杂地形，而腿式机器人采用离散支撑形式，具有较强的越障能力，但腿式机器人在平坦地面上移动速度较慢，不能满足高机动能力的需求，轮腿复合式机器人同时兼备良好的机动性与地形自适应能力，更适合在复杂地形中执行作业任务。常见的轮腿式机器人多在车轮处或腿的根部增加一个竖直方向的自由度以实现机器人的转向功能，但这样的形式使机器人需要较多驱动，不利于机器人的控制和轻量化设计。因此，研究一种少自由度的六轮腿复合移动机器人有着重要的实际意义。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：CN104924294B，名称为：具有并联腰结构的四足机器人，该技术包括：机架、并联腰结构和四条并联机械腿；其中，所述机架包括前部机架和后部机架，所述前部机架和后部机架之间通过并联腰结构连接，所述并联腰结构具有四个自由度；所述四条并联机械腿平均安装在前部机架和后部机架的两侧，其中每一条并联机械腿均相对于机架具有三个自由度，所述前部机架和后部机架在并联腰结构和四条并联机械腿的配合下，分别具有三维平移和三维转动六个自由度。所述并联腰结构包括一条辅支链和均布在辅支链周围的四条具有相同结构的主支链。该机器人腰部机构连接机器人身体的前半部分和后半部分，可以通过腰部机构改变机器人的身体姿态，有助于机器人在狭窄环境中转向，但机器人在转弯过程中仍需要一定的转弯空间，不能实现原地转向；其机器人没有轮式驱动机构，在平坦地面上运动速度较慢。

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复合移动机器人，通过腰部旋转电机改变机器人的身体状态，有助于机器人在狭窄环境中转向，能实现原地转向，并且轮式驱动机构能够加快机器人在平坦地面上的运动速度。

根据本发明提供的一种轮腿复合移动机器人，包括：机械腿、上躯干、下躯干和腰部旋转电机，其中，上躯干和下躯干之间通过腰部旋转电机连接；机械腿设置有多条，采用多连杆进行串联，分别与上躯干和下躯干相连；腰部旋转电机能够实现机器人在轮式移动模式和腿式移动模式下的多方位转向。

优选地，机械腿包括小腿和大腿，小腿的一端与大腿的一端相连接。

优选地，机械腿还包括小腿传动下连杆和小腿传动上连杆，小腿传动下连杆的一端与小腿连接，另一端和小腿传动上连杆相连。

优选地，车轮和车轮电机，机械腿的小腿的另一端与车轮电机紧固连接，车轮安装在车轮电机的输出轴上。

优选地，还包括小腿驱动电机、大腿驱动电机和U型支架，小腿驱动电机和大腿驱动电机分别连接在U型支架的两侧，机械腿的大腿的另一端连接在大腿驱动电机的输出轴上；小腿传动上连杆的一端与小腿传动下连杆连接，另一端与小腿驱动电机的输出轴上。

优选地，机械腿具有多个自由度，通过采用四连杆机构控制足端运动。

优选地，车轮的轮胎表面有轮刺，能够降低车轮滑转率。

优选地，大腿和小腿上设置有减重孔。

优选地，上躯干连接的机械腿为第一组机械腿，下躯干连接的机械腿为第二组机械腿，

当机器人进行腿式直线运动时，第一组机械腿和第二组机械腿交替向前运动或向后运动；

当机器人进行腿式转向运动时，第一组机械腿抬起，第二组机械腿支撑身体，通过控制腰部旋转电机使抬起的第一组机械腿进行旋转，随之切换第二组机械腿进行旋转；机器人能够在转向的同时进行腿式直线行走运动。

优选地，当机器人进行轮式直线运动时，车轮电机驱动机器人运动，通过控制大腿驱动电机和小腿驱动电机能够调整机械腿的长度适应地形；

当机器人进行轮式转向运动时，车轮电机处于锁死状态，机器人按照腿式转向运动相同的方式实现机器人的转向。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过采用腰部转向机构，能够实现机器人在轮式移动和腿式移动模式下的转向功能，实现多方位旋转。

2、通过对腿部结构采用多连杆机构串联的形式，能够满足大工作空间的需求。

3、采用的大腿能够有效收窄，从而增大可用的工作空间，提高机器人在复杂地形下的越障能力。

4、通过设置减重孔能够更大限度的降低机械腿的质量和转动惯量，从而提高机器人的机动性能。

5、本发明通过采用轮式移动方式，机械腿能够提供主动悬挂功能，保证机器人的移动效率。

6、本发明通过采用腿式移动方式，能够最大限度地利用腿式的越障能力。

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为轮腿复合机器人的整体结构的等轴视图；

图2为轮腿复合机器人的整体结构的俯视示意图。

图中：

车轮1； 大腿5； U型支架9；

车轮电机2； 小腿传动上连杆6； 下躯干10；

小腿3； 小腿驱动电机7； 上躯干11；

小腿传动下连杆4； 大腿驱动电机8； 腰部旋转电机12.

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所示，本发明提供的一种轮腿复合机器人，包括车轮1、车轮电机2、小腿3、小腿传动下连杆4、大腿5、小腿传动上连杆6、小腿驱动电机7、大腿驱动电机8、U型支架9、下躯干10、上躯干11和腰部旋转电机12。

其中，小腿3的一端与大腿5铰接，另一端与车轮电机2固连，车轮电机2的输出轴上安装有车轮1；大腿5一端与小腿3铰接，另一端与大腿驱动电机8的输出轴紧固连接；小腿传动下连杆4一端与小腿3铰接，另一端与小腿传动上连杆6铰接；小腿传动上连杆6一端与小腿传动下连杆4铰接，另一端与小腿驱动电机7输出轴固连；小腿驱动电机7和大腿驱动电机8分别紧固连接于U型支架9两侧。

进一步来说，下躯干10连接有三条轮腿，一条轮腿膝盖方向向前，两条轮腿膝盖方向向后；上躯干11连接有三条轮腿，两条轮腿膝盖方向向前，一条轮腿膝盖方向向后，上躯干10与下躯干11中间通过腰部旋转电机12连接。

再进一步来说，与同一个躯干连接的三条腿成等边三角形布置，两个躯干上连接的轮腿构成的等边三角形全等。

本发明提供的一种具有腰部转向机构的六轮腿复合移动机器人，采用腰部转向机构，用最少的驱动实现机器人的转向功能，复合轮腿具有三个自由度，采用四连杆机构控制足端运动。

本发明的优选例，作进一步说明。

基于上述的基础实施例，车轮1的轮胎表面设有轮刺，轮胎材料为橡胶，能够提高轮胎的抓地力，降低车轮滑转率。

基于上述的基础实施例，大腿5和小腿3在保证结构强度的前提下打有减重孔，以减轻腿部机构的质量以及转动惯量。

工作原理：

机械腿上的大腿驱动电机8和小腿驱动电机7独立转动，分别带动大腿5和小腿传动上连杆6转动，从而改变大腿5与上躯干11、下躯干10之间的夹角以及大腿四杆机构的空间构型，随之改变小腿3与大腿5之间的夹角，实现机械腿足端位置的改变，可以实现机械腿足端位置按照预先设定的步态轨迹变化。再配合腰部旋转电机12以及车轮电机2的运动可以实现机器人的轮式和腿式运动。

当机器人腿式直线运动时，以上躯干10连接的三条腿为第一组，下躯干11连接的三条腿为第二组，控制机器人以3-3步态的形式两组腿交替摆动向前或向后移动。当机器人腿式转向运动时，抬起第一组机械腿，第二组机械腿支撑身体，控制腰部旋转电机12使抬起的第一组腿旋转一定角度，再将第一组腿放下以支撑身体，切换第二组腿抬起进行旋转操作，如此往复实现机器人的转向。在转向的同时机器人也可向前迈步，行走与转向同时进行。

当机器人轮式直线运动时，车轮电机2工作，驱动机器人运动，同时通过足端的力传感器获取车轮1与地面的接触力信息，通过控制大腿驱动电机8和小腿驱动电机7以调整腿部结构的长度适应地形起伏。当机器人轮式转向运动时，锁死车轮电机2，机器人按腿式转向运动相同的方式实现机器人的转向，转向完成后再进行轮式直线运动。

本发明具有实质性的创新与实用性能的提高，与现有技术相比，创新地以六轮腿机器人为基础，增加腰部转向机构实现机器人在轮式移动和腿式移动模式下的转向功能；其六条腿呈正六边形布局方式，三条腿与上躯干10固连，三条腿与下躯干11固连，与同一个躯干连接的三条腿成等边三角形布置，两个躯干上连接的轮腿构成的等边三角形全等，该布局有助于提高机器人的稳定性；腿部结构采用由多连杆机构串联的形式，其机构能够满足大工作空间的需求，所采用的腿部构型的大腿部位可以有效收窄，从而增大可用的工作空间，提高复杂地形下的越障能力；通过优化结构可以更大限度的减低腿部的质量和转动惯量，提高机器人的机动性能；当地形平坦时，机器人采用了轮式移动方式，腿部机构提供主动悬挂功能，保证机器人的移动效率；当地形比较复杂时，机器人采用腿式移动方式，最大限度地利用腿式的越障能力。

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 (10)

1.一种轮腿复合移动机器人，其特征在于，包括：机械腿、上躯干(11)、下躯干(10)和腰部旋转电机(12)，

所述上躯干(11)和下躯干(10)之间通过腰部旋转电机(12)连接；

所述机械腿设置有多条，采用多连杆进行串联，分别与上躯干(11)和下躯干(10)相连；

所述腰部旋转电机(12)能够实现机器人在轮式移动模式和腿式移动模式下的多方位转向。

2.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，所述机械腿包括小腿(3)和大腿(5)，所述小腿(3)的一端与大腿(5)的一端相连接。

3.根据权利要求2所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，所述机械腿还包括小腿传动下连杆(4)和小腿传动上连杆(6)，所述小腿传动下连杆(4)的一端与小腿(3)连接，另一端和小腿传动上连杆(6)相连。

4.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，车轮(1)和车轮电机(2)，所述机械腿的小腿(3)的另一端与车轮电机(2)紧固连接，所述车轮(1)安装在所述车轮电机(2)的输出轴上。

5.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，还包括小腿驱动电机(7)、大腿驱动电机(8)和U型支架(9)，

所述小腿驱动电机(7)和大腿驱动电机(8)分别连接在U型支架(9)的两侧，所述机械腿的大腿(5)的另一端连接在大腿驱动电机(8)的输出轴上；

所述小腿传动上连杆(6)的一端与小腿传动下连杆(4)连接，另一端与小腿驱动电机(7)的输出轴上。

6.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，所述机械腿具有多个自由度，通过采用四连杆机构控制足端运动。

7.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，所述车轮(1)的轮胎表面有轮刺，能够降低车轮滑转率。

8.根据权利要求2所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，所述大腿(5)和小腿(3)上设置有减重孔。

9.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，所述上躯干(11)连接的机械腿为第一组机械腿，所述下躯干(10)连接的机械腿为第二组机械腿，

当机器人进行腿式直线运动时，第一组机械腿和第二组机械腿交替向前运动或向后运动；

当机器人进行腿式转向运动时，第一组机械腿抬起，第二组机械腿支撑身体，通过控制腰部旋转电机(12)使抬起的第一组机械腿进行旋转，随之切换第二组机械腿进行旋转；机器人能够在转向的同时进行腿式直线行走运动。

10.根据权利要求1所述的轮腿复合移动机器人，其特征在于，当机器人进行轮式直线运动时，所述车轮电机(2)驱动机器人运动，通过控制大腿驱动电机(8)和小腿驱动电机(7)能够调整机械腿的长度适应地形；

当机器人进行轮式转向运动时，所述车轮电机(2)处于锁死状态，机器人按照腿式转向运动相同的方式实现机器人的转向。

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