CN111975750B - 两足和四足可切换的变拓扑机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两足和四足可切换的变拓扑机器人，包括手臂、腿部、控制系统以及躯干，所述手臂与躯干的上端连接，所述腿部与躯干的下端连接，所述控制系统与躯干连接，其中，机器人的手臂具有6个自由度，机器人的腿部具有7个自由度，躯干背后为机器人的控制系统以及传感器组件，用于控制各个关节的运动，探测周围地形与环境，本发明能够在控制系统的控制下能够在四肢外骨骼模式和四足行走探测模式之间进行切换。在四肢外骨骼模式下，能够满足穿戴者人体活动的灵活性需求，提高穿戴者的跳跃能力、负载能力和奔跑速度；在四足行走探测模式下，能够利用相机和激光雷达等传感器，执行自主的移动探测任务，结构灵活简单，实用性强。

Description

两足和四足可切换的变拓扑机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种两足和四足可切换的变拓扑机器人。

背景技术

外骨骼机器人是基于机构学、传感器技术、人机工程、计算机技术和智能控制技术等的典型人机一体化系统，可以给穿戴者提供多种帮助，尤其在军事领域有突出作用，有积极的推广意义。

随着仿生机构学、控制技术、驱动技术和人机工程学的不断进步，外骨骼机器人也在不断发展进步，但现有的大多数外骨骼机器人多用于医疗康复领域，仅有下肢外骨骼结构且结构复杂，体型笨重，结构固定，不能满足不同穿戴者的要求。针对现有外骨骼机器人存在的缺陷，本专利提出一种两足和四足可切换的变拓扑机器人。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号为：201820258533.3，名称为：智能外骨骼机器人的外骨骼结构，该技术包括：用于固定人体上肢的上肢结构、用于固定人体下肢的下肢结构和用于连接上肢结构和下肢结构的背部结构。其中：上肢结构包括肩部件、大臂部件和小臂部件，大臂部件设有向内侧凸起的第一固定部，小臂部件设有向内侧凸起的第二固定部，第一固定部与第二固定部之间设有用于承托人体肘部的弹性连接的托盘。但该外骨骼机器人不适用于战场环境，无法实现机器人的自主行走，只能在机器人被穿戴状态下才可以运动。

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两足和四足可切换的变拓扑机器人。

根据本发明提供的一种两足和四足可切换的变拓扑机器人，包括手臂、腿部、控制系统以及躯干；

所述手臂与躯干的上端连接，所述腿部与躯干的下端连接，所述控制系统与躯干连接；

机器人包括四肢外骨骼模式和四足行走探测模式，在控制系统的控制下机器人能够在四肢外骨骼模式和四足行走探测模式之间进行切换。

优选地，所述手臂包括背关节、背部连杆、肩关节、大臂、肘关节、小臂以及手腕；

所述背部连杆的一端通过背关节与躯干的上端连接，所述背部连杆的另一端通过肩关节与大臂上端连接，所述大臂的下端通过肘关节与小臂上端连接，所述手腕安装在小臂的下端。

优选地，所述大臂、小臂分别采用滑轨结构，所述大臂、小臂分别能够通过滑轨结构调整长度。

优选地，所述背关节、肩关节、肘关节分别采用旋转电机。

优选地，所述腿部包括腰关节、腰部连杆、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节以及足部；

所述腰部连杆的一端通过腰关节与躯干的下端连接，所述腰部连杆的另一端通过髋关节与大腿的上端连接，所述大腿的下端通过膝关节与小腿的上端连接，所述足部通过踝关节安装在小腿的下端。

优选地，所述大腿、小腿分别采用滑轨结构，所述大腿、小腿分别能够通过滑轨结构调整长度。

优选地，所述腰关节、髋关节、膝关节、踝关节分别采用旋转电机。

优选地，将人体高度的方向定义为Z向，将人体左右的方向定义为Y向，将人体前后的方向定义为X向，则所述背关节、腰关节在外力的驱使下分别能够绕Z向转动；

所述肩关节、髋关节在外力的驱使下分别能够绕Z向转动，所述肩关节、髋关节在控制系统的控制下分别能够绕X向或绕Y向转动；

所述肘关节、踝关节在外力的驱使下分别能够绕Z向转动，所述肘关节、踝关节在控制系统的控制下分别能够绕Y向转动；

所述膝关节在控制系统的控制下能够绕Y向转动。

优选地，还包括传感器组件，所述传感器组件与躯干连接；

所述传感器组件包括相机、激光以及雷达；

所述相机、激光、雷达分别与控制系统信号连接。

优选地，在四肢外骨骼模式中，机器人通过躯干安装在人体身上，躯干上安装有控制系统以及传感器组件，用于控制手臂和腿部的运动以及采集周围的环境信息；

在四足行走探测模式中，机器人变形为四足机器人形态，利用控制系统以及传感器组件自主执行任务。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够在四肢外骨骼模式和四足行走探测模式之间进行变换，机器人在四肢外骨骼模式下，具有多自由度，能够满足穿戴者人体活动的灵活性需求，提高穿戴者的跳跃能力、负载能力和奔跑速度；在四足行走探测模式下，能够利用相机和激光雷达等传感器，执行自主的移动探测任务，结构灵活简单，实用性强。

2、本发明变拓扑机器人可以通过大臂、小臂、大腿、小腿和躯干的长度以适应不同体型尺寸的穿戴者且能够应用于多种任务场景，能够给穿戴者提供支撑、保护、负重和助力等帮助，在军事领域能够帮助士兵承受大部分负重，同时增强士兵的力量与速度，此外还能够给予士兵一定的装甲保护，当士兵受伤时，外骨骼机器人可以帮助将士兵运送回后方安全区域。此外，外骨骼机器人还可以作为航天员的辅助装备，航天员穿宇航服出舱活动时，外骨骼机器人能够安装在宇航服外侧，辅助航天员进行月面行走、搬运物资、维护设备等活动。

3、本发明在四足行走探测模式下躯干能够搭载负载，实现机器人的自主物资运输功能。

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为本申请实施例的四肢外骨骼模式的结构示意图；

图2为本申请实施例的四足行走探测模式的结构示意图。

图中示出：

1-背关节 7-肘关节 13-大腿

2-背部连杆 8-小臂 14-膝关节

3-肩关节 9-腰关节 15-小腿

4-大臂 10-腰部连杆 16-踝关节

5-控制系统 11-手腕 17-足部

6-躯干 12-髋关节

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。

本发明提供了一种两足和四足可切换的变拓扑机器人，如图1所示，包括手臂、腿部、控制系统5以及躯干6，所述手臂与躯干6的上端连接，所述腿部与躯干6的下端连接，所述控制系统5与躯干6连接；在实际使用时，变拓扑机器人通过躯干部分固定在人体上，连接双臂和双腿部分。机器人包括四肢外骨骼模式和四足行走探测模式，在控制系统5的控制下机器人能够在四肢外骨骼模式和四足行走探测模式之间进行切换。

进一步地，如图1所示，所述手臂包括背关节1、背部连杆2、肩关节3、大臂4、肘关节7、小臂8以及手腕11，所述背部连杆2的一端通过背关节1与躯干6的上端连接，所述背部连杆2的另一端通过肩关节3与大臂4上端连接，背部连杆2能够沿躯干6转轴绕身体高度方向旋转，用来辅助人体背部绕脊柱的旋转动作；所述大臂4的下端通过肘关节7与小臂8上端连接，肩关节3和肘关节7分别用于辅助肩部和肘部的运动；所述手腕11安装在小臂8的下端，大臂4和小臂8的长度可调，以适应不同的穿戴者手臂尺寸。

进一步地，在一个优选例中，所述大臂4、小臂8分别采用滑轨结构，所述大臂4、小臂8分别能够通过滑轨结构调整长度，所述背关节1、肩关节3、肘关节7分别采用旋转电机。

进一步地，如图1所示，所述腿部包括腰关节9、腰部连杆10、髋关节12、大腿13、膝关节14、小腿15、踝关节16以及足部17，所述腰部连杆10的一端通过腰关节9与躯干6的下端连接，所述腰部连杆10的另一端通过髋关节12与大腿13的上端连接，腰部连杆10能够沿躯干6转轴绕身体高度方向旋转，用来辅助人体髋部绕脊柱的旋转动作；所述大腿13的下端通过膝关节14与小腿15的上端连接，所述足部17通过踝关节16安装在小腿15的下端。髋关节12、膝关节14和踝关节16分别用于辅助髋部、膝盖和脚踝的运动，大腿13和小腿15的长度可调，以适应不同的穿戴者腿部尺寸。

进一步地，在一个优选例中，所述大腿13、小腿15分别采用滑轨结构，所述大腿13、小腿15分别能够通过滑轨结构调整长度，所述腰关节9、髋关节12、膝关节14、踝关节16分别采用旋转电机。

具体地，将人体高度的方向定义为Z向，将人体左右的方向定义为Y向，将人体前后的方向定义为X向，则所述背关节1、腰关节9分别为1个自由度，在外力的驱使下分别能够绕Z向转动；所述肩关节3、髋关节12分别为3个自由度，在外力的驱使下分别能够绕Z向转动，所述肩关节3、髋关节12在控制系统5的控制下分别能够绕X向或绕Y向转动；所述肘关节7、踝关节16分别为2个自由度，在外力的驱使下分别能够绕Z向转动，所述肘关节7、踝关节16在控制系统5的控制下分别能够绕Y向转动，所述膝关节14在控制系统5的控制下能够绕Y向转动；因此变拓扑机器人的手臂具有6个自由度，变拓扑机器人的腿部具有7个自由度。

具体地，本发明中还设置有传感器组件，所述传感器组件与躯干6连接，所述传感器组件包括相机、激光以及雷达，所述相机、激光、雷达分别与控制系统5信号连接。相机、激光、雷达采集到的信息传输给控制系统5进而控制系统5发出控制指令。

本发明可以应用到航天任务中，当航天员穿宇航服出舱活动时，变拓扑机器人可以安装在宇航服外侧，辅助航天员进行月面行走、搬运物资、维护设备等活动。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，在四肢外骨骼模式中，变拓扑机器人通过躯干部分固定在人体上，连接双臂和双腿部分。躯干背后为机器人的控制系统和传感器部分，包含控制中心、相机、激光雷达等设备，用于控制各个关节的运动，探测周围地形与环境。图1中的机器人姿态为标准姿态，记此时的各个关节的角度为0°。

如图2所示，在四足行走探测模式下，变拓扑机器人四肢的大部分关节被锁定，每足具有3个自由度。将机器人高度的方向定义为Z向，将机器人左右的方向定义为Y向，将机器人前后的方向定义为X向。使踝关节16和手腕11着地，作为四足机器人运动。对于左手臂，肩关节3的Y方向和肘关节7的Y方向的驱动电机控制手臂的前后摆动，肩关节3的Z方向的驱动电机控制手臂的左右摆动，其余关节锁定在0°位置。对于左腿部，髋关节12的Y方向和膝关节14的Y方向的驱动电机控制腿部的前后摆动，髋关节12的Z方向的驱动电机控制腿部的左右摆动，踝关节16锁定在-90°处以收回，其余关节锁定在0°位置。右边的手臂和腿部与左边对称布置。在四足行走探测模式中，变拓扑机器人变形为四足机器人形态，利用相机和激光雷达等传感器，自主执行地形探测、物资运输、采集样品等任务。

本发明结构简单、性能可靠，机器人在四肢外骨骼模式下，具有足够多的自由度，能够满足穿戴者人体活动的灵活性需求；可以通过大臂、小臂、大腿、小腿和躯干的长度以适应不同体型尺寸的穿戴者；能够在四肢外骨骼模式和四足行走探测模式之间进行变换，执行不同的任务；本发明在四足行走探测模式下，能够利用相机和激光雷达等传感器，执行自主的移动探测任务，同时还可以实现机器人的自主物资运输功能。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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 (9)

1.一种两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，包括手臂、腿部、控制系统(5)以及躯干(6)；

所述手臂与躯干(6)的上端连接，所述腿部与躯干(6)的下端连接，所述控制系统(5)与躯干(6)连接；

机器人包括四肢外骨骼模式和四足行走探测模式，在控制系统(5)的控制下机器人能够在四肢外骨骼模式和四足行走探测模式之间进行切换；

还包括传感器组件，所述传感器组件与躯干(6)连接；

在四肢外骨骼模式中，机器人通过躯干(6)安装在人体身上，躯干(6)上安装有控制系统(5)以及传感器组件，用于控制手臂和腿部的运动以及采集周围的环境信息；

在四肢外骨骼模式下，能够满足穿戴者人体活动的灵活性需求并能够辅助提高穿戴者的跳跃能力、负载能力和奔跑速度；

在四足行走探测模式下，能够利用传感器组件执行自主的运输、采集、探测任务。

2.根据权利要求1所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述手臂包括背关节(1)、背部连杆(2)、肩关节(3)、大臂(4)、肘关节(7)、小臂(8)以及手腕(11)；

所述背部连杆(2)的一端通过背关节(1)与躯干(6)的上端连接，所述背部连杆(2)的另一端通过肩关节(3)与大臂(4)上端连接，所述大臂(4)的下端通过肘关节(7)与小臂(8)上端连接，所述手腕(11)安装在小臂(8)的下端。

3.根据权利要求2所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述大臂(4)、小臂(8)分别采用滑轨结构，所述大臂(4)、小臂(8)分别能够通过滑轨结构调整长度。

4.根据权利要求2所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述背关节(1)、肩关节(3)、肘关节(7)分别采用旋转电机。

5.根据权利要求2所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述腿部包括腰关节(9)、腰部连杆(10)、髋关节(12)、大腿(13)、膝关节(14)、小腿(15)、踝关节(16)以及足部(17)；

所述腰部连杆(10)的一端通过腰关节(9)与躯干(6)的下端连接，所述腰部连杆(10)的另一端通过髋关节(12)与大腿(13)的上端连接，所述大腿(13)的下端通过膝关节(14)与小腿(15)的上端连接，所述足部(17)通过踝关节(16)安装在小腿(15)的下端。

6.根据权利要求5所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述大腿(13)、小腿(15)分别采用滑轨结构，所述大腿(13)、小腿(15)分别能够通过滑轨结构调整长度。

7.根据权利要求5所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述腰关节(9)、髋关节(12)、膝关节(14)、踝关节(16)分别采用旋转电机。

8.根据权利要求5所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，将人体高度的方向定义为Z向，将人体左右的方向定义为Y向，将人体前后的方向定义为X向，则所述背关节(1)、腰关节(9)在外力的驱使下分别能够绕Z向转动；

所述肩关节(3)、髋关节(12)在外力的驱使下分别能够绕Z向转动，所述肩关节(3)、髋关节(12)在控制系统(5)的控制下分别能够绕X向或绕Y向转动；

所述肘关节(7)、踝关节(16)在外力的驱使下分别能够绕Z向转动，所述肘关节(7)、踝关节(16)在控制系统(5)的控制下分别能够绕Y向转动；

所述膝关节(14)在控制系统(5)的控制下能够绕Y向转动。

9.根据权利要求1所述的两足和四足可切换的变拓扑机器人，其特征在于，所述传感器组件包括相机、激光以及雷达；

所述相机、激光、雷达分别与控制系统(5)信号连接。

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