CN112193344B - 一种两轮四足机器人 - Google Patents
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Abstract
一种两轮四足机器人，属于机构设计技术领域。所述两轮四足机器人，包括底盘、行走轮、质心调节机构，一对行走轮固定安装于底盘两侧的行走电机轴的一端，质心调节机构安装于底盘下方。当机器人为轮式机器人结构时，行走速度快、运动灵活，适合于在较为平坦的路面上行进；当机器人变形为腿式机器人结构时，可以模仿四足动物行走，能够实现在复杂环境下足式行走，质心调节机构用于腿式结构下调节机器人重心位置。该两轮四足机器人结构稳定、轮径较大，具备较强的越障能力。
Description
技术领域
本发明涉及机构设计技术领域，特别涉及一种两轮四足机器人。
背景技术
两轮机器人结构简单、运动灵活，移动速度较快，但一般的轮式机器人轮径较小，越障能力较差，难以适应具有较大障碍物的复杂路况，遇到大的沟壑时，一般难以通过。申请号为201210470502.1和201710061707.7的专利公布的两轮机器人，设置了质心调节装置，以提高机器人的爬坡能力，仍难以适应崎岖复杂的路面环境。四足机器人与两轮机器人相比，具有很强的环境适应能力，既可以在平坦的路面上行走，又可以在崎岖不平的环境中行走，具有较强的越障能力，但行走速度较慢，效率低。为了结合两轮机器人和四足机器人的优点，提高机器人的环境适应能力，实现在崎岖复杂环境下行走，本发明将提供一种可变形为两轮结构、也可变形为四足结构的机器人。
发明内容
为了解决现有轮腿机器人存在的适应环境能力差、难以跨越大的障碍物等技术问题，本发明的目的是提供一种两轮四足机器人，其结构简单、轮径较大，可两轮行走，也可四足行走，具有较强的环境适应能力。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种两轮四足机器人，包括底盘、行走轮、质心调节机构，其特征在于一对行走轮通过行走轮安装孔固定安装于底盘两侧的行走电机轴的一端，质心调节机构通过质心调节机构安装孔安装于底盘下方；
所述底盘包括底盘框架、行走电机、行走电机轴，其中底盘框架侧面设置有行走电机安装孔、行走电机轴孔，行走电机通过行走电机安装孔固定安装于底盘框架侧面，行走电机轴的一端穿过底盘框架的行走电机安装孔采用键连接安装于行走电机之中，行走电机轴的另一端与行走轮固定连接；
所述行走轮包括轮腿支架、腿式行走驱动装置、腿销轴、伸缩腿、轮锁和锁扣，两条伸缩腿分别通过两个腿销轴铰接安装于轮腿支架上，腿销轴安装于轮腿支架的腿销轴安装孔I和伸缩腿的腿销轴安装孔Ⅱ之中，腿式行走驱动装置通过摆动电机安装座、轴承支座I、轴承支座Ⅱ安装于轮腿支架之中，腿式行走驱动装置的摆动销轴安装于伸缩腿的摆动销轴孔之中，轮锁固定安装于一条伸缩腿末端，锁扣固定安装于另一条伸缩腿末端；
所述质心调节机构包括配重块支撑板、配重块、配重块调节丝杠、配重块调节电机，配重块调节丝杠两端通过轴承安装于配重块支撑板之中，其中一端与配重块调节电机固定连接，配重块调节电机固定安装在配重块支撑板上，所述配重块为设置有与配重块调节丝杠配合的螺纹孔，配重块调节丝杠穿过配重块的螺纹孔，且配重块可沿着配重块调节丝杠移动；
所述轮腿支架包括支架侧板、摆动电机安装座、轴承支座I、轴承支座Ⅱ、滑块导轨，两块支架侧板通过两个摆动电机安装座、两个轴承支座I、两个轴承支座Ⅱ对齐固定连接在一起，两个摆动电机安装座、两个轴承支座I、两个轴承支座Ⅱ位于两个支架侧板中间，所述轴承支座I和轴承支座Ⅱ分别设置轴承安装孔I和轴承安装孔Ⅱ，且轴承安装孔I和轴承安装孔Ⅱ同轴布置，滑块导轨平行于驱动丝杠方向固定于支架侧板上，所述支架侧板加工有行走轮安装孔和腿销轴安装孔I；
所述腿式行走驱动装置包括摆动电机、摆动电机支架、联轴器、驱动丝杠、滑块销轴、丝杠螺母、滑块、连杆和摆动销轴，摆动电机安装在摆动电机支架上，摆动电机支架安装在轮腿支架的摆动电机安装座上，摆动电机输出轴通过联轴器与驱动丝杠一端连接，驱动丝杠两端通过轴承安装在轴承支座I和轴承支座Ⅱ上，驱动丝杠中间部分设置有丝杠螺母，丝杠螺母通过丝杠螺母安装孔和螺钉孔固定安装于滑块上且丝杠螺母和丝杠螺母安装孔同轴布置，连杆一端放置于滑块的连杆安装槽中通过滑块销轴与滑块铰接，滑块销轴穿入滑块的连杆销轴安装孔之中，连杆的另一端通过摆动销轴与伸缩腿铰接，摆动销轴穿入伸缩腿的摆动销轴孔之中，两组腿式行走驱动装置对称设置在轮腿支架的左右两侧，所述滑块上加工有丝杠螺母安装孔、连杆安装槽、连杆销轴安装孔、螺钉孔；
所述的伸缩腿包括伸缩腿侧板、侧板支撑块、电动推杆销轴、电动推杆、电动推杆挡块，两块伸缩腿侧板通过侧板支撑块、电动推杆挡块对齐固定连接在一起，电动推杆通过电动推杆销轴与伸缩腿侧板铰接，电动推杆通过电动推杆挡块固定安装在两块伸缩腿侧板之间,所述伸缩腿侧板上加工有摆动销轴孔和腿销轴安装孔Ⅱ。
本发明的有益效果：
本发明的一种两轮四足机器人可以变换为两轮形式的轮式机器人，具有结构稳定、轮径较大的特点，能够在平坦路面的快速行走，且路面适应能力较强；机器人也能变换为四足形式的腿足机器人，通过腿式行走驱动装置、伸缩腿和质心调节机构调节机器人质心位置，可以实现类似动物的四足行走方式，能够适应崎岖复杂的路面环境，行走轮的腿式行走驱动装置采用连杆机构，结构简单、易于制造。
附图说明
图1是本发明提供的一种两轮四足机器人变换为两轮机器人时的结构示意图；
图2是本发明提供的一种两轮四足机器人变换为四足机器人时的结构示意图；
图3是本发明提供的一种两轮四足机器人的底盘结构示意图；
图4是本发明提供的一种两轮四足机器人的行走轮的轮形结构示意图；
图5是本发明提供的一种两轮四足机器人的行走轮的轮形结构示意图局部剖视图；
图6是本发明提供的一种两轮四足机器人的行走轮的腿形结构示意图；
图7是本发明提供的一种两轮四足机器人的轮腿支架去掉一块支架侧板的正面视图；
图8是本发明提供的一种两轮四足机器人的轮腿支架轴测视图；
图9是本发明提供的一种两轮四足机器人的腿式行走驱动装置结构示意图；
图10是本发明提供的一种两轮四足机器人的伸缩腿去掉一块伸缩腿侧板的正面视图；
图11是本发明提供的一种两轮四足机器人的伸缩腿轴测视图；
图12是本发明提供的一种两轮四足机器人的伸缩腿局部放大图；
图13是本发明提供的一种两轮四足机器人的质心调节机构结构示意图；
图14是本发明提供的一种两轮四足机器人的底盘框架结构示意图；
图15是本发明提供的一种两轮四足机器人的滑块结构示意图；
图16是本发明提供的一种两轮四足机器人的轴承座I结构示意图；
图17是本发明提供的一种两轮四足机器人的轴承座Ⅱ结构示意图；。
图中：
1、行走轮，2、底盘，3、质心调节机构，1-1、轮腿支架，1-2、腿式行走驱动装置，1-3、腿销轴，1-4、伸缩腿，1-5、轮锁，1-6、锁扣，1-1-1、支架侧板，1-1-2、摆动电机安装座，1-1-3、轴承支座I，1-1-4、轴承支座Ⅱ，1-1-5、滑块导轨，1-1-6、行走轮安装孔，1-1-7、腿销轴安装孔I，1-2-1、摆动电机，1-2-2、摆动电机支架，1-2-3、联轴器，1-2-4、驱动丝杠，1-2-5、滑块销轴，1-2-6、丝杠螺母，1-2-7、滑块，1-2-8、连杆，1-2-9、摆动销轴，1-4-1、伸缩腿侧板，1-4-2、侧板支撑块，1-4-3、电动推杆销轴，1-4-4、电动推杆，1-4-5、电动推杆挡块，1-4-6、摆动销轴孔，1-4-7、腿销轴安装孔Ⅱ，1-1-3-1、轴承安装孔I，1-1-3-2、轴承支座I安装孔，1-1-4-1、轴承安装孔Ⅱ，1-1-4-2、轴承支座Ⅱ安装孔，1-2-7-1、丝杠螺母安装孔，1-2-7-2、连杆安装槽，1-2-7-3、连杆销轴安装孔，1-2-7-4、螺钉孔，2-1、底盘框架，2-2、行走电机，2-3、行走电机轴，2-1-1、质心调节机构安装孔，2-1-2、行走电机安装孔，2-1-3、行走电机轴孔，3-1、配重块支撑板，3-2、配重块，3-3、配重块调节丝杠，3-4、配重块调节电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“两端”、“一端”、“另一端”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发明和简化描述，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发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图17所示，本发明提供了一种两轮四足机器人，包括底盘2、行走轮1、质心调节机构3，其特征在于一对行走轮1通过行走轮安装孔1-1-6固定安装于底盘2两侧的行走电机轴2-3的一端，质心调节机构3通过质心调节机构安装孔2-1-1安装于底盘2下方；
所述底盘2包括底盘框架2-1、行走电机2-2、行走电机轴2-3，其中底盘框架2-1侧面设置有行走电机安装孔2-1-2、行走电机轴孔2-1-3，行走电机2-2通过行走电机安装孔2-1-2固定安装于底盘框架2-1侧面，行走电机轴2-3的一端穿过底盘框架2-1的行走电机安装孔2-1-3采用键连接安装于行走电机2-2之中，行走电机轴2-3的另一端与行走轮1固定连接；
所述行走轮1包括轮腿支架1-1、腿式行走驱动装置1-2、腿销轴1-3、伸缩腿1-4、轮锁1-5和锁扣1-6，两条伸缩腿1-4分别通过两个腿销轴1-3铰接安装于轮腿支架1-1上，腿销轴1-3安装于轮腿支架1-1的腿销轴安装孔I1-1-7和伸缩腿1-4的腿销轴安装孔Ⅱ1-4-7之中，腿式行走驱动装置1-2通过摆动电机安装座1-1-2、轴承支座I1-1-3、轴承支座Ⅱ1-1-4安装于轮腿支架1-1之中，腿式行走驱动装置1-2的摆动销轴1-2-9安装于伸缩腿1-4的摆动销轴孔1-4-6之中，轮锁1-5固定安装于一条伸缩腿1-4末端，锁扣1-6固定安装于另一条伸缩腿1-4末端；
所述质心调节机构3包括配重块支撑板3-1、配重块3-2、配重块调节丝杠3-3、配重块调节电机3-4，配重块调节丝杠3-3两端通过轴承安装于配重块支撑板3-1之中，其一端与配重块调节电机3-4固定连接，配重块调节电机3-4固定安装在配重块支撑板3-1上，配重块3-2与配重块调节丝杠3-3垂直设置，所述配重块3-2设置有与配重块调节丝杠3-3配合的螺纹孔，配重块调节丝杠3-3穿过配重块3-2的螺纹孔，且配重块3-2可沿着配重块调节丝杠3-3移动；
所述轮腿支架1-1包括支架侧板1-1-1、摆动电机安装座1-1-2、轴承支座I1-1-3、轴承支座Ⅱ1-1-4、滑块导轨1-1-5，两块支架侧板1-1-1通过两个摆动电机安装座1-1-2、两个轴承支座I1-1-3、两个轴承支座Ⅱ1-1-4对齐固定连接在一起，两个摆动电机安装座1-1-2、两个轴承支座I1-1-3、两个轴承支座Ⅱ1-1-4位于两个支架侧板1-1-1中间，所述轴承支座I1-1-3和轴承支座Ⅱ1-1-4分别设置轴承安装孔I1-1-3-1和轴承安装孔Ⅱ1-1-4-1，且轴承安装孔I1-1-3-1和轴承安装孔Ⅱ1-1-4-1同轴布置，滑块导轨1-1-5平行于驱动丝杠1-2-4方向固定于支架侧板1-1-1上，所述支架侧板1-1-1加工有行走轮安装孔1-1-6和腿销轴安装孔I1-1-7；
所述腿式行走驱动装置1-2包括摆动电机1-2-1、摆动电机支架1-2-2、联轴器1-2-3、驱动丝杠1-2-4、滑块销轴1-2-5、丝杠螺母1-2-6、滑块1-2-7、连杆1-2-8和摆动销轴1-2-9，摆动电机1-2-1安装在摆动电机支架1-2-2上，摆动电机支架1-2-2安装在轮腿支架1-1的摆动电机安装座1-1-2上，摆动电机1-2-1输出轴通过联轴器1-2-3与驱动丝杠1-2-4一端连接，驱动丝杠1-2-4两端通过轴承安装在轴承支座I1-1-3和轴承支座Ⅱ1-1-4上，驱动丝杠1-2-4中间部分安装有丝杠螺母1-2-6，丝杠螺母1-2-6通过丝杠螺母安装孔1-2-7-1和螺钉孔1-2-7-4固定安装于滑块1-2-7上且丝杠螺母1-2-6和丝杠螺母安装孔1-2-7-1同轴布置，连杆1-2-8一端放置于滑块1-2-7的连杆安装槽1-2-7-2中通过滑块销轴1-2-5与滑块1-2-7铰接，滑块销轴1-2-5穿入滑块1-2-7的连杆销轴安装孔1-2-7-3之中，连杆1-2-8的另一端通过摆动销轴1-2-9与伸缩腿1-4铰接，摆动销轴1-2-9穿入伸缩腿1-4的摆动销轴孔1-4-6之中，两组腿式行走驱动装置1-2对称设置在轮腿支架1-1的左右两侧，所述滑块2-7上加工有丝杠螺母安装孔1-2-7-1、连杆安装槽1-2-7-2、连杆销轴安装孔1-2-7-3、螺钉孔1-2-7-4；
所述的伸缩腿1-4包括伸缩腿侧板1-4-1、侧板支撑块1-4-2、电动推杆销轴1-4-3、电动推杆1-4-4、电动推杆挡块1-4-5，两块伸缩腿侧板1-4-1通过侧板支撑块1-4-2、电动推杆挡块1-4-5对齐固定连接在一起，电动推杆1-4-4通过电动推杆销轴1-4-3与伸缩腿侧板1-4-1铰接，电动推杆1-4-4通过电动推杆挡块1-4-5固定安装在两块伸缩腿侧板1-4-1之间,所述伸缩腿侧板1-4-1上加工有摆动销轴孔1-4-6和腿销轴安装孔Ⅱ1-4-7。
本发明中的一种两轮四足机器人变换为两轮机器人时的行进方法是：机器人变换为两轮式结构后，行走电机2-2转动通过行走电机轴2-3带动行走轮1转动，若两个行走轮1同向同速转动，则机器人沿直线行进；若两个行走轮1同向不同速转动，则机器人将实现大半径转弯；若机器人的一个行走轮1转动，另一个行走轮1不转动，则机器人可实现直角转弯；若两个行走轮1反向同速转动，则机器人可实现原地转弯；即调节两个行走轮1的转速与转向，可实现机器人两轮式的前进、后退和转弯。
本发明中的一种两轮四足机器人由两轮机器人变换为四足机器人的过程是：
机器人滚动至两个行走轮的轮腿支架1-1均位于正上方，随后转动行走电机2-2调整机器人使左前腿和右前腿着地点刚好离开地面，左前腿和右前腿的腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1同时转动，通过联轴器1-2-3带动驱动丝杠1-2-4转动，驱动丝杠1-2-4带动滑块1-2-7沿驱动丝杠1-2-4向上移动，滑块1-2-7通过滑块销轴1-2-5、连杆1-2-8和摆动销轴1-2-9带动伸缩腿1-4绕腿销轴1-3向上抬起，同时左前腿和右前腿的电动推杆1-4-4逐渐伸出，当左前腿和右前腿抬起到合适位置且电动推杆1-4-4伸出的合适长度时，左前腿和右前腿的腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1停止转动且电动推杆1-4-4停止伸出；之后反向转动行走电机2-2使机器人左前腿和右前腿的电动推杆1-4-4伸出杆着地支撑在地面上，左后腿和右后腿的腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1同时转动，且左后腿和右后腿的电动推杆1-4-4逐渐伸出，使机器人整体逐渐站立起来，到达合适位置后，左后腿和右后腿的腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1停止转动且电动推杆1-4-4停止伸出，机器人从两轮结构变形为四足结构完成。
本发明中的一种两轮四足机器人变换为四足机器人时的行进方法是：
(1)重心后移阶段，配重块调节电机3-4带动配重块调节丝杠3-3转动，配重块调节丝杠3-3带动配重块3-2向后移动，使机器人的重心后移，主要作用于机器人后面两条伸缩腿1-4的电动推杆1-4-4上；
(2)前腿向前迈步阶段，机器人左前腿的电动推杆1-4-4的伸出杆稍稍缩回，使左前腿离地，腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1带动伸缩腿1-4绕着腿销轴1-3转动，向前迈出到适当位置，同时电动推杆1-4-4的伸出杆伸出，当电动推杆1-4-4的伸出杆接触地面后，机器人右前腿的电动推杆1-4-4的伸出杆稍稍缩回，使右前腿离地，腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1带动伸缩腿1-4绕着腿销轴1-3转动，向前迈出到适当位置，同时电动推杆1-4-4的伸出杆伸出，当电动推杆1-4-4的伸出杆接触地面后，完成机器人向前迈出一步的动作；
(3)重心前移阶段，机器人左后腿和右后腿的两个伸缩腿1-4的电动推杆1-4-4的伸出杆同步伸长，同时机器人左前腿和右前腿的两个伸缩腿1-4的电动推杆1-4-4的伸出杆同步缩回，且配重块调节电机3-4调节配重块3-2的向前移动，使机器人重心作用于前面两个伸缩腿1-4的电动推杆1-4-4上；
(4) 后腿向前迈步阶段，机器人左后腿的电动推杆1-4-4缩回到适当位置，同时机器人左后腿的腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1带动伸缩腿1-4绕着腿销轴1-3转动，向前迈出到适当位置，机器人左后腿的电动推杆1-4-4的伸出杆随之伸出接触地面；机器人右后腿的电动推杆1-4-4缩回到适当位置，同时机器人右后腿的腿式行走驱动装置1-2的摆动电机1-2-1带动伸缩腿1-4绕着腿销轴1-3转动，向前迈出到适当位置，机器人右后腿的电动推杆1-4-4的伸出杆随之伸出接触地面，完成机器人后腿向前迈出一步。
机器人反复协调进行以上动作，可实现机器人四足行走，机器人四条腿的迈出幅度相同，机器人则直线行走，机器人四条腿迈出幅度不同，机器人则实现转向行走。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (1)
1.一种两轮四足机器人，包括底盘、行走轮、质心调节机构，其特征在于一对行走轮通过行走轮安装孔固定安装于底盘两侧的行走电机轴的一端，质心调节机构通过质心调节机构安装孔安装于底盘下方；
所述底盘包括底盘框架、行走电机、行走电机轴，其中底盘框架侧面设置有行走电机安装孔、行走电机轴孔，行走电机通过行走电机安装孔固定安装于底盘框架侧面，行走电机轴的一端穿过底盘框架的行走电机安装孔采用键连接安装于行走电机之中，行走电机轴的另一端与行走轮固定连接；
所述行走轮包括轮腿支架、腿式行走驱动装置、腿销轴、伸缩腿、轮锁和锁扣，两条伸缩腿分别通过两个腿销轴铰接安装于轮腿支架上，腿销轴安装于轮腿支架的腿销轴安装孔I和伸缩腿的腿销轴安装孔Ⅱ之中，腿式行走驱动装置通过摆动电机安装座、轴承支座I、轴承支座Ⅱ安装于轮腿支架之中，腿式行走驱动装置的摆动销轴安装于伸缩腿的摆动销轴孔之中，轮锁固定安装于一条伸缩腿末端，锁扣固定安装于另一条伸缩腿末端；
所述质心调节机构包括配重块支撑板、配重块、配重块调节丝杠、配重块调节电机，配重块调节丝杠两端通过轴承安装于配重块支撑板之中，其一端与配重块调节电机固定连接，配重块调节电机固定安装在配重块支撑板上，所述配重块设置有与配重块调节丝杠配合的螺纹孔，配重块调节丝杠穿过配重块的螺纹孔；
所述轮腿支架包括支架侧板、摆动电机安装座、轴承支座I、轴承支座Ⅱ、滑块导轨，两块支架侧板通过两个摆动电机安装座、两个轴承支座I、两个轴承支座Ⅱ对齐固定连接在一起，两个摆动电机安装座、两个轴承支座I、两个轴承支座Ⅱ位于两个支架侧板中间，所述轴承支座I和轴承支座Ⅱ分别设置轴承安装孔I和轴承安装孔Ⅱ,且轴承安装孔I 和轴承安装孔Ⅱ同轴布置，滑块导轨平行于驱动丝杠方向固定于支架侧板上；
所述腿式行走驱动装置包括摆动电机、摆动电机支架、联轴器、驱动丝杠、滑块销轴、丝杠螺母、滑块、连杆和摆动销轴，摆动电机安装在摆动电机支架上，摆动电机支架安装在轮腿支架的摆动电机安装座上，摆动电机输出轴通过联轴器与驱动丝杠一端连接，驱动丝杠两端通过轴承安装在轴承支座I和轴承支座Ⅱ上，驱动丝杠中间部分安装有丝杠螺母，丝杠螺母通过滑块的丝杠螺母安装孔和螺钉孔固定安装于滑块上且丝杠螺母和丝杠螺母安装孔同轴布置，连杆一端放置于滑块的连杆安装槽中通过滑块销轴与滑块铰接，滑块销轴穿入滑块的连杆销轴安装孔之中，连杆的另一端通过摆动销轴与伸缩腿铰接，摆动销轴穿入伸缩腿的摆动销轴孔之中，两组腿式行走驱动装置对称设置在轮腿支架的左右两侧；
所述的伸缩腿包括伸缩腿侧板、侧板支撑块、电动推杆销轴、电动推杆、电动推杆挡块，两块伸缩腿侧板通过侧板支撑块、电动推杆挡块对齐固定连接在一起，电动推杆通过电动推杆销轴与伸缩腿侧板铰接，电动推杆通过电动推杆挡块固定安装在两块伸缩腿侧板之间。
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Citations (6)
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| 基于虚拟仿真的四足机器人步态分析;吕原君;陈琼;;河北科技师范学院学报;20080315(01);全文 * |
| 赵文才 ; 闻七男 ; 王欣崎 ; 吴凡 ; 蔡金易 ; .轮腿交互变换式行走机器人运动学分析.机械工程与自动化.(03),全文. * |
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