CN112519915A - 基于轮足式混合移动的协作交互机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人。基于轮足式混合移动的协作交互机器人，包括机身、协作机械臂、第一腿模块和第二腿模块；第一腿模块包括足部和支撑轮；第二腿模块包括第一驱动轮和第二驱动轮，腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式；轮模式时，支撑轮辅助支撑机身，第一驱动轮和第二驱动轮一起驱动协作交互机器人移动，通过控制第一驱动轮和第二驱动轮的转速差实现协作交互机器人的转向；足模式时，第二腿模块和支撑轮悬空，各第一腿模块的足部交替触地，以驱动协作交互机器人移动。相对于现有技术，本发明的位置转移效率得到极大的提升。另外，处于足模式时，可以实现协作交互机器人的快速转向。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人。
背景技术
在协作交互机器人研究领域，机械臂所在的支撑平台限制了机器人协作交互的范围(即机械臂的工作范围)，设计可移动的支撑平台是研究的难点。
授权公告号为CN101947777B，授权公告日为2012.07.04的发明专利公开了一种轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，包括：机器人车架、五自由度机械臂、三组移动吸附机构及其对应的直线滑轨、丝杠及驱动电机，五自由度机械臂位于机器人车架的上方，三组直线滑轨以及丝杠竖直设置于机器人车架下方且两端分别与机器人车架及移动吸附机构相连，驱动电机与移动吸附机构固定连接。
但是上述轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统在水平面工作时，如果遇到障碍，需要三组移动吸附机构轮流升降，效率较低。并且在轮式移动模式下，仅能通过驱动轮的差速实现转向，在小范围需要大角度转向时，转向不便，影响机械臂的工作。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于轮足式混合移动的协作交互机器人，以克服上述现有技术中的协作交互机器人的位置转移效率低，转向不便从而影响机械臂工作的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于轮足式混合移动的协作交互机器人，包括：
机身；
腿模块，所述腿模块设置在所述机身上，用于驱动协作交互机器人移动，所述腿模块包括第一腿模块和第二腿模块；
所述第一腿模块为轮足式腿模块，数量为四，四处所述第一腿模块分别设置在机身的左右两侧，同一侧的所述第一腿模块沿所述机身的前后方向排布，所述第一腿模块包括足部和支撑轮；
所述第二腿模块固定于所述机身上，包括第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮通过第一电机驱动，所述第二驱动轮通过第二电机驱动，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的轴线重合；
所述腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式；
所述腿模块处于轮模式时，所述支撑轮辅助支撑所述机身，所述第一腿模块的所述足部悬空，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮一起驱动所述协作交互机器人移动，通过控制所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的转速差实现所述协作交互机器人的转向；
处于足模式时，所述第二腿模块和所述支撑轮悬空，各所述第一腿模块的足部交替触地，以驱动所述协作交互机器人移动；
协作机械臂，所述协作机械臂设置在所述机身上；所述协作机械臂具有收缩状态，当所述腿模块驱动所述协作交互机器人移动，所述协作机械臂处于所述收缩状态，所述协作机械臂的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。
进一步的，所述协作机械臂包括底座，所述协作机械臂通过所述底座安装在所述机身上，所述底座的安装位置位于所述机身的质心的正上方。
进一步的，协作交互机器人还包括外展电机，所述外展电机固定在所述机身上，所述外展电机的输出端连接所述第一腿模块，以带动所述第一腿模块绕所述外展电机的输出端的轴线在所述机身的左右方向摆动。
进一步的，所述第一腿模块还包括大腿驱动电机、小腿驱动电机、铰接轴、大腿、小腿；
所述大腿的下端部与所述小腿的上端部通过所述铰接轴铰接，所述足部安装于所述小腿的下端部；
所述大腿驱动电机固定在所述外展电机的输出端，所述大腿的上端部安装于所述大腿驱动电机的输出端；
所述小腿驱动电机用于驱动所述小腿绕所述铰接轴摆动。
进一步的，所述小腿上固定有从动轮，所述小腿驱动电机的输出端设有主动轮，所述主动轮与所述从动轮之间设有传动带，所述小腿驱动电机通过所述主动轮、所述传动带将动力传递至所述从动轮，所述从动轮带动所述小腿绕所述铰接轴摆动。
进一步的，所述大腿包括：结构板和连接件，所述结构板具有两块，且两块所述结构板平行设置，所述连接件连接两块所述结构板；
所述主动轮、所述传动带和所述从动轮均设置在两块所述结构板之间。
进一步的，所述从动轮通过轴承套设在所述铰接轴上。
进一步的，所述大腿驱动电机为无框电机，所述小腿驱动电机设置在所述无框电机的内部空腔中，所述小腿驱动电机的输出轴伸出所述无框电机。
进一步的，所述支撑轮通过轴承套设在所述铰接轴上。
进一步的，所述第二腿模块的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1)本申请提供的技术方案中，腿模块具有轮模式和足模式两种模式，处于轮模式时，能够在平整的平面内快速移动。处于足模式时，能够适用崎岖路面并快速避障。相对于现有技术，协作交互机器人的位置转移效率得到极大的提升，保证协作交互机器人的工作半径。另外，处于足模式时，可以实现协作交互机器人的快速转向，使协作交互机器人能够适用狭窄的工作环境，增加协作交互机器人适用的工况。
2)外展电机的设置能够调整第一腿模块的位置，进一步的适用于各种地形。
3)第一腿模块由大腿和小腿组成，大腿、小腿的不同摆动组成腿部的运动，实现腿部运动时的动力补偿，有效降低大腿驱动电机和小腿驱动电机的输出力矩。
4)小腿驱动电机通过带传动机构带动小腿摆动，技术成熟，重量较轻。
5)小腿驱动电机设置在大腿驱动电机中，有效的降低第一腿模块的机构冗余，降低第一腿模块运动时的运动惯量，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度。
6)从动轮套设在铰接轴上，从动轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。
7)大腿采用两块结构板通过连接件连接的形式，既保证了大腿的结构强度，又减轻了大腿的重量。
8)支撑轮套设在铰接轴上，支撑轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。
9)在协作交互机器人移动时，协作机械臂的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免协作交互机器人在移动时重心偏斜，导致机器人的运动不平稳、机器人的控制精度降低的问题。
10)在协作交互机器人移动时，第二腿模块的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免腿模块处于足模式时机器人的重心偏斜，导致机器人的运动不平稳，机器人的控制精度降低的问题。
附图说明
图1为本发明的基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例的一个三维视图；
图2为本发明的基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例的另一个三维视图；
图3为本发明的基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例在腿模块处于足模式下的主视图；
图4为本发明的基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例在腿模块处于轮模式下的主视图；
图5为本发明的基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例中外展关节与第一腿模块的结构示意图。
图中：1、机身；2、外展电机；3、大腿驱动电机；4、小腿驱动电机；41、小腿驱动电机输出轴；5、大腿；51、结构板；52、连接件；6、小腿；61、U型结构；62、连接杆；7、足部；8、主动轮；9、传动带；10、从动轮；11、铰接轴；12、支撑轮；13、机架；14、第一驱动轮；15、第二驱动轮；16、第一电机；17、第二电机；18、协作机械臂。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本申请必须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。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明的基于轮足式混合移动的协作交互机器人的具体实施例：在本申请实施例中，机器人的运动方向定义为机器人的前后反向，机器人的躯干沿前后方向延伸，定义在水平面内垂直前后方向的方向为机器人的左右方向。
如图1和图2所示，基于轮足式混合移动的协作交互机器人包括机身1、协作机械臂18、外展电机2和腿模块，协作机械臂18设置在机身1的上部，用于实现协作交互机器人的主要功能，具体的，协作机械臂包括底座，底座的安装位置位于机身的质心的正上方。协作机械臂18具有工作状态和收缩状态两种状态，当协作机械臂18处于工作状态时，实现协作交互机器人的主要功能。当腿模块驱动协作交互机器人移动时，协作机械臂18处于收缩状态，此时，协作机械臂18的质心与机身1的质心在竖直方向上共线。
腿模块设置在机身1上，用于驱动协作交互机器人移动，包括第一腿模块和第二腿模块。
第一腿模块为轮足式腿模块，数量为四，四处第一腿模块分两组对称设置在机身1的左右两侧，同一侧的第一腿模块沿机身的前后方向排布。以其一为例进行说明：第一腿模块通过外展电机2固定在机身1上，具体的：外展电机2对应固定在机身1的前部或后部，且外展电机2的轴线沿前后方向，第一腿模块设置在外展电机2的输出端。
第一腿模块包括大腿驱动电机3、小腿驱动电机4、铰接轴11、大腿5、支撑轮12、小腿6和足部7，大腿驱动电机3固定在外展电机2的输出端，大腿5的上端部安装于大腿驱动电机3的输出端，大腿5的下端部与小腿6的上端部通过铰接轴11铰接，足部7安装于小腿6的下端部。支撑轮12套设在铰接轴11上。大腿5包括结构板51和连接件52，结构板51具有两块且相互平行。连接件52连接两块结构板51。结构板51的形状可以根据协作机器人的腿部设计进行适配，例如，结构板51可以为腰形、矩形等。结构板51的两端均设有安装孔，一端的安装孔与小腿驱动电机输出轴41相适配，供小腿驱动电机输出轴41穿过，另一端的安装孔与铰接轴11相适配，供铰接轴11穿过。其中，支撑轮12设置在大腿5的外侧，从动轮10设置在大腿5中(两块结构板51之间)。
如图5所示，大腿驱动电机3为无框电机，小腿驱动电机4设置在大腿驱动电机3的内部空腔中，且小腿驱动电机输出轴41从大腿驱动电机3的输出端中部的空腔中伸出，大腿驱动电机3和小腿驱动电机4的轴线均沿左右方向。这样设置可以最大化的利用空间，使机构更加紧凑；同时由于无框电机没有外壳，因而有效的降低了整机重量。小腿驱动电机4设置在大腿驱动电机3中，有效的降低第一腿模块的机构冗余，降低第一腿模块在足模式下的运动惯量，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度。同时，还可以使大腿驱动电机3的输出扭矩更多的用于大腿5和小腿6的摆动，提高大腿驱动电机3的效率。小腿驱动电机4用于驱动小腿6绕铰接轴11摆动，具体的：小腿6上固定有从动轮10，从动轮10套设在铰接轴11上。小腿驱动电机输出端41上设有主动轮8，主动轮8与从动轮10之间设有传动带9，主动轮8、从动轮10与传动带9形成带传动机构，带传动机构设置在两块结构板之间，小腿驱动电机4通过带传动机构驱动小腿6绕铰接轴11摆动。
第二腿模块设置在机身1的正下方，第二腿模块的质心与机身1的质心在竖直方向上共线。第二腿模块包括第一驱动轮14、第二驱动轮15和机架13。机架13固定在机身1的底部，机架13为U型结构，第一驱动轮14和第二驱动轮15分别位于U型结构的两处侧板上，且轴线均沿左右方向并共线，第一驱动轮14和第二驱动轮15均设置在对应侧板的外侧。第一驱动轮14通过第一电机16驱动，第二驱动轮15通过第二电机17驱动，第一电机16和第二电机17分别对应安装在两处侧板上，且位于两处侧板的内侧。
小腿6的上端部为U型结构61，U型结构61的两侧板上同轴设有铰接轴安装孔，铰接轴11设置在铰接轴安装孔中。U型结构61的底部设有圆柱形的连接杆62，连接杆62的一端连接U型结构61，另一端与足部7连接。足部7的结构形态可以根据工况进行适配。比如，足部7为球形，通过弹性材料(比如，橡胶等)制成，籍此，有效的提高足部7的适应性，降低协作交互机器人在足模式下的震动等。
所述腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式：
如图3所示，腿模块处于足模式时，第一腿模块展开，第二腿模块的第一驱动轮14、第二驱动轮15和第一腿模块的支撑轮12悬空。各第一腿模块的大腿驱动电机3、小腿驱动电机4和带传动机构工作，使各足部7交替触地，以驱动协作交互机器人移动。
如图4所示，腿模块处于轮模式时，第一腿模块折合，第一腿模块的足部7悬空。第一驱动轮14、第二驱动轮15和支撑轮12触地。第二腿模块的第一电机16和第二电机17工作，使第一驱动轮14和第二驱动轮15驱动协作交互机器人移动，通过控制第一驱动轮14和第二驱动轮15的转速差实现转向，第一腿模块的支撑轮12辅助支撑机身1。
综上所述，本发明采用的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，相比现有技术具有以下技术效果：
1)本申请提供的技术方案中，腿模块具有轮模式和足模式两种模式，处于轮模式时，能够在平整的平面内快速移动。处于足模式时，能够适用崎岖路面并快速避障。相对于现有技术，协作交互机器人的位置转移效率得到极大的提升，保证协作交互机器人的工作半径。另外，处于足模式时，可以实现协作交互机器人的快速转向，使协作交互机器人能够适用狭窄的工作环境，增加协作交互机器人适用的工况。
2)外展电机的设置能够调整第一腿模块的位置，进一步的适用于各种地形。
3)第一腿模块由大腿和小腿组成，大腿、小腿的不同摆动组成腿部的运动，实现腿部运动时的动力补偿，有效降低大腿驱动电机和小腿驱动电机的输出力矩。
4)小腿驱动电机通过带传动机构带动小腿摆动，技术成熟，重量较轻。
5)小腿驱动电机设置在大腿驱动电机中，有效的降低第一腿模块的机构冗余，降低第一腿模块运动时的运动惯量，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度。
6)从动轮套设在铰接轴上，从动轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。
7)大腿采用两块结构板通过连接件连接的形式，既保证了大腿的结构强度，又减轻了大腿的重量。
8)支撑轮套设在铰接轴上，支撑轮在设置时有效利用了铰接轴的结构，使结构简单，重量较轻。
9)在协作交互机器人移动时，协作机械臂的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免协作交互机器人在移动时重心偏斜，导致机器人的运动不平稳、机器人的控制精度降低的问题。
10)在协作交互机器人移动时，第二腿模块的质心能够与机身的质心在竖直方向上共线，能够避免腿模块处于足模式时机器人的重心偏斜，导致机器人的运动不平稳，机器人的控制精度降低的问题。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，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，均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：包括：
机身；
腿模块，所述腿模块设置在所述机身上，用于驱动协作交互机器人移动，所述腿模块包括第一腿模块和第二腿模块；
所述第一腿模块为轮足式腿模块，数量为四，四处所述第一腿模块分别设置在机身的左右两侧，同一侧的所述第一腿模块沿所述机身的前后方向排布，所述第一腿模块包括足部和支撑轮；
所述第二腿模块固定于所述机身上，包括第一驱动轮和第二驱动轮，所述第一驱动轮通过第一电机驱动，所述第二驱动轮通过第二电机驱动，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的轴线重合；
所述腿模块具有两种工作模式：足模式和轮模式；
所述腿模块处于轮模式时，所述支撑轮辅助支撑所述机身，所述第一腿模块的所述足部悬空，所述第一驱动轮和所述第二驱动轮一起驱动所述协作交互机器人移动，通过控制所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的转速差实现所述协作交互机器人的转向；
处于足模式时，所述第二腿模块和所述支撑轮悬空，各所述第一腿模块的足部交替触地，以驱动所述协作交互机器人移动；
协作机械臂，所述协作机械臂设置在所述机身上；所述协作机械臂具有收缩状态，当所述腿模块驱动所述协作交互机器人移动，所述协作机械臂处于所述收缩状态，所述协作机械臂的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。
2.根据权利要求1所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述协作机械臂包括底座，所述协作机械臂通过所述底座安装在所述机身上，所述底座的安装位置位于所述机身的质心的正上方。
3.根据权利要求1所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：协作交互机器人还包括外展电机，所述外展电机固定在所述机身上，所述外展电机的输出端连接所述第一腿模块，以带动所述第一腿模块绕所述外展电机的输出端的轴线在所述机身的左右方向摆动。
4.根据权利要求3所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述第一腿模块还包括大腿驱动电机、小腿驱动电机、铰接轴、大腿、小腿；
所述大腿的下端部与所述小腿的上端部通过所述铰接轴铰接，所述足部安装于所述小腿的下端部；
所述大腿驱动电机固定在所述外展电机的输出端，所述大腿的上端部安装于所述大腿驱动电机的输出端；
所述小腿驱动电机用于驱动所述小腿绕所述铰接轴摆动。
5.根据权利要求4所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述小腿上固定有从动轮，所述小腿驱动电机的输出端设有主动轮，所述主动轮与所述从动轮之间设有传动带，所述小腿驱动电机通过所述主动轮、所述传动带将动力传递至所述从动轮，所述从动轮带动所述小腿绕所述铰接轴摆动。
6.根据权利要求5所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述大腿包括：结构板和连接件，所述结构板具有两块，且两块所述结构板平行设置，所述连接件连接两块所述结构板；
所述主动轮、所述传动带和所述从动轮均设置在两块所述结构板之间。
7.根据权利要求5所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述从动轮通过轴承套设在所述铰接轴上。
8.根据权利要求4所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述大腿驱动电机为无框电机，所述小腿驱动电机设置在所述无框电机的内部空腔中，所述小腿驱动电机的输出轴伸出所述无框电机。
9.根据权利要求4所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述支撑轮通过轴承套设在所述铰接轴上。
10.根据权利要求1所述的基于轮足式混合移动的协作交互机器人，其特征在于：所述第二腿模块的质心与所述机身的质心在竖直方向上共线。
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