CN112706853A - 一种具有多连杆结构的可重构双足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多连杆结构的可重构双足机器人，该双足机器人机械结构左右对称，包括躯干部件、左腿组件和右腿组件，躯干部件与对称布置在躯干部件两侧的左腿组件和右腿组件转动连接；左腿组件包括髋部转动部件、髋部连接部件、大腿部件、小腿部件、脚掌部件、被动摆杆部件、被动连接部件、主动轮部件、从动轮部件、连杆驱动部件、连杆连接部件、连杆承接部件和连杆下端部件，左腿组件和右腿组件结构相同。本发明通过改变驱动关节以及改变机器人构型，实现双足机器人在双足和轮式运动模式之间自由切换，实现了足式机器人在不同工况下的高效移动。

Description

一种具有多连杆结构的可重构双足机器人

技术领域

本发明属于双足机器人设计领域，尤其涉及一种具有多连杆结构的可重构双足机器人。

背景技术

与传统轮式机器人相比，足式机器人具有更好的地形适应能力，通过足式运动方式，可以实现跨越沟壑以及主动避障等动作，因而在野外勘探、灾后救援、物资运输等场景中，足式机器人具有巨大的应用前景。但是，轮式机器人在能量利用率以及速度等方面具有较大优势；现有的双足机器人速度较低、能量利用率较低以及驱动电机直接布置于驱动组件处，而导致的腿部重量过大。如何结合两种机器人优势，设计出一种具有良好地形适应性、高速度以及高能量利用率的可重构双足机器人，成为现在双足机器人的热点研究方向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有多连杆结构的可重构双足机器人。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，该双足机器人为左右对称结构，其包括躯干部件、左腿组件和右腿组件，所述的躯干部件与对称布置在躯干部件的两侧的左腿组件和右腿组件可转动连接；

所述的左腿组件包括髋部转动部件、髋部连接部件、大腿部件、小腿部件、脚掌部件、被动摆杆部件、被动连接部件、主动轮部件、从动轮部件、连杆驱动部件、连杆连接部件、连杆承接部件和连杆下端部件；

所述的髋部转动部件一端通过转动副与所述的躯干部件相连，另一端与髋部连接部件通过转动副相连接，所述的大腿部件通过转动副与髋部连接部件相连，另一端与小腿部件通过转动副相连接，所述的小腿部件通过转动副与脚掌部件相连接，所述的从动轮部件通过转动副安装于脚掌部件上；

所述的被动摆杆部件一端通过转动副与髋部连接部件相连，另一端通过移动副与被动连接部件相连，所述的被动连接部件通过转动副与小腿部件相连，所述的主动轮部件通过转动副安装于被动摆杆部件的末端；

所述的连杆驱动部件一端通过转动副与髋部连接部件相连，另一端通过转动副与连杆连接部件相连，连杆承接部件分别通过转动副与大腿部件、小腿部件、连杆连接部件以及连杆下端部件相连；连杆下端部件与脚掌部件通过转动副相连；

所述的左腿组件和右腿组件结构相同。

进一步地，所述髋部转动部件上两个转动副的轴线相互垂直。

进一步地，所述髋部连接部件、大腿部件、小腿部件、被动摆杆部件和被动连接部件组成第一平面五连杆机构；所述髋部连接部件、大腿部件、连杆驱动部件、连杆连接部件和连杆承接部件组成第二平面五连杆机构；所述小腿部件、脚掌部件、连杆承接部件和连杆下端部件组成平面四连杆机构。

进一步地，大腿部件和小腿部件的驱动电机同轴布置于大腿部件和髋部连接部件之间的转动副处，小腿部件的驱动电机通过同步带连接大腿部件和小腿部件之间的转动副。

进一步地，髋部的驱动电机分别布置于髋部转动部件与躯干部件以及髋部转动部件与髋部连接部件的转动副处。

进一步地，脚掌部件的驱动电机通过所述第二平面五连机构和平面四连杆机构的传动方式布置于髋部连接部件和连杆驱动部件之间的转动副上。

进一步地，所述第一平面五连杆机构中至少有一个为柔性杆件。

进一步地，当所述的脚掌部件着地且所述的主动轮部件离地时，为双足运动模式，驱动关节为髋部连接部件与大腿部件之间的转动副、大腿部件和小腿部件之间的转动副以及小腿部件和脚掌部件之间的转动副。

进一步地，当所述的主动轮部件和从动轮部件着地且脚掌部件离地时，为轮式运动模式，驱动关节为左右两腿的主动轮部件。

本发明的有益效果是：本发明所设计的双足机器人能够根据外界情况，选择轮式或者足式运动方式，提升机器人对于地形的适应性与速度，将双足机器人与轮式机器人优势相结合，环境适应能力强，工作效率高；同时，本发明通过同步带的传动方式，将小腿部件驱动电机与大腿部件驱动电机同轴布置，同时，通过所设计的多连杆传动方式，将脚掌部件驱动电机布置于髋部连接部件，可以极大地减轻双足机器人的腿部质量，提升双足机器人在双足运动模式下的运动性能。

附图说明

图1是双足机器人足式运动模式示意图；

图2是双足机器人轮式运动模式示意图；

图3是双足机器人腿部机构简图；

图中，躯干部件1、髋部转动部件2、髋部连接部件3、大腿部件4、小腿部件5、脚掌部件6、被动摆杆部件7、被动连接部件8、主动轮部件9、从动轮部件10、连杆驱动部件11、连杆连接部件12、连杆承接部件13、连杆下端部件14。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明一种具有多连杆结构的可重构双足机器人，包括躯干部件1、左腿组件和右腿组件；左腿组件和右腿组件左右对称布置在躯干部件的两侧，躯干部件分别与左腿组件和右腿组件转动连接。以左腿组件为例，包括髋部转动部件2、髋部连接部件3、大腿部件4、小腿部件5、脚掌部件6、被动摆杆部件7、被动连接部件8、主动轮部件9、从动轮部件10、连杆驱动部件11、连杆连接部件12、连杆承接部件13和连杆下端部件14。

髋部转动部件2分别通过轴线相互垂直的转动副与躯干部件1和髋部连接部件3相连，为双足机器人提供绕y轴和z轴转动的自由度，通过驱动布置于转动副上的电机，可以实现双足机器人左腿组件和右腿组件相对于躯干部件1绕y轴和z轴进行适当地转动。髋部连接部件3通过转动副与大腿部件4相连，通过驱动该转动副，可以实现双足机器人的大腿部件4相对于躯干部件1进行绕x轴的转动。不限于该种方式，通过球副连接躯干部件1和大腿部件4也会起到同样的增益效果。

小腿部件5分别通过转动副与大腿部件4和脚掌部件6相连；被动摆杆部件7通过转动副连接髋部连接部件3，被动摆杆部件7通过移动副连接被动连接部件8；进而髋部连接部件3、大腿部件4、小腿部件5、被动摆杆部件7和被动连接部件8组成第一平面五连杆机构。通过该平面五连杆机构，可以极大地提升双足机器人的刚度，并通过利用柔性杆件替代五连杆机构中的一根或多根杆件，可以起到缓冲和吸震的作用。主动轮部件9安装于被动摆杆部件7的末端，而从动轮部件10安装于脚掌部件6的一端。

连杆驱动部件11的两端分别通过转动副与髋部连接部件3和连杆连接部件12相连接；连杆连接部件12的另一端通过转动副与连杆承接部件13相连接，而连杆承接部件13的另一端同时与大腿部件4和小腿部件5通过转动副相连；此时，髋部连接部件3、大腿部件4、连杆驱动部件11、连杆连接部件12和连杆承接部件13组成第二平面五连杆机构；对于所述第二平面五连杆机构，其输入端为大腿部件4和髋部连接部件3、连杆驱动部件11和髋部连接部件3之间的转动副上的两个驱动电机，输出端为连杆承接部件13。连杆下端部件14的两端分别与连杆承接部件13和脚掌部件6通过转动副相连接；此时，小腿部件5、脚掌部件6、连杆承接部件13和连杆下端部件14组成一个平面四连杆机构；对于该平面四连杆机构，其输入端为连杆承接部件13，输出端为脚掌部件6。通过所述第二平面五连杆机构和平面四连杆机构的耦合运动，可以将脚掌部件6的驱动电机布置于双足机器人的髋部连接部件3和连杆驱动部件11的转动副上；同时，将小腿部件5与大腿部件4的驱动电机同轴布置，即将小腿部件5的驱动电机上移至髋部连接部件3和大腿部件4之间的转动副处，小腿部件5的驱动电机采用带传动的传动方式，通过同步带连接小腿部件5和大腿部件4之间的转动副。通过平面多连杆的引入，可以极大地降低双足机器人的腿部质量，提升双足机器人的运动性能与控制性能。

图1为双足机器人的足式运动模式，脚掌部件6着地且主动轮部件9离地，驱动关节为髋部连接部件3与大腿部件4之间的转动副、大腿部件4和小腿部件5之间的转动副以及小腿部件5和脚掌部件6之间的转动副。图2为双足机器人的轮式运动模式，主动轮部件9和从动轮部件10着地且脚掌部件6离地，驱动关节为左右两腿的主动轮部件9。图3为双足机器人的腿部机构简图，通过调整所述第一平面五连杆机构的构型，同时，适当驱动双足机器人的驱动关节，可以实现双足机器人在双足运动模式与轮式运动模式之间的切换；通过针对不同外界地形进行自适应变化，可以极大地提升双足机器人的运动性能。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，该双足机器人为左右对称结构，其包括躯干部件、左腿组件和右腿组件等。所述的躯干部件与对称布置在躯干部件的两侧的左腿组件和右腿组件可转动连接。

所述的左腿组件包括髋部转动部件、髋部连接部件、大腿部件、小腿部件、脚掌部件、被动摆杆部件、被动连接部件、主动轮部件、从动轮部件、连杆驱动部件、连杆连接部件、连杆承接部件和连杆下端部件。

所述的髋部转动部件一端通过转动副与所述的躯干部件相连，另一端与髋部连接部件通过转动副相连接，所述的大腿部件通过转动副与髋部连接部件相连，另一端与小腿部件通过转动副相连接，所述的小腿部件通过转动副与脚掌部件相连接，所述的从动轮部件通过转动副安装于脚掌部件上。

所述的被动摆杆部件一端通过转动副与髋部连接部件相连，另一端通过移动副与被动连接部件相连，所述的被动连接部件通过转动副与小腿部件相连，所述的主动轮部件通过转动副安装于被动摆杆部件的末端。

所述的连杆驱动部件一端通过转动副与髋部连接部件相连，另一端通过转动副与连杆连接部件相连，连杆承接部件分别通过转动副与大腿部件、小腿部件、连杆连接部件以及连杆下端部件相连。连杆下端部件与脚掌部件通过转动副相连。

所述的左腿组件和右腿组件结构相同。

2.根据权利要求1所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，所述髋部转动部件上两个转动副的轴线相互垂直。

3.根据权利要求1所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，所述髋部连接部件、大腿部件、小腿部件、被动摆杆部件和被动连接部件组成第一平面五连杆机构；所述髋部连接部件、大腿部件、连杆驱动部件、连杆连接部件和连杆承接部件组成第二平面五连杆机构；所述小腿部件、脚掌部件、连杆承接部件和连杆下端部件组成平面四连杆机构。

4.根据权利要求3所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，大腿部件和小腿部件的驱动电机同轴布置于大腿部件和髋部连接部件之间的转动副处，小腿部件的驱动电机通过同步带连接大腿部件和小腿部件之间的转动副。

5.根据权利要求3所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，髋部的驱动电机分别布置于髋部转动部件与躯干部件和髋部转动部件与髋部连接部件的转动副处。

6.根据权利要求3所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，脚掌部件的驱动电机通过所述第二平面五连机构和平面四连杆机构的传动方式布置于髋部连接部件和连杆驱动部件之间的转动副上。

7.根据权利要求3所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，所述第一平面五连杆机构中至少有一个为柔性杆件。

8.根据权利要求1所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，当所述的脚掌部件着地且所述的主动轮部件离地时，为双足运动模式，驱动关节为髋部连接部件与大腿部件之间的转动副、大腿部件和小腿部件之间的转动副以及小腿部件和脚掌部件之间的转动副。

9.根据权利要求1所述的具有多连杆结构的可重构双足机器人，其特征在于，当所述的主动轮部件和从动轮部件着地且脚掌部件离地时，为轮式运动模式，驱动关节为左右两腿的主动轮部件。

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