CN112744310A - 机器人多动作维度轮式行走足及多足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人多动作维度轮式行走足及多足机器人，它解决了多足机器人外扩控制结构设计不合理等问题。其包括摆动腿，在摆动腿的下端设有滚轮，滚轮与摆动腿之间设置有水平转向机构，滚轮与滚轮驱动器相连，摆动腿与摆动座相连，在摆动腿与摆动座之间设有带动摆动腿相对于摆动座升降的升降驱动机构，摆动座与机身通过摆动连接机构摆动相连，摆动座的摆动中心线水平设置，摆动座与机身之间设有摆动驱动机构。本发明具有摆动结构合理、移动稳定性好等优点。

Description

机器人多动作维度轮式行走足及多足机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人多动作维度轮式行走足及多足机器人。

背景技术

随着科技发展，多足轮式机器人以其灵活的机动性被逐渐运用于地质勘探、抢险救灾等领域。相对与轮式或履带式移动机器人，多足轮式机器人具有更灵活的运动能力，能够适应各种复杂的地面环境，具有更强的逾越障碍能力。常规的多足机器人存在移动速率较慢的缺点，为此通常采用轮式与足式相结合，弥补其移动速率不足的缺点。腿部作为多足轮式机器人的重要组成部分，其结构运动方式的好坏直接影响整个机器人的运动性能。但目前市面上的机器人腿部调节性能较差，无法快速调整机器人整体重心高度位置，导致其无法适应复杂的运动环境。除此之外，常规多足轮式机器人的腿部的结构过于复杂，导致其故障率较高，降低了机器人整体的可靠性。

为了解决现有技术存在的不足，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种多足轮式机器人[201921301771.9]，其包括主体、至少三组轮式足，每一组轮式足分别包括至少两个轮式足，每一轮式足分别包括行走轮体和能够驱动行走轮体滚动的滚动驱动结构，主体和行走轮体之间设有转向驱动结构和升降驱动结构，主体和行走轮体之间还设有外扩控制结构，滚动驱动结构、转向驱动结构、升降驱动结构和外扩控制结构分别与控制电路相连，且当主体动作或静止时所述的主体始终保持水平状态。

上述方案在一定程度上解决了机器人腿部结构复杂，可靠性较差的问题，但是该方案依然存在着诸多不足，例如外扩控制结构结构设计不够合理，外扩控制结构结构难以与腿部的其他动作机构协调配合，移动稳定性较差等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种摆动结构设计合理，运行稳定的机器人多动作维度轮式行走足。

本发明的另一个目的是针对上述问题，提供一种移动稳定性好的多足机器人。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本机器人多动作维度轮式行走足，包括摆动腿，在摆动腿的下端设有滚轮，滚轮与摆动腿之间设置有水平转向机构，滚轮与滚轮驱动器相连，摆动腿与摆动座相连，在摆动腿与摆动座之间设有带动摆动腿相对于摆动座升降的升降驱动机构，摆动座与机身通过摆动连接机构摆动相连，摆动座的摆动中心线水平设置，摆动座与机身之间设有摆动驱动机构。摆动腿与摆动座通过升降驱动机构调整摆动座相对摆动腿的轴向位置，摆动驱动机构驱动摆动座连带摆动腿调整其相对机身的角度，从多个方向快速调整机身相对地面的重心高度位置，滚轮利用水平转向机构和转速差实现机身前进转弯，从而适应不同环境下机器人的运动需求。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动座的摆动中心线与机身行进方向平行或重合。摆动座固定在机身两侧，用于支撑机器人机身，其摆动或升降不影响滚轮正常转动。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动驱动机构包括驱动电机；驱动电机固定在机身上，驱动电机的动力输出轴与摆动座固定相连；或者，驱动电机固定在摆动座上，驱动电机的动力输出轴与机身固定相连。根据实际需要选择合适的摆动驱动机构，保证摆动座与机身获得最佳的摆动稳定性以及调节速率。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动连接机构包括设置在机身上的摆动支撑槽，摆动座与摆动支撑槽转动相连。摆动支撑槽内留有充足的空间供摆动座相对其中心轴线转动，不影响摆动腿与摆动座的升降运动。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动座具有摆动轴，摆动轴与摆动支撑槽转动相连，摆动轴与摆动支撑槽之间设有第一轴承。摆动座另一侧通过驱动电机与机身连接，摆动座增加了摆动轴作为支点，相较于驱动电机与摆动座单点转动连接具有更好的结构稳定性，可承载质量更大的机身。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动连接机构设置在摆动座的一端，摆动驱动机构设置在摆动座的另一端。摆动连接机构和摆动驱动机构设置在摆动座两端，摆动驱动机构直接与摆动座连接，无需其他传动机构，从而具有更快的摆动响应速率。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，升降驱动机构包括固定在摆动座上的升降驱动电机，升降驱动电机的输出轴上连接有主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮相连，从动齿轮中心设有螺纹通孔，摆动腿外壁设有螺纹段，摆动腿穿设于从动齿轮中且螺纹段与螺纹通孔螺纹连接。主动齿轮与从动齿轮在升降驱动电机的驱动下转动，螺纹段及其摆动腿保持固定时，摆动座连带机身相对摆动腿升降，采用螺纹驱动方式时进给速率较为可控，有效控制机身高度的调节速率。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，主动齿轮小于从动齿轮，从动齿轮与摆动座之间设有第二轴承，第二轴承的数量为两个且分别设置在主动齿轮上部和下部。第二轴承减少从动齿轮与摆动座的摩擦，保证从动齿轮平稳转动，延长其使用寿命。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动座呈箱体结构，升降驱动机构设置在摆动座内；从动齿轮的外缘上下面均与摆动座内壁接触以防止从动齿轮轴向窜动；主动齿轮的上下面至少部分与摆动座内壁接触以防止主动齿轮轴向窜动。摆动座内部留有腔体用于安装主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮与升降驱动电机连接固定，转动时主动齿轮和从动齿轮在中心轴线方向上的相对位置保持固定，保证其转动时充分啮合。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动腿包括外筒体和设于外筒体内的伸缩体，外筒体与升降驱动机构相连且外筒体能在升降驱动机构带动下相对于摆动座升降，在外筒体的顶部设有驱动伸缩体相对于外筒体伸缩的伸缩驱动器。摆动腿自身长度通过伸缩驱动器调整，从而扩大了机器人机身重心高度位置的调节范围。

在上述的机器人多动作维度轮式行走足中，摆动座与机身之间设有摆动角度传感器，摆动腿与滚轮之间设有在摆动腿摆动过程中保持滚轮的滚动中轴线处于水平状态的滚轮适应机构，摆动角度传感器、摆动驱动机构、升降驱动机构、水平转向机构、滚轮驱动器、滚轮适应机构和伸缩驱动器均与控制电路相连。滚轮适应机构为设置在摆动腿与滚轮之间的电动关节，摆动角度传感器为霍尔传感器，用于及时反馈摆动座和摆动腿相对机身的摆动角度，供控制电路及时修正机身位置，其中摆动驱动机构和升降驱动机构由控制电路控制，其运动各自独立，可实现复杂路面状况下机身平稳调整，滚轮驱动器独立控制，可实现不同的运动方式。

采用机器人多动作维度轮式行走足的多足机器人包括机身，沿机身纵向间隔设有至少三组多动作维度轮式行走足。多足多动作维度轮式行走足提高了机身的稳定性，摆动腿的摆动角度和长度、摆动座的升降位置、滚轮的转速可调，在不同状况的路面上，机身重心位置可调，保持自身移动平稳性。

在上述的多足机器人中，沿机身纵向间隔设有三组多动作维度轮式行走足，其中位于机身纵向前部和后部的一组多动作维度轮式行走足的多动作维度轮式行走足的数量分别为两个且横向对置，位于机身纵向中部一组多动作维度轮式行走足的多动作维度轮式行走足的数量为一个或横向对置的两个。前部和后部的多动作维度轮式行走足维持机器人的基本运动，中部的多动作维度轮式行走足用于适应复杂的路面，多组多动作维度轮式行走足在上下楼梯时，中间的多动作维度轮式可提供支撑，保持机身处于平衡状态。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：1.摆动驱动机构调整摆动座相对机身的角度，升降驱动机构调节摆动座相对摆动座的轴向位置，实现摆动和升降的协调配合，且有利于快速调整机身相对地面的重心高度位置。2.摆动驱动机构、升降驱动机构、伸缩驱动器、水平转向机构、滚轮适应机构和滚轮驱动器由控制电路控制且可独立驱动，使得摆动腿可适应复杂的地形。3.采用多组多动作维度轮式行走足支撑机身，保证多足机器人进行上下楼梯、翻越障碍等复杂运动时机身的平稳性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的摆动座的结构示意图；

图3是本发明的局部结构剖视图；

图4是本发明的多足机器人的结构示意图；

图5是本发明的滚轮的结构示意图；

图中，摆动腿1、外筒体11、伸缩体12、伸缩驱动器13、摆动座2、摆动轴21、第一轴承22、第二轴承23、升降驱动机构3、升降驱动电机31、主动齿轮32、从动齿轮33、螺纹通孔34、螺纹段35、机身4、摆动连接机构5、摆动支撑槽51、摆动驱动机构6、驱动电机61、摆动角度传感器7、滚轮8、滚轮适应机构81、滚轮驱动器9、水平转向机构91。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1-5所示，本机器人多动作维度轮式行走足，包括摆动腿1，在摆动腿1的下端设有滚轮8，滚轮8与摆动腿1之间设置有水平转向机构91，滚轮8与滚轮驱动器9相连，摆动腿1与摆动座2相连，在摆动腿1与摆动座2之间设有带动摆动腿1相对于摆动座2升降的升降驱动机构3，摆动座2与机身4通过摆动连接机构5摆动相连，摆动座2的摆动中心线水平设置，摆动座2与机身4之间设有摆动驱动机构6。摆动腿1穿过摆动座2，在升降驱动机构3的驱动下，摆动腿1固定，摆动座2连带机身4相对摆动腿1在轴向方向上移动。摆动座2连带摆动腿1相对机身4摆动。升降驱动机构3与摆动驱动机构6独立或同步运动，从而实现机器人机身4相对地面高度的调整。滚轮8在滚轮驱动器9驱动下带动机身4行进并由水平转向机构91实现滚轮8转向。

可见地，摆动座2的摆动中心线与机身4行进方向平行或重合。机身4前行时，滚轮8中心平面与机身4前进方向平行。摆动座2两端分别指向机身4前后。只进行摆动时，机身4高度的调整随滚轮8相对距离的变化而变化。

具体地，摆动驱动机构6包括驱动电机61；驱动电机61固定在机身4上，驱动电机61的动力输出轴与摆动座2固定相连；或者，驱动电机61固定在摆动座2上，驱动电机61的动力输出轴与机身4固定相连。驱动电机61启动后，摆动座2相对驱动电机61转动，或者驱动电机61连带摆动座2相对机身4转动，其转动力矩直接传递至摆动座2上。

深入地，摆动连接机构5包括设置在机身4上的摆动支撑槽51，摆动座2与摆动支撑槽51转动相连。摆动座2安装在支撑槽51内，其中心转动轴线设置在摆动支撑槽51内侧之间，摆动座2内穿过的摆动腿1随之相对摆动支撑槽51摆动。

进一步地，摆动座2具有摆动轴21，摆动轴21与摆动支撑槽51转动相连，摆动轴21与摆动支撑槽51之间设有第一轴承22。摆动轴21插入摆动支撑槽51内，之间的第一轴承22保证摆动座2正常转动。摆动支撑槽51与驱动电机61和摆动座2组成一活动关节。

更进一步地，摆动连接机构5设置在摆动座2的一端，摆动驱动机构6设置在摆动座2的另一端。摆动驱动机构6和摆动连接机构5共同支撑摆动座2，限制摆动腿1在扇形范围内摆动。

同时，升降驱动机构3包括固定在摆动座2上的升降驱动电机31，升降驱动电机31的输出轴上连接有主动齿轮32，主动齿轮32与从动齿轮33相连，从动齿轮33中心设有螺纹通孔34，摆动腿1外壁设有螺纹段35，摆动腿1穿设于从动齿轮33中且螺纹段35与螺纹通孔34螺纹连接。机身4两侧的摆动腿1的夹角减小时，摆动座2相对摆动腿1上升时，机身4升高；机身4两侧的摆动腿1的夹角增大时，摆动座2相对摆动腿1下降时，机身4下降。

可见地，主动齿轮32小于从动齿轮33，从动齿轮33与摆动座2之间设有第二轴承23，第二轴承23的数量为两个且分别设置在主动齿轮32上部和下部。从动齿轮33上下两侧的第二轴承23的外圈固定在摆动座2内，第二轴承23的内圈与从动齿轮33固定。

很明显，摆动座2呈箱体结构，升降驱动机构3设置在摆动座2内；从动齿轮33的外缘上下面均与摆动座2内壁接触以防止从动齿轮33轴向窜动；主动齿轮32的上下面至少部分与摆动座2内壁接触以防止主动齿轮32轴向窜动。升降驱动电机31固定在摆动座2外，其输出端穿过摆动座2插接固定在主动齿轮32中心。主动齿轮32位置由升降驱动电机31和摆动座2内壁限制，主动齿轮32转速大于从动齿轮33，起到减速作用。

很显然，摆动腿1包括外筒体11和设于外筒体11内的伸缩体12，外筒体11与摆动座2相连，在外筒体11的顶部设有驱动伸缩体12相对于外筒体11伸缩的伸缩驱动器13。伸缩驱动器13包括并不限于齿轮齿条伸缩驱动、丝杠伸缩驱动、气液压伸缩驱动，可调整摆动腿1整体的长度，与升降驱动机构3配合，加快摆动座2相对摆动腿1的升降移动。

除此之外，摆动座2与机身4之间设有摆动角度传感器7，摆动腿1与滚轮8之间设有在摆动腿1摆动过程中保持滚轮8的滚动中轴线处于水平状态的滚轮适应机构81，摆动角度传感器7、摆动驱动机构6、升降驱动机构3、水平转向机构91、滚轮驱动器9、滚轮适应机构81和伸缩驱动器13均与控制电路相连。滚轮适应机构81为设置在摆动腿1与滚轮8之间的电动关节，在摆动腿1发生摆动时，滚轮适应机构81随之调节滚轮8相对摆动腿1的角度。摆动角度传感器7为霍尔传感器，摆动座2相对机身4转动时，摆动角度传感器7检测其转动角度，并将数据传输至控制电路内，水平转向机构91用于控制滚轮8转向，滚轮适应机构81及时修正滚轮8内外倾角，保证滚轮8相对地面竖直。

采用机器人多动作维度轮式行走足的多足机器人，包括机身4，沿机身4纵向间隔设有至少三组多动作维度轮式行走足。当机器人进行上楼梯时，机身4前进方向一端的摆动腿1向外摆动，升降驱动机构3驱动摆动腿1相对于摆动座2上升，使得滚轮8抬升与上一台阶面适应，最后一组多动作维度轮式行走足的摆动腿1向内摆动，升降驱动机构3驱动摆动腿1相对于摆动座2下降，其连接的滚轮8处于较低位置，从而保持机身4处于平稳状态。之后三组多动作维度轮式行走足交替完成该运动，实现多足机器人上下楼梯或翻越障碍。

很显然，沿机身4纵向间隔设有三组多动作维度轮式行走足，其中位于机身4纵向前部和后部的一组多动作维度轮式行走足的多动作维度轮式行走足的数量分别为两个且横向对置，位于机身4纵向中部一组多动作维度轮式行走足的多动作维度轮式行走足的数量为一个或横向对置的两个。

综上所述，本实施例的原理在于：摆动腿1与摆动座2连接，同时摆动座2及其连接的机身4在升降驱动机构3的作用下，可相对摆动腿1进行升降移动。摆动座2由摆动连接机构5安装在机身4上，在摆动驱动机构6作用下相对机身4转动，从而实现多维度快速调节机身重心高度位置；多足机器人的设置有至少三组多动作维度轮式行走足，保持多足机器人在复杂路况上运动时，至少有两组多动作维度轮式行走足的滚轮8与路面贴合，从而保持机身4的平稳状态。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了摆动腿1、外筒体11、伸缩体12、伸缩驱动器13、摆动座2、摆动轴21、第一轴承22、第二轴承23、升降驱动机构3、升降驱动电机31、主动齿轮32、从动齿轮33、螺纹通孔34、螺纹段35、机身4、摆动连接机构5、摆动支撑槽51、摆动驱动机构6、驱动电机61、摆动角度传感器7、滚轮8、滚轮适应机构81、滚轮驱动器9、水平转向机构91等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (11)

1.一种机器人多动作维度轮式行走足，包括摆动腿(1)，在摆动腿(1)的下端设有滚轮(8)，所述的滚轮(8)与摆动腿(1)之间设置有水平转向机构(91)，所述的滚轮(8)与滚轮驱动器(9)相连，其特征在于，所述的摆动腿(1)与摆动座(2)相连，在摆动腿(1)与摆动座(2)之间设有带动摆动腿(1)相对于摆动座(2)升降的升降驱动机构(3)，所述的摆动座(2)与机身(4)通过摆动连接机构(5)摆动相连，所述的摆动座(2)的摆动中心线水平设置，所述的摆动座(2)与机身(4)之间设有摆动驱动机构(6)。

2.根据权利要求1所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的摆动座(2)的摆动中心线与机身(4)行进方向平行或重合。

3.根据权利要求1所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的摆动驱动机构(6)包括驱动电机(61)；所述的驱动电机(61)固定在机身(4)上，所述的驱动电机(61)的动力输出轴与摆动座(2)固定相连；或者，所述的驱动电机(61)固定在摆动座(2)上，所述的驱动电机(61)的动力输出轴与机身(4)固定相连。

4.根据权利要求1所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的摆动连接机构(5)包括设置在机身(4)上的摆动支撑槽(51)，所述的摆动座(2)与摆动支撑槽(51)转动相连。

5.根据权利要求4所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的摆动座(2)具有摆动轴(21)，所述的摆动轴(21)与摆动支撑槽(51)转动相连，所述的摆动轴(21)与摆动支撑槽(51)之间设有第一轴承(22)；所述的摆动连接机构(5)设置在摆动座(2)的一端，所述的摆动驱动机构(6)设置在摆动座(2)的另一端。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的升降驱动机构(3)包括固定在摆动座(2)上的升降驱动电机(31)，所述的升降驱动电机(31)的输出轴上连接有主动齿轮(32)，所述的主动齿轮(32)与从动齿轮(33)相连，所述的从动齿轮(33)中心设有螺纹通孔(34)，所述的摆动腿(1)外壁设有螺纹段(35)，所述的摆动腿(1)穿设于从动齿轮(33)中且螺纹段(35)与螺纹通孔(34)螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的主动齿轮(32)小于从动齿轮(33)，所述的从动齿轮(33)与摆动座(2)之间设有第二轴承(23)，所述的第二轴承(23)的数量为两个且分别设置在主动齿轮(32)上部和下部；所述的摆动座(2)呈箱体结构，所述的升降驱动机构(3)设置在摆动座(2)内；所述的从动齿轮(33)的外缘上下面均与摆动座(2)内壁接触以防止从动齿轮(33)轴向窜动；所述的主动齿轮(32)的上下面至少部分与摆动座(2)内壁接触以防止主动齿轮(32)轴向窜动。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的摆动腿(1)包括外筒体(11)和设于外筒体(11)内的伸缩体(12)，所述的外筒体(11)与升降驱动机构(3)相连且外筒体(11)能在升降驱动机构(3)带动下相对于摆动座(2)升降，在外筒体(11)的顶部设有驱动伸缩体(12)相对于外筒体(11)伸缩的伸缩驱动器(13)。

9.根据权利要求8所述的机器人多动作维度轮式行走足，其特征在于，所述的摆动座(2)与机身(4)之间设有摆动角度传感器(7)，所述的摆动腿(1)与滚轮(8)之间设有在摆动腿(1)摆动过程中保持滚轮(8)的滚动中轴线处于水平状态的滚轮适应机构(81)，所述的摆动角度传感器(7)、摆动驱动机构(6)、升降驱动机构(3)、水平转向机构(91)、滚轮驱动器(9)、滚轮适应机构(81)和伸缩驱动器(13)均与控制电路相连。

10.一种采用权利要求1-9中任意一项所述的机器人多动作维度轮式行走足的多足机器人，其特征在于，包括机身(4)，沿机身(4)纵向间隔设有至少三组所述的多动作维度轮式行走足。

11.根据权利要求10所述的多足机器人，其特征在于，沿机身(4)纵向间隔设有三组所述的多动作维度轮式行走足，其中位于机身(4)纵向前部和后部的一组多动作维度轮式行走足的多动作维度轮式行走足的数量分别为两个且横向对置，位于机身(4)纵向中部一组多动作维度轮式行走足的多动作维度轮式行走足的数量为一个或横向对置的两个。

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