CN112810720A - 一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，轮足式四足机器人包括机体和多个行走单元，行走单元两两成对地设置于机体的两侧，行走单元包括：第一驱动装置、髋关节支架、第二驱动装置、大腿支架、第三驱动装置、滚轮和腿部机构；第一驱动装置分别与髋关节支架、机体连接，适于驱动髋关节支架围绕第一驱动装置的转轴转动；第二驱动装置分别与髋关节支架、大腿支架连接，适于驱动大腿支架围绕第二驱动装置的转轴转动；第三驱动装置分别与大腿支架、滚轮连接，适于驱动滚轮转动；本发明提供的轮足式四足机器人可在轮式行走和足式行走之间反复切换，轮式行走时，滚轮是由第三驱动装置直接驱动，小腿和膝关节无需自锁，有利于承载较大的重量。

Description

一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人。

背景技术

四足机器人对恶劣地形具有较强的适应性，所以在安保巡检、救援勘探、快递物流、陪伴看护等领域具有十分广泛的应用场景，四足机器人已经成为当今移动机器人研究的热点。但是在相对平坦的路面上行走时，轮式移动机器人具有易于控制、行进速度快等特点，将足式和轮式优点集一身的轮足式四足机器人是未来研究的重点。

现有的轮足式四足机器人存在以下问题：

1.现有的轮足式四足机器人承载量较小；

2.现有的轮足式四足机器人在行走过程中轮子与腿部会相互影响；

3.现有的轮足式四足机器人在行走过程中通过性差；

4.现有的轮足式四足机器人在行走过程中运动精度低；

5.现有的轮足式四足机器人在行走过程中轮式和足式切换过程繁琐。

发明内容

本发明提供一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，用以解决现有技术中的轮足式四足机器人存在承载量小，行走过程中轮子与腿部机构相互影响，通过性差，运动精度低，以及运动模式切换繁琐的问题。

本发明提供一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述轮足式四足机器人包括：

机体；

多个行走单元，所述行走单元两两成对地设置于所述机体的两侧，所述行走单元包括：第一驱动装置、髋关节支架、第二驱动装置、大腿支架、第三驱动装置、滚轮和腿部机构；

所述第一驱动装置分别与所述髋关节支架、所述机体连接，适于驱动所述髋关节支架围绕所述第一驱动装置的转轴转动；

所述第二驱动装置分别与所述髋关节支架、所述大腿支架连接，适于驱动所述大腿支架围绕所述第二驱动装置的转轴转动；

所述第三驱动装置分别与所述大腿支架、所述滚轮连接，适于驱动所述滚轮转动；

所述腿部机构包括大腿部件、曲拐、轴承连杆和小腿部件，所述大腿部件的第一端固定于所述大腿支架，第二端与所述曲拐的中部铰接；所述轴承连杆的第一端与所述滚轮铰接，第二端与所述曲拐的第一端铰接；所述小腿部件的第一端与所述曲拐的第二端连接。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述第一驱动装置适于驱动所述髋关节支架在第一位置和第二位置之间切换：在所述第一位置，所述小腿部件的第二端接触地面且所述滚轮离开地面；在所述第二位置，所述滚轮接触地面且所述小腿部件的第二端离开地面。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述第一驱动装置为偏航电机，所述偏航电机的法兰输出轴与所述机体的侧壁连接，所述偏航电机的壳体与所述髋关节支架的第一端连接；所述第二驱动装置为侧摆电机，所述侧摆电机的壳体与所述髋关节支架的第二端连接，所述侧摆电机的法兰输出轴与所述大腿支架的第一端连接；所述第三驱动装置为前摆电机，所述前摆电机的壳体与所述大腿支架的第二端连接，所述前摆电机的法兰输出轴与所述滚轮连接。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述偏航电机的法兰输出轴轴线与所述前摆电机的法兰输出轴轴线重叠，所述侧摆电机的法兰输出轴轴线分别与所述偏航电机的法兰输出轴轴线、所述前摆电机的法兰输出轴轴线垂直。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述偏航电机、所述侧摆电机和所述前摆电机均为伺服电机。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述第三驱动装置与所述滚轮的中心点连接，所述滚轮的边沿设置有防滑纹。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述大腿部件设置于所述滚轮靠近所述机体的一侧，所述大腿部件的第二端通过膝关节轴承与所述曲拐的中部连接；所述轴承连杆设置于所述滚轮背离所述机体的一侧，所述轴承连杆的第一端通过上端轴承与所述滚轮连接，第二端通过下端轴承与所述曲拐的第一端连接。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述膝关节轴承、所述上端轴承和所述下端轴承均为交叉滚子轴承。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述曲拐与所述小腿部件一体成型。

根据本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，所述腿部机构还包括：

足端安装件，设置于所述小腿部件的第二端。

本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人可在轮式行走和足式行走之间反复切换，轮式行走时，滚轮是由第三驱动装置直接驱动，小腿和膝关节无需自锁，有利于承载较大的重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于足式行走模式时一种状态下的结构示意图；

图2是本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于足式行走模式时另一种状态下的结构示意图；

图3是本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于轮式行走模式时一种状态下的结构示意图；

图4是本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于轮式行走模式时另一种状态下的结构示意图。

附图标记：1、滚轮；2、大腿部件；3、轴承连杆；4、曲拐；5、小腿部件；6、足端安装件；7、下端轴承；8、上端轴承；9、侧摆电机；10、侧板；11、上板；12、髋关节支架；13、偏航电机；14、大腿支架；15、前摆电机；16、膝关节轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图4描述本发明的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人。本发明中第二驱动装置的转轴纵向设置，第一驱动装置的转轴与第三驱动装置的转轴均横向设置，这里的“纵向”和“横向”均是以机器人为基准，且“纵向”指代的是机器人的前后方向，类似于人的前后方向判断具有正前、正后、斜前方或者斜后方，机器人的纵向并不仅仅指代正前方正后方向，也可以和正前正后的方向呈一定角度。

图1示例了一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于足式行走模式时一种状态下的结构示意图，如图1所示，基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人包括机体和多个行走单元，机体沿纵向延伸。行走单元两两成对地设置于机体的两侧，行走单元包括第一驱动装置、髋关节支架12、第二驱动装置、大腿支架14、第三驱动装置、滚轮1和腿部机构。第一驱动装置分别与髋关节支架12、机体连接，适于驱动髋关节支架12围绕第一驱动装置的转轴转动。第二驱动装置分别与髋关节支架12、大腿支架14连接，适于驱动大腿支架14围绕第二驱动装置的转轴转动。第三驱动装置分别与大腿支架14、滚轮1连接，适于驱动滚轮1转动。

腿部机构包括大腿部件2、曲拐4、轴承连杆3和小腿部件5，大腿部件2的第一端固定于大腿支架14，第二端与曲拐4的中部铰接；轴承连杆3的第一端与滚轮1铰接，第二端与曲拐4的第一端铰接；小腿部件5的第一端与曲拐4的第二端连接。

现有的部分轮足式四足机器人是将轮子安装于腿部机构上，当轮式行走时腿部机构的关节部位需要外力锁住，因此承载力较小。而本发明提供的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人可在轮式行走和足式行走之间反复切换，轮式行走时，滚轮1是由第三驱动装置直接驱动，小腿和膝关节无需自锁，有利于承载较大的重量。

本发明的轮足式四足机器人将滚轮1设置于机体的两侧，滚轮1对腿部机构的影响很小，在不平坦路面的通过性较好。由于滚轮1没有采用全向轮或者麦克纳姆轮，而是采用普通轮子，并与足式行走模式共用第三驱动装置，从而无需单独增加电机对滚轮1进行驱动，简化机器人的结构。

根据本发明的一个实施例，第三驱动装置与滚轮1的中心点连接，滚轮1的边沿设置有防滑纹。

图2示例了一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于足式行走模式时另一种状态下的结构示意图，如图2所示，根据本发明的实施例，本实施例中第一驱动装置为偏航电机13，偏航电机13的法兰输出轴与机体的侧壁固定，偏航电机13的壳体与髋关节支架12的第一端固定。第二驱动装置为侧摆电机9，侧摆电机9的壳体与髋关节支架12的第二端固定，侧摆电机9的法兰输出轴与大腿支架14的第一端固定。第三驱动装置为前摆电机15，前摆电机15的壳体与大腿支架14的第二端固定，前摆电机15的法兰输出轴与滚轮1固定。

在一个实施例中，偏航电机13的法兰输出轴轴线与前摆电机15的法兰输出轴轴线重叠，侧摆电机9的法兰输出轴轴线分别与偏航电机13的法兰输出轴轴线、前摆电机15的法兰输出轴轴线垂直，这样的布置方式更加有利于侧摆电机9放在中间，使得轮足式四足机器人的位姿更灵活更丰富。

在一个实施例中，偏航电机13、侧摆电机9和前摆电机15均为伺服电机，使用伺服电机有利于对电机转动的角度进行精确控制，从而提高轮足式四足机器人的运动精度。当然，偏航电机13、侧摆电机9和前摆电机15的具体类型均不受此处举例限制。此外，第一驱动装置、第二驱动装置和第三驱动装置也不一定得采用电机，只要可以实现动力输出，以分别带动髋关节支架12、大腿支架14和滚轮1运动即可。

根据本发明的实施例，腿部机构包括曲拐4、大腿部件2、轴承连杆3和小腿部件5，大腿部件2设置于滚轮1靠近机体的一侧，大腿部件2的第一端与大腿支架14连接，第二端通过膝关节轴承16与曲拐4的中部连接。轴承连杆3设置于滚轮1背离机体的一侧，轴承连杆3的第一端通过上端轴承8与滚轮1连接，第二端通过下端轴承7与曲拐4的第一端连接。小腿部件5的第一端与曲拐4的第二端连接。大腿部件2与小腿部件5均为管状构件，当然，也可采用板子或杆体进行替代。

在一个实施例中，膝关节轴承16、上端轴承8和下端轴承7均为交叉滚子轴承。交叉滚子轴承与传统的滚动轴承相比，交叉滚子轴承具有出色的旋转精度、安装时操作非常简单、大幅节省安装空间和轴向定位误差小等特点。

根据本发明的一个实施例，上端轴承8与滚轮1的连接点位于滚轮1的非中心点，通过滚轮1将电机与腿部机构连接，避免了齿轮传动时齿轮与齿轮之间的间隙对运动精度的影响。

根据本发明的一个实施例，曲拐4与小腿部件5一体成型，一体成型减少了轮足式四足机器人的部件数量，方便维护和安装。

根据本发明的一个实施例，腿部机构还包括足端安装件6，足端安装件6设置于小腿部件5的第二端。足端安装件6与小腿部件5的第二端可拆卸连接，以方便对磨损的足端安装件6进行更换。

图3示例了一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于轮式行走模式时一种状态下的结构示意图；图4示例了一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人处于轮式行走模式时另一种状态下的结构示意图；如图3和图4所示，根据本发明的实施例，本实施例的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人包括机体和四个行走单元，机体由两侧板10、上板11和下板通过螺钉连接而成。当然，机体结构并不限定于此，也可由杆件或管子进行拼接而成。

两个行走单元成对地设置于机体一端的两侧，另外两个行走单元成对地设置于机体另一端的两侧，行走单元包括偏航电机13、髋关节支架12、侧摆电机9、大腿支架14、前摆电机15、滚轮1和腿部机构。偏航电机13的法兰输出轴通过螺钉与机体的侧壁固定，偏航电机13的壳体通过螺钉与髋关节支架12的第一端固定。侧摆电机9的壳体通过螺钉与髋关节支架12的第二端固定，侧摆电机9的法兰输出轴通过螺钉与大腿支架14的第一端固定。前摆电机15的壳体通过螺钉与大腿支架14的第二端固定，前摆电机15的法兰输出轴通过螺钉与滚轮1固定。

腿部机构包括曲拐4、大腿部件2、轴承连杆3和小腿部件5，大腿部件2设置于滚轮1靠近机体的一侧，大腿部件2的第一端通过螺钉与大腿支架14的第二端固定，大腿部件2的第二端与膝关节轴承16的外圈通过螺钉连接，膝关节轴承16的内圈通过螺钉与曲拐4的中部连接。轴承连杆3设置于滚轮1背离机体的一侧，上端轴承8的外圈通过螺钉与滚轮1连接，轴承连杆3的第一端通过螺钉与上端轴承8的内圈连接，轴承连杆3的第二端通过螺钉与下端轴承7的内圈连接，下端轴承7的外圈通过螺钉与曲拐4的第一端连接。小腿部件5的一端通过螺钉与曲拐4的第二端连接，足端安装件6设置于小腿部件5的第二端。滚轮1、大腿部件2、轴承连杆3、曲拐4、小腿部件5、前摆电机15等构成了曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构与现有的平行四杆机构相比，避免了死点位置的产生。

根据本发明的实施例，行走单元适于在足式行走模式与轮式行走模式之间切换，具体工作原理如下：如图1和图2所示，在足式行走模式，偏航电机13驱动髋关节支架12转动，髋关节支架12通过大腿支架14带动滚轮1和腿部机构转动，当偏航电机13驱动髋关节支架12转动至第一位置时，小腿部件5接触地面，且滚轮离开地面；行进过程中由前摆电机15驱动滚轮1转动，轴承连杆3在滚轮1的带动下摆动，摆动的轴承连杆3带动曲拐4围绕膝关节轴承16的轴线摆动，小腿部件5在曲拐4的带动下围绕膝关节轴承16的轴线摆动，再配合侧摆电机9和偏航电机13对滚轮1的角度进行调节，便可实现足式行走。

如图3所示，在轮式行走模式，偏航电机13驱动髋关节支架12转动，髋关节支架12通过大腿支架14带动滚轮1和腿部机构转动，当偏航电机13驱动髋关节支架12转动至第二位置时，滚轮1与地面接触，且小腿部件5离开地面，腿部机构转动至机体的上方，行进过程中由前摆电机15驱动滚轮1转动，从而实现轮式行走。轮式行走时的动力输出电机与足式行走时的动力输出电机为同一电机，这样的驱动方式减少了电机的数量，简化了轮足式四足机器人的结构。

本发明的轮足式四足机器人在足式行走和轮式行走切换时，依靠调整电机的旋转角度完成，无需采用电磁插销进行辅助调整，操作更方便。

将轮足式四足机器人由足式行走模式切换至轮式行走模式并不限定于依靠偏航电机13的转动来完成，也可由手动来完成，如图4所示，通过将处于足式行走模式的轮足式四足机器人整体翻转180°，也可将轮足式四足机器人由足式行走模式切换至轮式行走模式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述轮足式四足机器人包括：

机体；

多个行走单元，所述行走单元两两成对地设置于所述机体的两侧，所述行走单元包括：第一驱动装置、髋关节支架、第二驱动装置、大腿支架、第三驱动装置、滚轮和腿部机构；

所述第一驱动装置分别与所述髋关节支架、所述机体连接，适于驱动所述髋关节支架围绕所述第一驱动装置的转轴转动；

所述第二驱动装置分别与所述髋关节支架、所述大腿支架连接，适于驱动所述大腿支架围绕所述第二驱动装置的转轴转动；

所述第三驱动装置分别与所述大腿支架、所述滚轮连接，适于驱动所述滚轮转动；

所述腿部机构包括大腿部件、曲拐、轴承连杆和小腿部件，所述大腿部件的第一端固定于所述大腿支架，第二端与所述曲拐的中部铰接；所述轴承连杆的第一端与所述滚轮铰接，第二端与所述曲拐的第一端铰接；所述小腿部件的第一端与所述曲拐的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述第一驱动装置适于驱动所述髋关节支架在第一位置和第二位置之间切换：在所述第一位置，所述小腿部件的第二端接触地面且所述滚轮离开地面；在所述第二位置，所述滚轮接触地面且所述小腿部件的第二端离开地面。

3.根据权利要求1所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述第一驱动装置为偏航电机，所述偏航电机的法兰输出轴与所述机体的侧壁连接，所述偏航电机的壳体与所述髋关节支架的第一端连接；所述第二驱动装置为侧摆电机，所述侧摆电机的壳体与所述髋关节支架的第二端连接，所述侧摆电机的法兰输出轴与所述大腿支架的第一端连接；所述第三驱动装置为前摆电机，所述前摆电机的壳体与所述大腿支架的第二端连接，所述前摆电机的法兰输出轴与所述滚轮连接。

4.根据权利要求3所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述偏航电机的法兰输出轴轴线与所述前摆电机的法兰输出轴轴线重叠，所述侧摆电机的法兰输出轴轴线分别与所述偏航电机的法兰输出轴轴线、所述前摆电机的法兰输出轴轴线垂直。

5.根据权利要求3或4所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述偏航电机、所述侧摆电机和所述前摆电机均为伺服电机。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述第三驱动装置与所述滚轮的中心点连接，所述滚轮的边沿设置有防滑纹。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述大腿部件设置于所述滚轮靠近所述机体的一侧，所述大腿部件的第二端通过膝关节轴承与所述曲拐的中部连接；所述轴承连杆设置于所述滚轮背离所述机体的一侧，所述轴承连杆的第一端通过上端轴承与所述滚轮连接，第二端通过下端轴承与所述曲拐的第一端连接。

8.根据权利要求7所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述膝关节轴承、所述上端轴承和所述下端轴承均为交叉滚子轴承。

9.根据权利要求7所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述曲拐与所述小腿部件一体成型。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的基于曲柄摇杆的轮足式四足机器人，其特征在于，所述腿部机构还包括：

足端安装件，设置于所述小腿部件的第二端。

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