CN112810721A - 一种单驱动行走机构和行走方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种单驱动行走机构和方法，行走机构包括：机架；主动行走足系，包括行走支架、底部倾斜的圆柱型套筒、连杆一、连杆二、连杆三，圆柱型套筒内壁光滑套在机架最前部轴柱上，底部倾斜面与机架平行并可绕轴柱转动，连杆三与行走支架柔性连接可随着行走支架运动而运动；支撑足系，包括支撑架、圆柱型套筒、连杆四、连杆五，支撑架和连杆四成一定角度刚性连接在套筒两侧，连杆四另一端与连杆五铰接，两连杆保持在同一平面；从动行走足系，包括行走支架、底部倾斜的圆柱型套筒、连杆三，连杆三不与主动足行走支架相连的一端与次行走支架柔性连接并带动行走支架运动。

Description

一种单驱动行走机构和行走方法

技术领域

本发明属于机器人领域，具体公开了一种单驱动行走机构和行走方法。

背景技术

爬行机构是仿生机器的重要组成部分。契贝谢夫行走机构是普遍应用的行走机构并成为一种范式，现有诸多的行走机构都是在契贝谢夫机构的基础上演化而来。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一种单驱动行走机构和方法，通过单驱动器驱动，能够稳定的在多种地形前进后退。

为此，本发明提供了一种单驱动行走机构，包括：

机架；

依次连接于所述机架的一对主动足、一对支撑足和一对从动足，所述主动足以第一轴为转动轴心连接于所述机架的前端；所述支撑足以第二轴为转动轴心连接于所述机架的中部，所述从动足以第三轴为转动轴心连接于所述机架；

主轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述主轴包括第一弯曲处和第二弯曲处，所述第一弯曲处和第二弯曲处的相位差为90°，所述主动足与第一连杆的刚性连接，支撑足与第二连杆刚性连接；第三连杆与主轴的第一个弯曲处柔性连接，第四连杆与主轴的第二个弯曲处柔性连接；第五连杆的两端分别与主动足和从动足刚性连接。

优选地，所述主动行走足以第一轴为转动轴心，所述第一轴的长度方向与所述机架成75度，所述主动足的中部设有圆柱形的套筒，下端倾斜同时整体与所述第一轴平行并短于所述第一轴，第一连杆与该套筒刚性连接，第五连杆的前端与主动足水平部分中段柔性连接以跟随主动足移动。

优选地，第一连杆包括一根连杆和一个圆环，所述连杆和圆环刚性连接。

优选地，所述支撑足以第二轴为转动轴心，所述第二轴水平固定连接于所述机架，所述第二轴穿过支撑足中部的圆柱形的支撑足套筒，第二连杆与该支撑足套筒刚性连接。

优选地，所述第五连杆的后端与从动足的水平部分中段柔性连接，以带动从动足运动。

优选地，所述第三连杆的柔性连接端包括一圆柱形套筒，远离连接所述主轴一端包括一个刚性连接的圆环；第三连杆与第一连杆的圆环穿套在一起并相互垂直，运动时成点接触；第四连杆与第二连杆在连接处为铰链连接，运动时成面接触。

优选地，与主轴的第二个弯曲处柔性连接的第四连杆的柔性连接端包括一圆柱形套筒，远离主轴一端为铰链连接头。

一种单驱动行走方法，包括以下步骤：

主动行走足行走步骤：第三连杆的圆环部分在垂直面上下摆动同时在水平面推动第一连杆的圆环，使得主动足绕第一轴转动；主动足转动的同时，主动足的底部的斜面与机架之间会形成夹角，将主动足抬起，使主动足的足尖的运动轨迹成一个空间弧线向前或向后摆动；主动足进行摆动时通过第五连杆带动从动足摆动；

保持支撑步骤：在L侧的支撑足抬起时，L侧的主动足和从动足处于向后摆动空间弧线最高处，在R侧的支撑足落下，R侧的主动足和从动足处于向前摆动空间弧线最高处；在机架出现倾斜时，支撑足和主动足、从动足落地，保持三点支撑。

优选地，通过主轴转动以带动第三连杆在垂直面上下摆动，在垂直面水平移动；第五连杆摆动时带动与之连接的从动足做与主动足相同的运动。

优选地，当主轴转动时，L侧的主动足沿着空间弧线向前摆动时，R侧的主动腿沿着空间弧线向后摆动，然后运动状态交换；

第四连杆推动第二连杆使支撑足绕第二轴转动，沿Z轴做起落运动；

当主轴转动时，L侧与R侧的支撑足运动状态交换进行，维持三足支撑状态，在三点支撑的间隙，当两支撑足一侧抬起一侧落下过程中，存在两足处于同一水平面状态此时一侧主动足和从动足向前摆动到极限位置，另一侧主动足和从动足向后摆动到极限位置，此时为短暂的四点支撑状态。

相较于现有技术，上述的一种单驱动行走机构和方法在单驱动器提供动力的情况下就可以实现连续运动，并可通过控制所述曲轴正反转以实现前进或后退功能；另一方面，行走足所绕的轴存在斜面，使得运动轨迹为空间弧线，运动时足尖不是单纯的在水平地面沿X轴前后摆动，可以适用于更复杂的地形，保证行走过程中更加稳定。

附图说明

图1是行走机构的俯视结构示意图。

图2是行走机构的结构示意图。

图3是曲轴的结构示意图。

图4是主动行走足系的结构示意图。

图5是支撑足系的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

图1是行走机构的俯视结构示意图，图2是行走机构的结构示意图。如图1和2所示，该行走机构包括机架abcd、曲轴z0z1、主动行走足系、支撑足系和从动足系。单一主轴转动实现主动行走足系沿空间弧线向前或向后运动，在支撑足系的辅助支撑下，带动从动行走足系同步运动，实现机构在多地形下稳定行走功能。

单驱动行走机构包括机架abcd、一对主动足(L1,R1)、一对支撑足(L2,R2)、从动足(L3,R3)、第一轴(c1，c2)、第二轴(c3,c4)、第三轴(c5,c6)第一连杆(l1,l5)、第二连杆(l3,l7)、第三连杆(l2,l6)、第四连杆(l4,l8)、第五连杆(l9,l10)。

机架abcd最佳为对称形状，如矩形或其他对称多面形；曲轴z0z1穿过其中部沿X轴方向固定的轴承；主从动行走足系套筒部分分别套于倾斜轴柱Z1Z2、Z3Z4、Z9Z10、Z11Z12，各轴柱端点Z2、Z4、Z10、Z12与机架刚性连接；支撑足系套筒部分分别穿过轴Z5Z6、Z7Z8，轴Z5Z6、Z7Z8固定于机架中段两侧的轴承上。

主动行走足系包括行走支架L1l1、L4l4，连杆l1l7、l8a1、l4l9、l10a1，圆环r1、r2、r3、r4，以及第一轴(c1，c2)、；支撑足系包括支撑支架L2l2、L5l5，连杆l2a2、a2a3、a3a4、a4l5；从动行走足系包括行走支架L3l3、L6l6；其余还有连杆a5a6、a7a8。行走支架与支撑支架具体形状长短可根据地形要求做出调整。

图2中的a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8均为活动铰链，a1为主动行走足系与曲轴z0z1连接的关节，a2、a3为支撑足系关节，a4为支撑足系与曲轴连接的关节，a5、a6、a7、a8为主动行走足系与从动行走足系连接的关节。图2中的l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8、l9、l10均为刚性连接点，l1、l4为主动行走足支架、套筒以及连杆刚性连接示意点，l2、l4为支撑支架、套筒以及连杆刚性连接示意点，l3、l6为从动行走足支架与套筒刚性连接示意点，l7、l8、l9、l10为主动足系各连杆与各圆环的刚性连接点。

图3是曲轴的结构示意图。曲轴穿过机架上的两个轴承，两轴承间距离可根据轴稳定固定需求相应增加或减少。曲轴存在两段曲凸(第一弯曲处和第二弯曲处)，两段曲凸分别于a1、a3处铰链连接主动行走足系连杆和支撑足系连杆，带动其运动。两段曲凸之间的相位差为90度。所述曲轴一段与驱动电机的输出轴连接，通过单驱动提供动力。图2中曲凸为两个，增加主动足系对数可相应增加曲凸数量，实现更多足运动。

图4是主动行走足系的结构示意图，如图1、图2和图4所示，主动行走足系相对于X轴对称设置，其中部作为连接和运动轴心的套筒底部为斜面与机架的倾斜轴柱相配合，实现在转动同时抬起或放下行走支架。

左侧主动行走足系连杆l1l7所连接圆环与连杆l8a1所连接圆环相垂直嵌套并以点接触，连杆l8a1圆环r2可推动圆环r1带动连杆l1l7绕轴Z1Z2俯视视角下顺时针转动，进而带动行走支架L1l1沿空间弧线向前或向后运动。

右侧主动行走足系与左侧对称布置，因曲轴曲凸作用，运动方向与左侧相反，推动连杆l8a1时拉动l10a1，进而圆环r3拉动圆环r4带动连杆l9l4绕轴Z3Z4俯视视角下逆时针转动，使行走支架L4l4与行走支架L1l1运动方向相反，即左侧向前时右侧相后。

从动行走足系与主动足系结构相似，运动靠主动行走足系带动连杆a5a6、a7a8，进而带动从动足系运动，保持同侧主从动行走足系运动相同。

图5是支撑足系的结构示意图。如图2和图5所示，支撑足系相对于X轴对称设置并且沿X轴方向位于所述主动行走足系和所述从动行走足系之间，整个为平面机构，与YOZ面平行。左侧的支地足系可绕轴Z5Z6在YOZ面转动，右侧的支地足系可绕轴Z7Z8在YOZ面转动。

如图2所示的左侧支撑足系为例，连杆l2a2和连杆a2a3铰接，连杆a2a3推动连杆l2a2在YOZ面转动，带动套筒绕轴Z5Z6转动，进而使支撑支架在YOZ面转动抬起或放下；因曲轴曲凸作用，当曲凸在左侧时，推动左侧连杆a2a3，拉动右侧连杆a3a4，两侧支撑支架在相同的动作原理下出现不同运动方向，即左侧支撑支架抬起时右侧支撑支架放下。

下面详细介绍上述行走机构的移动过程；取曲轴z0z1第一曲凸在左侧，第二曲凸在上侧状态为起始状态。因第一曲凸在左侧推动连杆l8a1，连杆l8a1的圆环r2推动圆环r1和连杆l1l7到极限位置，行走支架L1l1向前到极限位置，带动连杆a5a6向前使行走支架L3l3向前到极限位置；此时第一曲凸拉动连杆l10a1，连杆l10a1的圆环r3拉动圆环r4和连杆l4l9到极限位置，行走支架L4l4向后到极限位置，带动连杆a7a8向后使行走支架L6l6向后到极限位置；因第二曲凸在上侧，此时连杆a2a3拉动到中间位置，与其铰链连接的连杆l2a2亦处于中间位置，拉动支撑支架L2l2抬起到中间位置；此时第二曲轴推动连杆a3a4到中间位置，与其铰链连接的连杆l5a4亦处于中间位置，推动支撑支架L5l5下降到中间位置。此时整个机构向右倾斜，L1、L3、L4、L6四点着地保持平衡。

以轴z0z1顺时针旋转为例，随着轴z0z1的转动，第一曲轴变为拉动连杆l8a1，连杆l8a1的圆环r2拉动圆环r1和连杆l1l7绕着轴Z1Z2逆时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时升起带动行走支架L1l1沿空间弧线向后运动，带动连杆a5a6向后使行走支架L3l3与其同步沿空间弧线向后运动；此时第一曲轴变为推动连杆l10a1，连杆l10a1的圆环r3推动圆环r4和连杆l1l7绕着轴Z3Z4逆时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时下降带动行走支架L4l4沿空间弧线向前运动，带动连杆a7a8向前使行走支架L6l6与其同步沿空间弧线向前运动；随着轴z0z1的转动，第二曲凸拉动连杆a2a3向右侧运动，带动与其铰接的连杆l2a2绕着轴Z5Z6顺时针转动，使支撑支架L2l2抬起；此时第二曲凸推动连杆a3a4向右侧运动，带动与其铰接的连杆l5a4绕着轴Z7Z8顺时针转动，使支撑支架L5l5下落。

曲轴z0z1从初始位置转动90度后，因第一曲轴处在上侧，拉动连杆l8a1到中间位置，连杆l8a1的圆环r2拉动圆环r1和连杆l1l7亦到达中间位置，带动行走支架L1l1向后运动到中间位置，带动连杆a5a6向后使行走支架L3l3与其同步到中间位置；此时第一曲轴推动连杆l10a1到中间位置，连杆l10a1的圆环r3推动圆环r4和连杆l1l7亦到达中间位置，带动行走支架L4l4向前运动到中间位置，带动连杆a7a8向前使行走支架L6l6与其同步到中间位置；因第二曲凸在右侧拉动连杆a2a3到右侧极限位置，带动与其铰接的连杆l2a2到向下极限位置，使支撑支架L2l2抬起到向上极限位置；此时第二曲凸推动连杆a3a4到右侧极限位置，带动与其铰接的连杆l5a4到向上极限位置，使支撑支架L5l5下落到向下极限位置。此时整个机构向左侧倾斜，L1、L3、L5三点着地保持平衡。

曲轴z0z1继续转动，第一曲轴继续拉动连杆l8a1，连杆l8a1的圆环r2拉动圆环r1和连杆l1l7绕着轴Z1Z2逆时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时升起带动行走支架L1l1沿空间弧线向后运动，带动连杆a5a6向后使行走支架L3l3与其同步沿空间弧线向后运动；此时第一曲轴推动连杆l10a1，连杆l10a1的圆环r3推动圆环r4和连杆l1l7绕着轴Z3Z4逆时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时下降带动行走支架L4l4沿空间弧线向前运动，带动连杆a7a8向前使行走支架L6l6与其同步沿空间弧线向前运动；随着轴z0z1的转动，第二曲凸变为推动连杆a2a3向左侧运动，带动与其铰接的连杆l2a2绕着轴Z5Z6逆时针转动，使支撑支架L2l2落下；此时第二曲凸变为拉动连杆a3a4向左侧运动，带动与其铰接的连杆l5a4绕着轴Z7Z8逆时针转动，使支撑支架L5l5抬起。

曲轴z0z1从初始位置转动180度后，因第一曲轴处在右侧，拉动连杆l8a1到极限位置，连杆l8a1的圆环r2拉动圆环r1和连杆l1l7亦到达极限位置，带动行走支架L1l1向后运动到极限位置，带动连杆a5a6向后使行走支架L3l3与其同步向后运动到极限位置；此时第一曲轴推动连杆l10a1到极限位置，连杆l10a1的圆环r3推动圆环r4和连杆l1l7亦到达极限位置，带动行走支架L4l4向前运动到极限位置，带动连杆a7a8向前使行走支架L6l6与其同步向前运动到极限位置；因第二曲凸在下侧推动连杆a2a3到中间位置，带动与其铰接的连杆l2a2到中间位置，使支撑支架L2l2落下到中间位置；此时第二曲凸拉动连杆a3a4到中间位置，带动与其铰接的连杆l5a4到中间位置，使支撑支架L5l5抬起到中间位置。此时整个机构向左倾斜，L1、L3、L4、L6四点着地保持平衡。

曲轴z0z1继续转动，第一曲轴变为推动连杆l8a1，连杆l8a1的圆环r2推动圆环r1和连杆l1l7绕着轴Z1Z2顺时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时下降带动行走支架L1l1沿空间弧线向前运动，带动连杆a5a6向后使行走支架L3l3与其同步沿空间弧线向前运动；此时第一曲轴变为拉动连杆l10a1，连杆l10a1的圆环r3拉动圆环r4和连杆l1l7绕着轴Z3Z4顺时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时升起带动行走支架L4l4沿空间弧线向后运动，带动连杆a7a8向前使行走支架L6l6与其同步沿空间弧线向后运动；随着轴z0z1的转动，第二曲凸继续推动连杆a2a3向左侧运动，带动与其铰接的连杆l2a2绕着轴Z5Z6逆时针转动，使支撑支架L2l2落下；此时第二曲凸继续拉动连杆a3a4向左侧运动，带动与其铰接的连杆l5a4绕着轴Z7Z8逆时针转动，使支撑支架L5l5抬起。

曲轴z0z1从初始位置转动270度后，因第一曲轴处在下侧，推动连杆l8a1到中间位置，连杆l8a1的圆环r2推动圆环r1和连杆l1l7亦到达中间位置，带动行走支架L1l1向前运动到中间位置，带动连杆a5a6向前使行走支架L3l3与其同步到中间位置；此时第一曲轴拉动连杆l10a1到中间位置，连杆l10a1的圆环r3拉动圆环r4和连杆l1l7亦到达中间位置，带动行走支架L4l4向后运动到中间位置，带动连杆a7a8向后使行走支架L6l6与其同步到中间位置；因第二曲凸在左侧推动连杆a2a3到左侧极限位置，带动与其铰接的连杆l2a2到向上极限位置，使支撑支架L2l2下落到向下极限位置；此时第二曲凸拉动连杆a3a4到左侧极限位置，带动与其铰接的连杆l5a4到向下极限位置，使支撑支架L5l5抬起到向上极限位置。此时整个机构向右侧倾斜，L2、L4、L6三点着地保持平衡。

曲轴z0z1继续转动，第一曲轴继续推动连杆l8a1，连杆l8a1的圆环r2推动圆环r1和连杆l1l7绕着轴Z1Z2顺时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时下降带动行走支架L1l1沿空间弧线向前运动，带动连杆a5a6向后使行走支架L3l3与其同步沿空间弧线向前运动；此时第一曲轴继续拉动连杆l10a1，连杆l10a1的圆环r3拉动圆环r4和连杆l1l7绕着轴Z3Z4顺时针转动，套筒因底部斜面作用转动同时升起带动行走支架L4l4沿空间弧线向后运动，带动连杆a7a8向前使行走支架L6l6与其同步沿空间弧线向后运动；随着轴z0z1的转动，第二曲凸变为拉动连杆a2a3向右侧运动，带动与其铰接的连杆l2a2绕着轴Z5Z6顺时针转动，使支撑支架L2l2抬起；此时第二曲凸变为推动连杆a3a4向右侧运动，带动与其铰接的连杆l5a4绕着轴Z7Z8顺时针转动，使支撑支架L5l5下落。

曲轴z0z1继续转动回到初时状态如此完成一个循环。在本实施方法中在驱动器带动下持续进行这个运动状态交替的循环使机构保持前进。

或另一实施方法，改变驱动器转动方向，使曲轴z0z1逆时针旋转，则此循环反向进行，使机构实现倒退行走。

在一些实施方法中，把从动行走足系改成与主动足系相同结构或进一步增加主动行走足系对数同时增大驱动力，就可以提高行进速度和动力。

综上，通过本发明介绍以上实施方法，本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。同时并不局限与上述实施方法，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种单驱动行走机构，其特征在于，包括：

机架；

依次连接于所述机架的一对主动足、一对支撑足和一对从动足，所述主动足以第一轴为转动轴心连接于所述机架的前端；所述支撑足以第二轴为转动轴心连接于所述机架的中部，所述从动足以第三轴为转动轴心连接于所述机架；

主轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述主轴包括第一弯曲处和第二弯曲处，所述第一弯曲处和第二弯曲处的相位差为90°，所述主动足与第一连杆的刚性连接，支撑足与第二连杆刚性连接；第三连杆与主轴的第一个弯曲处柔性连接，第四连杆与主轴的第二个弯曲处柔性连接；第五连杆的两端分别与主动足和从动足刚性连接。

2.如权利要求1所述的单驱动行走机构，其特征在于：所述主动行走足以第一轴为转动轴心，所述第一轴的长度方向与所述机架成75度，所述主动足的中部设有圆柱形的套筒，下端倾斜同时整体与所述第一轴平行并短于所述第一轴，第一连杆与该套筒刚性连接，第五连杆的前端与主动足水平部分中段柔性连接以跟随主动足移动。

3.如权利要求2所述的单驱动行走机构，其特征在于：第一连杆包括一根连杆和一个圆环，所述连杆和圆环刚性连接。

4.如权利要求3所述的单驱动行走机构，其特征在于：所述支撑足以第二轴为转动轴心，所述第二轴水平固定连接于所述机架，所述第二轴穿过支撑足中部的圆柱形的支撑足套筒，第二连杆与该支撑足套筒刚性连接。

5.如权利要求4所述的单驱动行走机构，其特征在于：所述第五连杆的后端与从动足的水平部分中段柔性连接，以带动从动足运动。

6.如权利要求5所述的单驱动行走机构，其特征在于：所述第三连杆的柔性连接端包括一圆柱形套筒，远离连接所述主轴一端包括一个刚性连接的圆环；第三连杆与第一连杆的圆环穿套在一起并相互垂直，运动时成点接触；第四连杆与第二连杆在连接处为铰链连接，运动时成面接触。

7.如权利要求6所述的单驱动行走机构，其特征在于：与主轴的第二个弯曲处柔性连接的第四连杆的柔性连接端包括一圆柱形套筒，远离主轴一端为铰链连接头。

8.一种单驱动行走方法，其特征在于，包括以下步骤：

主动行走足行走步骤：第三连杆的圆环部分在垂直面上下摆动同时在水平面推动第一连杆的圆环，使得主动足绕第一轴转动；主动足转动的同时，主动足的底部的斜面与机架之间会形成夹角，将主动足抬起，使主动足的足尖的运动轨迹成一个空间弧线向前或向后摆动；主动足进行摆动时通过第五连杆带动从动足摆动；

保持支撑步骤：在L侧的支撑足抬起时，L侧的主动足和从动足处于向后摆动空间弧线最高处，在R侧的支撑足落下，R侧的主动足和从动足处于向前摆动空间弧线最高处；在机架出现倾斜时，支撑足和主动足、从动足落地，保持三点支撑。

9.如权利要求8所述的单驱动行走方法，其特征在于，通过主轴转动以带动第三连杆在垂直面上下摆动，在垂直面水平移动；第五连杆摆动时带动与之连接的从动足做与主动足相同的运动。

10.如权利要求9所述的主动行走方法，其特征在于：当主轴转动时，L侧的主动足沿着空间弧线向前摆动时，R侧的主动腿沿着空间弧线向后摆动，然后运动状态交换；

第四连杆推动第二连杆使支撑足绕第二轴转动，沿Z轴做起落运动；

当主轴转动时，L侧与R侧的支撑足运动状态交换进行，维持三足支撑状态，在三点支撑的间隙，当两支撑足一侧抬起一侧落下过程中，存在两足处于同一水平面状态此时一侧主动足和从动足向前摆动到极限位置，另一侧主动足和从动足向后摆动到极限位置，此时为短暂的四点支撑状态。

Images