CN112849295A - 一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人，包括：一车架；凸轮轴组件，两个所述凸轮轴组件的两端分别轴承安装在车架的两端；动力组件，所述动力组件与凸轮轴组件传动连接；以及腿部结构组件，若干所述腿部结构组件分别安装在所述车架的两侧，且每个腿部结构组件的顶端转动连接与之同侧的凸轮轴组件，底端与地面接触；所述动力组件驱动凸轮轴组件旋转，所述凸轮轴组件旋转带动腿部结构组件仿生爬行。本发明的有益效果是：所述多相位三维凸轮式仿生足式机器人仿生“马陆”设计；具备马陆的行走能力；具有较高的机动性和灵活性，能够适用于攀爬、越障、以及在复杂地形上行走的高难度动作场景。

Description

一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人。
背景技术
移动机器人技术是机器人技术中的一个重要分支，它的研究始于二十世纪六十年代，其主要目标是研究应用人工智能技术，在复杂环境下系统地自主推理、规划和控制。自主移动式机器人是具备高度的适应性、自适应能力，适用于在复杂的环境中工作的机器人，具有高度的地形适应性，和较为灵活和便利的运动形式。
现有的机器人通常采用轮式结构带动机器人整机实现预期设定的运动轨迹和运动形式，而轮式结构由于自身结构的局限性，轮式机器人注定无法完成攀爬、越障、以及在复杂地形上的正常运动等高难度动作，机器人的机动性较差。而本发明所提出的多相位三维凸轮式仿生足式机器人正是基于当前的移动机器人的发展现状提出，采用空间三维凸轮作为驱动方式，实现足式爬行应用于生活中的日常场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人，包括：一车架；凸轮轴组件，两个所述凸轮轴组件的两端分别轴承安装在车架的两端；动力组件，所述动力组件与凸轮轴组件传动连接；以及腿部结构组件，若干所述腿部结构组件分别安装在所述车架的两侧，且每个腿部结构组件的顶端转动连接与之同侧的凸轮轴组件，底端与地面接触；所述动力组件驱动凸轮轴组件旋转，所述凸轮轴组件旋转带动腿部结构组件仿生爬行。
作为本发明进一步的方案：所述凸轮轴组件包括凸轮轴和多个间隔套设在所述凸轮轴上的凸轮，任意相邻的两个凸轮具有相位差；所述相位差为90°。
作为本发明再进一步的方案：所述凸轮的外圆周倾斜设有环形连接部，所述凸轮通过所述环形连接部与所述腿部结构组件的顶端滑动连接。
作为本发明再进一步的方案：所述凸轮为空间三维凸轮，所述空间三维凸轮包括：内部凸轮，所述内部凸轮的外圆周开设有环形键槽；所述内部凸轮两侧安装的外部凸轮壳体，两个所述外部凸轮壳体相对的边沿与环形键槽相配形成横截面呈T型的环形连接部。
作为本发明再进一步的方案：所述空间三维凸轮通过环形键槽传递动能给腿部结构组件，腿部结构组件的运动轨迹为正弦曲线。
作为本发明再进一步的方案：所述凸轮与凸轮轴之间采用平键的连接方式连接，相邻的两个凸轮之间设有轴套。
作为本发明再进一步的方案：所述动力组件包括联轴器、电机或马达，所述电机或马达通过联轴器连接凸轮轴组件。
作为本发明再进一步的方案：所述腿部结构组件的数量为16个，所述腿部结构组件包括若干固连的杆件，以及安装在所述杆件的几何中心的关节轴承。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所述多相位三维凸轮式仿生足式机器人仿生“马陆”（马陆，又叫千足虫）设计；具备马陆的行走能力；具有较高的机动性和灵活性，能够适用于轮式机器人无法完成的攀爬、越障、以及在复杂地形上行走的高难度动作场景。
附图说明
图1为本发明实施例中多相位三维凸轮式仿生足式机器人的结构示意图。
图2为本发明实施例中多相位三维凸轮式仿生足式机器人的主视示意图。
图3为本发明实施例中多相位三维凸轮式仿生足式机器人的左视示意图。
图4为本发明实施例中多相位三维凸轮式仿生足式机器人的俯视示意图。
图5为本发明实施例中凸轮轴组件的爆炸结构示意图。
图6为本发明实施例中空间三维凸轮的爆炸结构示意图。
图7为本发明实施例中腿部结构组件的结构示意图。
图8为本发明实施例中单腿向右前进运动周期轨迹图。
图9为本发明实施例中机器人前进过程中一瞬间单侧腿的位置分布图。
图10为图9的机器人前进过程中下一时刻单侧腿的位置分布图。
图11为本发明实施例中多相位三维凸轮式仿生足式机器人对应腿标号图。
图12为本发明实施例中空间三维凸轮的平面展开示意图。
附图中：1、电机；2、联轴器；3、凸轮轴组件；4、腿部结构组件；5、关节轴承；6、车架；7、立式带座轴承；8、空间三维凸轮；9、轴套；10、凸轮轴；11、凸轮安装螺钉；12、外部凸轮壳体；13、内部凸轮；14、球铰。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
请参阅图1-4，本发明实施例中，一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人，包括：一车架6；凸轮轴组件3，两个所述凸轮轴组件3的两端分别轴承安装在车架的两端；动力组件，所述动力组件与凸轮轴组件3传动连接；以及腿部结构组件4，若干所述腿部结构组件4分别安装在所述车架6的两侧，且每个腿部结构组件4的顶端转动连接与之同侧的凸轮轴组件3，底端与地面接触；所述动力组件驱动凸轮轴组件3旋转，所述凸轮轴组件3旋转带动腿部结构组件4仿生爬行。
所述腿部结构组件的数量为16个，均分为四组，两两安装在所述车架的两端；如图5所示，所述凸轮轴组件3包括凸轮轴10和多个间隔套设在所述凸轮轴10上的凸轮，任意相邻的两个凸轮具有相位差，所述相位差为90°；所述凸轮的外圆周倾斜设有环形连接部，所述凸轮通过所述环形连接部与所述腿部结构组件的顶端滑动连接。
具体的，所述凸轮轴10通过立式带座轴承7安装在车架上，且凸轮轴10的其中一端与动力组件连接；动力组件驱动凸轮轴组件3旋转，所述凸轮轴组件3旋转时由于相邻的两个凸轮具有90°的相位差，各凸轮在带动对应的腿部结构组件4动作时，其中一个腿部结构组件4的摆动曲线如图8所示，从A→B→C→D→A为一个运动周期轨迹，A→B→C为单腿抬腿向前迈进过程，C→D→A为单腿支撑及向后摆动（此时整个机器人向前移动）过程。所有腿部结构组件4的组合动作实现了多相位三维凸轮式仿生足式机器人的仿生爬行。
在一些实施例中，所述腿部结构组件的数量为12个，均分为四组，两两安装在所述车架的两端；任意相邻的两个凸轮具有相位差；所述相位差为120°；各凸轮在带动对应的腿部结构组件4动作时，其中一个腿部结构组件4的摆动曲线仍然如图8所示，从A→B→C→D→A为一个运动周期轨迹，A→B→C为单腿抬腿向前迈进过程，C→D→A为单腿支撑及向后摆动（此时整个机器人向前移动）过程。所有的腿部结构组件4的组合动作实现了多相位三维凸轮式仿生足式机器人的仿生爬行。
综上所述，所述多相位三维凸轮式仿生足式机器人具备马陆的行走能力；具有较高的机动性和灵活性，能够适用于轮式机器人无法完成的攀爬、越障、以及在复杂地形上行走的高难度动作场景，相比于轮式机器人，具有更好的发展前景。
本发明的实施例在实际布局时，所述腿部结构组件的数量不局限于16或12个，腿部结构组件其他数量时的安装方式，与上述相同，在这里就不再详细描述。
请参阅图7，本发明的另一个实施例中，所述腿部结构组件4包括若干固连的杆件组成的支腿，以及安装在所述杆件的几何中心的关节轴承5。
所述关节轴承5与车架两侧设有的连接轴套接；所述杆件组成的支腿的顶端固连有球铰14，所述球铰14与内部凸轮13的外圆周开设有的环形键槽滑动配合，所述环形键槽限位约束所述球铰14，使得空间三维凸轮8旋转时，所述球铰14在环形键槽内滑动，且不脱离所述环形键槽，球铰14通过关节轴承5与支腿的末端支撑翘板结构，当所述球铰14被空间三维凸轮8驱动而运动时，所述支腿的末端的末端作相应的运动。
如图5、6所示，所述凸轮为空间三维凸轮8，所述空间三维凸轮8包括：内部凸轮13，所述内部凸轮13的外圆周开设有环形键槽；所述内部凸轮13两侧安装的外部凸轮壳体12，两个所述外部凸轮壳体12相对的边沿与环形键槽相配形成横截面呈T型的环形连接部；所述外部凸轮壳体12与内部凸轮13之间通过凸轮安装螺钉11连接固定。
所述空间三维凸轮通过环形键槽传递动能给腿部结构组件，腿部结构组件的运动轨迹为正弦曲线；所述凸轮与凸轮轴之间采用平键的连接方式连接，相邻的两个凸轮之间设有轴套9。
如图8-12所示，以其中一个支腿的运动轨迹为例，将一个运动周期分为由四个节点简化的运动步态，四个节点分别为：刚落地状态、处于最高点、即将抬起状态及支撑并向后摆动前进状态；该机器人单侧为8条支腿，相邻的两个驱动支腿运动的凸轮之间存在90°的相位角，每4条支腿一组，每组4条支腿运动步态各不相同，但与同侧另一组步态一致，即每组的四条腿各分布在A→B、B→C、C→D、D→A四个过程中。如图9所示为前进过程中的一个瞬间的单侧8条支腿的分布状态，此时第一支腿41或第五支腿45处于刚落地状态，第二支腿42或第六支腿46处于最高点处，第三支腿43或第七支腿47处于即将抬起状态，第四支腿44或第八支腿48处于支撑并向后摆动前进状态。下一过程，各支腿分布如图10所示，第一支腿41由刚落地状态进入支撑并向后摆动前进状态，第二支腿42由处于刚落地状态，第三支腿43处于最高点，第四支腿44完成后摆处于即将抬起状态。
综上所述，其他支腿的运动轨迹与上述的一个支腿的运动轨迹相同，仅有时间差异，即由于驱动各支腿的凸轮存在相位差，使得各支腿的运动轨迹的时间节点有与相位差相关的时间差异，进而通过所述时间差异保证了多相位三维凸轮式仿生足式机器人仿生爬行的实现。
如图12所示，空间三维凸轮具有基圆81和凸圆82，支腿与凸圆82接触时处于支撑过程，支腿与基圆81接触时处于抬腿及落回地面过程。可将环形键槽根据相位差分为控制支腿向前摆动的第一凹槽段83和控制支腿向后摆动的第二凹槽段84；当第一支腿41与第一凹槽段83或第二凹槽段84中I处接触时，第二支腿42与另一空间三维凸轮的第一凹槽段83中的II处接触，第三支腿43与另一空间三维凸轮的第一凹槽段83或第二凹槽段84中的III处接触，第四支腿44与另一空间三维凸轮的第二凹槽段84中的IV处接触。可简化为：一组支腿在I处、II处、III处、IV处的对应位置，与图9中的一组支腿中第一支腿41、第二支腿42、第三支腿43、第四支腿44的位置一致；I-II-III过程为各支腿抬腿向前迈进过程，III-IV-I过程为各支腿支撑及向后摆动（此时机器人整体向前移动）过程。
请参阅图1，本发明实施例中，所述动力组件包括联轴器2、电机1或马达，所述电机1或马达通过联轴器2连接凸轮轴组件3。
具体的，两个所述电机1并排安装在车架的一端，且各自通过一联轴器2连接凸轮轴组件3；或一个电机1通过联轴器2分出两个输出端分别连接两个凸轮轴组件3；实现动能的输出。
本发明的工作原理：动力组件驱动凸轮轴组件3旋转，所述凸轮轴组件3旋转时由于相邻的两个凸轮具有90°的相位差，各凸轮在带动对应的腿部结构组件4动作时，其中一个腿部结构组件4的摆动曲线如图8所示，从A→B→C→D→A为一个运动周期轨迹，A→B→C为单腿抬腿向前迈进过程，C→D→A为单腿支撑及向后摆动过程；所有腿部结构组件4的组合动作实现了多相位三维凸轮式仿生足式机器人的仿生爬行。
需要说明的是，本发明所采用的电机、联轴器或马达均为现有技术的应用，本专业技术人员能够根据相关的描述实现所要达到的功能，或通过相似的技术实现所需完成的技术特性，在这里就不再详细描述。
本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，包括：
一车架；
凸轮轴组件，两个所述凸轮轴组件的两端分别轴承安装在车架的两端；
动力组件，所述动力组件与凸轮轴组件传动连接；
以及腿部结构组件，若干所述腿部结构组件分别安装在所述车架的两侧，且每个腿部结构组件的顶端转动连接与之同侧的凸轮轴组件，底端与地面接触；
所述动力组件驱动凸轮轴组件旋转，所述凸轮轴组件旋转带动腿部结构组件仿生爬行。
2.根据权利要求1所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述凸轮轴组件包括凸轮轴和多个间隔套设在所述凸轮轴上的凸轮，任意相邻的两个凸轮具有相位差。
3.根据权利要求2所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述相位差为90°。
4.根据权利要求2所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述凸轮的外圆周倾斜设有环形连接部，所述凸轮通过所述环形连接部与所述腿部结构组件的顶端滑动连接。
5.根据权利要求4所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述凸轮为空间三维凸轮，所述空间三维凸轮包括：
内部凸轮，所述内部凸轮的外圆周开设有环形键槽；
所述内部凸轮两侧安装的外部凸轮壳体，两个所述外部凸轮壳体相对的边沿与环形键槽相配形成横截面呈T型的环形连接部。
6.根据权利要求5所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述空间三维凸轮通过环形键槽传递动能给腿部结构组件，腿部结构组件的运动轨迹为正弦曲线。
7.根据权利要求2所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述凸轮与凸轮轴之间采用平键的连接方式连接，相邻的两个凸轮之间设有轴套。
8.根据权利要求1所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述动力组件包括联轴器、电机或马达，所述电机或马达通过联轴器连接凸轮轴组件。
9.根据权利要求1所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述腿部结构组件的数量为16个。
10.根据权利要求1所述的多相位三维凸轮式仿生足式机器人，其特征在于，所述腿部结构组件包括若干固连的杆件，以及安装在所述杆件的几何中心的关节轴承。
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