CN113147944A - 一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构 - Google Patents

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秦建军
曹钰
孟圆
李东琦
杨芳
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    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/028—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members having wheels and mechanical legs

Abstract

本发明公开了一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，包括：机架、四组腿部机构、以及设置在机架上的升降台，腿部机构包括舵机和莱洛三角形滚轮，舵机与莱洛三角形滚轮传动连接，并且舵机与机架固定连接，用于驱动莱洛三角形滚轮做圆周转动；升降台包括载物板、上连接板、以及直线驱动机构；其中，直线驱动机构用于驱动载物板以余弦函数上下运动，使载物板与地面之间距离保持不变。本发明利用莱洛三角形的任意时刻几何图形最上点与最下点的距离保持不变的几何特性，设计出一种以莱洛三角形为框架的腿式机构，使其可以在平坦路面上以轮式机器人的运动方式前进，在崎岖路面上以腿式机器人的运动方式前进。

Description

一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构
技术领域
本发明涉及移动机构领域，具体涉及一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构。
背景技术
行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构一方面支承机器人的机身、臂部和手部，因而必须具有足够的刚度和稳定性；另一方面，还需根据作业任务的要求，实现机器人在更广阔的空间内的运动。
行走机构根据其结构分为车轮式、履带式、步行式和其他方式。
车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小，以及容易控制移动速度和方向等优点，因此得到了普遍的应用，但轮式机器人存在越障能力差、地形适应能力差、转弯效率低等问题，只有在平坦的地面上才能发挥出来。
步行式机构类似于动物那样，利用脚部关节机构、用步行方式实现移动的机构，称为步行机构。采用步行机构的步行机器人，能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑，还可以上、下台阶，因而具有广泛的适应性。但是腿式机器人行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，不稳定，同时控制上有相当的难度，完全实现上述要求的实际例子很少。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，以实现轮式移动和腿式移动两种工作模式。
为此，本发明提出了一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，包括机架、四个腿部机构、以及设置在机架上的升降台；所述腿部机构包括舵机和可变形的莱洛三角形滚轮，所述舵机与所述莱洛三角形滚轮传动连接。
所述莱洛三角形滚轮在未变形状态下呈莱洛三角形，所述舵机用于驱动所述莱洛三角形滚轮滚动，使步行机构处于轮式运动模式；所述莱洛三角形滚轮在变形状态下不呈莱洛三角形，所述舵机用于驱动所述莱洛三角形滚轮前后摆动，使行走机构处于腿式运动模式。
优选地，所述莱洛三角形滚轮包括对称设置的两个驱动杆和两个弧形杆，所述驱动杆、所述弧形杆依次销轴连接，形成外形呈莱洛三角形形状的非闭链四连杆机构，而所述驱动杆还与所述舵机传动连接，其中，每个腿部机构上设有两个对称布置的舵机，其中一个所述舵机能通过驱动所述驱动杆摆动使所述莱洛三角形滚轮变形，并且两个所述舵机均能驱动所述莱洛三角形滚轮前后摆动，使行走机构处于腿式运动模式。
优选地，所述驱动杆与所述弧形杆之间、两个所述弧形杆之间分别通过对接螺丝和对接螺母实现销轴连接。
优选地，所述升降台包括载物板、直线驱动机构、以及与机架连接的上连接板，步行机构处于轮式运动模式时，所述直线驱动机构用于驱动所述载物板以余弦函数方式上下运动，使所述载物板与地面之间距离保持不变。
优选地，所述直线驱动机构包括减速步进电机、联轴器、T型螺母、以及梯形丝杠，所述梯形丝杠一端与安装在所述载物板上的T型螺母螺纹配合，所述梯形丝杠另一端通过所述联轴器与所述减速步进电机传动连接。
优选地，所述载物板与所述上连接板之间设有若干具有导向作用的导杆。
优选地，所述上连接板上设有若干固定法兰，所述导杆上端与所述载物板固定连接，所述导杆下端与所述固定法兰滑动配合。
优选地，所述升降台还包括与所述机架连接的下连接板，所述减速步进电机设置在所述下连接板上。
优选地，所述机架包括上固定板、下固定板、以及若干支撑柱。
本发明还提出了一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，包括：机架、四个腿部机构、以及设置在机架上的升降台；所述腿部机构包括舵机和莱洛三角形滚轮，所述舵机与所述莱洛三角形滚轮传动连接；所述升降台包括载物板、上连接板、以及直线驱动机构；其中，所述直线驱动机构用于驱动所述载物板以余弦函数方式上下运动，使所述载物板与地面之间距离保持不变。
本发明提供的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，利用莱洛三角形的几何特性，即其在滚动前进时与圆形等效，任意时刻几何图形最上点与最下点的距离保持不变，设计一种以莱洛三角形为框架的腿式机构，使其可以在平坦路面上以轮式机器人的运动方式前进，在崎岖路面上以腿式机器人的运动方式前进。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的轮腿式行走机构的结构示意图；
图2为本发明的轮腿式行走机构中机架的结构示意图；
图3为本发明的轮腿式行走机构中腿部机构的结构示意图一；
图4为本发明的轮腿式行走机构中腿部机构的结构示意图二；
图5为本发明的轮腿式行走机构中升降台的结构示意图一；
图6为本发明的轮腿式行走机构中升降台的结构示意图二；
图7为本发明的轮腿式行走机构处于腿式移动模式下的结构示意图；以及
图8为本发明的轮腿式行走机构处于轮式移动模式下的结构示意图。
附图标记说明
10、机架；20、腿部机构；30、升降台；11、上固定板；12、下固定板；13、支撑柱；21、舵机；22、舵盘；23、驱动杆；24、弧形杆；25、对接螺丝；26、对接螺母；31、载物板；32、上连接板；33、下连接板；34、减速步进电机；35、联轴器；36、T型螺母；37、梯形丝杠；38、导杆；39、固定法兰。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构包括：机架10、四组腿部机构20、以及设置在机架10上的升降台30；如图1、3、5所示，腿部机构20包括舵机21和可变形的莱洛三角形滚轮，舵机21与莱洛三角形滚轮传动连接，并且舵机21与机架10固定连接。
具体地，莱洛三角形滚轮包括对称设置的两个驱动杆23和两个弧形杆24，驱动杆23、弧形杆24依次销轴连接，在舵机21轴轴线方向上，形成驱动杆-弧形杆-弧形杆-驱动杆的分层，进而形成外形呈莱洛三角形形状的四连杆机构。
其中，驱动杆23近似呈三角形，驱动杆23的第一端与舵机21传动连接，驱动杆23的第二端与弧形杆24一端连接，两个驱动杆23的第三端轴向重叠，两个弧形杆24第二端之间销轴连接，并且驱动杆23中第二端与第三端之间构成的外边、以及弧形杆24的外边均根据莱洛三角形中三条边的形状设置，从而使莱洛三角形滚轮形成外形呈莱洛三角形形状的四连杆机构。
如图2、图3所示，莱洛三角形滚轮为非闭链四连杆机构，两个驱动杆23之间可以展开或收缩，并且舵机21具有位置输出模式，舵机21通过控制驱动杆23摆动使莱洛三角形滚轮变形，并且舵机21还能驱动莱洛三角形滚轮前后摆动，四组腿部机构20交替运动，使行走机构处于腿式运动模式。
其中，每个腿部机构20上设有两个舵机21，两个舵机21对称布置，分别与两个驱动杆传动连接，能控制驱动杆23展开或收缩，使莱洛三角形滚轮变形。
当行走机构在平坦路面上移动时，莱洛三角形滚轮处于未变形状态下，并且莱洛三角形滚轮呈莱洛三角形，舵机采用减速电机模式，能圆周转动，就可以带动莱洛三角形滚轮滚动，使步行机构处于轮式运动模式，作为轮式机器人使用，节约能量，提高速度。
当行走机构在不平坦的路面上移动时，舵机切换为位置模式，驱动莱洛三角形滚轮发生变形，莱洛三角形滚轮不呈莱洛三角形，舵机21驱动莱洛三角形滚轮前后摆动，以两个弧形杆连接关节作为足端。通过舵机的控制可以使足端以不同的轨迹运动，此时，行走机构处于腿式运动模式，可以看作一个步行机器人，具有良好的越障性能，能够适应复杂地形。
在本方案中，如图3、4所示，腿部机构20还设有舵盘22，舵盘22与舵机21同轴连接，并采用机械螺钉固定，驱动杆23与舵盘22通过机械螺钉固定连接。驱动杆23与弧形杆24之间、两个弧形杆24之间分别通过对接螺丝25和对接螺母26实现销轴连接。驱动杆23还与舵机21传动连接，舵机均可以通过舵盘将力矩传给驱动杆，同时驱动杆可以带动弧形杆，用于驱动莱洛三角形滚轮做圆周转动。
在一实施例中，如图5所示，升降台30包括载物板31、上连接板32、以及直线驱动机构，直线驱动机构用于驱动载物板31以余弦函数上下运动。
其中，当步行机构处于轮式运动模式下，由于莱洛三角形在滚动时其几何中心会以正弦函数上下波动，此时载物板通过直线驱动机构的控制以余弦函数方式上下运动，抵消腿部机构的运动，载物板在垂直于地面的方向上的位置始终不变，即能保持放置在载物板上物品的稳定。
具体地，如图5所示，直线驱动机构包括减速步进电机34、联轴器35、T型螺母36、以及梯形丝杠37，梯形丝杠37一端与安装在载物板31上的T型螺母36螺纹配合，梯形丝杠37另一端通过联轴器35与减速步进电机34传动连接，使其可以将旋转运动传导给梯形丝杠。
其中，载物板31与上连接板32之间设有若干具有导向作用的导杆38；上连接板32上设有若干固定法兰39，导杆38上端与载物板31固定连接，导杆38下端与固定法兰39滑动配合。
具体地，如图6所示，上连接板32上的通孔与固定法兰39上的中心孔同轴心，固定法兰39通过机械螺钉固定在上连接板32下侧。导杆38与固定法兰同轴心，导杆38的下端通过顶丝夹紧在固定法兰39中。T型螺母36上的螺纹孔与载物板31突出部分的四个通孔一一对应，并采机械螺丝固定相连。
四根导杆38与载物板31上的四个通孔同轴心，并通过尺寸的控制使通孔与导杆间隙配合。因此，在减速步进电机34旋转时，梯形丝杠37旋转，使T型螺母36做上下运动，同时，T型螺母36带动载物板31上下运动。四根导杆38起到限位作用，使载物板31上下运动更为平稳。
如图2所示，机架10包括上固定板11、下固定板12、以及若干支撑柱13。上固定板11与下固定板12厚度、形状相同，且其上通孔一一对应，通过支撑柱13隔开并固定距离。上固定板11与支撑柱13、支撑柱13与下固定板12之间，都采用机械螺钉连接固定。
如图5所示，升降台30还包括与机架10连接的下连接板33，减速步进电机设置在下连接板33上。其中，下连接板33与下固定板12通过机械螺钉固定连接，上连接板32与上固定板11通过机械螺钉连接。
下面结合附图简述本发明的工作原理和工作过程。
如图8所示，在平坦路面上，莱洛三角形滚轮形成一个莱洛三角形，舵机采用减速电机模式，能圆周转动，使步行机构处于轮式运动模式，作为轮式机器人使用，节约能量，提高速度。
同时，由于莱洛三角形在滚动时其几何中心会以正弦函数上下波动，此时载物板通过减速步进电机的控制以余弦函数上下运动，抵消腿部机构的运动，载物板在垂直于地面的方向上的位置始终不变。
如图7所示，在不平坦的路面上，舵机切换为位置模式，驱动莱洛三角形滚轮发生变形，莱洛三角形滚轮不呈莱洛三角形，舵机21驱动莱洛三角形滚轮前后摆动，以两个弧形杆连接关节作为足端。通过舵机的控制可以使足端以不同的轨迹运动，此时，行走机构处于腿式运动模式，可以看作一个步行机器人，具有良好的越障性能，能够适应复杂地形。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，包括：机架(10)、四个腿部机构(20)、以及设置在机架(10)上的升降台(30)；
所述腿部机构(20)包括舵机(21)和可变形的莱洛三角形滚轮，所述舵机(21)与所述莱洛三角形滚轮传动连接；
所述莱洛三角形滚轮在未变形状态下呈莱洛三角形，所述舵机(21)用于驱动所述莱洛三角形滚轮滚动，使步行机构处于轮式运动模式；
所述莱洛三角形滚轮在变形状态下不呈莱洛三角形，所述舵机(21)用于驱动所述莱洛三角形滚轮前后摆动，使行走机构处于腿式运动模式。
2.根据权利要求1所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，
所述莱洛三角形滚轮包括对称设置的两个驱动杆(23)和两个弧形杆(24)，所述驱动杆(23)、所述弧形杆(24)依次销轴连接，形成外形呈莱洛三角形形状的非闭链四连杆机构，而所述驱动杆(23)还与所述舵机(21)传动连接，
其中，每个腿部机构(20)上设有两个对称布置的舵机(21)，其中一个所述舵机(21)能通过驱动所述驱动杆(23)摆动使所述莱洛三角形滚轮变形，并且两个所述舵机(21)均能驱动所述莱洛三角形滚轮前后摆动，使行走机构处于腿式运动模式。
3.根据权利要求2所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述驱动杆(23)与所述弧形杆(24)之间、两个所述弧形杆(24)之间分别通过对接螺丝(25)和对接螺母(26)实现销轴连接。
4.根据权利要求1所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述升降台(30)包括载物板(31)、直线驱动机构、以及与机架连接的上连接板(32)，步行机构处于轮式运动模式时，所述直线驱动机构用于驱动所述载物板(31)以余弦函数方式上下运动，使所述载物板(31)与地面之间距离保持不变。
5.根据权利要求4所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述直线驱动机构包括减速步进电机(34)、联轴器(35)、T型螺母(36)、以及梯形丝杠(37)，所述梯形丝杠(37)一端与安装在所述载物板(31)上的T型螺母(36)螺纹配合，所述梯形丝杠(37)另一端通过所述联轴器(35)与所述减速步进电机(34)传动连接。
6.根据权利要求5所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述载物板(31)与所述上连接板(32)之间设有若干具有导向作用的导杆(38)。
7.根据权利要求6所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述上连接板(32)上设有若干固定法兰(39)，所述导杆(38)上端与所述载物板(31)固定连接，所述导杆(38)下端与所述固定法兰(39)滑动配合。
8.根据权利要求5所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述升降台(30)还包括与所述机架(10)连接的下连接板(33)，所述减速步进电机设置在所述下连接板(33)上。
9.根据权利要求1所述的基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，所述机架(10)包括上固定板(11)、下固定板(12)、以及若干支撑柱(13)。
10.一种基于莱洛三角形的轮腿式行走机构，其特征在于，包括：机架(10)、四个腿部机构(20)、以及设置在机架(10)上的升降台(30)；
所述腿部机构(20)包括舵机(21)和莱洛三角形滚轮，所述舵机(21)与所述莱洛三角形滚轮传动连接；
所述升降台(30)包括载物板(31)、上连接板(32)、以及直线驱动机构；
其中，所述直线驱动机构用于驱动所述载物板(31)以余弦函数方式上下运动，使所述载物板(31)与地面之间距离保持不变。
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Application publication date: 20210723