CN113443042A - 一种轮足复合式双足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮足复合式双足机器人，将足端套件和轮式部件集成在腿部，能够在不同环境下实现足式运动状态和轮式运动状态的自由切换；同时将轮式部件安装于大腿部与小腿部的铰接轴，以及将电机置于机身上并通过连杆系统传动，达到了减轻足端惯量、提升运动速度、降低能量消耗的效果。上述机器人在轮式运动状态时，机器人腿部结构呈直角三角形结构，通过减震弹簧和阻尼杆组成的弹簧阻尼元件可以达到缓冲、减震，减少行进过程中的杆向冲击力对机身和电机冲击的效果，同时能够吸收和储存能量，在行进过程中适时地释放能量，提高能量利用率。

Description

一种轮足复合式双足机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种轮足复合式双足机器人。

背景技术

直立行走的双足步行机器人，其有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定。双足机器人是一种仿生类型的机器人，能够实现机器人的双足行走和相关动作，在未来的生产生活中，类人型双足行走机器人可以帮助人类解决很多问题比如驮物、抢险等一系列危险或繁重的工作。尽管双足机器人已经被证实适用于人类生活的许多方面，但其在结构化地形下移动慢、能耗高等特点依然是其在社会中发挥更关键作用的阻碍。

轮式机器人是一种较为传统的移动机器人构型，其动力学特性简单、稳定性高、能效比高，在当今社会有着广泛的应用。相较于双足机器人，轮式机器人技术成熟、可靠性高、能耗也较低，在结构化地形下具备高速通过和低能耗的特性。

如何既保持非结构化地形下越障能力又不牺牲结构化地形通过速度是双足机器人的发展障碍之一。如今，先进的双足机器人能够在复杂环境中进行灵活机动。然而，这类机器人在常规地形的能源利用率和通过速度均远低于传统轮式机器人，具有显著的缺陷。

现有双足轮足复合构型是将足端完全替换为轮式结构的构型，该构型将双足机器人足端原有的脚部结构替换为电机和轮子的驱动机构，从而实现结构化地形下的通过和一定的越障能力。该构型有着速度快，耗能低等特点，但轮式机构的存在依然要求运行环境中存在允许轮式通行的连续区域，该特性限制其在非结构化地形下的通过能力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种轮足复合式双足机器人，能够实现轮式运动和足式运动的切换，不仅缩小了足端惯量，还能够提升运动速度，提高能量的利用率。

本发明的具体方案如下：

一种轮足复合式双足机器人，包括：机身和两个对称安装于机身两侧的腿部；

机身设置有动力轮伞齿轮、腿部纵向电机、腿部前向电机和驱动电机，驱动电机的输出轴与动力轮伞齿轮固定连接；

腿部包括大腿部、小腿部以及轮式部件；

大腿部铰接于机身与小腿部之间；

轮式部件包括同轴且固定连接的主动轮和轮接伞齿轮，主动轮转动安装于大腿部与小腿部的铰接轴；

小腿部包括支撑内筒、齿轮传动机构和足端套件；

齿轮传动机构相对转动的套设于支撑内筒；支撑内筒的顶端与大腿部铰接，底端固定安装有足端套件；

机器人的运动状态包括足式运动状态和轮式运动状态；

当机器人处于足式运动状态时，腿部纵向电机和腿部前向电机提供驱动力，通过连杆系统驱动足端套件运动；

当机器人处于轮式运动状态时，小腿输入伞齿轮与动力轮伞齿轮啮合，主动轮接触地面；行进时，驱动电机驱动动力轮伞齿轮转动，动力轮伞齿轮通过齿轮传动机构带动轮接伞齿轮转动，轮接伞齿轮带动主动轮转动，实现机器人的运动。

进一步地，齿轮传动机构包括小腿输出伞齿轮、小腿传动套筒和小腿输入伞齿轮；小腿传动套筒相对转动的套设于支撑内筒的外周侧，小腿传动套筒在朝向大腿部的一端固定连接有小腿输出伞齿轮，在远离大腿部的一端固定连接有小腿输入伞齿轮。

进一步地，支撑内筒的两端部设置有限位凸缘，小腿传动套筒的内周侧设置有限位凹槽，限位凸缘形状配合地容置于限位凹槽内。

进一步地，大腿部包括两个大腿连杆、大腿减震弹簧、阻尼杆；

两个大腿连杆相对设置，其中，一个大腿连杆与机身铰接，另一个大腿连杆与小腿部铰接；

大腿减震弹簧套设于阻尼杆，并固定连接于两个大腿连杆之间。

进一步地，连杆系统包括连杆一、连杆二、髋关节板和小腿传动连杆；

连杆一的一端铰接于腿部纵向电机的输出轴，另一端与连杆二的一端铰接；

连杆二的另一端与髋关节板铰接；

髋关节板与腿部前向电机铰接；

小腿传动连杆与大腿连杆平行设置，且小腿传动连杆与大腿连杆均与支撑内筒铰接，并且大腿连杆与支撑内筒形成第一铰接点，小腿传动连杆和支撑内筒之间形成第二铰接点，第一铰接点位于足端套件和第二铰接点之间。

进一步地，小腿部还包括轴承一和轴承二。

小腿传动套筒与支撑内筒通过轴承一和轴承二连接，轴承一位于支撑内筒靠近轮式部件的一端，轴承二位于支撑内筒靠近足端套件的一端。

进一步地，机器人的运动状态为轮式运动状态时，大腿部、小腿部和机身呈直角三角形结构；

大腿部和机身形成直角三角形的两个直角边，小腿部形成直角三角形的斜边。

进一步地，机身的材料为铝合金，连杆系统的材料为碳纤维。

有益效果：

(1)一种轮足复合式双足机器人，将腿部的足端套件和轮式部件集成在同一个机器人上，能够在不同环境下实现足式运动状态和轮式运动状态的自由切换；同时将轮式部件安装于大腿部与小腿部的铰接轴，以及将电机置于机身上并通过连杆系统传动，达到了减轻了足端惯量、提升运动速度、降低能量消耗的效果。

(2)在支撑内筒的两端设置限位凸缘，用于与小腿传动套筒的限位凹槽卡接，从而保证在有效传输动力的同时，支撑内筒和小腿传动套筒不会发生相对滑动，有利于双足机器人的稳定行进。

(3)在轮式运动状态时，机器人腿部结构呈直角三角形结构，通过减震弹簧和阻尼杆组成的弹簧阻尼元件可以达到缓震，减少行进过程中的杆向冲击力对机身和电机冲击的效果，同时能够吸收和储存能量，在行进过程中适时地释放能量，提高能量利用率。

附图说明

图1为轮足复合式双足机器人的单腿正面结构图；

图2为图1中机器人的单腿反面结构图；

图3为图1中机器人的动力传动原理图；

图4为图1中机器人的小腿部剖面图；

图5为图1中机器人轮式前进时腿部构型示意图；

其中，1-动力轮伞齿，2-腿部纵向电机，3-腿部前向电机，4-大腿连杆，5-大腿减震弹簧，6-小腿传动连杆，7-小腿部，8-足端套件，9-机身，10-轮式部件，11-大腿连杆组，12-中继连杆组，13-小腿连杆组，14-小腿输出伞齿，15-轴承一，16-小腿传动套筒，17-支撑内筒，18-轴承二，19-小腿输入伞齿，20-主动轮，21-轮接伞齿，22-驱动电机，23-连杆一，24-连杆二，25-髋关节板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明实施例提供了一种轮足复合式双足机器人，如图2所示，该双足机器人包括：机身9和两个对称安装于机身9两侧的腿部，为清楚地看到机器人的腿部结构，附图中只给出了一条腿部的结构示意图。

如图1所示，机身9设置有动力轮伞齿轮1、腿部纵向电机2、腿部前向电机3和驱动电机22，驱动电机22的输出轴与动力轮伞齿轮1固定连接。与传统的机器人将电机置于膝关节的位置相比，本发明通过调节电机的位置，将电机设置于双足机器人的机身上，能够允许更大功率和更低能耗的电机对轮式部件进行驱动，在提升速度的同时有效降低了能量的消耗。

如图1所示，腿部包括大腿部、小腿部7以及轮式部件10，大腿部铰接于机身9与小腿部7之间。大腿部包括两个大腿连杆4、大腿减震弹簧5、阻尼杆；

两个大腿连杆4相对设置，其中，一个大腿连杆4与机身9铰接，另一个大腿连杆4与小腿部7铰接；大腿减震弹簧5套设于阻尼杆，并固定连接于两个大腿连杆4之间。

如图2所示，轮式部件10包括同轴且固定连接的主动轮20和轮接伞齿轮21，主动轮20转动安装于大腿部与小腿部7的铰接轴。

如图4所示，小腿部7包括支撑内筒17、齿轮传动机构和足端套件8。齿轮传动机构相对转动的套设于支撑内筒17，支撑内筒17的顶端与大腿部铰接，底端固定安装有足端套件8。在图4所示的实施例中，齿轮传动机构包括小腿输出伞齿轮14、小腿传动套筒16和小腿输入伞齿轮19。小腿传动套筒16相对转动的套设于支撑内筒17的外周侧，小腿传动套筒16在朝向大腿部的一端固定连接有小腿输出伞齿轮14，在远离大腿部的一端固定连接有小腿输入伞齿轮19。支撑内筒17的两端部设置有限位凸缘，小腿传动套筒16的内周侧设置有限位凹槽，限位凸缘形状配合地容置于限位凹槽内，从而保证在有效传输动力的同时，支撑内筒和小腿传动套筒不会发生相对滑动，有利于双足机器人的稳定行进。

如图4所示，小腿部7还包括轴承一15和轴承二18。小腿传动套筒16与支撑内筒17通过轴承一15和轴承二18连接，轴承一15位于支撑内筒17靠近轮式部件10的一端，轴承二18位于支撑内筒17靠近足端套件8的一端。足端套件8采用点状脚(Point-foot)结构，与传统的板状足端的支撑结构相比，能够减轻足端质量。

本发明的一种轮足复合式双足机器人，其运动状态包括足式运动状态和轮式运动状态：

机器人处于足式运动状态时，传统的双足机器人控制方式为：先通过轨迹规划算法规划一条足端轨迹，然后通过关节解算算法将足端位置转化为电机位置，最后利用电机驱动算法驱动电机以达到足端位置。

本发明中，机器人处于足式运动状态时，腿部纵向电机2和腿部前向电机3提供驱动力，通过连杆系统驱动足端套件8运动。具体控制机器人运动的实施步骤如下：1)通过轨迹规划算法根据机器人质心状态和动力学模型对足端轨迹进行规划；2)通过关节解算算法将笛卡尔坐标系下的足端轨迹转化为机身9与大腿连杆4的角度，和大腿连杆4与小腿部7的角度；3)将大腿连杆4与小腿部7的角度通过连杆系统解算为腿部纵向电机2的角度；4)驱动电机22驱动算法，腿部纵向电机2和腿部前向电机3提供前进动力，通过连杆系统传动，驱动足端套件8运动。

当足端套件8受到冲击时，冲击力延杆向传递至大腿连杆4，部分杆向冲击力通过大腿减震弹簧5得以吸收。

当机器人感知周围环境多为结构化地形时，机器人由足式运动状态切换为轮式运动状态。机器人处于轮式运动状态时，小腿输入伞齿轮19与动力轮伞齿1轮啮合，主动轮20接触地面。行进时，驱动电机22驱动所述动力轮伞齿轮1转动，动力轮伞齿轮1通过齿轮传动机构带动轮接伞齿轮21转动，轮接伞齿轮21带动主动轮20转动，实现机器人的运动。具体为，动力轮伞齿轮1转动依次带动小腿输入伞齿轮19、传动套筒16、小腿输出伞齿轮14、轮接伞齿轮21、主动轮20转动，通过控制算法实现动态平衡。

在大腿部设置由大腿减震弹簧5、阻尼杆组成的弹簧阻尼元件，该元件在足式运动状态和轮式运动状态均可以发挥缓震和吸收存储能量的作用。当机器人的运动状态为轮式运动状态时，大腿部、小腿部7和机身9呈直角三角形结构，大腿部和机身9形成直角三角形的两个直角边，小腿部7形成直角三角形的斜边，如图5所示。此时弹簧阻尼元件可以实现同汽车相似的减震效果，减少冲击对机身和电机的危害。在足式运动状态的阶段，弹簧阻尼元件对吸收转化大腿部的杆向冲击力起良好作用。综上所述，该弹簧阻尼元件的设计可以实现在机器人“落腿”阶段压缩储存能量，同时消耗部分能量减轻电机峰值力矩；在机器人“抬腿”阶段，舒张释放能量，进而提高能量利用率。

如图1所示，本发明的机器人的连杆系统包括连杆一23、连杆二24、髋关节板25和小腿传动连杆6。

连杆一23与腿部纵向电机2铰接，连杆二24的一端与连杆一23铰接，另一端与髋关节板25铰接，髋关节板25与腿部前向电机3铰接。小腿传动连杆6与大腿连杆4平行设置。小腿传动连杆6与大腿连杆4分别与支撑内筒17的不同位置铰接，具体为，大腿连杆4与支撑内筒17形成第一铰接点，小腿传动连杆6和支撑内筒17之间形成第二铰接点，第一铰接点位于足端套件8和第二铰接点之间，连杆一23的一端铰接于腿部纵向电机2的输出轴，另一端与连杆二24的一端铰接；连杆二24的另一端与髋关节板25铰接。

如图3所示，展示的是本发明的连杆系统动力传动原理，其中包括了大腿连杆组11、中继连杆组12和小腿连杆组13，在具体的实施例中，这些连杆组并不全是简单的连杆组合，实际是通过把机器人的部分腿部和机身结构简化成了连杆的形式，从而便于本领域的技术人员更好地理解本发明的机器人的动力传输原理。例如，大腿连杆组11包括连杆一23、连杆二24，但实际实施的过程中，腿部纵向电机2和腿部前向电机3之间也是可以有连杆存在的，只是图3中没有展示出来。而中继连杆组12则是有髋关节板25简化而来，小腿连杆组13则是简化了包括大腿部的大腿连杆4和小腿传动连杆6的结构。图3所展示的连杆系统原理图，只是一种举例的方式，用于说明本发明的动力传输过程和传输方式，并用于限定具体的特征，在具体实施过程中，可以根据实际情况对连杆系统进行调整。

在一优选实施例中，机身9的材料为铝合金，连杆系统的材料为碳纤维。采用铝合金和碳纤维来制作机器人的腿部结构件，类似于人类的骨骼，从而支撑机器人的整体。用轻型、有一定强度的铝合金材料来制作机器人的机身和髋关节板，模拟人类的髋关节从而支持机器人的行走与稳定。

本发明提出的一种轮足复合机器人，兼备轮式机器人和双足机器人的优点：在非结构化地形下，其双足机器人的腿部构型使得该机器人具备良好的越障能力；当进入街道等结构化地形环境中，机器人通过膝关节轮式部件触地，通过机身的电机带动位于小腿的传动杆转动，继而驱动轮胎获得前向动力。

综上所述，本发明提出的一种轮足复合机器人，具有传动系统可靠，腿部惯量小，功能多样等优点。工作环境复杂多变，兼具常规地形和特殊地形的高性能，在不同应用场景有良好的鲁棒性。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轮足复合式双足机器人，其特征在于，包括：机身(9)和两个对称安装于所述机身(9)两侧的腿部；

所述机身(9)设置有动力轮伞齿轮(1)、腿部纵向电机(2)、腿部前向电机(3)和驱动电机(22)；所述驱动电机(22)的输出轴与所述动力轮伞齿轮(1)固定连接；

所述腿部包括大腿部、小腿部(7)以及轮式部件(10)；

所述大腿部铰接于所述机身(9)与所述小腿部(7)之间；

所述轮式部件(10)包括同轴且固定连接的主动轮(20)和轮接伞齿轮(21)；所述主动轮(20)转动安装于所述大腿部与小腿部(7)的铰接轴；

所述小腿部(7)包括支撑内筒(17)、齿轮传动机构和足端套件(8)；

所述齿轮传动机构相对转动地套设于所述支撑内筒(17)；所述支撑内筒(17)的顶端与所述大腿部铰接，底端固定安装有所述足端套件(8)；

所述机器人的运动状态包括足式运动状态和轮式运动状态；

当所述机器人处于足式运动状态时，腿部纵向电机(2)和腿部前向电机(3)提供驱动力，通过连杆系统驱动足端套件(8)运动；

当所述机器人处于轮式运动状态时，所述动力轮伞齿轮(1)与小腿输入伞齿轮(19)啮合，所述主动轮(20)接触地面；行进时，所述驱动电机(22)驱动所述动力轮伞齿轮(1)转动，所述动力轮伞齿轮(1)通过所述齿轮传动机构带动轮接伞齿轮(21)转动，所述轮接伞齿轮(21)带动所述主动轮(20)转动，实现机器人的运动。

2.如权利要求1所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述齿轮传动机构包括小腿输出伞齿轮(14)、小腿传动套筒(16)和小腿输入伞齿轮(19)；所述小腿传动套筒(16)相对转动地套设于所述支撑内筒(17)的外周侧，所述小腿传动套筒(16)在朝向所述大腿部的一端固定连接有所述小腿输出伞齿轮(14)，在远离所述大腿部的一端固定连接有所述小腿输入伞齿轮(19)。

3.如权利要求2所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述支撑内筒(17)的两端部设置有限位凸缘；

所述小腿传动套筒(16)的内周侧设置有限位凹槽；

所述限位凸缘形状配合地容置于所述限位凹槽内。

4.如权利要求1所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述大腿部包括两个大腿连杆(4)、大腿减震弹簧(5)、阻尼杆；

两个所述大腿连杆(4)相对设置，其中，一个大腿连杆(4)与所述机身铰接，另一个大腿连杆(4)与所述小腿部(7)铰接；

所述大腿减震弹簧(5)套设于所述阻尼杆，并固定连接于两个所述大腿连杆(4)之间。

5.如权利要求1所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述连杆系统包括连杆一(23)、连杆二(24)、髋关节板(25)和小腿传动连杆(6)；

所述连杆一(23)的一端铰接于所述腿部纵向电机(2)的输出轴，另一端与所述连杆二(24)的一端铰接；

所述连杆二(24)的另一端与所述髋关节板(25)铰接；

所述髋关节板(25)与所述腿部前向电机(3)铰接；

所述小腿传动连杆(6)与所述大腿连杆(4)平行设置，且所述小腿传动连杆(6)与所述大腿连杆(4)均与所述支撑内筒(17)铰接，并且所述大腿连杆(4)与所述支撑内筒(17)形成第一铰接点，所述小腿传动连杆(6)和所述支撑内筒(17)之间形成第二铰接点，所述第一铰接点位于所述足端套件(8)和所述第二铰接点之间。

6.如权利要求1所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述小腿部(7)还包括轴承一(15)和轴承二(18)；

所述支撑内筒(17)与小腿传动套筒(16)通过轴承一(15)和轴承二(18)连接；所述轴承一(15)位于所述支撑内筒(17)靠近所述轮式部件(10)的一端；所述轴承二(18)位于所述支撑内筒(17)靠近所述足端套件(8)的一端。

7.如权利要求1所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述机器人的运动状态为轮式运动状态时，所述大腿部、所述小腿部(7)和所述机身(9)呈直角三角形结构；

所述大腿部和所述机身(9)分别形成直角三角形的两个直角边，所述小腿部(7)形成直角三角形的斜边。

8.如权利要求1所述的轮足复合式双足机器人，其特征在于，所述机身(9)的材料为铝合金；所述连杆系统的材料为碳纤维。

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