CN113771978B - 一种用于获取空间三维数据的四足机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于获取空间三维数据的四足机器人，包括机身，机身范围前后两部分，中间通过转向合页铰接，进行水平面连接角度转动，前侧机身部分上设置有数据售机构，数据收集机构与机身铰接进行水平竖直平面的角度转动，其特征在于，机身的四角分布有通过改变连杆与弧形件连接角度在轮式状态与仿生足式状态切换的运动机构，运动机构包括通过两组转轴与电机同时驱动足轮的弧形组件，通过两组电机之间的差速运动带动足轮的弧形组件运动发生变形，实现轮式结构至足式结构之间的无极调节，适用于各种地面环境，具有管饭的适用性与良好的发展前景。

Description

一种用于获取空间三维数据的四足机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体为一种用于获取空间三维数据的四足机器人。

背景技术

空间三维数据又称几何数据，它用来表示物体的位置、形态、大小分布等各方面的信息，是对现世界中存在的具有定位意义的事物和现象的定量描述，对空间三维数据的获取与利用技术广泛的运用在各行各业，但是对于一些人力难以到达的地方的数据的收集，就需要通过专业无人机或机器人进行获取。

现有机器人，如申请号为CN202120269240.7的一种变形机器人，公开了一种可在四足、四轮、双足、双轮之间切换的机器人。所述运动机构是四个四连杆机构，作为机器人的肢体，其轮式与足式的切换依靠执行电机驱动的四连杆机构实现；所述变形机构由五个合页机构组成；所述机身的站立与趴俯通过执行电机驱动机器人腰部合页机构的旋转运动和与后肢相连执行电机的驱动实现；四足与双足的切换依靠机身的站立与趴俯实现；但是，其前进的动力依靠的重心的偏移与四连杆机构沿电机转轴轴向带来，在四连杆机构运动时，与地面接触点会发生较大的竖直方向的高度变化，电机的驱动力并不能有效的转化为机器人前进的动力，这就导致了机器人处于足式运动状态时稳定性的下降，在执行数据收集任务时导致数据收集难度增大与精度的的下降，也导致对动能的浪费，影响设备续航。

故需要一种行进时更加稳定，对动力利用效率更高的空间三维数据获取四足机器人。

发明内容

本发明的目的旨在于提供一种用于获取空间三维数据的四足机器人。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于获取空间三维数据的四足机器人，包括机身，机身分为前后两部分，中间通过转向合页铰接，进行水平面连接角度转动，前侧机身部分上设置有数据收集机构，数据收集机构与机身铰接进行水平竖直平面的角度转动，其特征在于，机身的四角分布有通过改变连杆与弧形件连接角度在轮式状态与仿生足式状态切换的运动机构。

作为本发明进一步的方案：运动机构包括驱动电机、转轴组与足轮，机身的四角转动设置有转轴组，转轴组包括第一转轴与第二转轴，第一转轴通过轴承组件转动连接在机身的一侧，第一转轴为空心轴，内侧通过轴承组件转动设置有第二转轴，机身的内部固定设置有第一驱动电机与第二驱动电机，第一驱动电机、第二驱动电机的输出轴分别通过传动皮带与第一转轴、第二转轴传动连接带动转轴组转动，转轴组的输出端连接有足轮，足轮由铰接相连的连杆与弧形件构成。

作为本发明进一步的方案：足轮包括第一弧形件、第一连杆、第二弧形件与第二连杆，第一弧形件与第二弧形件为外沿呈圆弧状的不完全圆形结构，第一弧形件直接焊接在第一转轴的周面上，与第一转轴传动连接沿第一转轴做圆周运动，第二弧形件与焊接在第二转轴上的第一连杆铰接，第一弧形件与第二弧形件曲率一致，第一弧形件与第二弧形件圆弧角度之和不小于360°，第一弧形件与第二弧形件之间设置有第二连杆，第二连杆的两端分别铰接在第一弧形件与第二弧形件上，实现第一弧形件与第二弧形件之间的传动连接。

作为本发明进一步的方案：第二弧形件长度大于第一弧形件长度设置。

作为本发明进一步的方案：转轴组的轴心点O到第二连杆与第一弧形件铰接点E的距离OE、转轴组的轴心点O到第一连杆与第二弧形件铰接点C的距离OC均不大于第一弧形件与第二弧形件的半径设置。

作为本发明进一步的方案：第一弧形件、第一连杆、第二弧形件、第二连杆沿转轴组的轴向方向错开设置。

作为本发明进一步的方案：第一弧形件与第二弧形件的圆弧外沿处包裹有橡胶轮层。

作为本发明进一步的方案：第一弧形件与第二弧形件为不完全环形结构，第一弧形件的内侧有突出的条形结构焊接至第一转轴上。

作为本发明进一步的方案：第一弧形件与第二弧形件为不完全的盘状结构，盘状结构上开设有与盘体外沿同心的圆弧槽或阵列排布的通孔，第一连杆与第二连杆通过螺丝组件铰接在第一弧形件与第二弧形件的凹槽或通孔内。

作为本发明进一步的方案：第二弧形件远离与第一连杆铰接点的一端的端头处通过螺丝组件固定有向圆心侧弯曲的弧形结构。

有益效果

1.本发明通过两组转轴与电机同时驱动足轮的弧形组件，当两组电机同步运动时，带动形成轮体的足轮转动，机器人处于轮式状态，适用于平坦路面，整体行进速度快，当两组电机进行一定差速运动后就能带动互相连接的足轮连杆与弧形件发生相对位移，改变整体构造，形成足式结构，通过两组电机的角度运转带动足式结构运行，从而带动机器人行进，适用于复杂地形的行进，当两组电机只进行细微差速运动后，足轮弧形件之间细微错开，导至轮体部分形变产生凸起与凹槽形成异型轮体结构，在牺牲部分平稳性与行进速度的前提下提高抓地力，适用于湿滑路面的行进。

2.本发明足轮包括第一弧形件、第一连杆、第二弧形件与第二连杆，第一弧形件与第二弧形件为为不完全环形结构，第一弧形件的内侧有突出的条形结构焊接至第一转轴外沿呈圆弧状的不完全圆形结构，第一弧形件直接焊接在第一转轴的周面上，与第一转轴传动连接沿第一转轴做圆周运动，第二弧形件与焊接在第二转轴上的第一连杆铰接，第一弧形件与第二弧形件之间设置有第二连杆，第二连杆的两端分别铰接在第一弧形件与第二弧形件上，实现第一弧形件与第二弧形件之间的传动连接，通过连接在第二转轴上可沿机身进行转动的第一连杆与第二弧形件与第一连杆的铰接，模拟生物腿部结构的上下肢，提高下肢即第二弧形件的自由度，再由铰接在第二弧形件一侧的第二连杆对第二弧形件进行带动，提高第二弧形件在水平方向的施力效果，提高机器人在水平方向的行进速度，也提高对动力的利用率，降低功耗。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的运动机构驱动示意图。

图3为本发明的足轮结构示意图示意图。

图4为本发明的足轮轮状状态示意图。

图5为本发明的足轮足状状态示意图。

图6为本发明实施例2中的弧形件的结构示意图。

图7为本发明实施例3中的第二弧形件的结构示意图。

图8为本发明的足轮结构受力示意图。

图1-8中：1-机身，2-转向合页，3-数据收集机构，4-运动机构，501-第一驱动电机，502-第二驱动电机，503-传动皮带，6-转轴组，601-第一转轴，602-第二转轴，7-足轮，701-第一弧形件，702-第一连杆，703-第二弧形件，704-第二连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明说明书附图中的图1-图7，对本发明的具体技术方案进行清楚、完整地描述；

请参阅图1-图8，图1为本发明实施例的整体结构示意图；图2为本发明的运动机构驱动示意图；图3为本发明的足轮结构示意图示意图；图4为本发明的足轮轮状状态示意图；图5为本发明的足轮足状状态示意图；图6为本发明实施例2中的弧形件的结构示意图；图7为本发明实施例3中的第二弧形件的结构示意图；图8为本发明的足轮结构受力示意图。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，包括机身1，机身1分为前后两部分，中间通过转向合页2铰接，进行水平面连接角度转动，前侧机身1部分上设置有数据收集机构3，数据收集机构3与机身1铰接进行水平竖直平面的角度转动，其特征在于，机身1的四角分布有通过改变连杆与弧形件连接角度在轮式状态与仿生足式状态切换的运动机构4。

进一步的，如图2、图3所示，运动机构4包括驱动电机、转轴组6与足轮7，机身1的四角转动设置有转轴组6，转轴组6包括第一转轴601与第二转轴602，第一转轴601通过轴承组件转动连接在机身1的一侧，第一转轴601为空心轴，内侧通过轴承组件转动设置有第二转轴602，机身1的内部固定设置有第一驱动电机501与第二驱动电机502，第一驱动电机501、第二驱动电机502的输出轴分别通过传动皮带503与第一转轴601、第二转轴602传动连接带动转轴组6转动，转轴组6的输出端连接有足轮7，足轮7由铰接相连的连杆与弧形件构成；

通过两组转轴与电机同时驱动足轮7组件，当两组电机同步运动时，带动形成轮体的足轮7转动，机器人处于轮式状态，适用于平坦路面，整体行进速度快，当两组电机进行一定差速运动后就能带动互相连接的足轮7连杆与弧形件发生相对位移，改变整体构造，形成足式结构，通过两组电机的角度运转带动足式结构运行，从而带动机器人行进，适用于复杂地形的行进。

其中，如图4所示，足轮7包括第一弧形件701、第一连杆702、第二弧形件703与第二连杆704，第一弧形件701与第二弧形件703为不完全环形结构，第一弧形件701的内侧有突出的条形结构焊接至第一转轴601的周面上，与第一转轴601传动连接沿第一转轴601做圆周运动，第二弧形件703与焊接在第二转轴602上的第一连杆702铰接，第一弧形件701与第二弧形件703曲率一致，第一弧形件701与第二弧形件703圆弧角度之和不小于360°，第一弧形件701与第二弧形件703之间设置有第二连杆704，第二连杆704的两端分别铰接在第一弧形件701与第二弧形件703上，实现第一弧形件701与第二弧形件703之间的传动连接；

通过连接在第二转轴602上可沿机身1进行转动的第一连杆702与第二弧形件703与第一连杆702的铰接，模拟生物腿部结构的上下肢，提高下肢即第二弧形件703的自由度，再由铰接在第二弧形件703一侧的第二连杆704对第二弧形件703进行带动，提高第二弧形件703在水平方向的施力效果，即提高机器人在水平方向的行进速度，也提高对动力的利用率，降低功耗。

具体的，第二弧形件703长度大于第一弧形件701长度设置；通过第二弧形件703与第一弧形件701长度差异的设置，第二弧形件703作为足式结构的组成部分，更长的长度能加长足式结构整体长度，即拉高足式状态的机器人的机身1高度，避免剐蹭，更适合复杂地面的通过。

具体的，转轴组6的轴心点O到第二连杆704与第一弧形件701铰接点E的距离OE、转轴组6的轴心点O到第二连杆704与第二弧形件703铰接点C的距离OC均不大于第一弧形件701与第二弧形件703的半径设置；

通过限制转轴组6的轴心点O到第二连杆704与第一弧形件701铰接点E的距离OE、转轴组6的轴心点O到第一连杆702与第二弧形件703铰接点C的距离OC的长度，限制铰接点范围，避免足轮7处于轮式状态时，第二连杆704处于轮体外侧，保证轮体结构的完整。

具体的，第一弧形件701、第一连杆702、第二弧形件703、第二连杆704沿转轴组6的轴向方向错开设置；

通过错开第一弧形件701、第一连杆702、第二弧形件703、第二连杆704沿转轴组6的轴向位置，使得各组件转动时不会互相抵触，提高了各组件之间相对转动角度的上限，保证了足轮7结构的变化范围最大化。

具体的，第一弧形件701与第二弧形件703的圆弧外沿处包裹有橡胶轮层，增强了足轮7的抓地力与减少机器人行进时对足轮7的磨损，也通过橡胶轮层起到减震作用提高运行时的稳定，延长装置寿命。

在实施本实施例所记载的技术方案时：

根据使用地点的具体地面环境分析，选配不同长度的第一弧形件701、第二弧形件703、第二连杆704与第一连杆702、第二连杆704铰接位置，进行足式结构时上下肢长度的设置与行进时足式结构运动轨迹的规划；

进入实地后，如地面为平整地面环境，驱动第一驱动电机501与第二驱动电机502，通过驱动速度的速度差调整第一弧形件701与第二弧形件703角度，使第一弧形件701与第二弧形件703一同形成完整的轮体结构，之后保持第一驱动电机501与第二驱动电机502的同步运行，机器人处于轮式运转状态，可以保证机器人的最大行进速度；

如地面为湿软地面环境，采用轮式状态行进易发生打滑时，驱动第一驱动电机501与第二驱动电机503，通过驱动速度的速度差调整，第二弧形件703在第一转轴601与第二转轴603的带动下，圆心与第一弧形件701圆心微微错开，导至轮体部分形变产生凸起与凹槽形成异型轮体结构，在牺牲部分平稳性与行进速度的前提下提高抓地力，适用于湿滑路面的行进；

如地面为颠簸路面，机器人无法依靠轮式结构行进时，驱动第一驱动电机501与第二驱动电机503，通过驱动速度的速度差调整第一弧形件701与第二弧形件703角度，使第一连杆702与第二弧形件703展开，形成足式结构的上下肢，分别通过第一驱动电机501与第二驱动电机502带动发生角度偏转，模拟步行行进，同时拉高机身1整体高度，保证机器人的通过率。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：如图6所示，第一弧形件701与第二弧形件703为不完全的盘状结构，盘状结构上开设有与盘体外沿同心的圆弧槽或阵列排布的通孔，第一连杆702与第二连杆704通过螺丝组件铰接在第一弧形件701与第二弧形件703的凹槽或通孔内；

通过第一弧形件701与第二弧形件703圆盘结构的设置，与圆环结构相比，提高了第一弧形件701与第二弧形件703的结构强度，且通过圆盘表面的凹槽或通孔，能对第一连杆702、第二连杆704与第一弧形件701、第二弧形件703的连接位置进行即时调整，改变足轮7足式状态时的高度与运动轨迹，以适应不同的作业环境。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：如图7所示，第二弧形件703远离与第一连杆702铰接点的一端的端头处通过螺丝组件固定有向圆心侧弯曲的弧形结构；

通过第二弧形件703尾端弯曲弧形结构的设置，当足轮7处于仿生足式形态时第二弧形件703整体与竖直方向夹角较小即与地面接触面积小时，能提高第二弧形件703与地面的接触面积，减少接触点处的压强，即在湿软地面时，可以通过加装弧形结构提高足轮7与地面的接触面积，防止足轮7下陷，降低机器人行走难度提高通过率。

Claims (7)

1.一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于，包括：

机身（1），分为前后两部分，中间通过转向合页（2）铰接，进行水平面连接角度转动；

数据收集机构（3），设置在前侧机身（1）上，与机身（1）铰接进行水平竖直平面的角度转动；

运动机构（4），分布在机身（1）的四角，通过改变连杆与弧形件连接角度在轮式状态与仿生足式状态之间进行无极切换；

所述运动机构（4）包括：

转轴组（6），设置在机身（1）的四角，与机身（1）转动连接，转轴组（6）包括第一转轴（601）与第二转轴（602），第一转轴（601）通过轴承组件转动连接在机身（1）的一侧，第一转轴（601）为空心轴，内侧通过轴承组件转动设置有第二转轴（602）；

驱动电机，分为第一驱动电机（501）与第二驱动电机（502），固定在机身（1）的内侧，第一驱动电机（501）、第二驱动电机（502）的输出轴分别通过传动皮带（503）与第一转轴（601）、第二转轴（602）传动连接带动转轴组（6）转动；

足轮（7），连接在转轴组（6）的输出端，由铰接相连的连杆与弧形件构成；

所述足轮（7）包括：

第一弧形件（701），为外沿呈圆弧状的不完全圆形结构，第一弧形件（701）直接焊接在第一转轴（601）的周面上，与第一转轴（601）传动连接沿第一转轴（601）做圆周运动；

第一连杆（702），焊接在第二转轴（602）的周面上，长度与第一弧形件（701）半径相同；

第二弧形件（703），为外沿呈圆弧状的不完全圆形结构，与焊接在第二转轴（602）上的第一连杆（702）铰接，与第一弧形件（701）曲率一致，第一弧形件（701）与第二弧形件（703）圆弧角度之和不小于360°；

第二连杆（704），设置在第一弧形件（701）与第二弧形件（703）之间，第二连杆（704）的两端分别铰接在第一弧形件（701）与第二弧形件（703）上，进行第一弧形件（701）与第二弧形件（703）之间的传动连接；所述第二弧形件（703）长度大于第一弧形件（701）长度设置。

2.根据权利要求1所述的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于：所述转轴组（6）的轴心点O到第二连杆（704）与第一弧形件（701）铰接点E的距离OE、转轴组（6）的轴心点O到第一连杆（702）与第二弧形件（703）铰接点C的距离OC均不大于第一弧形件（701）与第二弧形件（703）的半径设置。

3.根据权利要求1所述的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于：所述第一弧形件（701）、第一连杆（702）、第二弧形件（703）、第二连杆（704）沿转轴组（6）的轴向方向错开设置。

4.根据权利要求1所述的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于：所述第一弧形件（701）与第二弧形件（703）的圆弧外沿处包裹有橡胶轮层。

5.根据权利要求1所述的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于：所述第一弧形件（701）与第二弧形件（703）为不完全环形结构，第一弧形件（701）的内侧有突出的条形结构焊接至第一转轴（601）上。

6.根据权利要求1所述的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于：所述第一弧形件（701）与第二弧形件（703）为不完全的盘状结构，盘状结构上开设有与盘体外沿同心的圆弧槽或阵列排布的通孔，第一连杆（702）与第二连杆（704）通过螺丝组件铰接在第一弧形件（701）与第二弧形件（703）的凹槽或通孔内。

7.根据权利要求1所述的一种用于获取空间三维数据的四足机器人，其特征在于：所述第二弧形件（703）远离与第一连杆（702）铰接点的一端的端头处通过螺丝组件固定有向圆心侧弯曲的弧形结构。

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