CN114084244A - 仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，具有爬行和滚动两种状态，包括：主躯体，用于载装；足腿行进结构，安装在所述主躯体上，并能够带动主躯体向任意方位爬行；撑足结构，安装在所述主躯体上，并能够使机器人在爬行状态和滚动状态之间切换；蹬腿结构，安装在所述主躯体底端，并能够驱动机器人进行滚动，本发明通过综合了轮式机器人和腿式机器人的优点，使此一体式的机器人既有腿式机器人的仿生行走的运动方式，具有较好的环境适应性，能应对复杂的地形结构，又有轮式机器人的翻滚且是整机翻滚的运动方式，移动速度快，灵活性好的优点。

Description

仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体地，涉及一种仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人。

背景技术

仿生机器人是近来的研究热点，自然界中许多生物拥有特殊的能力，模仿其结构和运动方式应用于机器人能获得更优异的性能。比如普通轮式机器人运动速度快，灵活性好，但适用场景结构单一；而仿生物行走的腿式机器人具有更好的环境适应性，能应对复杂的地形结构。将两种结构结合的轮腿一体式机器人，兼具两种运动方式的优点。

沙漠中存在一种名为摩洛哥后翻蜘蛛的生物，平时采用八足行走的方式运动，而在遭遇天敌时会采用翻滚的运动方式逃走。相较于行走，这种整个身体的翻滚运动会有更快的速度和更高的灵活性。目前大多轮腿一体式机器人的设计为行走腿的底部安装轮子，或将驱动轮设计为非圆形以实现适应复杂地形的行走功能，少有模仿摩洛哥后翻蜘蛛的运动方式，通过结构设计使机械腿部通过变形，既能实现仿生物的行走、又能实现滚动而且是整机滚动的案例；

专利文献CN202021380838.5公开了一种在平坦地面可快速移动的蜘蛛机器人，通过蜘蛛腿的设计，使此蜘蛛机器人的通过不同存在微量高度差的地形上进行通行，虽然此蜘蛛机器人可在不同的地形上进行移动，但是在各种复杂的环境中的通过性较差，可能导致此蜘蛛机器人的实用性降低，同时此蜘蛛机器人在一定的环境下有很大的局限性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人。

根据本发明提供的一种仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，具有爬行和滚动两种状态，包括：

主躯体，用于载装；

足腿行进结构，安装在所述主躯体上，并能够带动主躯体向任意方位爬行；

撑足结构，安装在所述主躯体上，并能够使机器人在爬行状态和滚动状态之间切换；

蹬腿结构，安装在所述主躯体底端，并能够驱动机器人进行滚动；

优选的，所述足腿行进结构包括驱动齿轮，所述驱动齿轮安装在足腿行进结构的顶端两侧，所述驱动齿轮的底端均设置有从动齿轮，所述从动齿轮的一端安装有驱动杆，所述驱动杆的一侧安装有连接杆，所述连接杆的中间位置处活动连接有连动杆，所述连接杆的一侧安装有弧形足，所述弧形足的顶端活动连接有连杆，所述驱动齿轮与从动齿轮之间呈相互啮合，所述从动齿轮在驱动齿轮的中心线上呈对称分布；

优选地，所述弧形足在主躯体的四个拐角处设置有四组，且四组弧形足在主躯体的中心线上呈对称分布；

优选地，所述撑足结构的内部包括弧形撑足，所述弧形撑足的底端安装有套筒，所述套筒设置在主躯体两侧的中间位置处，所述套筒的底端固定连接有可动锥齿轮，所述可动锥齿轮的一侧安装有固定锥齿轮，所述固定锥齿轮一侧的表面安装有短形连接片，所述短形连接片的一端安装有支杆，所述支杆的一侧安装有对接杆，所述主躯体底端的另一侧设置有涡轮蜗杆机构，所述对接杆的一端安装有涡轮，所述涡轮的顶端设置有蜗杆，所述主躯体的底端设置有主体上盘；

优选地，所述短形连接片、支杆和对接杆之间呈联动结构，所述固定锥齿轮一端的杆体贯穿套筒，并与短形连接片相连接；

优选地，所述套筒在主躯体的中心线上呈对称分布，所述套筒与可动锥齿轮之间呈翻转结构；

优选地，所述主体上盘的底端设置有主体下盘，所述主体下盘的中间位置处安装有中空轴，所述中空轴的表面安装有大齿轮，所述大齿轮的一侧活动连接有偶驱动小齿轮，所述驱动小齿轮的中间位置处安装有转轴，所述大齿轮的半径大于驱动小齿轮，所述中空轴的顶端贯穿并延伸至主躯体的外部；

优选地，所述蹬腿结构包括滑槽，所述滑槽设置在主体上盘底端，所述滑槽的内部安装有滑动轴所述滑动轴的底端活动连接有支腿组件，所述支腿组件的一侧活动连接有连接组件，所述连接组件的一侧活动连接有蹬足腿，所述支腿组件另一侧的中间位置处设置有滚轴，所述主躯体顶端的一侧安装有不完全齿轮组；

优选地，所述不完全齿轮组包括滚轮，所述滚轮活动连接在主躯体顶端一侧的安装片中，所述滚轮的一端安装有完全齿轮，所述完全齿轮的一侧活动连接有不完全齿轮；

优选地，所述滑动轴与滑槽之间呈滑动结构；

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过综合了轮式机器人和腿式机器人的优点，使此一体式的机器人既有腿式机器人的仿生行走的运动方式，具有较好的环境适应性，能应对复杂的地形结构，又有轮式机器人的翻滚且是整机翻滚的运动方式，移动速度快，灵活性好的优点；

2、本发明通过各种传动结构的联动，将机械结构进行了优化，同时也简化了电路的控制，然后利用少量的电机便可实现此一体式的机器人的行走、转向和翻滚等功能，使控制更加简单；

3、本发明通过利用各种活动连杆的连接，使各种足腿的自由度进行提升，进而更加贴合了仿生学的设计，同时多组活动连杆的安装，将此一体式机器人在后期的维修保养上可以分段式拆卸，这样既节约了维修时的损耗，还提升了维修时的速率；

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的主体结构示意图；

图2为本发明的足腿行进结构的侧视结构示意图；

图3为本发明的上下盘两面展开结构示意图；

图4为本发明的蹬腿结构示意图；

图5为本发明的不完全齿轮组的放大结构示意图；

图6为本发明的撑足结构示意图；

图7为本发明的撑足结构侧视结构示意图；

图8为本发明的撑足结构放下后的结构示意图；

图9为本发明的蹬腿结构的展开结构示意图；

图10为本发明的足腿行进结构的形态变化侧视结构示意图；

图11为本发明的转向运动时撑足结构的形态变化图结构示意图。

图中示出：101、主躯体；102、足腿行进结构；201、驱动齿轮；202、从动齿轮；203、驱动杆；204、连接杆；205、连动杆；206、连杆；207、弧形足；103、撑足结构；601、弧形撑足；602、套筒；603、固定锥齿轮；604、可动锥齿轮；605、短形连接片；606、支杆；607、对接杆；104、涡轮蜗杆机构；608、涡轮；609、蜗杆；105、蹬腿结构；402、滑槽；403、支腿组件；404、连接组件；405、蹬足腿；406、滚轴；407、滑动轴；106、不完全齿轮组；501、不完全齿轮；502、完全齿轮；503、滚轮；301、主体上盘；302、主体下盘；303、中空轴；304、大齿轮；305、驱动小齿轮；306、转轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了：一种仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，具有爬行和滚动两种状态，包括：主躯体101，用于载装；

足腿行进结构102，安装在主躯体101上，并能够带动主躯体101向任意方位爬行，足腿行进结构102包括驱动齿轮201，驱动齿轮201安装在足腿行进结构102的顶端两侧，驱动齿轮201的底端均设置有从动齿轮202，从动齿轮202的一端安装有驱动杆203，驱动杆203的一侧安装有连接杆204，连接杆204的中间位置处活动连接有连动杆205，连接杆204的一侧安装有弧形足207，弧形足207的顶端活动连接有连杆206，驱动齿轮201与从动齿轮202之间呈相互啮合，从动齿轮202在驱动齿轮201的中心线上呈对称分布，弧形足207在主躯体101的四个拐角处设置有四组，且四组弧形足207在主躯体101的中心线上呈对称分布；

通过驱动齿轮201和从动齿轮202组成的齿轮组，可利用单个电机就可带动两个弧形足207进行移动，同时两个电机的工作便可完成此机器人的整体移动，进而优化了机器人的行走，从而简便了电路的控制；

撑足结构103，安装在主躯体101上，并能够使机器人在爬行状态和滚动状态之间切换，撑足结构103的内部包括弧形撑足601，弧形撑足601的底端安装有套筒602，套筒602设置在主躯体101两侧的中间位置处，套筒602的底端固定连接有可动锥齿轮604，可动锥齿轮604的一侧安装有固定锥齿轮603，固定锥齿轮603一侧的表面安装有短形连接片605，短形连接片605的一端安装有支杆606，支杆606的一侧安装有对接杆607，主躯体101底端的另一侧设置有涡轮蜗杆机构104，对接杆607的一端安装有涡轮608，涡轮608的顶端设置有蜗杆609，主躯体101的底端设置有主体上盘301，短形连接片605、支杆606和对接杆607之间呈联动结构，固定锥齿轮603一端的杆体贯穿套筒602，并与短形连接片605相连接，套筒602在主躯体101的中心线上呈对称分布，主体上盘301的底端设置有主体下盘302，主体下盘302的中间位置处安装有中空轴303，中空轴303的表面安装有大齿轮304，大齿轮304的一侧活动连接有偶驱动小齿轮305，驱动小齿轮305的中间位置处安装有转轴306，大齿轮304的半径大于驱动小齿轮305，中空轴303的顶端贯穿并延伸至主躯体101的外部；

利用弧形撑足601的状态的改变，可将主躯体101能够进行转向和翻滚的形态的切换，进而满足此机器人在不同路面的状态下进行通行，具有较好的环境适应性，能应对复杂的地形结构；

蹬腿结构105，安装在主躯体101底端，并能够驱动机器人进行滚动，蹬腿结构105包括滑槽402，滑槽402设置在主体上盘301底端，滑槽402的内部安装有滑动轴407滑动轴407的底端活动连接有支腿组件403，支腿组件403的一侧活动连接有连接组件404，连接组件404的一侧活动连接有蹬足腿405，支腿组件403另一侧的中间位置处设置有滚轴406，主躯体101顶端的一侧安装有不完全齿轮组106，不完全齿轮组106包括滚轮503，滚轮503活动连接在主躯体101顶端一侧的安装片中，滚轮503的一端安装有完全齿轮502，完全齿轮502的一侧活动连接有不完全齿轮501，滑动轴407与滑槽402之间呈滑动结构；

通过蹬腿结构105将此机器人进行驱动翻滚，而此机器人有着腿式机器人的行走和便捷，又有轮式机器人的翻滚且是整机翻滚的运动方式，移动速度快，灵活性好的优点；

本发明的工作原理如下：

行走功能：由弧形足207驱动，每条腿都只需要一个旋转驱动，每侧的两条弧形足207各自的旋转驱动通过一个驱动齿轮201和从动齿轮202组成的齿轮组传动，最终由每侧各一个电机来单独驱动齿轮201即可，当驱动杆203被驱动齿轮201和从动齿轮202的齿轮组带动之后，在杆驱动杆203、连接杆204、连动杆205和弧形足207组成的平面连杆机构中作为原动件使之发生变形、实现行走，只要根据四足交错爬行而事先确定好各自的相位差。正常行走时，每侧两条腿的相位差为180°，左前腿和右后腿、左后腿和右前腿的相位是一致的。等到需要翻滚时，控制其中一侧的电机旋转，使该侧的两条腿的相位变化180°，从而与另一侧的两条腿对称，方便翻滚；

翻滚功能：翻滚时，两侧的弧形撑足601保持收起来的状态，经过两侧四条行走足的相位调整，此时每侧的两条行走足和一条撑足从侧面观察构成了一个不完整的圆弧接地的那部分圆弧缺失，这样就方便向前翻滚，蹬腿结构中，滑动轴407卡在滑槽402里的那一端被细绳牵引，细绳从下面绕过滚轴406，通过躯体主体上盘301和主体下盘302的中空轴303轴中预留的空隙，由下往上穿过，最后固定在主体下盘302顶端不完全齿轮组106内部的滚轮503上。当与滚轮503固定的完全齿轮502被不完全齿轮501带动的时候，滚轮503将细绳收紧，滑槽402、支腿组件403、连接组件404、蹬足腿405组成的蹬腿结构在细绳的牵引下展开，对地面发生干涉，从而将原本像个滚筒一样扣在地面上的整个结构向前推动，实现翻滚的效果。当不完全齿轮501转到光滑的一段时，完全齿轮回转就没有阻力，在弹簧的作用下，细绳被收回，蹬腿结构105又变回了收缩的状态；

转向功能：转向过程为弧形撑足601放下支撑起主体，同时主躯体101的主体上盘301相对于主体下盘302进行旋转，再将弧形撑足601收回，使四足再接触地面，主躯体101分为主体上盘301和主体下盘302，主体上盘301包括四组弧形足207和不完全齿轮组106，负责前进和后退，主体下盘302包括两条弧形撑足601、涡轮蜗杆机构104和蹬腿结构105，负责旋转前将整体撑起，以及需要翻滚时提供驱动力。在正常行走时，弧形足207将整个身体支撑起来，而弧形撑足601是收起来的，弧形撑足601的足尖指向前进的反方向，需要旋转时，蜗杆609作为原动件涡轮608，涡轮608与对接杆607固定，对接杆607与支杆606、短形连接片605组成的连杆机构，而短形连接片605与套筒602固定，所以蜗杆609转动即可带动套筒602旋转，即撑足根部的套筒602相对于躯体旋转90°，从竖直状态旋转为水平状态，同时，套筒602内的弧形撑足601可以相对于套筒602旋转，在套筒602放下的过程中，弧形撑足601在固定锥齿轮603和可动锥齿轮604的联动下也相对于套筒602发生旋转，足尖的方向从指向前进的反方向变为指向地面，从而将整体支撑起来，使弧形足207离开地面；接着依靠躯体上盘301和躯体下盘302之间的大齿轮304和驱动小齿轮305相互组合的齿轮组，实现两者的相对旋转，使躯体上盘301的弧形足207前进方向发生改变，再将弧形撑足601收上去，使行走的弧形足207落地，然后使主体上盘301和主体下盘302朝反方向再旋转使其回到原位，这样就实现了整体的转向。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，具有爬行和滚动两种状态，包括：

主躯体(101)，用于载装；

足腿行进结构(102)，安装在所述主躯体(101)上，并能够带动主躯体(101)向任意方位爬行；

撑足结构(103)，安装在所述主躯体(101)上，并能够使机器人在爬行状态和滚动状态之间切换；

蹬腿结构(105)，安装在所述主躯体(101)底端，并能够驱动机器人进行滚动。

2.根据权利要求1所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述足腿行进结构(102)包括驱动齿轮(201)，所述驱动齿轮(201)安装在足腿行进结构(102)的顶端两侧，所述驱动齿轮(201)的底端均设置有从动齿轮(202)，所述从动齿轮(202)的一端安装有驱动杆(203)，所述驱动杆(203)的一侧安装有连接杆(204)，所述连接杆(204)的中间位置处活动连接有连动杆(205)，所述连接杆(204)的一侧安装有弧形足(207)，所述弧形足(207)的顶端活动连接有连杆(206)，所述驱动齿轮(201)与从动齿轮(202)之间呈相互啮合，所述从动齿轮(202)在驱动齿轮(201)的中心线上呈对称分布。

3.根据权利要求2所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述弧形足(207)在主躯体(101)的四个拐角处设置有四组，且四组弧形足(207)在主躯体(101)的中心线上呈对称分布。

4.根据权利要求1所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述撑足结构(103)的内部包括弧形撑足(601)，所述弧形撑足(601)的底端安装有套筒(602)，所述套筒(602)设置在主躯体(101)两侧的中间位置处，所述套筒(602)的底端连接有可动锥齿轮(604)，所述可动锥齿轮(604)的一侧安装有固定锥齿轮(603)，所述固定锥齿轮(603)的一侧安装有短形连接片(605)，所述短形连接片(605)的一端安装有支杆(606)，所述支杆(606)的一侧安装有对接杆(607)，所述主躯体(101)底端的另一侧设置有涡轮蜗杆机构(104)，所述对接杆(607)的一端安装有涡轮(608)，所述涡轮(608)的顶端设置有蜗杆(609)，所述主躯体(101)的底端设置有主体上盘(301)。

5.根据权利要求4所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述短形连接片(605)、支杆(606)和对接杆(607)之间呈联动结构，所述固定锥齿轮(603)一端的杆体贯穿套筒(602)，并与短形连接片(605)相连接。

6.根据权利要求4所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述套筒(602)在主躯体(101)的中心线上呈对称分布。

7.根据权利要求1所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述主体上盘(301)的底端设置有主体下盘(302)，所述主体下盘(302)的中间位置处安装有中空轴(303)，所述中空轴(303)的表面安装有大齿轮(304)，所述大齿轮(304)的一侧活动连接有偶驱动小齿轮(305)，所述驱动小齿轮(305)的中间位置处安装有转轴(306)，所述大齿轮(304)的半径大于驱动小齿轮(305)，所述中空轴(303)的顶端贯穿并延伸至主躯体(101)的外部。

8.根据权利要求1所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述蹬腿结构(105)包括滑槽(402)，所述滑槽(402)设置在主体上盘(301)底端，所述滑槽(402)的内部安装有滑动轴(407)所述滑动轴(407)的底端活动连接有支腿组件(403)，所述支腿组件(403)的一侧活动连接有连接组件(404)，所述连接组件(404)的一侧活动连接有蹬足腿(405)，所述支腿组件(403)另一侧的中间位置处设置有滚轴(406)，所述主躯体(101)顶端的一侧安装有不完全齿轮组(106)。

9.根据权利要求8所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述不完全齿轮组(106)包括滚轮(503)，所述滚轮(503)活动连接在主躯体(101)顶端一侧的安装片中，所述滚轮(503)的一端安装有完全齿轮(502)，所述完全齿轮(502)的一侧活动连接有不完全齿轮(501)。

10.根据权利要求8所述的仿蜘蛛的轮腿一体式的机器人，其特征在于，所述滑动轴(407)与滑槽(402)之间呈滑动结构。

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