CN114590337B - 一种轮足复合式机器人轮式运动系统及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮足复合式机器人轮式运动系统及机器人。所述轮式运动系统包括：行进组件(1)、转向组件(2)和收放组件(3)；所述行进组件(1)与转向组件(2)连接，提供行进驱动力；所述转向组件(1)安装于收放组件(2)，带动行进组件(1)相对机身旋转；所述收放组件(2)安装于机器人机身(4)下腹部，收起和放下行进组件(1)和转向组件(2)，实现足式和轮式运动形态的切换。本发明为轮足复合式机器人轮式运动系统提供了一种解决方案，一方面将轮式运动部件从腿部分离，降低腿部运动惯量，有助于足式运动性能和能耗效率的提升，另一方面轮式运动部件设计不再受限于腿部空间，有助于轮式运动性能和负载能力的提升。

Description

一种轮足复合式机器人轮式运动系统及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种轮足复合式机器人轮式运动系统及轮足复合式机器人。

背景技术

移动机器人根据运动方式主要分为轮式与足式等，其中，轮式机器人具有结构简单、控制方便、运动效率高的特点，因此常被应用于平坦的地形环境，但受其轮毂结构的限制，往往越障能力和适应性较差；足式机器人则具有较强的环境适应能力，可应用于复杂的极端环境，然而其类腿结构存在行走速度慢、能耗高等问题。随着科技进步和社会发展，上述单一运动模式的移动机器人已满足不了人们生产生活的需要，为弥补轮式和足式机器人的缺陷，轮足复合式机器人应运而生。

相关技术中主要提供了两种轮足复合方案，一种是在机器人腿部膝关节或足端安装轮式运动系统，增加了腿部的结构复杂程度和转动惯量，从而降低了运动性能并且增加能耗，同时轮式运动系统设计受限于腿部空间，车轮等部件尺寸、传动形式等的设计难以发挥轮式运动系统的运动性能和负载能力；另一种在机器人腹部安装类似AGV车的全向轮系统，占据较多的机器人下腹部空间，影响足式运动形态的越障性能，同时具备转向功能的全向轮精准转向通常依赖坚硬平滑的路面，难以适应野外场景下的负载路况。因此，需要提供一种对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮足复合式机器人轮式运动系统及轮足复合式机器人，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

根据本发明的一个方面，提供了一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于，所述轮式运动系统包括：行进组件、转向组件和收放组件；

所述行进组件与转向组件连接，为机器人轮式运动提供驱动力；所述转向组件安装于收放组件上，用于带动所述行进组件相对机器人机身旋转；所述收放组件安装在所述轮足复合式机器人机身下腹部，用于收起和放下所述行进组件和转向组件，实现机器人足式和轮式运动形态的切换；

所述行进组件包括轮毂、轮毂支架和下联轴器。所述轮毂中集成有驱动电机，提供行进驱动力，所述轮毂支架用于连接和支撑所述轮毂，所述下联轴器用于连接所述行进组件和转向组件；

所述轮毂可选用全向轮，用于室内坚硬平滑地面精准灵活转向，也可选用高负载，强越野性车轮，用于野外松软起伏路面；

所述转向组件包括长轴、转向电机支架、转接板、转向电机和上联轴器。所述长轴两端分别通过过盈方式与上联轴器和行进组件中的下联轴器固连，所述转向电机通过转向电机支架安装在收放组件中的双法兰轴承座上，所述转接板通过螺钉将与长轴固连的上联轴器和转向电机进行连接。通过以上安装，转向电机可带动行进组件相对机器人机身旋转，实现转向功能；

在本发明的一个可选实施例中，所述转向组件可以不安装，转向功能通过并排布置的两组行进组件，以轮毂差速转动的方式实现；

所述收放组件包括双法兰轴承座、上滑动轴承、下滑动轴承、铰链基座、关节轴承、中间连杆、主动连杆、收放电机轴承座、滚动轴承等。所述收放组件原理上可简化为一个四连杆机构，所述收放电机轴承座和铰链基座固定安装在机器人机身上，作为第一连杆；所述主动连杆作为第二连杆，与收放电机相连，所述主动连杆两端通过滚动轴承分别与所述收放电机轴承座和中间连杆形成转动副；所述中间连杆作为第三连杆，其两端同样通过滚动轴承分别与所述主动连杆和双法兰轴承座形成转动副；所述双法兰轴承座和关节轴承装配后可作为第四连杆，关节轴承与铰链基座形成转动副，双法兰轴承座与中间连杆形成转动副。所述上滑动轴承和下滑动轴承通过过盈方式安装在双法兰轴承座中，用于对转向组件中的长轴提供周向约束和支撑力，同时下滑动轴承端面提供轴向约束和将地面施加的支撑力传递到整体结构中，避免支撑力传递给转向电机，起到保护转向电机的作用；

所述收放组件在收放电机驱动主动杆将行进组件放下，达到轮式运动形态时，中间连杆和主动连杆夹角呈180°，形成四连杆机构的一个死点位形，此时轮毂所受地面摩擦力作为机构的主动力无法使连杆之间相互运动，使得机构保持轮式运动形态；

根据本发明的另一方面，提供了轮足复合式机器人，所述轮足复合式机器人包括如上所述的轮式运动系统；

在本发明的一个可选实施例中，在机器人处于轮式运动形态下，该机器人机身下腹部位置可安装有N套轮式运动系统，在机器人的多条腿部布置从动轮来配合轮式运动系统保持平衡；

所述N套轮式运动系统，其中N≥1，即包含1套、2套、3套、4套或多套轮式运动系统，可以根据轮式运动性能、负载能力和布置空间的要求等进行选择；

本机器人可以通过安装多套轮式运动系统和搭配在多条腿部布置的从动轮，实现机器人轮式运动形态下的行进、转向以及轮式运动形态和足式运动形态的切换。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明将轮式运动系统从腿部分离，降低了足式运动形态时腿部运动惯量，有助于机器人足式运动性能和能耗效率的提升。

(2)本发明的轮式运动系统设计不再受限于腿部空间，有助于设计高运动性能和高负载能力的机器人轮式运动系统。

(3)本发明的轮式运动系统具备行进、转向和收放三项功能，并且行进、转向和收放组件相对解耦，可以根据场景使用需求快速选装。行进组件中可选择全向轮在室内路面使用，也可选用高负载，强越野性车轮在野外使用；转向组件既可为行进组件在野外使用时提供精准转向，又可在行进组件选用全向轮在室内使用时不安装，降低轮式运动系统重量；收放组件在机器人切换至足式运动形态时最大化收起轮式运动系统，节省机器人下腹部空间占用，提升机器人足式运动形态时的越障高度。

(4)本发明的收放组件巧妙运用了四连杆机构的死点位形，避免增加冗余的轮式运动状态的锁定机构。

附图说明

图1为本发明一个示例性实施例提供的轮足复合式机器人轮式运动系统的立体图

图2为本发明一个示例性实施例提供的行进组件示意图

图3为本发明一个示例性实施例提供的转向组件示意图

图4为本发明一个示例性实施例提供的收放组件示意图

图5为本发明一个示例性实施例提供的轮式运动系统的爆炸立体图

图6为本发明一个示例性实施例提供的机器人在足式运动形态下的示意图

图7为本发明一个示例性实施例提供的的机器人在轮式运动形态下的示意图

附图标记如下：

1-行进组件、11-轮毂、12 轮毂支架、13 下联轴器

2-转向组件、21-长轴、22-转向电机支架、23-上联轴器、24-连接板、25-转向电机

3-收放组件、31-关节轴承、32-铰链基座、33-主动连杆、34-滚动轴承、35-收放电机轴承座、36-收放电机、37-中间连杆、38-双法兰轴承座、39-下滑动轴承、310-上滑动轴承

4-机器人机身

5-腿部系统

6-从动轮

具体实施方案

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步介绍，以充分理解本发明的目的、方案和效果。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。此外本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对图中本发明各组成部分相互位置关系来说的。

图1示出了本发明一个示例性实施例提供的轮足复合式机器人轮式运动系统的示意图，该轮式运动系统包括：行进组件(1)、转向组件(2)和收放组件(3)；

行进组件(1)与转向组件(2)连接，为机器人轮式运动提供驱动力；转向组件(2)安装于收放组件(3)上，用于带动行进组件(1)相对机器人机身旋转；收放组件(3)安装于轮足复合式机器人机身下腹部，用于收起和放下行进组件(1)和转向组件(2)，实现机器人足式和轮式运动形态的切换。

图2为本发明一个示例性实施例提供的行进组件(1)示意图，包括轮毂(11)、轮毂支架(12)和下联轴器(13)。轮毂(11)中集成有驱动电机，提供行进驱动力，轮毂支架(12)连接和支撑轮毂(11)，下联轴器(13)连接所述行进组件(1)和转向组件(2)；

在一些实施例中，轮毂(11)可选用全向轮，用于室内坚硬平滑地面精准灵活转向，也可选用高负载，强越野性车轮，用于野外松软起伏路面。

图3为本发明一个示例性实施例提供的转向组件(2)示意图，转向组件(2)包括长轴(21)、转向电机支架(22)、上联轴器(23)、转接板(24)和转向电机(25)。长轴(21)上下两端分别通过过盈方式与上联轴器(23)和行进组件(1)中的下联轴器(11)固连，转向电机(25)通过转向电机支架(22)安装在收放组件(3)中的双法兰轴承座(38)上端，转接板(24)通过螺钉将与长轴(21)固连的上联轴器(23)和转向电机(25)连接；

一些实施例中，转向组件可以不安装，转向功能通过并排布置的两组所述行进组件，以轮毂(11)差速转动的方式实现。

图4为本发明一个示例性实施例提供的收放组件(3)示意图，收放组件(3)包括关节轴承(31)、铰链基座(32)、主动连杆(33)、滚动轴承(34)、收放电机轴承座(35)、收放电机(36)、中间连杆(37)、双法兰轴承座(38)、下滑动轴承(39)、上滑动轴承(310)等；

所述收放组件(3)作为一个四连杆机构，收放电机轴承座(36)和铰链基座(32)固定安装在机器人机身上，作为第一连杆，长度记为a；主动连杆(33)作为第二连杆长度记为b，与收放电机(36)相连，主动连杆(33)两端通过滚动轴承分别与收放电机轴承座(35)和中间连杆(37)形成转动副；中间连杆作为第三连杆，长度记为c，其两端同样通过滚动轴承分别与主动连杆(33)和双法兰轴承座(38)形成转动副；双法兰轴承座(38)和关节轴承(31)装配后作为第四连杆，长度记为d，关节轴承(31)与铰链基座(32)形成转动副，双法兰轴承座(38)下端轴承孔与中间连杆(37)形成转动副；

上滑动轴承(310)和下滑动轴承(39)通过过盈配合安装在双法兰轴承座(38)中，用于转向组件(2)中的长轴(21)提供周向约束和支撑力，同时下滑动轴承(39)端面提供轴向约束和将地面施加的支撑力传递到机器人整体结构中，避免支撑力传递给转向电机(25)，起到保护电机的作用。

综上所述，如图4中的轮式运动系统的工作原理为：收放组件(3)的收放电机驱动主动连杆(33)做瞬时针转动时，收放组件中形成的四连机构在第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆间转动副形成的约束下，其中所第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的长度参数满足a∶(b+c)∶d＝4∶5∶3时，按照设计的运动轨迹将行进组件(1)和转向组件(2)放下，在达到轮式运动形态时，中间连杆(37)和主动连杆(33)夹角呈180°，形成所述四连杆机构的一个死点位形；此时行进组件(1)中的轮毂(11)集成的电机提供驱动力，带动机器人以轮式运动方式行进，转向组件(2)中的转向电机(25)通过转接板(24)、上联轴器(23)、长轴(21)带动行进组件绕机身旋转，实现转向，四连杆机构在此死点位形下，行进组件中(1)的轮毂(11)所受地面摩擦力作为机构的主动力无法使连杆之间相互运动，使得机构保持轮式运动形态，而无须多余的锁定机构来保持轮式运动形态；收放组件(3)的收放电机驱动主动连杆(33)做逆时针转动时，所述收放电机(36)驱动所述主动杆(33)将所述行进组件(1)最大化收起，节省机器人下腹部空间占用，提升机器人足式运动形态时的越障高度。

图6和图7分别示出了本发明一个示例性实施例提供的机器人在足式运动和轮式运动形态下的示意图。机器人安装有四条腿部系统(5)，其中在两条腿部系统(5)上分别安装有一个从动轮(6)，在机器人机身(4)下腹部并列安装有两套轮式运动系统。

在机器人处于足式形态时，轮式运动系统的收放组件(3)将行进组件(1)和转向组件(2)收起；在机器人处于轮式运动形态时，轮式运动系统收放组件(3)将行进组件(1)和转向组件(2)放下至上述死点位形处，安装有从动轮(6)的腿部系统调整使从动轮(6)着地，配合轮式运动系统使机器人保持平衡。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于，所述轮式运动系统包括：行进组件（1）、转向组件（2）和收放组件（3）；

所述行进组件（1）与转向组件（2）连接，为机器人轮式运动形态提供驱动力；所述转向组件（2）安装于收放组件（3）上，用于带动所述行进组件（1）相对机器人机身旋转；所述收放组件（3）安装于所述轮足复合式机器人机身下腹部，用于收起和放下所述行进组件（1）和转向组件（2），实现机器人足式和轮式运动形态的切换；所述行进组件（1）包括轮毂（11）、轮毂支架（12）和下联轴器（13）；所述轮毂（11）中集成有驱动电机，所述轮毂支架（12）用于连接和支撑所述轮毂（11），所述下联轴器（13）用于连接所述行进组件（1）和转向组件（2）；所述收放组件（3）作为一个四连杆机构，包括关节轴承（31）、铰链基座（32）、主动连杆（33）、滚动轴承（34）、收放电机轴承座（35）、收放电机（36）、中间连杆（37）、双法兰轴承座（38）、下滑动轴承（39）、上滑动轴承（310）；所述收放电机轴承座（35）和铰链基座（32）固定安装在机器人机身上，作为第一连杆，长度记为a；所述主动连杆（33）作为第二连杆，长度记为b，与收放电机（36）相连，所述主动连杆（33）两端通过滚动轴承分别与所述收放电机轴承座（35）和中间连杆（37）形成转动副；所述中间连杆作为第三连杆，长度记为c，其两端同样通过滚动轴承分别与所述主动连杆（33）和双法兰轴承座（38）形成转动副；所述双法兰轴承座（38）和关节轴承（31）装配后作为第四连杆，长度记为d，所述关节轴承（31）与铰链基座（32）形成转动副，双法兰轴承座（38）下端轴承孔与中间连杆（37）形成转动副；所述的收放组件（3）中的收放电机（36）驱动所述主动连杆（33）将所述行进组件（1）放下达到轮式运动形态时，所述中间连杆（37）和主动连杆（33）夹角呈180°，形成四连杆机构的一个死点位形，此时所述轮毂（11）所受地面摩擦力作为机构的主动力无法使各连杆之间相互运动，使得机构无须额外的锁定机构即可保持轮式运动形态。

2.根据权利要求1所述的一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于，所述行进组件（1）的轮毂（11）包括两种方案：方案一使用全向轮，用于室内坚硬平滑地面精准灵活转向，方案二使用高负载，强越野性车轮，用于野外松软起伏路面。

3.根据权利要求2所述的一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于，所述转向组件（2）包括长轴（21）、转向电机支架（22）、上联轴器（23）、转接板（24）和转向电机（25）；所述长轴（21）两端分别通过过盈配合与所述上联轴器（23）和所述行进组件（1）中的下联轴器（13）固连，所述转向电机（25）通过所述转向电机支架（22）安装在所述收放组件（3）中的双法兰轴承座（38）上端，所述转接板（24）通过螺钉将与所述长轴（21）固连的上联轴器（23）和转向电机（25）进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于，关于转向组件（2）的使用，包括两种方案：方案一安装所述转向组件（2），可带动所述行进组件（1）相对所述机器人机身旋转，实现转向功能；方案二不安装所述转向组件（2），转向功能通过并排布置的两组所述行进组件，以轮毂（11）差速转动的方式实现。

5.根据权利要求3所述的一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于：所述的收放组件（3）的上滑动轴承（310）和下滑动轴承（39）通过过盈配合安装在所述双法兰轴承座（38）中，用于所述转向组件（2）中的长轴（21）提供周向约束和支撑力；同时所述下滑动轴承（39）端面提供轴向约束和将地面施加的支撑力传递到所述机器人整体结构中，避免支撑力直接传递给所述转向电机（25），起到保护电机的作用。

6.根据权利要求1所述的一种轮足复合式机器人轮式运动系统，其特征在于，所述的收放组件（3）的收放电机（36）驱动主动杆（33）将行进组件（1）放下，并达到轮式运动形态时，所述中间连杆（37）和主动连杆（33）夹角呈180°，形成四连杆机构的一个死点位形，此时所述轮毂（11）所受地面摩擦力作为机构的主动力无法使连杆之间相互运动，使得机构保持轮式运动形态；在所述轮足复合式机器人切换至足式运动形态时，所述收放电机（36）驱动所述主动杆（33）将所述行进组件（1）最大化收起，节省机器人下腹部空间占用，提升机器人足式运动形态时的越障高度。

7.一种轮足复合式机器人，其特征在于，所述轮足复合式机器人包括如权利要求1-6任一所述的一种轮足复合式机器人轮式运动系统。

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