CN115027591B - 一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，机身上设置的行走单元的轮腿模组的中部通过旋转机构与机身连接，机身上设置有带动轮腿模组摆动的摆动机构；轮腿模组的多级电缸的上端盖与机身之间通过摆动机构连接，多级电缸的下端盖与机身之间通过旋转机构连接，多级电缸内部设置的主动外活塞杆通过连接座与轮毂电机连接，轮毂电机上设置有轮胎，主动外活塞杆内部滑动设置有主动内活塞杆，连接座上设置有使主动内活塞杆穿过的通孔，连接座与多级电缸的多腔筒之间设置有被动机构。本发明采用上述结构的基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，能够解决轮足机器人结构复杂、稳定性低、对驱动机构力矩要求高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及地面移动机器人技术领域，尤其是涉及一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人。
背景技术
地面移动机器人在物资运输、抢险救援、资源勘探、无人特种作战和外太空星表探测等领域具有广泛的应用前景，成为当前最活跃的研究领域之一。考虑日益增长的综合性能需求，轮足机器人由于具备足式、轮式及轮腿复合式等多种运动模态，在地形通过能力、负载能力、移动速度、机构可靠性及能源效率等方面脱颖而出，能够协助或取代人工从事劳动密集型工作或高危工况作业。
各类轮足机器人层出不穷，目的都是将轮式驱动与腿部运动进行有机结合，保证既有轮式运动的高能源效率又有足式运动的灵活性，通过足式、轮式以及轮腿复合式等多种运动模式的切换，丰富机器人的应用场景。早期的轮足机器人将主动轮通过被动机构悬挂于机身，提高复杂地形下的通过能力与稳定性，由于被动结构的动力学特性参数固定，由被动腿悬挂主动轮的拓扑结构存在诸多局限性。机电系统的不断发展推进执行机构高不断实现小型化与精密化，出现了多种既可作为轮也可作为腿足的变形模块，并以此形成了可重构的轮足机器人，实现了足式运动与轮式移动的切换，但是变形机构的可靠性限制了野外环境下的推广应用，并且机器人只能实现轮式与足式的单一分时运动。随着主动驱动的结构腿在机器人领域得到广泛应用，在带有主动轮的底盘周围安装可伸缩长度的辅助机构，形成了轮与腿相互分离的轮足机器人，通过分工配合提升了越障攀爬能力，但是整体的机动性存在不足。
目前，轮足机器人的主动轮多安装于主动腿的足端，导致主动轮的制动需求带来了额外的复杂刹车机构，足端质量增大导致高动态迈腿动作困难，轮胎带来的足端体积增大使得机器人在台阶地形行走时的稳定性降低。部分轮足机器人将主动轮安装于串联式主动腿的中间关节处，由于主动轮与机身以固定长度的刚性部件连接，虽然可以通过主动轮相对于机身的摆动进行姿态调整，但是负载状态下的高动态调整过程中对于关节驱动机构的输出力矩要求高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，解决上述背景技术中提到的轮足机器人结构复杂、稳定性低、对驱动机构力矩要求高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，包括刚性的机身，机身上设置有若干个行走单元，所述行走单元包括轮腿模组，轮腿模组的中部通过旋转机构与机身连接，机身上设置有带动轮腿模组摆动的摆动机构；所述轮腿模组包括多级电缸，多级电缸的上端盖与机身之间通过摆动机构连接，多级电缸的下端盖与机身之间通过旋转机构连接，多级电缸内部设置的主动外活塞杆通过连接座与轮毂电机连接，轮毂电机上设置有轮胎，主动外活塞杆内部滑动设置有主动内活塞杆，连接座上设置有使主动内活塞杆穿过的通孔，连接座与多级电缸的多腔筒之间设置有被动机构。
优选的，所述机身为矩形机构，机身的四个边角处各设置有一个行走单元。
优选的，所述被动机构包括被动活塞杆，被动活塞杆位于主动活塞杆的两侧，被动活塞杆的底端与连接座固定连接，被动活塞杆的另一端设置有导向板，导向板位于多腔筒两侧的被动腔内并与被动腔滑动连接，被动活塞杆与下端盖密封滑动连接，被动腔内填充有气体，被动腔的顶端设置有缓冲弹簧。
优选的，所述多腔筒的中部设置有主动腔，主动外活塞杆位于主动腔内，上端盖上设置有电机二，电机二的输出轴在多腔筒内通过传动带与主动腔内部转动设置的滚珠丝杠传动连接，主动外活塞杆与滚珠丝杠连接；主动腔的内部设置有与主动外活塞杆同轴的电机，电机输出轴上设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠位于主动外活塞杆的内部并同轴设置，主动内活塞杆与滚珠丝杠连接。
优选的，所述主动内活塞杆的底端设置有橡胶头。
优选的，所述旋转机构包括电机一，电机一设置在机身的安装孔一内，电机一的输出轴通过联轴器与连接框连接，连接框位于机身的安装孔二内，连接框远离电机一的一端设置有销轴，连接框通过销轴与安装孔二转动连接，安装孔一与安装孔二之间设置有使电机一的转轴穿过的通孔，连接框的内表面上设置有安装多级电缸的限位块，限位块与多级电缸的下端盖上的凹槽之间通过轴承转动连接。
优选的，所述安装孔一及安装孔二的侧壁上设置有散热孔。
优选的，所述摆动机构包括电动缸，电动缸的底端与机身铰接，电动缸的推杆与多级电缸的上端盖铰接。
本发明所述的基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人的优点和积极效果是：
1、轮毂电机与多级电缸相结合，轮毂电机固定连接于主动外活塞杆的底端，主动外活塞杆与主动内活塞杆独立驱动控制，伸缩范围大，实现了足式行走与轮腿复合运动。
2、多级电缸具有并联的主动腔和被动腔，主动腔内的主动外活塞杆和主动内活塞杆可以实现直线作用下运动速度和位移的伺服控制，被动腔内部的弹簧、密封圈和气体能够辅助主动外活塞杆提供被动机械弹性力、气体缩胀弹性力和摩擦阻尼力，主动轮与机身之间构成了主-被动混合伺服驱动的悬挂系统，能够实现轮腿复合式运动时的主动抑振及高动态姿态控制。
3、主动内活塞杆与主动外活塞杆独立控制，主动内活塞杆触地，通过多腿的摆动旋转配合实现足式行走，轮腿复合运动切换足式行走时，主动轮不需要额外加装刹车抱紧机构，减小了整个装置的质量，简化了结构。
4、足式行走时，主动轮离腿部回转点距离较近，多级电缸质量小，使得腿部摆动时惯性小，有利于提高摆腿频率，足式行走动态性能好。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的结构示意图；
图2为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的行走单元结构示意图；
图3为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的轮腿模组结构示意图；
图4为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的旋转机构结构示意图；
图5为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的机身结构示意图；
图6为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的足式行走结构示意图；
图7为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的轮腿复合式运动结构示意图。
附图标记
1、机身；2、多级电缸；3、电动缸；4、电机一；5、轮胎；6、散热孔；7、轮毂电机；8、主动外活塞杆；9、主动内活塞杆；10、被动活塞杆；11、连接座；12、连接框；13、联轴器；14、橡胶头；15、多腔筒；16、上端盖；17、下端盖；18、电机二；19、销轴；20、限位块；21、安装孔一；22、安装孔二；23、通孔。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
图1为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的结构示意图，图2为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的行走单元结构示意图，图5为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的机身结构示意图。如图所示，一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，包括刚性的机身1，机身1可以采用金属钢板制成。机身1为矩形机构，机身1的四个边角处各设置有一个行走单元，4个行走单元对称的设置在机身1的两端和两侧。行走单元包括轮腿模组，轮腿模组的中部通过旋转机构与机身1连接，机身1上设置有带动轮腿模组摆动的摆动机构。机身1为后续能源蓄电池、控制器、驱动器、环境感知传感器、多源信息处理电路及其他结构部件的安装提供位置。
图3为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的轮腿模组结构示意图。如图所示，轮腿模组包括多级电缸2，多级电缸2包括多腔筒15，多腔筒15的上方固定设置上端盖16，多腔筒15的下方固定设置有下端盖17。多级电缸2的上端盖16与机身1之间通过摆动机构连接，多级电缸2的下端盖17与机身1之间通过旋转机构连接。
多腔筒15的中部设置有主动腔，主动外活塞杆8位于主动腔内。上端盖16上设置有电机二18，电机二18的输出轴在多腔筒15内通过传动带与主动腔内部转动设置的滚珠丝杠传动连接，主动外活塞杆8与滚珠丝杠连接。电机二18通过传动带带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠将转动转化为主动外活塞杆8的上下移动。主动腔的内部设置有与主动外活塞杆8同轴的电机，电机输出轴上设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠位于主动外活塞杆8的内部并同轴设置，主动内活塞杆9与滚珠丝杠连接。电机带动滚珠丝杠转动，从而带动主动内活塞杆9上下移动。为了便于主动外活塞杆8和主动内活塞杆9的独立升降，可将主动内活塞杆9的滚珠丝杠设置在主动内活塞杆9的滚珠丝杠内部，并通过轴承转动连接。主动内活塞杆9位于主动外活塞杆8的内部并独立的升降。
主动外活塞杆8通过连接座11与轮毂电机7连接，连接座11固定设置在主动外活塞杆8的底端，轮毂电机7固定设置在连接座11的一侧。轮毂电机7上设置有轮胎5。连接座11上设置有使主动内活塞杆9穿过的通孔23，主动内活塞杆9与连接座11滑动连接。主动内活塞杆9的底端固定设置有橡胶头14。
连接座11与多级电缸2的多腔筒15之间设置有被动机构。被动机构包括被动活塞杆10，被动活塞杆10位于主动活塞杆的两侧。被动活塞杆10的底端与连接座11固定连接，被动活塞杆10的另一端设置有导向板，导向板位于多腔筒15两侧的被动腔内并与被动腔滑动连接。被动活塞杆10与下端盖17通过密封圈密封滑动连接，被动腔内填充有气体，被动活塞杆10在连接座11的作用下被动的上下移动，被动活塞杆10上下移动的过程中，导向板压缩被动腔内的气体，气体对导向板具有反向的作用下，起到缓冲的作用。被动腔的顶端设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧通过被动活塞杆10与主动外活塞杆8具有缓冲的作用。
图4为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的旋转机构结构示意图。如图所示，旋转机构包括电机一4，电机一4固定设置在机身1的安装孔一21内。电机一4的输出轴通过联轴器13与连接框12连接，连接框12位于机身1的安装孔二22内。连接框12远离电机一4的一端设置有销轴19，连接框12通过销轴19与安装孔二22转动连接。安装孔一21与安装孔二22之间设置有使电机一4的转轴穿过的通孔23。连接框12的内表面上设置有安装多级电缸2的限位块20，限位块20与多级电缸2的下端盖17上的凹槽之间通过轴承转动连接。电机一4带动连接框12转动，连接框12通过限位块20带动轮腿模组在一定范围内旋转。
安装孔一21及安装孔二22的侧壁上设置有散热孔6，便于电机一4和电机二18的散热。
摆动机构包括电动缸3，电动缸3的底端与机身1通过虎克铰铰接，电动缸3的推杆与多级电缸2的上端盖16之间通过虎克铰铰接。电动缸3为现有的结构，通过电动缸3推杆的伸缩带动轮腿模组在一定角度内前后摆动。
图6为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的足式行走结构示意图，图7为本发明一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人实施例的轮腿复合式运动结构示意图。如图所示，本发明所述的基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人可以实现足式行走和轮腿复合式运动的运动方式，在崎岖道路中，机器人轮腿模组的主动外活塞杆8收缩，主动内内活塞杆伸长，轮胎5离地时主动内活塞杆9着地，依靠主动内活塞杆9的伸缩和电动缸3的摆动、电机一4的旋转实现足式行走。平整及小幅颠簸路面下，主动内活塞杆9收缩，主动外活塞杆8伸长，主动内活塞杆9离地时轮胎5着地，依靠轮毂电机7的扭力输出、主动外活塞杆8的伸缩、电动缸3的摆动、电机一4的旋转实现轮腿复合式运动。
因此，本发明采用上述结构的基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，能够解决轮足机器人结构复杂、稳定性低、对驱动机构力矩要求高的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，其特征在于：包括刚性的机身，机身上设置有若干个行走单元，所述行走单元包括轮腿模组，轮腿模组的中部通过旋转机构与机身连接，机身上设置有带动轮腿模组摆动的摆动机构；所述轮腿模组包括多级电缸，多级电缸的上端盖与机身之间通过摆动机构连接，多级电缸的下端盖与机身之间通过旋转机构连接，多级电缸内部设置的主动外活塞杆通过连接座与轮毂电机连接，轮毂电机上设置有轮胎，主动外活塞杆内部滑动设置有主动内活塞杆，连接座上设置有使主动内活塞杆穿过的通孔，连接座与多级电缸的多腔筒之间设置有被动机构；
所述被动机构包括被动活塞杆，被动活塞杆位于主动活塞杆的两侧，被动活塞杆的底端与连接座固定连接，被动活塞杆的另一端设置有导向板，导向板位于多腔筒两侧的被动腔内并与被动腔滑动连接，被动活塞杆与下端盖密封滑动连接，被动腔内填充有气体，被动腔的顶端设置有缓冲弹簧；
所述多腔筒的中部设置有主动腔，主动外活塞杆位于主动腔内，上端盖上设置有电机二，电机二的输出轴在多腔筒内通过传动带与主动腔内部转动设置的滚珠丝杠传动连接，主动外活塞杆与滚珠丝杠连接；主动腔的内部设置有与主动外活塞杆同轴的电机，电机输出轴上设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠位于主动外活塞杆的内部并同轴设置，主动内活塞杆与滚珠丝杠连接；
主动内活塞杆的滚珠丝杠设置在主动外活塞杆的滚珠丝杠内部，并通过轴承转动连接，主动内活塞杆位于主动外活塞杆的内部并独立的升降。
2.根据权利要求1所述的一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，其特征在于：所述机身为矩形机构，机身的四个边角处各设置有一个行走单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，其特征在于：所述主动内活塞杆的底端设置有橡胶头。
4.根据权利要求1所述的一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，其特征在于：所述旋转机构包括电机一，电机一设置在机身的安装孔一内，电机一的输出轴通过联轴器与连接框连接，连接框位于机身的安装孔二内，连接框远离电机一的一端设置有销轴，连接框通过销轴与安装孔二转动连接，安装孔一与安装孔二之间设置有使电机一的转轴穿过的通孔，连接框的内表面上设置有安装多级电缸的限位块，限位块与多级电缸的下端盖上的凹槽之间通过轴承转动连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，其特征在于：所述安装孔一及安装孔二的侧壁上设置有散热孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于独立驱动多级缸与轮毂电机的轮足机器人，其特征在于：所述摆动机构包括电动缸，电动缸的底端与机身铰接，电动缸的推杆与多级电缸的上端盖铰接。
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