CN115123418A - 一种用于四足机器人的轮腿更换机构及更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于四足机器人的轮腿更换机构，包括：四足机器人腿部，至少包括髋关节，膝关节驱动部，大腿，小腿，及定位部；轮体，半径大于等于小腿的长度，侧面带有限位结构；活动底座，包括第一活动座和第二活动座，基座，及承托件；在等待状态下，两侧轮体的间距大于四足机器人的宽度，当四足机器人下压基座，第一、第二活动座相互靠近，限位结构和定位部实现对接，四足机器人腿部与轮体相连，并可利用轮体行进。本发明还公开了一种用于四足机器人的轮腿更换方法。本发明实现了四足机器人的足式运动和轮式运动的结合，保证四足机器人具备良好的越障能力和较快的运动速度；轮体和腿部的安装和拆卸过程简单，不需要人工操作。

Description

一种用于四足机器人的轮腿更换机构及更换方法

技术领域

本发明属于四足机器人领域，尤其是涉及一种用于四足机器人的轮腿更换机构及更换方法。

背景技术

四足机器人在平坦地形上运动速度较慢，不如轮式结构；轮式机器人越障能力不强，不如腿式结构。现有的轮腿结合的四足机器人，通常是简单结合轮式驱动机构到腿足式机器人身体上。比如腾讯的轮腿结合机器人，是将驱动轮装到膝关节上；瑞士的Anymal机器人，是将驱动轮装到足底上；也有将驱动轮装到腹部的设计。

此类设计的缺点是：驱动轮均采用独立的电机和控制系统，这增加了整个机器人系统的复杂程度，拉高了机器人的成本、质量，降低了可靠性。

现有的轮腿结合的四足机器人，轮式机构不能拆卸。这会导致采用足式运动时，驱动轮会影响足部的灵活性。不仅增大了肢体的转动惯量，而且驱动轮占的空间会影响腿部活动的自由度，比如磕到地面或机器人本体，造成驱动轮的损坏。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种足式运动和轮式运动之间转换方便，结构可靠的用于四足机器人的轮腿更换机构及更换方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于四足机器人的轮腿更换机构，包括：

四足机器人腿部，至少包括髋关节，膝关节驱动部，大腿，小腿，及定位部；

轮体，半径大于等于小腿的长度，且侧面带有可与定位部配合的限位结构；

活动底座，包括用于放置两侧轮体的第一活动座和第二活动座，分别与第一活动座和第二活动座配合的基座，及承托件；在等待状态下，两侧轮体的间距大于四足机器人的宽度，当四足机器人下压基座，所述第一活动座和第二活动座相互靠近，所述限位结构和定位部实现对接，四足机器人腿部与轮体相连，并可利用轮体行进。

进一步的，所述基座通过第一弹性件与承托件连接，其部分可穿过承托件上的第一开槽上下移动；所述第一活动座和第二活动座的部分可沿承托件上的第二开槽水平移动。

进一步的，所述第一活动座和第二活动座通过第二弹性件相连，在基座上形成倾斜面，在第一活动座和第二活动座上分别形成可与倾斜面相抵的锥面。

进一步的，所述限位结构的至少部分位于轮体的中心，所述定位部的至少部分位于小腿上连接大腿的对应位置。

进一步的，所述限位结构为磁性凸部，所述定位部为供磁性凸部卡入的磁性定位槽；或者，所述限位结构为磁性定位槽，所述定位部为可卡入磁性定位槽的磁性凸部。

进一步的，所述磁性定位槽带有缺口，所述磁性凸部呈锥台状，所述缺口至少可供磁性凸部外径最小处穿出。

进一步的，所述定位部还包括设于小腿的开槽，所述限位结构还包括可卡入该开槽内的柱体，该开槽和柱体的数量为至少两个。

进一步的，所述定位部和限位结构相互螺纹连接。

本发明还公开了一种用于四足机器人的轮腿更换方法，利用上述更换机构，包括安装步骤和拆卸步骤，所述安装步骤为，

轮体竖直放置在第一活动座和第二活动座；

四足机器人利用腿部行进至活动底座；

四足机器人下蹲以下压基座，使得第一活动座和第二活动座向相互靠近的方向平移，当下蹲至定位部和限位结构位于同一高度时，所述限位结构和定位部实现对接；

四足机器人驱动轮体转动脱离活动底座。

进一步的，所述四足机器人驱动轮体转动脱离活动底座步骤之前，四足机器人驱动轮体转动，以将定位部和限位结构稳固安装。

进一步的，所述拆卸步骤为，

四足机器人利用轮体行进至活动底座；

四足机器人下蹲以下压基座，使得第一活动座和第二活动座向相互靠近的方向平移，所述轮体进入第一活动座和第二活动座；

四足机器人驱动同一侧的小腿第一端相互靠近，以使得同一侧的轮体接触形成挤压；

所述限位结构和定位部实现分离；

四足机器人利用腿部行进脱离活动底座。

本发明的有益效果是，1)实现了四足机器人的足式运动和轮式运动的结合，足式运动适应障碍物较多的区域，轮式运动适应平坦地面的快速行进，保证四足机器人具备良好的越障能力和较快的运动速度；2)轮体和腿部的安装和拆卸过程简单，不需要人工操作；3)轮体和腿部安装后结构稳固；4)足式运动和轮式运动可以利用同一套系统驱动和控制，结构简单，加工成本降低；5)轮式运动模式采用机器人膝关节驱动部驱动，不需要额外增加电机及相关附件，降低成本；6)四足机器人可以自主在轮式运动和足式运动模式中切换，不需要人工操作；7)普通使用环境下，四足机器人在拆卸轮子的过程中不需要相关辅助设备。

附图说明

图1为本发明实施例一中活动底座和轮体的立体结构示意图。

图2为本发明实施例一中活动底座和轮体的侧视图。

图3为本发明实施例一中活动底座和轮体的主视图，此时处于等待状态。

图4为本发明实施例一中活动底座和轮体的主视图，此时第一活动座和第二活动座相距最小。

图5为本发明实施例一中活动底座和轮体的侧视图，此时处于等待状态。

图6为本发明实施例一中活动底座和轮体的侧视图，此时第一活动座和第二活动座相距最小。

图7为本发明实施例一中更换机构的立体图，此时四足机器人未下压基座。

图8为本发明实施例一中更换机构的侧视图，此时四足机器人未下压基座。

图9为本发明实施例一中更换机构的侧视图，此时四足机器人完全下压基座。

图10为本发明实施例一中更换机构的主视图，此时四足机器人未下压基座。

图11为本发明实施例一中更换机构的主视图，此时四足机器人完全下压基座。

图12为本发明实施例一中更换机构的立体图，此时四足机器人开始下压基座。

图13为本发明实施例一中更换机构的侧视图，此时四足机器人带着轮体离开活动底座。

图14为本发明实施例一中大腿、小腿和轮体的配合结构示意图。

图15为本发明实施例一中大腿和小腿的活动角度示意图。

图16为本发明实施例二中大腿和小腿的侧视图。

图17为本发明实施例二中四足机器人的立体图。

图18为本发明实施例二中轮体和定位部的结构示意图。

图19为本发明实施例二中轮体和四足机器人完成装配后的侧视图。

图20为本发明实施例二中轮体欲脱离四足机器人的侧视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图11所示，一种用于四足机器人的轮腿更换机构，包括四足机器人腿部1，轮体2，及活动底座3，用于实现四足机器人的足式运动和轮式运动之间的转换。

四足机器人具有躯干和四个腿部1，腿部1至少包括髋关节11，膝关节驱动部12，大腿13，及小腿14，髋关节11和膝关节驱动部12均包括电机、减速器和位置传感器。如图14所示，髋关节11和膝关节驱动部12同轴相连，膝关节驱动部12的减速器121设置在大腿13和小腿14的铰接处，膝关节驱动部12的电机输出端122和膝关节驱动部12的减速器121输入端通过同步带123联结，膝关节驱动部12的减速器121输出端与小腿14固定连接，从而小腿14在大腿13的外侧，减速器121输出端朝向四足机器人的外侧，大腿13和小腿14可以发生大于360°的相对转动，如图15所示。同时，在小腿14上带有定位部15。当然，在其他实施例中，定位部15也可以设置在大腿13上，或者设置在大腿13和小腿13之间的连接件上，具体不作限制。

轮体2的半径大于等于小腿14的长度，最优是大于小腿14的长度，因此在安装轮体2后小腿14不会接触地面而影响轮体2的行进，且小腿14侧面带有可以与定位部15配合的限位结构21。

如图3所示，活动底座3包括用于竖直放置两侧轮体2的第一活动座31和第二活动座32，分别与第一活动座31和第二活动座32配合的基座33，及承托件34。承托件34的位置相对固定，在承托件34上开设有第一开槽341和第二开槽342，基座33通过第一弹性件41与承托件34垂直连接，基座33的部分可以穿过承托件34上的第一开槽341上下移动，即基座33的重心位置相对承托件34所在水平面的高度发生变化。当然在其他实施例中，第一开槽341和第二开槽342也可以相互连通，即只设置一个开槽。

在本实施例中，第一活动座31和第二活动座32的数量均为两个，以图3所示方向为例说明，两个第一活动座31用于放置左侧的两个轮体2，两个第一活动座31可以前后连接，也可以相互独立；两个第二活动座32用于放置右侧的两个轮体2，两个第二活动座32可以前后连接，也可以相互独立。第一活动座31和第二活动座32的部分可以沿着承托件34上的第二开槽342水平移动，即第一活动座31和第二活动座32之间的水平间距发生变化。在第一活动座31和第二活动座32之间连接有第二弹性件42。

更具体的，第一活动座31的底面为水平面，其可活动地放置在平面上，在第一活动座31远离第二活动座32的外侧形成垂直向上延伸的托架312，在托架312的顶端设置有可与轮体2外部贴合的弧形支撑件313，该弧形支撑件313位于承托件34的上方。第二活动座32的结构与第一活动座31对称设置，不再赘述。

如图3、图5、图10所示，在等待状态下，两侧轮体2的间距大于四足机器人01的宽度，第一弹性件41和第二弹性件42均处于伸展状态，第一弹性件41将基座33向上顶起，第二弹性件42将第一活动座31和第二活动座32相互推开。

如图4、图6、图11所示，当四足机器人01的大腿13和小腿14弯曲、下压基座33，由于基座33上形成两个对称的倾斜面331，在第一活动座31和第二活动座32上分别形成可以与倾斜面331相抵的锥面311，基座33相对承托件34下移时，会驱动第一活动座31和第二活动座32相互靠近，限位结构21和定位部15实现对接，从而将轮体2装载在四足机器人01的腿部1。

限位结构21的至少部分位于轮体2的中心，定位部15的至少部分位于小腿14上连接大腿13的对应位置。在本实施例中，如图7所示，限位结构21为磁性凸部211，其位于轮体2的中心，呈圆柱形，定位部15为供磁性凸部21卡入的磁性定位槽151，其对应大腿13和小腿14的连接处。当然，在其他实施例中，磁性定位槽151和磁性凸部211的位置可以互换，即限位结构21为磁性定位槽，定位部15为可以卡入磁性定位槽的磁性凸部。

定位部15可以是柱形，也可以是锥台状，此时磁性定位槽151为与其适配的倒锥台状结构，便于两者的适配安装固定，不需要将磁性定位槽151和磁性凸部完全对准，只要两者的外边缘接触，就能通过磁性吸力和锥台斜面的引导实现快速装配。

当轮体2和腿部1足够靠近时，由于磁性吸力作用，磁性凸部211和磁性定位槽151相互吸引，磁性凸部211落入磁性定位槽151内，使得轮体2连接在腿部1，由于轮体2的半径大于等于小腿14的长度，从而此时腿部1不能发生足式运动，只能由轮体2发生轮式运动，达到了切换运动模式的目的。

在进行轮式运动时，为了避免轮体2和腿部1发生相对转动，还可以在轮体2的径向设置有两个柱体212，即限位结构21包括磁性凸部211和位于其径向两侧的柱体212。此时在小腿14的前侧和后侧均开设有开槽153，如图9所示，即定位部15包括磁性定位槽151和开槽153。从而即使轮体2和腿部1发生相对转动，可以通过柱体212落入开槽153内后阻止上述相对转动的继续发生。

一种用于四足机器人的轮腿更换方法，利用上述的轮腿更换机构实现，其包括安装步骤和拆卸步骤，安装步骤为：

轮体2竖直放置在第一活动座31和第二活动座32上，此时两侧轮体2的间距大于四足机器人01的宽度，第一弹性件41和第二弹性件42均处于伸展状态，倾斜面331和锥面311部分相抵；

四足机器人01利用腿部1行进至活动底座3，具体是进入承托件34的上方；

当四足机器人01的躯干部分位于基座33的上方，并下蹲下压基座33，基座33的倾斜面331抵着第一活动座31和第二活动座32的锥面311相对承托件34向下移动，驱动第一活动座31和第二活动座32向相互靠近的方向平移，此时两侧轮体2跟着同步靠近四足机器人01的腿部1；

当四足机器人01下蹲至定位部15和限位结构21位于同一高度时，此时轮体2和腿部1无限靠近，限位结构21和定位部15实现对接，即磁性凸部211落入磁性定位槽151内；

四足机器人01驱动轮体2转动，此时轮体2和腿部1可能会发生相对转动，当柱体212落入开槽153后即可阻止上述相对转动，使得定位部15和限位结构21的安装更加稳固；

四足机器人01驱动轮体2转动脱离活动底座3，即驶离弧形支撑件313，并从承托件34向外行进。

拆卸步骤为：

四足机器人01利用轮体2行进至活动底座3，具体是进入承托件34的上方；

当四足机器人01的躯干部分位于基座33的上方，并下蹲下压基座33，基座33的倾斜面331抵着第一活动座31和第二活动座32的锥面311相对承托件34向下移动，驱动第一活动座31和第二活动座32向相互靠近的方向平移，此时两侧弧形支撑件313跟着同步靠近轮体2；

两侧轮体2分别进入第一活动座31和第二活动座32的弧形支撑件313；如可以在第一活动座31和第二活动座32设置便于轮体2进入的斜面；

定义小腿14与大腿13相连的一端为第一端，如图9所示，在轮体2和腿部1的安装步骤中，同一侧小腿14的第一端相互远离，此时同一侧的两个轮体2距离较大，不会接触；当四足机器人01驱动同一侧小腿14的第一端相互靠近时，同一侧的两个轮体2接触形成挤压作用，与此同时，可以驱动前部轮体和后部轮体朝着相反的方向转动；

在上述挤压力的作用下，限位结构21和定位部15实现分离，轮体2脱离腿部1；上述过程中，可以是同一侧的前后两个轮体2先进行脱落操作，再进行另一侧前后两个轮体2的脱落操作；

四足机器人01利用腿部1行进脱离活动底座3，并从承托件34向外行进。

当然，在日常的使用环境下，也可以手动进行安装和拆卸，在管道等封闭环境下使用时，则可以利用上述轮腿更换机构进行。

实施例二

如图16-图20所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，磁性定位槽151带有缺口152，磁性凸部211呈锥台状，缺口152至少可以供磁性凸部211的外径最小处穿出。换句话说，不一定需要在四足机器人01下蹲至定位部15和限位结构21位于同一高度时，才能实现定位部15和限位结构21的对接安装，磁性凸部211可以从缺口152挤入磁性定位槽151内。

当轮体2进行拆卸时，如图20所示，此时前腿和后腿的缺口152相向设置，便于前后的轮体2相互挤压完成拆卸。此时柱体212均位于小腿14的下方，避免其阻挡小腿14转动。

在实施例一中，为了减轻轮体2的重量，将其设计为内部镂空结构，只在中间设置横杆，从而柱体212和磁性凸部211位于同一径向。

如图19、图20所示，小腿14的第一端也不一定是相互远离，可以是小腿14朝同一个方向相互平行，其他安装和拆卸步骤与实施例一相同，不再赘述。

实施例三

在本实施例中，定位部15和限位结构21相互螺纹连接，此时，当四足机器人01下蹲至定位部15和限位结构21位于同一高度时，需要对接后驱动轮体2和腿部1相对转动，以使得形成稳固的螺纹连接结构。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于，包括：

四足机器人腿部(1)，至少包括髋关节(11)，膝关节驱动部(12)，大腿(13)，小腿(14)，及定位部(15)；

轮体(2)，半径大于等于小腿(14)的长度，且侧面带有可与定位部(15)配合的限位结构(21)；

活动底座(3)，包括用于放置两侧轮体(2)的第一活动座(31)和第二活动座(32)，分别与第一活动座(31)和第二活动座(32)配合的基座(33)，及承托件(34)；在等待状态下，两侧轮体(2)的间距大于四足机器人(01)的宽度，当四足机器人(01)下压基座(33)，所述第一活动座(31)和第二活动座(32)相互靠近，所述限位结构(21)和定位部(15)实现对接，四足机器人腿部(1)与轮体(2)相连，并可利用轮体(2)行进。

2.根据权利要求1所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述基座(33)通过第一弹性件(41)与承托件(34)连接，其部分可穿过承托件(34)上的第一开槽(341)上下移动；所述第一活动座(31)和第二活动座(32)的部分可沿承托件(34)上的第二开槽(342)水平移动。

3.根据权利要求2所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述第一活动座(31)和第二活动座(32)通过第二弹性件(42)相连，在基座(33)上形成倾斜面(331)，在第一活动座(31)和第二活动座(32)上分别形成可与倾斜面(331)相抵的锥面(311)。

4.根据权利要求1所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述限位结构(21)的至少部分位于轮体(2)的中心，所述定位部(15)的至少部分位于小腿(14)上连接大腿(13)的对应位置。

5.根据权利要求1或4所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述限位结构(21)为磁性凸部(211)，所述定位部(15)为供磁性凸部(211)卡入的磁性定位槽(151)；或者，所述限位结构(21)为磁性定位槽，所述定位部(15)为可卡入磁性定位槽的磁性凸部。

6.根据权利要求5所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述磁性定位槽(151)带有缺口(152)，所述磁性凸部(211)呈锥台状，所述缺口(152)至少可供磁性凸部(211)外径最小处穿出。

7.根据权利要求4所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述定位部(15)还包括设于小腿(14)的开槽(153)，所述限位结构(21)还包括可卡入该开槽(153)内的柱体(212)，该开槽(153)和柱体(212)的数量为至少两个。

8.根据权利要求1所述的用于四足机器人的轮腿更换机构，其特征在于：所述定位部(15)和限位结构(21)相互螺纹连接。

9.一种用于四足机器人的轮腿更换方法，其特征在于，利用如权利要求1-8中任一项所述的更换机构，包括安装步骤和拆卸步骤，所述安装步骤为，

轮体竖直放置在第一活动座和第二活动座；

四足机器人利用腿部行进至活动底座；

四足机器人下蹲以下压基座，使得第一活动座和第二活动座向相互靠近的方向平移，当下蹲至定位部和限位结构位于同一高度时，所述限位结构和定位部实现对接；

四足机器人驱动轮体转动脱离活动底座。

10.根据权利要求9所述的用于四足机器人的轮腿更换方法，其特征在于：所述四足机器人驱动轮体转动脱离活动底座步骤之前，四足机器人驱动轮体转动，以将定位部和限位结构稳固安装。

11.根据权利要求9所述的用于四足机器人的轮腿更换方法，其特征在于：所述拆卸步骤为，

四足机器人利用轮体行进至活动底座；

四足机器人下蹲以下压基座，使得第一活动座和第二活动座向相互靠近的方向平移，所述轮体进入第一活动座和第二活动座；

四足机器人驱动同一侧的小腿第一端相互靠近，以使得同一侧的轮体接触形成挤压；

所述限位结构和定位部实现分离；

四足机器人利用腿部行进脱离活动底座。

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