CN115195899B - 一种轮足切换式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮足切换式机器人，包括躯干、两套机械腿机构、轮式机构及锁定机构，通过设置锁定机构，在机械腿机构处于收缩状态时，将对两套机械腿机构施加锁定力，使两套机械腿机构保持在收缩状态，并至少高于所述轮式机构的主动轮，此时无需机械腿机构中的电机组运转，即可卸载掉电机组内电机的转矩，主动轮着地受驱动机构的驱动而进行滚动行走；相反，当需要机械腿机构进行行走时，锁定机构就撤销对机械腿机构的锁定力，在电机组的运转下，使机械腿机构处于伸展状态并行走，而轮式机构被抬高悬空在躯干上，电机组仅在机械腿行走及由伸展状态切换到收缩状态的过程中运转，当机械腿机构保持在收缩状态时，无需电机组运转，从而减少能耗。

Description

一种轮足切换式机器人

技术领域

本发明属于机器人的技术领域，具体涉及一种轮足切换式机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，移动机器人越来越多地出现在日常生活、工作等不同场景中。移动机器人主要有轮式机器人、足式机器人，及轮式与足式机器人结合的轮足切换的机器人。

例如，现有技术中公开一种轮足切换机器人，其包括机器人躯干、设在机器人躯干的底部上的两个机械腿机构，及设在机器人躯干的上部的轮式机构。

其中，轮式机构包括两个主动轮和一个转向轮，转向轮设在躯干的底部的前部，两个主动轮分布设在躯干的左右两侧。机械腿机构包括髋关节偏航电机、第一连接件(髋关节-膝关节连接件)、膝关节偏航电机、第二连接件(膝关节-踝关节连接件)、踝关节俯仰电机、踝关节连接件、横滚电机及脚掌。第一连接件的顶部铰接在跨关节偏航电机上，底部固定在膝关节偏航电机上；第二连接件的顶部铰接在膝关节偏航电机上，其的底部固定在踝关节俯仰电机上；踝关节连接件的顶部铰接在踝关节俯仰电机上，其的底部固定在横滚电机的输送轴上，横滚电机固定在脚掌上。当上述的髋关节偏航电机、膝关节偏航电机、踝关节俯仰电机及横滚电机均转动时，即可实现机械腿机构的行走功能。

当需要轮式机构的轮子滚动时，上述机械腿机构中的所有电机工作，使机械腿机构抬高且收缩，第一连接件和踝关节连接件平行分布，第二连接件高于第一连接件和踝关节连接件，当两机械腿机构收缩到位后，脚掌的高度高于轮式机构的转向轮和主动轮的高度，此时转向轮和主动轮与地面接触，实现轮式机构的轮子滚动功能，此过程中，为保持机械腿机构的收缩状态，需要腿部结构中的所有电机持续转动，从而在轮子滚动过程中，需要能耗高；相反，当需要脚掌走路时，机械腿机构中的所有电机工作，使腿部伸展开，第二连接件位于第一连接件和踝关节连接之间，脚掌着地时，轮式机构被抬高与地面分离而悬空，此时机械腿机构中的所有电机继续转动，以实现行走功能。

可见，上述的轮足切换式机器人，不管是机械腿机构进行行走，还是轮式机构的轮子进行滚动，机械腿机构中的所有电机均需要转动，导致整个轮足切换式机器人的能耗高。

发明内容

因此，本发明实际所要解决的技术问题在于现有的轮足切换式机器人在行走或滚动过程中，所需的能耗高。

为此，本发明提供一种轮足切换式机器人，包括

躯干；

两套机械腿机构，对称设在所述躯干的两侧；任一所述机械腿机构包括电机组及腿关节组；所述电机组用于驱动所述腿关节组可在收缩状态与伸展状态之间切换，并在伸展状态下行走；

轮式机构，设在所述躯干的底部上，其具有对称设在所述躯干两侧的至少两个主动轮，在收缩状态下，所述主动轮受驱动机构的驱动而滚动；

至少一个锁定机构，设在所述躯干上；在收缩状态，所述锁定机构对两套所述机械腿机构施加锁定力，使两套所述机械腿机构保持在收缩状态，并至少高于所述轮式机构的主动轮。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述腿关节组包括大腿、膝盖、小腿及脚掌；任一所述锁定机构包括

旋转机构，设在所述躯干上；

锁定件，与所述旋转机构连接，所述锁定件受所述旋转机构的驱动而转动；

在伸展状态，所述锁定件避开所述机械腿机构分布；

在收缩状态，所述锁定件用于支撑所述小腿或脚掌。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述锁定件包括平行分布的底部支撑板和顶部压板，所述底部支撑板与所述顶部压板之间形成限位槽；

在收缩状态，所述脚掌伸入所述限位槽内。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述锁定机构为一个，所述锁定机构设在两套机械腿机构之间的所述躯干的底部上；

所述底部支撑板和顶部压板的中部固定在所述旋转机构的输出轴上，以形成四周呈开口的限位槽；

在收缩状态，两套机械腿机构的脚掌分别从各自对应的开口伸入所述限位槽内。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述锁定机构还包括设在所述躯干上的至少一个限位组件；

在收缩状态，所述限位组件抵接在两套机械腿机构的大腿上，给所述大腿施加朝向下的阻挡力，以驱使所述机械腿机构的脚掌或小腿抵接在所述锁定件上；

在伸展状态，所述限位组件与两套机械腿机构的大腿分离。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述限位组件包括

可转动地设在所述躯干上的限位片，及套在所述限位片的转轴上的扭簧，所述扭簧的两端分别抵接在所述躯干和限位片上；

在收缩状态，所述限位片抵接在所述大腿上，所述限位片通过所述扭簧对所述大腿施加所述阻挡力；

在伸展状态，所述限位部分离于所述大腿。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述限位组件为两个，一一对应所述机械腿机构的大腿。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述轮式机构还包括

转向轮，可转动地设在所述躯干的底部的前方，所述转向轮与两个所述主动轮的底部表面位于同一平面上；及

万向轮，可转动地设在所述躯干的底部的后方，所述万向轮和所述转向轮分布在所有所述主动轮之间；及

偏压件，设在所述躯干上，其一端抵接在所述万向轮上，并给所述万向轮施加朝向下的偏压力。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述躯干包括

第一支架，沿水平分布；所述第一支架上设有对称的两个第一让位孔，所述机械腿机构一一对应地穿设在第一让位孔内，其的顶部设在所述第一支架的顶部上；

第二支架，沿竖向分布；所述第二支架的顶部固定在所述第一支架的底部上，位于两套机械腿机构之间；所述锁定机构设在所述第二支架上；

所述转向轮设在所述第二支架的底部的前端，所述万向轮设在所述第二支架的底部的后端；所述主动轮设在所述第一支架的底部上，且位于两套机械腿机构外。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述第二支架上设有沿其长度方向延伸的第一安装孔；

在伸展状态，所述锁定件沿第二支架的长度嵌在所述第一安装孔内；在收缩状态，所述锁定件沿第二支架的宽度方向伸出所述第一安装孔外。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述第一安装孔包括位于上方的第一孔部和位于下方的第二孔部，沿第二支架的长度方向，所述第二孔部的长度大于所述第一孔部的长度；所述锁定旋转电机嵌装在所述第一孔部内，所述第一联轴器伸入所述第二孔部内；

在伸展状态，所述锁定件嵌在所述第二孔部内；在收缩状态，所述锁定件伸出所述第二孔部外。

可选地，上述的轮足切换式机器人，还包括头部机构，其包括

头部支架，固定在所述躯干的顶部的前端上；

脖子壳，可转动地设在所述头部支架上；

第一偏航电机，固定在所述第一支架的前端的顶部上，并位于所述脖子壳内，驱动所述脖子壳绕所述头部支架转动；

头部壳，设在所述脖子壳的顶部上。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述头部机构还包括固定在所述脖子壳内的第二偏航电机，固定在所述头部壳内的第三偏航电机；及过渡连接件；

所述第三偏航电机的第三转轴伸出所述头部壳的底部外，与所述过渡连接件的顶部固定连接，所述过渡连接件的底部上固定有第一锥齿轮；

所述第二偏航电机的第二转轴上连接有第二锥齿轮；所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮啮合设置；

所述第三偏航电机的第三转轴的轴线沿竖向延伸，所述第二锥齿轮的转轴的轴线沿水平延伸。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述过渡连接件包括

过渡筒，其的顶部套接固定在所述第三偏航电机的第三转轴外，所述过渡筒的下部外壁上固定有水平轴；

所述第二锥齿轮呈扇形齿轮，所述扇形齿轮固定在所述水平轴的外周上。

可选地，上述的轮足切换式机器人，所述电机组包括髋关节俯仰电机、膝关节俯仰电机、踝关节俯仰电机、踝关节横滚电机；腿关节组包括髋关节-膝关节连接件、膝关节-踝关节连接件、踝关节俯仰-横滚连接件及脚掌；

所述髋关节俯仰电机固定在所述躯干上，所述髋关节-膝关节连接件的顶部与髋关节俯仰电机铰接，其的底部与膝关节俯仰电机固定连接；

所述膝关节-踝关节连接件的顶部与膝关节俯仰电机铰接，其的底部与踝关节俯仰电机铰接；踝关节俯仰-横滚连接件的顶部与踝关节俯仰电机铰接，其的底部与踝关节横滚电机铰接；踝关节横滚电机固定在脚掌的顶部表面上。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的轮足切换式机器人，包括躯干、两套机械腿机构、轮式机构及锁定机构，其中，两套机械腿机构对称设在所述躯干的两侧；任一所述机械腿机构包括电机组及腿关节组；所述电机组用于驱动所述腿关节组可在收缩状态与伸展状态之间切换，并在伸展状态下行走；轮式机构设在所述躯干的底部上，其具有对称设在所述躯干两侧的至少两个主动轮，在收缩状态下，所述主动轮受驱动机构的驱动而滚动；

此结构的轮足切换式机器人，通过设置锁定机构，在机械腿机构处于收缩状态时，将对两套机械腿机构施加锁定力，使两套机械腿机构保持在收缩状态，并至少高于所述轮式机构的主动轮，此时无需机械腿机构中的电机组运转，即可卸载掉电机组内电机的转矩，主动轮着地受驱动机构的驱动而进行滚动行走，实现腿行走向主动轮滚动行走的方式切换；相反，当需要机械腿机构进行行走时，锁定机构就撤销对机械腿机构的锁定力，在电机组的运转下，使机械腿机构处于伸展状态并行走，而轮式机构被抬高悬空在躯干上，从而实现机器人在机械腿机构行走与主动轮滚动行走之间的切换，电机组仅在机械腿行走及机械腿由伸展状态切换到收缩状态的过程中运转，当机械腿机构保持在收缩状态时，无需电机组运动，从而减少能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的轮足切换式机器人的机械腿机构处于收缩状态的示意图；

图2为图1中轮足切换式机器人的机械腿机构处于伸展状态的示意图；

图3为图1中轮足切换式机器人的躯干的第一支架的结构示意图；

图4为图1中轮足切换式机器人的内部的局部结构示意图；

图5为图3中轮足切换式机器人去掉部分壳及第一支架后的结构示意图；

图6为图5中第二支架与锁定机构的结构示意图；

图7为图5中机械腿机构处于伸展状态的结构示意图；

图8为图5中轮式机构的结构示意图；

图9为图5中第一支架、第二支架与轮式机构的配合示意图(仰视方向)；

图10为图1中轮足切换式机器人的机械腿机构处于收缩状态且去掉部分壳、第一支架后的结构示意图；

图11为图10中机械腿机构处于收缩状态与锁定机构配合的示意图；

图12为图1中足切换式机器人的头部机构与第一支架、轮式机构的配合示意图；

图13为图12中头部机构的局部示意图；

图14为图12中头部机构的头部支架、第一偏航电机及第二联轴器的配合示意图；

图15为图13中第二偏航电机、第三偏航电机及过渡连接件的配合的结构示意图；

附图标记说明：

1-躯干；11-第一支架；111-第一板块；112-第一倾斜板；113-第二倾斜板；114-第一让位孔；115-安装座；116-第一容纳槽；117-第二容纳槽；12-电源控制电路板；13-控制器支架；14-运动控制器；15-相机支架；16-深度相机；171-前壳；172-后壳；173-下壳；18-第二支架；181-第一安装孔；1811-第一孔部；1812-第二孔部；

2-机械腿机构；21-髋关节俯仰电机；22-膝关节俯仰电机；23-踝关节俯仰电机；24-踝关节横滚电机；25-髋关节-膝关节连接件；26-膝关节-踝关节连接件；27-踝关节俯仰-横滚连接件；28-脚掌；291-U型板；292-连接段；

3-轮式机构；31-主动轮；32-转向轮；33-万向轮；34-旋转电机；35-减速齿轮箱；

4-锁定机构；41-锁定旋转电机；42-底部支撑板；43-顶部压板；44-限位片；45-第一联轴器；

5-头部机构；51-头部支架；511-第一支座；512-第二支座；52-脖子壳；521-右壳；522-左壳；531-第一偏航电机；532-第二偏航电机；533-第三偏航电机；54-第二联轴器；55-头部壳；56-过渡连接件；561-第一锥齿轮；562-过渡筒；57-第二锥齿轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种轮足切换式机器人，如图1至图15所示，其包括躯干1；

两套机械腿机构2，对称设在躯干1的两侧；任一机械腿机构包括电机组及腿关节组；电机组用于驱动腿关节组可在收缩状态与伸展状态之间切换，并在伸展状态下行走；

轮式机构3，设在躯干1的底部上，其具有对称设在躯干1两侧的至少两个主动轮31，在收缩状态下，主动轮31受驱动机构的驱动而滚动；

至少一个锁定机构4，设在躯干1上；在收缩状态，锁定机构4对两套机械腿机构施加锁定力，使两套机械腿机构2保持在收缩状态，并至少高于轮式机构3的主动轮31。

此结构的轮足切换式机器人，通过设置锁定机构4，在机械腿机构2处于收缩状态时，将对两套机械腿机构2施加锁定力，使两套机械腿机构2保持在收缩状态，并至少高于轮式机构3的主动轮31，此时无需机械腿机构2中的电机组运转，即可卸载掉电机组内电机的转矩，主动轮31着地受驱动机构的驱动而进行滚动行走，如图1所示；相反，当需要机械腿机构进行行走时，锁定机构就撤销对机械腿机构2的锁定力，在电机组的运转下，使机械腿机构2处于伸展状态并行走，而轮式机构3被抬高悬空在躯干上，如图2所示，从而实现机器人在机械腿机构2行走与主动轮31滚动行走之间的切换，电机组仅在机械腿行走及机械腿由伸展状态切换到收缩状态的过程中运转，当机械腿机构保持在收缩状态时，无需电机组运动，从而减少能耗。

如图3和图4所示，躯干1包括第一支架11及第二支架18，其中，第一支架11沿水平分布，第一支架11上设有对称的两个第一让位孔114，机械腿机构2一一对应地穿设在第一让位孔114内，其的顶部设在第一支架11的顶部上；第二支架18沿竖向分布，第二支架18的顶部固定在第一支架11的底部的中部上，位于两套机械腿机构之间；锁定机构4设在第二支架18上。

对于第一支架11而言，如图3所示，优选地，第一支架11包括沿水平方向延伸的第一板块111，分别成型在第一板块111的前端和后端上第一倾斜板112和第二倾斜板113。两个第一让位孔114设在第一板块111上，第一板块111的后端的顶部上设有向上凸出的两个安装座115，安装座115的前侧壁上设有第一安装槽；两个机械腿机构2的顶部分别嵌装在第一安装槽内。

如图4、图5及图6所示，躯干1还设有电源控制电路板12、控制器支架13、运动控制器14、锂电池、惯性测量单元、相机支架15、深度相机16。

其中，电源控制电路板12固定于第一支架11后侧上方位置，例如，固定在第二倾斜板113的顶部上；控制器支架13通过固定柱与第一支架11固定连接，固定柱穿设在电源控制电路板12的通孔内，固定柱的顶部和底部分别连接于控制器支架13和第二倾斜板113。

运动控制器14固定于控制器支架13上方，用于对电机组内的每个电机、头部机构5(下文中提及)中的电机及轮式机构3中的电机的运动进行控制。锂电池固定在第一支架11，与电机组、控制器及线路板等用电结构连接，对用电结构供电。惯性测量单元固定于第一支架11上，并位于锂电池的前侧，但与锂电池有一定间隙，用于对躯干1的姿态进行测量，运动控制器14根据该信号，控制机器人行走方式，例如前进、后退、转向等。

例如，上述的第一板块111上位于两个第一让位孔114之间的区域设有前后分布的第一容纳槽116和第二容纳槽117，第一容纳槽116内供锂电池嵌装；第二容纳槽117供惯性测量单元安装。

相机支架15固定于躯干1前侧下方，例如，优选地，如图9所示，相机支架15固定在第一倾斜板112的底部的前端上，深度相机16固定于相机支架15的前方上，通过拍照方式起到导航作用，控制器14根据该信号，控制机器人行走方式，例如前进、后退、转向等，能够使机器人避开障碍物。

另外，如图2所示，躯干1还包括设在第一支架11的顶部上的前壳171和后壳172，以及设在第二支架18的底部上的下壳173，前壳171与后壳172及下壳173可拆卸地连接，从而对上述的各部件起到包裹作用，外露出来的部件主要有轮式机构3、机械腿机构的小腿、脚掌28及深度相机16。

对于机械腿机构2而言，如图5和图7所示，两套机械腿机构2分别为左腿和右腿，两套机械腿机构相同，现以图5中的左腿为例来具体说明其结构。

具体地，如图5和图7所示，电机组包括髋关节俯仰电机21、膝关节俯仰电机22、踝关节俯仰电机23、踝关节横滚电机24；腿关节组包括髋关节-膝关节连接件25、膝关节-踝关节连接件26、踝关节俯仰-横滚连接件27及脚掌28。

其中，髋关节俯仰电机21固定在第一支架11的安装座115上，如图7所示，髋关节-膝关节连接件25的顶部与髋关节俯仰电机21铰接，其的底部与膝关节俯仰电机22固定连接；膝关节-踝关节连接件26的顶部与膝关节俯仰电机铰接，其的底部与踝关节俯仰电机23铰接；踝关节俯仰-横滚连接件27的顶部与踝关节俯仰电机23铰接，其的底部与踝关节横滚电机24铰接；踝关节横滚电机24固定在脚掌28的顶部表面上。

对于髋关节-膝关节连接件25而言，如图7所示，其包括两个U型板291，及将两个U型板291的槽底固定在一起的连接段292，位于上方的U型板291套在髋关节俯仰电机21的外，且U型板291的两侧壁铰接在髋关节俯仰电机21上；类似地，位于下方的U型板291固定套在膝关节俯仰电机22的两侧壁外。

膝关节-踝关节连接件26的结构与上述的髋关节-膝关节连接件25结构类似，不同之处在于连接段292呈弯曲的弧形，形成膝盖部分。类似地，踝关节俯仰-横滚连接件27的结构与上述的髋关节-膝关节连接件25结构相比，不同之处在于，位于上方的U型板291和位于下方的U型板291相交分布。

在图7所示，上述的髋关节俯仰电机21、膝关节俯仰电机22、踝关节俯仰电机23的转轴的轴线均沿X轴方向延伸，踝关节横滚电机24的转轴的轴线沿Y轴方向延伸。

踝关节横滚电机24设置主要的作用在于：当左机械腿机构抬高走路时，机器人的重量均落在右机械腿机构上，右腿会出现朝向右侧外的倾斜，为了保持机器人的重心平衡，此时右机械腿机构中的踝关节横滚电机24转动，带动整个右机械腿机构朝向内倾斜，从而调整右机械腿机构的位置，使右机械腿机构能够保持重心平稳，实现行走功能。同样，当右机械腿机构抬高走路时，左机械腿机构中的踝关节横滚电机24转动，来调整左机械腿机构的重心，保持重心平稳。

另外，上述的机械腿机构，髋关节俯仰电机21使髋关节具有俯仰自由度；膝关节俯仰电机22使膝关节具有俯仰自由度；踝关节俯仰电机23及踝关节横滚电机24，使踝关节具有俯仰和横滚两个方向的自由度。当机械腿机构需要转向时，通过地面对脚掌28施加的摩擦力，驱动脚掌进行转向的自由度。

也即，上述的机械腿机构包括大腿、膝盖、小腿及脚掌28，上述的髋关节俯仰电机21、髋关节-膝关节连接件25、膝关节俯仰电机22、膝关节-踝关节连接件26的位于上方的U型板291形成大腿；膝关节-踝关节连接件26的位于下方的U型板291、踝关节俯仰电机23、踝关节俯仰-横滚连接件27、踝关节横滚电机24形成小腿；膝关节-踝关节连接件26的弯曲连接段292作为膝盖。通过上述电机组的电机运作，可以使机械腿伸展开进行行走运动；或者使机械腿收缩，最佳的收缩状态是大腿和小腿平行分布。

如图8和图9所示，轮式机构3包括两个主动轮31、转向轮32、万向轮33、偏压件(图中未示意出)及分别驱动一个主动轮31转动的驱动机构。两个驱动机构对称设在躯干1的两侧上。

例如，两套驱动机构分别设在上述的第一支架11的第二倾斜板113的底部的后端上。两套驱动机构的结构一样，两个主动轮31的结构一样，现在以图5中的左侧主动轮31和驱动机构为例来说明其具体结构。

优选地，如图8所示，驱动机构包括旋转电机34及减速齿轮箱35，旋转电机34固定在第二倾斜板113的底部上，减速齿轮箱35的顶部表面固定在第二倾斜板113的底部上；减速齿轮箱的输入端与旋转电机34的转轴固定连接，其的输出端与主动轮31同轴固定连接，从而旋转电机转动，通过多级齿轮的啮合比的调速功能的传动，来带动主动轮31转动，左侧的主动轮31位于左腿外，二者之间独立设置，运动互不干涉。

转向轮32可转动地设在躯干1的底部的前端，转向轮32与两个主动轮31的底部表面位于同一平面上；万向轮33可转动地设在躯干1的底部的后方，万向轮33和转向轮32分布在所有主动轮31之间；偏压件设在躯干1上，其一端抵接在万向轮33上，并给万向轮33施加朝向下的偏压力。

当主动轮31在不平地面上滚动时，在偏压力的作用下，万向轮33趋于与地面接触，在竖向上能够对万向轮33的高度进行微调，确保两个主动轮31与地面接触，避免主动轮31处于悬空，使轮式机构3能够在不平地面上行走。在平地面上行走时，万向轮33处于悬空状态，与地面不接触，转向轮32和两个主动轮31的底部表面与地面接触，在平地面上行走。当然，在平地面上行走时，万向轮33也可以与地面接触，此时四个轮的底部表面处于同一表面上，也能够实现行走功能。

最佳地，如图9所示，转向轮32可转动地固定在上述第二支架18的底部的前端，万向轮33可转动地设在第二支架18的底部的后端，从而使轮式机构3的结构紧凑。也即，上述的轮式机构3通过两个主动轮31的左右差速，转向轮32的转向及万向轮33的调节作用，实现机器人的前进、后退、左转和右转、原地左转和原地右转等运动。

作为变形，上述的驱动机构还可以不设置减速齿轮箱，旋转电机34的转轴可以直接与主动轮31固定连接。

对于锁定机构4而言，如图6所示，锁定机构4包括旋转机构、锁定件及至少一个限位组件。旋转机构设在躯干1上；锁定件与旋转机构连接，锁定件受旋转机构的驱动而转动；在伸展状态，锁定件避开机械腿机构分布；在收缩状态，锁定件用于支撑小腿或脚掌28，从而使机械腿机构保持在收缩状态，对应地机械腿机构中的电机组即可停止运转。

对于锁定件而言，如图6-、图10及图11所示，锁定件包括平行分布的底部支撑板42和顶部压板43，底部支撑板42与顶部压板43之间形成限位槽；在收缩状态，脚掌28伸入限位槽内，底部支撑板42对机械腿机构起到支撑作用，进而使机械腿保持在收缩状态。

进一步地，锁定机构4还包括设在躯干1上的至少一个限位组件；在收缩状态，限位组件抵接在两套机械腿机构的大腿上，给大腿施加朝向下的阻挡力，以驱使机械腿机构的脚掌28或小腿抵接在锁定件，从而在限位组件和锁定件的配合下，进一步地限制机械腿机构的运动；在伸展状态，限位组件与两套机械腿机构的大腿分离。

对于限位组件而言，可以为一般限位板，或者其他结构，只需在收缩状态下，对机械腿机构的大腿的上表面施加朝向下的阻挡力即可。优选地，如图11所示，限位组件包括可转动地设在躯干1上的限位片44，及套在限位片44的转轴上的扭簧(图中未示意出))，扭簧的两端分别抵接在躯干1和限位片44上；在收缩状态，限位片44抵接在大腿上，限位片44通过扭簧对大腿施加阻挡力；在伸展状态，限位部分离于大腿。在扭簧的作用下，在收缩状态下，确保限位片44抵接在大腿上，对大腿施加朝向下的阻挡力。

对于限位片44而言，优选地，限位片44为弹片。当然，也可以为硬性性的限位片44。最佳地，限位片44可转动地设在上述的控制器支架13的前端上，扭簧的两端分别抵接在控制器支架13和限位片44上，使限位片44保持朝向上倾斜的状态。

优选地，如图6和图11所示，锁定机构4为一个，锁定机构4设在两套机械腿机构之间的躯干1的底部上；底部支撑板42和顶部压板43的中部固定在旋转机构的输出轴上，以形成四周呈开口的限位槽；在收缩状态，两套机械腿机构的脚掌28分别从各自对应的开口伸入限位槽内，进一步使锁定机构4的结构紧凑。当锁定机构4为一个时，上述的限位组件为两个，分别对应一套机械腿机构的大腿。

优选地，在收缩状态下，上述的限位片44抵接在大腿的膝关节俯仰电机22；当然，也可以抵接在大腿的其他部分，例如，髋关节俯仰电机21或者髋关节-膝关节连接件25，或者膝关节-踝关节连接件26的位于上方的U型板291。

当然，上述的锁定件还可以不包括顶部压板，对应地，在收缩状态，底部支撑板42可以支撑小腿，不支撑脚掌28。例如，底部支撑板42支撑小腿的踝关节俯仰电机23、膝关节-踝关节连接件26的位于下方的U型板291，踝关节俯仰-横滚连接件27，或者对小腿的下表面整体进行支撑均可。

对于旋转机构和锁定件在躯干1上的安装，如图6所示，第二支架18上设有沿其长度方向延伸的第一安装孔181；旋转机构包括嵌装在第一安装孔181内的锁定旋转电机41，及固定在锁定旋转电机41的转轴上的第一联轴器45；锁定件固定套接在第一联轴器45的外周壁上；在伸展状态，锁定件沿第二支架18的长度嵌在第一安装孔181内，确保机械腿机构在行走过程中，锁定机构4对机械腿机构不产生干涉；在收缩状态，锁定件沿第二支架18的宽度方向伸出第一安装孔181外。

优选地，第一联轴器45的底部通过轴承(图中未示意出)铰接在底部支撑板42上，从而第一联轴器45随着锁定旋转电机41转动而转动，以带动底部支撑板42和顶部压板43转动。

优选地，上述的第一安装孔181包括位于上方的第一孔部1811和位于下方的第二孔部1812，沿第二支架18的长度方向，第二孔部1812的长度大于第一孔部1811的长度；锁定旋转电机41嵌装在第一孔部1811内，第一联轴器45伸入第二孔部1812内；在伸展状态，锁定件嵌在第二孔部1812内；在收缩状态，锁定件伸出第二孔部1812外。

鉴于底部支撑板42和顶部压板43的长度大于锁定旋转电机41的长度，为便于二者在第二支架18上的固定，将第一安装孔181包括上述的第一孔部1811和第二孔部1812，以分别适应锁定旋转电机41、底部支撑板42的安装；同时，也能够保持第二支架18的强度。

此锁定机构4的工作过程为：通过电机组内电机的运转，当左腿和右腿收缩后，左腿的膝关节俯仰电机22和右腿的膝关节俯仰电机22分别抵接在左侧的限位片44和右侧的限位片44上时，两个限位片44被压缩后，分别给左腿和右腿提供反向力，此时左腿脚掌28和右腿脚掌28的底部表面略微比底部支撑板42高一些，底部支撑板42和顶部压板43在锁定旋转电机的转动下，经过第一联轴器的传动而旋转90度，从限位槽内转动出来。

最佳地，底部支撑板42和顶部压板43转动至与左腿脚掌28、右腿脚掌28的中心连线平行，此时锁定旋转电机41停止转动；电机组内的电机运转，使左腿脚掌28和右腿脚掌28分别经各自对应的槽口进入限位槽内，之后电机组内的所有电机卸载双腿所有力矩，左腿脚掌28和右腿脚掌28在重力和限位片44的阻挡力下，轻微下落至底部支撑板42的顶部上，将机械腿机构2锁定，使两套机械腿机构2保持在收缩状态。此时，左脚掌28和右脚掌28的底部高于上述轮式机构3的主动轮31、转向轮32的底部，旋转电机34转动，通过减速齿轮箱的传动，以带动主动轮31转动，实现轮式机构3在地面上滚动。

对于锁定机构4而言，锁定机构4还可以为两套，两套锁定机构4分别对应左机械腿机构和右机械腿机构，分别对左机械腿机构和右机械腿机构进行锁定，此时，底部支撑板42和顶部压板43之间形成的限位槽可以有一个槽口即可，该槽口面向各自对应的机械腿机构一侧。

进一步地，锁定机构4除了上述的结构外，还可以为其他的结构，例如，锁定机构4包括夹持气缸及夹具，夹持气缸驱动夹具打开或夹合，当机械腿机构处于收缩状态时，可以采用夹具夹持住腿，对腿施加支撑力，进而使机械腿机构2保持在收缩状态；在伸展状态，夹持气缸驱动夹具打开，撤销对机械腿机构2的锁定力。

此外，机器人还包括头部机构5，如图2、图12、图14所示，头部机构5包括头部支架51、脖子壳52、第一偏航电机531及头部壳55。

其中，头部支架51固定在躯干1的顶部的前端上；例如，头部支架51固定在第一支架11的第一倾斜板112的顶部上。脖子壳52可转动地设在头部支架51上；第一偏航电机531固定在头部支架51上，驱动脖子壳52绕头部支架51转动，以实现脖子的俯仰运动。

优选地，如图14所示，第一偏航电机531的输出端铰接有第二联轴器54，第二联轴器54可转动地设在头部支架51上；脖子壳52固定在第二联轴器上，从而第一偏航电机531转动，通过第二联轴器54的传动，带动脖子壳52绕头部支架51转动。

对于脖子壳52而言，如图12所示，包括右壳521和左壳522，右壳521和左壳522可拆卸地扣合在一起，左壳522套接固定在第二联轴器54上，右壳521可转动地套在头部支架51上。如图14所示，头部支架51包括相对设置的第一支座511和第二支座512，上述的第二联轴器54可转动地设在第一支座511上，右壳521固定在第二联轴器上，左壳522可转动地套在第二支座512上。

头部壳55设在脖子壳52的顶部上，如图13所示，头部机构5还包括固定在脖子壳52内的第二偏航电机532，固定在头部壳55内的第三偏航电机533，如图15所示；及过渡连接件56；第三偏航电机533的第三转轴伸出头部壳55的底部外，与过渡连接件56的顶部连接，过渡连接件56的底部上固定有第一锥齿轮561；第二偏航电机532的第二转轴上连接有第二锥齿轮57；第二锥齿轮57与第一锥齿轮561啮合设置；第三偏航电机533的第三转轴的轴线沿竖向延伸，第一锥齿轮561的轴线沿水平延伸。

当第三偏航电机533不转动，第二偏航电机532转动时，带动其上的第二锥齿轮57转动，以带动过渡连接件56上的第一锥齿轮561俯仰转动，进而使第三偏航电机533和头部壳55整体做俯仰转动，实现头部壳55的俯仰自由度。当第二偏航电机532不转动，第三偏航电机533转动时，由于过渡连接件56与第三偏航电机533的转轴固定连接，过渡连接件56不转动，反向使头部壳55相对第三偏航电机的第三转轴、过渡连接件56而水平转动，实现头部的水平转动，从而使得头部机构5有三个自由度，分别为为脖子俯仰自由度、头部俯仰自由度和头部偏航自由度。

对于过渡连接件56而言，如图15所示，优选地，过渡连接件56包括过渡筒562，其的顶部套接固定在第三偏航电机533的第三转轴外，过渡筒562的下部外壁上固定有水平563；第一锥齿轮561呈扇形齿轮，扇形齿轮固定在水平轴的外周上。

此外，头部壳上还设有嘴巴，从而使得整个机器人的外形整体呈小天鹅形状，当然还可以为其他动物的形状，例如，小鸭子或小鸡等形状。

总之，本发明提供的一种轮足切换式机器人，即结合双足行走和轮式运动的机器人，其在机械结构上采用相互独立的结构进行结合，基于双足多关节协调运动实现双足行走和轮式运动的切换，并在轮式运动时锁定双足多关节，使得两种运动模式下高效切换。并且轮式机构3和双机械腿机构采用带有反馈的总线型电机，能够读取当前电机位置、转速、电流、温度等信息。双机械腿机构的电机力矩只需满足双足行走需求，即可满足轮足切换过程的需求。本实施例采用躯干1的惯性测量单元对机器人姿态进行检测。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种轮足切换式机器人，其特征在于，包括

躯干(1)；

两套机械腿机构，对称设在所述躯干(1)的两侧；任一所述机械腿机构包括电机组及腿关节组；所述电机组用于驱动所述腿关节组可在收缩状态与伸展状态之间切换，并在伸展状态下行走；所述腿关节组包括大腿、膝盖、小腿及脚掌(28)；

轮式机构(3)，设在所述躯干(1)的底部上，其具有对称设在所述躯干(1)两侧的至少两个主动轮(31)，在收缩状态下，所述主动轮(31)受驱动机构的驱动而滚动；

至少一个锁定机构(4)，设在所述躯干(1)上；在收缩状态，所述锁定机构(4)对两套所述机械腿机构施加锁定力，使两套所述机械腿机构保持在收缩状态，并至少高于所述轮式机构(3)的主动轮(31)；

任一所述锁定机构(4)包括旋转机构及锁定件，所述旋转机构设在所述躯干(1)上；所述锁定件与所述旋转机构连接，所述锁定件受所述旋转机构的驱动而转动；所述锁定件包括平行分布的底部支撑板(42)和顶部压板(43)，所述底部支撑板(42)与所述顶部压板(43)之间形成限位槽；在收缩状态，所述脚掌(28)伸入所述限位槽内；在伸展状态，所述锁定件避开所述机械腿机构分布；在收缩状态，所述锁定件用于支撑所述小腿或脚掌(28)；

所述锁定机构(4)为一个的情况下，所述锁定机构(4)设在两套机械腿机构之间的所述躯干(1)的底部上；所述底部支撑板(42)和顶部压板(43)的中部固定在所述旋转机构的输出轴上，以形成四周呈开口的限位槽；在收缩状态，两套机械腿机构的脚掌(28)分别从各自对应的开口伸入所述限位槽内。

2.根据权利要求1所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述锁定机构(4)还包括设在所述躯干(1)上的至少一个限位组件；

在收缩状态，所述限位组件抵接在两套机械腿机构的大腿上，给所述大腿施加朝向下的阻挡力，以驱使所述机械腿机构的脚掌(28)或小腿抵接在所述锁定件上；

在伸展状态，所述限位组件与两套机械腿机构的大腿分离。

3.根据权利要求2所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述限位组件包括

可转动地设在所述躯干(1)上的限位片(44)，及套在所述限位片(44)的转轴上的扭簧，所述扭簧的两端分别抵接在所述躯干(1)和限位片(44)上；

在收缩状态，所述限位片(44)抵接在所述大腿上，所述限位片(44)通过所述扭簧对所述大腿施加所述阻挡力；

在伸展状态，所述限位组件分离于所述大腿。

4.根据权利要求3所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述限位组件为两个，一一对应所述机械腿机构的大腿。

5.根据权利要求1所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述轮式机构(3)还包括

转向轮(32)，可转动地设在所述躯干(1)的底部的前方，所述转向轮(32)与两个所述主动轮(31)的底部表面位于同一平面上；及

万向轮(33)，可转动地设在所述躯干(1)的底部的后方，所述万向轮(33)和所述转向轮(32)分布在所有所述主动轮(31)之间；及

偏压件，设在所述躯干(1)上，其一端抵接在所述万向轮(33)上，并给所述万向轮(33)施加朝向下的偏压力。

6.根据权利要求5所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述躯干(1)包括

第一支架(11)，沿水平分布；所述第一支架(11)上设有对称的两个第一让位孔(114)，所述机械腿机构一一对应地穿设在第一让位孔(114)内，其的顶部设在所述第一支架(11)的顶部上；

第二支架(18)，沿竖向分布；所述第二支架(18)的顶部固定在所述第一支架(11)的底部上，位于两套机械腿机构之间；所述锁定机构(4)设在所述第二支架(18)上；

所述转向轮(32)设在所述第二支架(18)的底部的前端，所述万向轮(33)设在所述第二支架(18)的底部的后端；所述主动轮(31)设在所述第一支架(11)的底部上，且位于两套机械腿机构外。

7.根据权利要求6所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述第二支架(18)上设有沿其长度方向延伸的第一安装孔(181)；

在伸展状态，所述锁定件沿第二支架(18)的长度嵌在所述第一安装孔(181)内；在收缩状态，所述锁定件沿第二支架(18)的宽度方向伸出所述第一安装孔(181)外。

8.根据权利要求7所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述第一安装孔(181)包括位于上方的第一孔部(1811)和位于下方的第二孔部(1812)，沿第二支架(18)的长度方向，所述第二孔部(1812)的长度大于所述第一孔部(1811)的长度；锁定旋转电机(41)嵌装在所述第一孔部(1811)内，第一联轴器(45)伸入所述第二孔部(1812)内；

在伸展状态，所述锁定件嵌在所述第二孔部(1812)内；在收缩状态，所述锁定件伸出所述第二孔部(1812)外。

9.根据权利要求6所述的轮足切换式机器人，其特征在于，还包括头部机构(5)，其包括

头部支架(51)，固定在所述躯干(1)的顶部的前端上；

脖子壳(52)，可转动地设在所述头部支架(51)上；

第一偏航电机(531)，固定在所述第一支架的前端的顶部上，并位于所述脖子壳(52)内，驱动所述脖子壳(52)绕所述头部支架(51)转动；

头部壳(55)，设在所述脖子壳(52)的顶部上。

10.根据权利要求9所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述头部机构(5)还包括固定在所述脖子壳(52)内的第二偏航电机(532)，固定在所述头部壳(55)内的第三偏航电机(533)；及过渡连接件(56)；

所述第三偏航电机(533)的第三转轴伸出所述头部壳(55)的底部外，与所述过渡连接件(56)的顶部固定连接，所述过渡连接件(56)的底部上固定有第一锥齿轮（561）；

所述第二偏航电机(532)的第二转轴上连接有第二锥齿轮（57）；所述第二锥齿轮（57）与所述第一锥齿轮（561）啮合设置；

所述第三偏航电机(533)的第三转轴的轴线沿竖向延伸，所述第二锥齿轮的转轴的轴线沿水平延伸。

11.根据权利要求10所述的轮足切换式机器人，其特征在于，所述过渡连接件(56)包括

过渡筒(562)，其的顶部套接固定在所述第三偏航电机(533)的第三转轴外，所述过渡筒(562)的下部外壁上固定有水平轴（563）；

所述第二锥齿轮呈扇形齿轮，所述扇形齿轮固定在所述水平轴的外周上。

12.根据权利要求1所述的轮足切换式机器人，其特征在于，

所述电机组包括髋关节俯仰电机（21）、膝关节俯仰电机（22）、踝关节俯仰电机（23）、踝关节横滚电机（24）；腿关节组包括髋关节-膝关节连接件（25）、膝关节-踝关节连接件（26）、踝关节俯仰-横滚连接件（27）及脚掌（28）；

所述髋关节俯仰电机（21）固定在所述躯干（1）上，所述髋关节-膝关节连接件（25）的顶部与髋关节俯仰电机（21）铰接，其的底部与膝关节俯仰电机（22）固定连接；

所述膝关节-踝关节连接件（26）的顶部与膝关节俯仰电机铰接，其的底部与踝关节俯仰电机（23）铰接；踝关节俯仰-横滚连接件（27）的顶部与踝关节俯仰电机（23）铰接，其的底部与踝关节横滚电机（24）铰接；踝关节横滚电机（24）固定在脚掌（28）的顶部表面上。

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