CN115303383B - 一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人，属于步行机器人领域；包括机架、一套驱动机构、至少两对凸轮行走机构；机架底部设有至少两个可自转的摇臂轴；机架顶部设有至少两个可自转的凸轮轴；凸轮行走机构包括：凹槽凸轮、行走腿、限位槽板、以及摇臂；行走腿在限位槽板的限定下随摇臂和凹槽凸轮的转动而摆动，多个行走腿之间相互配合，完成行走动作。本发明选择了凸轮连杆方案作为步行机器人的行走机构，来获得更好的平稳性和更简单的结构；通过将六足分成两组对称的三角支撑面，只需机构急回特性比大于1即可在地面稳定行走；同一侧的三足行走机构交错布置，来减少整体结构的体积；可以实现在不平稳的地面行走以及转弯倒车等功能。

Description

一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人

技术领域

本发明涉及步行装置技术领域，具体涉及一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人。

背景技术

行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构一方面支承机器人的机身、臂部和手部，因而必须具有足够的刚度和稳定性；另一方面，还需根据作业任务的要求，实现机器人在更广阔的空间内的运动。其中行走机构根据其结构分为车轮式、履带式、步行式和其他方式。

车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小，以及容易控制移动速度和方向等优点，因此得到了普遍的应用，但轮式机器人存在越障能力差、地形适应能力差、转弯效率低等问题，只有在平坦的地面上才能发挥出来。

步行式机构类似于动物那样，利用脚部关节机构、用步行方式实现移动的机构，称为步行机构。采用步行机构的步行机器人，能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑，还可以上、下台阶，因而具有广泛的适应性。但是腿式机器人行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，不稳定，同时控制上有相当的难度。

步行机器人的研究趋势主要在于要使其可以完成灵活的步行动作，并有较大的活动范围；有高性能的步态规划和姿态控制系统，可以保证机器人运动中的稳定性，保证使用者的安全；有友好的人机交互界面，使用者可以通过极为简便的操作，来实现对机器人的灵活控制；有对外界环境变化快速反应的控制系统，可以有针对性地自动对机器人进行调整，以实现机器人对不同环境的自适应；有较小的能耗，可以长期使用。因此，需要设计一款适应在不平稳的地面行走的六足机器人。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人，可以实现在不平稳的地面行走以及转弯倒车，相对于传统机器人具有更好的平稳性和更简单的结构。

为此，本发明提出了一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人，包括机架、一套驱动机构、至少两对凸轮行走机构；机架底部设有至少两个可自转的摇臂轴；机架顶部设有至少两个可自转的凸轮轴；

凸轮行走机构包括：凹槽凸轮、行走腿、限位槽板、以及摇臂；凹槽凸轮与凸轮轴端部固定连接，行走腿上端与凹槽凸轮滑动连接，行走腿上端还与固定在机架上的限位槽板滑动连接；行走腿中部具有导槽，摇臂一端与导槽滑动连接，摇臂另一端与摇臂轴端部固定连接；

其中，驱动机构通过同步带驱动凸轮轴和摇臂轴同步传动，使行走腿在限位槽板的限定下随摇臂和凹槽凸轮的转动而摆动，多个行走腿之间相互配合，完成行走动作。

进一步，凸轮行走机构设有三对，凸轮轴、摇臂轴各设置有三根，且三对凸轮行走机构在机架长度方向上等距排列。

进一步，凹槽凸轮被交错安装在机架两侧，其中，机架同一侧的相邻两个凹槽凸轮之间交错安装；连接在同一凸轮轴上的两个凹槽凸轮之间也交错安装。

进一步，驱动机构包括电机和减速箱，中间位置的摇臂轴与减速箱传动连接，而另外两个摇臂轴与中间的摇臂轴通过同步带连接；与同一凸轮行走机构配合的摇臂轴、凸轮轴之间也通过同步带连接。

进一步，三根凸轮轴分别为凸轮轴一、凸轮轴二、凸轮轴三；三根凸轮轴分别为摇臂轴一、摇臂轴二、摇臂轴三；凸轮轴一和摇臂轴一设置在机架前端上下部位置，凸轮轴三和摇臂轴三设置在机架后端上下部位置，凸轮轴二和摇臂轴二设置在机架中部。

进一步，凹槽凸轮包括内侧的凸轮、外侧的凸轮圈、以及连接两者的连接件，凸轮与凸轮圈之间形成凸轮形状的环形凹槽。

进一步，行走腿上端设有两个滑轮一，内侧的滑轮一与限位槽板连接，外侧的滑轮一与凹槽凸轮连接；摇臂活动端设有滑轮二，滑轮二与导槽连接。

进一步，摇臂轴和凸轮轴上设有滚动轴承，滚动轴承与机架上设置的轴承孔配合。

进一步，限位槽板内侧具有导向槽，导向槽沿竖直方向延伸。

进一步，机架上设置了两对凸轮行走机构、两个摇臂轴和两个凸轮轴，一对凸轮行走机构位于机架前端，一对凸轮行走机构位于机架后端，摇臂轴和凸轮轴通过同步带与驱动机构传动连接，两对凸轮行走机构之间相互配合，完成行走动作。

本发明提供的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，通过驱动机构和自行设计的凸轮机构，来获得更好的平稳性和更简单的结构；从而实现步行机器人的足式运动。具有新型凸轮行走机构的步行机器人，行程速比系数较大、跨越段轨迹可调、支撑段曲线平稳、杆件少，利于减重；在尺寸相近的条件下，凸轮机构可以产生更长的行程，其速度性能更优秀。而凸轮机构在高度方向上产生的速度最小，即平稳性更优越。

其中，自行设计的凸轮行走机构虽相较传统步行机构牺牲一定的跨高，但获得了更好的平稳性和更简单的结构；六足机构可以通过将六足分成两组对称的三角形支撑面，机构急回特性比大于1即可在地面稳定行走；可以实现在不平稳的地面行走以及转弯倒车等功能。同样六足步行机器人同一侧的三足行走机构交错布置，三角形相对稳定，目的是为了减少整体结构的体积。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人的结构示意图；

图2为本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人中凸轮行走机构的示意图一；

图3为本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人中凸轮行走机构的示意图二；

图4为本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人中凹槽凸轮的示意图；

图5为本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人中驱动机构的结构示意图；

图6为本发明的步行机器人中凸轮行走机构的x y位移曲线；

图7为本发明的步行机器人中凸轮行走机构的x y速度曲线；

图8为本发明的步行机器人中凸轮行走机构的运动轨迹图；

图9为本发明的步行机器人中凸轮行走机构的运动状态图一；

图10为本发明的步行机器人中凸轮行走机构的运动状态图二；

图11为本发明的步行机器人中凸轮行走机构的运动状态图三。

附图标记说明

10、凸轮行走机构；20、驱动机构；30、机架；1、载物支架；2、凸轮轴一；3、凸轮轴二；4、凸轮轴三；5、摇臂轴一；6、摇臂轴二；7、摇臂轴三；11、凹槽凸轮；12、滑轮一；13、行走腿；14、摇臂；15、滑轮二；16、限位槽板；21、电机；22、一级减速器；23、二级减速器；111、凸轮；112、凸轮圈；113、连接件。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1～图5所示，本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，包括：机架30、一套驱动机构20、三对凸轮行走机构10；机架底部设有三个可自转的摇臂轴；机架顶部设有三个可自转的凸轮轴；三根凸轮轴在机架顶部水平设置并等距排列，三根摇臂轴在机架底部水平设置并等距排列，且凸轮轴在摇臂轴正上方；此外，机架上端还设有载物支架1。

具体地，如图2、图3所示，自行设计的凸轮连杆机构，包括：凹槽凸轮11、滑轮一12、滑轮二15、行走腿13、摇臂14、限位槽板16(共计两个滑动副、四个转动副，总计为两个自由度)。凹槽凸轮11与凸轮轴端部固定连接，行走腿13上端设有两个滑轮一12，内侧的滑轮一12与限位槽板滑动连接；外侧的滑轮一12与凹槽凸轮滑动连接。行走腿13中部具有导槽，摇臂14活动端设有滑轮二15，滑轮二15与导槽滑动连接，摇臂14另一端与摇臂轴端部固定连接。

其中，驱动机构20通过同步带驱动凸轮轴和摇臂轴同步传动，使行走腿13在限位槽板的限定下随摇臂14和凹槽凸轮11的转动而摆动，多个行走腿13之间的相互配合，完成行走动作。

如图1所示，凹槽凸轮被交错安装在六足机器人两侧，机架同一侧的相邻两个凹槽凸轮之间交错安装；同一凸轮轴上的两个凹槽凸轮之间也交错安装。左侧的三个凹槽凸轮中前后两个凹槽凸轮为小圆朝前，中间凹槽凸轮为大圆朝后，右侧的三个凹槽凸轮中前后两个凹槽凸轮为大圆超前，中间凹槽凸轮为小圆朝后。这样安排可以使得行走腿13的起始位置不同以及运动轨迹也不相同，进而形成相应的步态。

自行设计的凸轮行走机构虽相较传统步行机构牺牲一定的跨高，但获得了更好的平稳性和更简单的结构；六足机构可以通过将六足分成两组对称的三角形支撑面，机构急回特性比大于1即可在地面稳定行走；同样六足步行机器人同一侧的三足行走机构交错布置，三角形相对稳定，目的是为了减少整体结构的体积。

如图6、图7所示，在尺寸相近的条件下，凸轮机构可以产生更长的行程，其速度性能更优秀。而凸轮机构在高度方向上产生的速度最小，即平稳性更优越。因此，具有新型凸轮行走机构的步行机器人，行程速比系数较大、跨越段轨迹可调、支撑段曲线平稳、杆件少，利于减重。

在本案中，如图4所示，所述凹槽凸轮包括内侧的凸轮111、外侧的凸轮圈112、以及连接两者的连接件113，所述凸轮11与所述凸轮圈112之间形成凸轮形状的环形凹槽。所述限位槽板16内侧具有导向槽，所述导向槽沿竖直方向延伸。

在机架30上设有三组轴承孔一和三组轴承孔二，轴承孔一和轴承孔二内均设有滚动轴承，通过轴承孔一和轴承孔二将凸轮轴和摇臂轴分别安装在机架的上下两个滚动轴承内。限位槽板上的通孔与凸轮轴呈同心圆关系，凸轮轴穿过限位槽板上的通孔与机架转动连接。

其中，摇臂固定端的安装孔一与摇臂轴呈同心圆关系，摇臂通过安装孔一与摇臂轴的装配也固定于机架上。凹槽凸轮中间设有安装孔二，安装孔二与凸轮轴呈同心圆关系，通过安装孔二，将凹槽凸轮安装于凸轮轴上，从而可以使凸轮轴带动凹槽凸轮转动。

此外，行走腿上方设有的两个滑轮一12呈同心圆关系，同时内侧滑轮一与限位槽板上的滑轮槽配合，从而将内侧滑轮一12运动轨迹限定于限位槽板上的滑轮槽内，外侧滑轮一与凹槽凸轮上的环形凹槽配合，从而将外侧滑轮一运动轨迹限定于凹槽凸轮上的环形凹槽内；摇臂上的滑轮二15与行走腿下方的导槽配合，从而将摇臂上的滑轮运动轨迹固定于行走腿下方的导槽内。

如图5所示，展示的是本发明所采用的驱动机构20，包括一个电机21和一个减速箱，减速箱包括一级减速器22和二级减速器23。其中，电机21将动力传输给一级减速器22；一级减速器22将动力传输到二级减速器23；二级减速器23带动摇臂轴二6运动；摇臂轴二6通过同步带带动凸轮轴二3运动；凸轮轴二3带动凸轮连杆机构运动。

其中，三根凸轮轴分别为凸轮轴一2、凸轮轴二3、凸轮轴三4；三根凸轮轴分别为摇臂轴一5、摇臂轴二6、摇臂轴三7；凸轮轴一2和摇臂轴一5设置在机架前端上下部位置，凸轮轴三4和摇臂轴三7设置在机架后端上下部位置，凸轮轴二3和摇臂轴二6设置在机架中部。

凸轮轴在摇臂轴正上方，凸轮轴与摇臂轴通过同步带和同步轮进行连接；摇臂轴之间同样通过同步带和同步轮进行连接。其中，摇臂轴二6通过同步带带动凸轮轴二3；摇臂轴一5、摇臂轴三7与摇臂轴二6通过同步带。

如图1所示，机架30由四块方形碳纤维板围成，其中前后两块碳纤维板采用中间划单叉的镂空设计；左右两块碳纤维板因为需要承担更多构件，故对强度有进一步要求，所以采用中间划双叉的镂空设计。上述设计既保证机架强度又节省材料。

在另一实施例中，机架上仅设置了两对凸轮行走机构10，机架上设置的摇臂轴和凸轮轴同样是两根，一对凸轮行走机构10位于机架前端，一对凸轮行走机构10位于机架后端，通过驱动机构驱动摇臂轴和凸轮轴转动，同样可以使整个步行机器人在地面直线行走。

下面结合附图简述本发明的基于新型凸轮行走机构的步行机器人的工作原理和工作过程。

首先，电机21将动力传输给一级减速器22；一级减速器22将动力传输到二级减速器23；二级减速器23带动摇臂轴二6运动；摇臂轴二6通过同步带带动凸轮轴二3运动；凸轮轴二3带动凸轮连杆机构运动。

摇臂轴二6通过同步带带动摇臂轴一5顺时针运动，带动摇臂轴三7逆时针运动；摇臂轴一5通过同步带带动上方凸轮轴一2运动；凸轮轴一2带动相应凸轮连杆行走机构运动；摇臂轴三7通过同步带带动上方凸轮轴三4运动；凸轮轴带动相应凸轮连杆行走机构运动，

如图9～图11所示，凸轮连杆行走机构运动过程中，多个行走腿13交替完成以下动作：向前上方抬腿、向前跨越、与前方地面接触以支撑整个步行机器人、向后上方抬腿以反向推动支撑整个步行机器人朝前移动、与地面接触。

其中，如图8所示，为凸轮行走机构的运动轨迹图，行走腿13下端随摇臂14的转动而前后摆动，行走腿13上端沿着限位槽板16上下移动，并通过凹槽凸轮11调整行走腿13上端上下移动的速度，使行走腿13末端运动的轨迹更加平顺，同时，通过设置凸轮结构，使行走腿13产生更长的行程，其速度性能更优秀；在高度方向上产生的速度最小，即平稳性更优越。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于新型凸轮行走机构的步行机器人，其特征在于，包括机架（30）、一套驱动机构（20）、至少两对凸轮行走机构（10）；所述机架（30）底部设有至少两个可自转的摇臂轴；所述机架（30）顶部设有至少两个可自转的凸轮轴；

所述凸轮行走机构（10）包括：凹槽凸轮（11）、行走腿（13）、限位槽板（16）、以及摇臂（14）；所述凹槽凸轮（11）与所述凸轮轴端部固定连接，所述行走腿（13）上端与所述凹槽凸轮（11）滑动连接，所述行走腿（13）上端还与固定在机架（30）上的所述限位槽板（16）滑动连接；所述行走腿（13）中部具有导槽，所述摇臂（14）一端与所述导槽滑动连接，所述摇臂（14）另一端与所述摇臂轴端部固定连接；

其中，所述驱动机构（20）通过同步带驱动所述凸轮轴和所述摇臂轴同步传动，使所述行走腿（13）在所述限位槽板（16）的限定下随所述摇臂（14）和所述凹槽凸轮（11）的转动而摆动，多个所述行走腿（13）之间相互配合，完成行走动作；

所述凸轮行走机构（10）设有三对，所述凸轮轴、所述摇臂轴各设置有三根，且三对所述凸轮行走机构（10）在所述机架（30）长度方向上等距排列；所述凹槽凸轮（11）被交错安装在所述机架（30）两侧，其中，所述机架（30）同一侧的相邻两个所述凹槽凸轮之间交错安装；连接在同一所述凸轮轴上的两个所述凹槽凸轮之间也交错安装；所述驱动机构（20）包括电机（31）和减速箱，中间位置的所述摇臂轴与所述减速箱传动连接，而另外两个所述摇臂轴与中间的所述摇臂轴通过同步带连接；与同一凸轮行走机构配合的所述摇臂轴、所述凸轮轴之间也通过同步带连接。

2.根据权利要求1所述的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，其特征在于，三根凸轮轴分别为凸轮轴一（2）、凸轮轴二（3）、凸轮轴三（4）；三根凸轮轴分别为摇臂轴一（5）、摇臂轴二（6）、摇臂轴三（7）；凸轮轴一（2）和摇臂轴一（5）设置在机架（30）前端上下部位置，凸轮轴三（4）和摇臂轴三（7）设置在机架（30）后端上下部位置，凸轮轴二（3）和摇臂轴二（6）设置在机架（30）中部。

3.根据权利要求1所述的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，其特征在于，所述凹槽凸轮（11）包括内侧的凸轮（111）、外侧的凸轮圈（112）、以及连接两者的连接件（113），所述凸轮（111）与所述凸轮圈（112）之间形成凸轮形状的环形凹槽。

4.根据权利要求1所述的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，其特征在于，所述行走腿（13）上端设有两个滑轮一（12），内侧的所述滑轮一（12）与所述限位槽板连接，外侧的所述滑轮一（12）与所述凹槽凸轮连接；所述摇臂（14）活动端设有滑轮二（15），所述滑轮二（15）与所述导槽连接。

5.根据权利要求1所述的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，其特征在于，所述摇臂轴和所述凸轮轴上设有滚动轴承，所述滚动轴承与所述机架（30）上设置的轴承孔配合。

6.根据权利要求1所述的基于新型凸轮行走机构的步行机器人，其特征在于，所述限位槽板内侧具有导向槽，所述导向槽沿竖直方向延伸。

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