CN116215694A - 主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，包括连接杆和直线位移测量元件；连接杆顶部连接小腿连接件，内部连接缓冲器；缓冲器下部位于小腿外壳内，且连接杆与小腿外壳之间设有直线导向机构；直线位移测量元件安装在小腿外壳上；小腿外壳通过电机连接件连接电机，电机连接机器人行走轮。本发明的小腿结构实现轮腿机器人的悬挂缓震，保证机器人的高速平稳移动，使轮腿机器人集高负载和高复杂环境适应性能。
Description
技术领域
本发明属于轮腿机器人技术领域，具体涉及一种主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构。
背景技术
机器人是当今主流的研究方向，从工业机械臂到四足机器人，仿人机器人的研究也被越来越多的公司作为研究重点。仿人机器人在非结构环境中具有较高的应用场景，其能够实现上台阶、跳跃等功能，也能代替人类去实现一些危险的事情。轮式机器人以高机动性为特色，在城市楼宇环境中主要应用于巡检、物流搬运等。轮腿复合机器人结合仿人机器人的高复杂环境适应性和轮式机器人的高机动性，具有广泛的应用前景。
现有轮腿机器人小腿结构主要分为两种，一种为刚性小腿，难以实现不平整路面的稳定行进，使机器人在不平整路面发生抖震，对零部件的稳定性产生影响，降低机器人的可靠性；另一种为被动柔性小腿，主要通过膝关节的板簧或在小腿和大腿之间安装弹簧，该种结构对控制稳定性要求较高，且其随时间增加，控制误差会增加。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，实现轮腿机器人在非结构路面的稳定快速行进。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，包括：
连接杆，顶部连接小腿连接件，内部连接缓冲器；所述缓冲器下部位于小腿外壳内，且连接杆与小腿外壳之间设有直线导向机构；
直线位移测量元件，安装在小腿外壳上；
所述小腿外壳通过电机连接件连接电机，电机连接机器人行走轮。
进一步的技术方案，所述直线导向机构包括安装在连接杆两侧的导轨以及安装在小腿外壳内侧的滑块。
更进一步的技术方案，所述导轨下方的连接杆上固定有限位装置，所述限位装置根据不同长度的缓冲器安装在不同的高度。
进一步的技术方案，所述直线位移测量元件包括激光测距传感器和激光反射件，所述激光测距传感器安装在小腿外壳上，所述激光反射件安装在小腿连接件上。
进一步的技术方案，所述小腿连接件上部加工有凹槽及两个轴安装槽，且所述凹槽位于两个轴安装槽的中心位置。
进一步的技术方案，所述缓冲器与连接杆通过螺纹连接，且缓冲器上还设有用于锁紧的螺母。
进一步的技术方案，所述连接杆上方开设有多组方形通孔，通过所述方形通孔调节缓冲器上方的旋钮。
进一步的技术方案，所述缓冲器利用弹簧阻尼替换。
进一步的技术方案，所述小腿外壳和电机连接件之间安装有三维力传感器。
进一步的技术方案，当轮腿机器人发生故障时，连接杆和小腿外壳通过固定块固定，所述固定块与连接杆连接的位置根据不同长度的缓冲器进行调整。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，通过缓冲器实现被动悬挂缓震，适应不平稳路面，同时激光测距传感器和激光反射件实时反馈小腿结构直线距离变化，并反馈给工控机，工控机进行反馈控制，实现轮腿机器人的稳定快速行进。
(2)本发明的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，利用激光测距传感器和激光反射件实时监测小腿结构直线距离变化，控制机器人大腿或小腿的角度，利用三维力传感器检测辐条轮的受力情况，工控机控制电机的力矩，同时实现力矩控制和位置控制，使轮腿机器人集高负载和高复杂环境适应性能。
附图说明
图1为本发明所述悬挂缓震轮腿机器人小腿结构示意图；
图2为本发明所述悬挂缓震轮腿机器人小腿结构爆炸图；
图中：1-小腿连接件，2-激光反射件，3-连接杆，4-导轨，5-滑块，6-缓冲器，7-固定块，8-小腿外壳，9-限位螺钉，10-安装块，11-激光测距传感器，12-三维力传感器，13-电机连接件，14-电机，15-轮连接件，16-辐条轮。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、2所示，本发明一种主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构包括：小腿连接件1、激光反射件2、连接杆3、导轨4、滑块5、缓冲器6、小腿外壳8、限位螺钉9、安装块10、激光测距传感器11、三维力传感器12、电机连接件13、电机14、轮连接件15和辐条轮16。
小腿连接件1上部加工有凹槽及两个轴安装槽，且凹槽位于两个轴安装槽的中心位置，两个轴安装槽的中心距为45mm，作为四连杆机构的一个连杆。
小腿连接件1通过螺钉与连接杆3顶端连接，激光反射件2安装在小腿连接件1上，导轨4固定在连接杆3两侧，滑块5固定在小腿外壳8内侧，且与导轨4配合。本实施例中的导轨滑块可利用其它直线导向机构替代。
连接杆3内部加工有螺纹，缓冲器6的外壳设有螺纹，缓冲器6上还设有螺母，且螺母的螺纹与连接杆3内部的螺纹旋向相反，缓冲器6伸入连接杆3内部通过螺纹连接并通过螺母锁紧，缓冲器6与小腿外壳8内部底面接触。连接杆3上方开设有多组方形通孔(图中示意的是两组)，从而能够通过该通孔调节缓冲器6上方的旋钮，以适用不同的负载，同时在安装不同长度的缓冲器时，方便选择合适的通孔对旋钮进行调节。本实施例中的缓冲器6利用弹簧阻尼器等替代。
安装块10固定在小腿外壳8上，激光测距传感器11安装在安装块10上；本实施例中的激光测距传感器11可利用光栅尺、位移传感器等直线位移测量元件替代，当选用光栅尺时，激光反射件2改成读数头。
限位螺钉9穿过小腿外壳8上的通孔与连接杆3固定，限位螺钉9位于导轨4下方；在轮腿机器人在抬腿时，滑块5沿导轨4向下滑动，能够防止连接杆3从小腿外壳8中滑出；本实施例中的限位螺钉也可选用其它限位块。小腿外壳8上的通孔设置多组(图中示意的是两组)，能够适应于不同长度的缓冲器。
三维力传感器12通过螺钉安装在小腿外壳8和电机连接件13之间；电机14通过螺钉固定在电机连接件13上。
轮连接件15通过螺钉连接电机14的输出轴和辐条轮16。本实施例中的辐条轮16可以选用其他任何形式的轮子。
当轮腿机器人发生故障时，固定块7通过螺钉分别与连接杆3和小腿外壳8连接，将小腿从柔性变成刚性；连接杆3上方设有多组通孔(图中示意的是两组)，分别与小腿外壳8上的通孔配合，安装固定块7，从而适应不同长度型号的缓冲器。
本发明一种主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构采用以下安装步骤：
步骤(1)，将小腿连接件1和导轨4分别通过螺钉固定在连接杆3上；激光反射件2安装在小腿连接件1上；
步骤(2)，将缓冲器6安装到连接杆3中，调整好位置，旋紧其上部的螺母使缓冲器6与连接杆3锁紧；
步骤(3)，将安装块10和滑块5分别固定在小腿外壳8上；
步骤(4)，滑块5与导轨4配合，即连接杆3安装进小腿外壳8内部；
步骤(5)，安装限位螺钉9，穿过小腿外壳8，并固定在连接杆3上；
步骤(6)，将激光测距传感器11安装到安装块10上；
步骤(7)，将三维力传感器12与小腿外壳8和电机连接件13连接；
步骤(8)，将电机14安装至电机连接件13中；
步骤(9)，将轮连接件15固定在电机14输出轴上，并将辐条轮16固定到轮连接件15上。
本发明一种主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构的工作原理为：小腿连接件1通过其上部的凹槽与大腿连接，且小腿以凹槽为旋转中心；两个轴安装槽适配四连杆机构，且轴安装槽中的连杆通过轴承和大腿连杆进行力矩和速度传递，实现曲腿和直腿。轮腿机器人在电机14的驱动下行走在平稳路面上，缓冲器6处于平衡位置，当平稳路面出现凸起或凹坑时，通过缓冲器6进行被动悬挂，实现不平稳路面减震，保证机器人小腿稳定运动，同时小腿外壳8带动滑块5沿导轨4向上或向下移动，激光测距传感器11和激光反射件2实时监测小腿结构直线距离变化，并反馈给工控机，工控机进行反馈控制，例如控制大腿或小腿的角度(工控机控制大腿或小腿的角度为现有技术)，保证机器人上半身稳定，实现主动控制；三维力传感器12实时监测辐条轮16的受力情况，并反馈给工控机，为电机14的力矩控制和机器人的运动状态切换等提供数据支撑，具体的，工控机控制电机14的力矩以及机器人的运动状态切换过程为现有技术，在此不再赘述。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.主被动结合的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，包括：
连接杆(3)，顶部连接小腿连接件(1)，内部连接缓冲器(6)；所述缓冲器(6)下部位于小腿外壳(8)内，且连接杆(3)与小腿外壳(8)之间设有直线导向机构；
直线位移测量元件，安装在小腿外壳(8)上；
所述小腿外壳(8)通过电机连接件(13)连接电机(14)，电机(14)连接机器人行走轮。
2.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述直线导向机构包括安装在连接杆(3)两侧的导轨(4)以及安装在小腿外壳(8)内侧的滑块(5)。
3.根据权利要求2所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述导轨(4)下方的连接杆(3)上固定有限位装置，所述限位装置根据不同长度的缓冲器安装在不同的高度。
4.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述直线位移测量元件包括激光测距传感器(11)和激光反射件(2)，所述激光测距传感器(11)安装在小腿外壳(8)上，所述激光反射件(2)安装在小腿连接件(1)上。
5.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述小腿连接件(1)上部加工有凹槽及两个轴安装槽，且所述凹槽位于两个轴安装槽的中心位置。
6.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述缓冲器(6)与连接杆(3)通过螺纹连接，且缓冲器(6)上还设有用于锁紧的螺母。
7.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述连接杆(3)上方开设有多组方形通孔，通过所述方形通孔调节缓冲器(6)上方的旋钮。
8.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述缓冲器(6)利用弹簧阻尼替换。
9.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，所述小腿外壳(8)和电机连接件(13)之间安装有三维力传感器(12)。
10.根据权利要求1所述的悬挂缓震轮腿机器人小腿结构，其特征在于，当轮腿机器人发生故障时，连接杆(3)和小腿外壳(8)通过固定块(7)固定，所述固定块(7)与连接杆(3)连接的位置根据不同长度的缓冲器进行调整。
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