CN117565996A - 一种轮腿复合结构及轮腿机器人 - Google Patents

Abstract

一种轮腿复合结构及轮腿机器人，属于机器人领域。为解决现有的轮腿机器人在切换成腿式模式时，腿部姿态少，处于轮式模式下电量消耗大，无法长时间作业和稳定性差的问题。本发明中轮腿机构包括内腿单元、外腿单元、髋关节连接组件、踝关节连接组件、足部、膝关节复用驱动组件、主动轮、辅助轮、限位挡销；内腿单元和外腿单元并排布置在髋关节连接组件与踝关节连接组件之间，并形成四连杆结构；足部与踝关节连接组件连接；膝关节复用驱动组件安装在外腿单元的膝关节处，主动轮安装在膝关节复用驱动组件上；大腿限位挡销安装在内侧大腿的后端面上；辅助轮安装在内腿单元的膝关节处，小腿限位挡销安装在辅助轮上；本发明主要用于机器人的设计。

Description

一种轮腿复合结构及轮腿机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及轮腿结构，尤其涉及一种轮腿复合结构及轮腿机器人。

背景技术

近年来随着工业无人化的发展，工厂及特种环境作业对机器人的需求日益增多，故现有的轮式机器人和足式机器人单一的运动形态已经无法满足作业需求。随着市场的需求， 轮腿复合型机器人逐渐成为现在机器人发展的主要方向，以在不同环境下采用不同的行进策略，极大地提高了机器人的前进速度和地形适应能力。

现有的轮腿复合型机器人一般为双轮腿、四轮腿或者六轮腿机构，四轮腿和六轮腿虽然具有较高的稳定性，但是不具备双轮腿机器人在移动及作业操作方面的优势。例如中国专利申请CN111439319A公开的“一种可变形的腿部结构及机器人”，具体公开了的轮腿机构包括安装在机器人本体上的第一动力源，第二动力源，四连杆机构和轮子；第一动力源驱动第二动力源的本体和四连杆机构一起转动，第二动力源的输出轴与四连杆机构轴连接以使四连杆机构的四个连杆发生转动实现变形；轮子可拆卸的装设在四连杆机构上。当四连杆机构变形至压缩折叠状态时，轮子着地；当四连杆机构变形至伸长站立状态时，轮子离开地面，四连杆机构的其中一个连杆的端部着地。上述专利的轮腿机构和机器人有效的解决了目前机器人的轮腿机构的运行状态较为单一的问题。

虽然上述双轮腿机器人即具有双足机器人行走的优势，也可以变形为轮式结构适应复杂的环形，但是上述双轮腿机器人在切换成腿式结构时，腿部仍然处于四杆张开状态，无法真正意义上实现大腿与小腿串联式的仿生结构，且其腿部姿态的改变仅能通过髋关节处的电机进行实现，四连杆机构的形态在电机的驱动下，整体发生改变，而无法实现小腿姿态单独的改变，故对于腿式机器人来说，所产生的姿态和自由度更少。同时，上述专利中，由于将主动轮布置在足部，占用空间较大，结构不够紧凑，且在切换成腿式结构并以步式姿态行走时，为了防止主动轮的转动，用于驱动主动轮转动的电机需要一直处于待机状态，导致电量消耗大，无法长时间作业；而且主动轮与地面接触，在行走过程中，稳定性差。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种轮腿复合结构及轮腿机器人，在单个电机的驱动下，以及行星齿轮副与双电磁离合器的配合下，采用差动原理实现了轮式模式与腿式模式的自由切换，同时实现了腿式模式下的膝关节弯曲和轮式模式下主动轮的驱动，降低了电机的使用数量，减轻了轮腿复合结构的负载与体积，实现了多种模式间的高效运动。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种轮腿复合结构，其包括连接在一起的髋关节机构和轮腿机构；所述的轮腿机构包括内腿单元、外腿单元、髋关节连接组件、踝关节连接组件、足部、膝关节复用驱动组件、主动轮、辅助轮、大腿限位挡销和小腿限位挡销；所述的内腿单元和外腿单元并排布置在髋关节连接组件与踝关节连接组件之间；所述的足部与踝关节连接组件连接；

所述的内腿单元包括串联在一起的内侧大腿和内侧小腿，内侧大腿和内侧小腿通过销轴铰连接，并形成膝关节一；内侧大腿的顶端分别与髋关节机构和髋关节连接组件固定连接，内侧小腿的底端与踝关节连接组件转动连接；所述的大腿限位挡销安装在内侧大腿的后端面上；所述的辅助轮安装在膝关节一处，小腿限位挡销安装在辅助轮上；

所述的外腿单元包括串联在一起的外侧大腿和外侧小腿，外侧大腿和外侧小腿通过膝关节复用驱动组件转动连接，并形成膝关节二；外侧大腿的顶端与髋关节连接组件转动连接，外侧小腿的底端与踝关节连接组件转动连接；所述的主动轮安装在膝关节复用驱动组件上；

所述的内侧大腿、内侧小腿、外侧大腿和外侧小腿形成四连杆结构，并在膝关节复用驱动组件的驱动下实现由单腿上下两杆并拢状态到单腿四杆张开状态的切换，再由单腿四杆张开状态到轮式状态的切换。

进一步的，所述的膝关节复用驱动组件包括驱动电机、行星齿轮副、小腿电磁离合器、轮毂电磁离合器和多个轴承；外侧大腿的底端布置有环形壳体，外侧小腿的顶端横向并排布置有左侧连接环和右侧连接环，所述的环形壳体布置在左侧连接环和右侧连接环之间，所述环形壳体的右端与右侧连接环转动连接，且右侧连接环插在主动轮内，并与主动轮的轮毂转动连接；所述环形壳体的右端面、右侧连接环和主动轮的轮毂之间形成一个环形安装腔一，所述的轮毂电磁离合器布置在环形安装腔一内，并用于主动轮的制动与释放；

所述的行星齿轮副包括行星架、太阳轮、多个行星轮和内齿圈；所述的内齿圈为行星齿轮副的其中一个动力输出端，内齿圈转动安装在环形壳体内，内齿圈的左端面与左侧连接环固定连接；内齿圈的右端面与环形壳体之间形成环形安装腔二，所述的小腿电磁离合器布置在环形安装腔二内，并通过内齿圈用于左侧连接环的制动与释放；

所述的行星架包括轴向依次设置的左侧安装腔、中间安装腔和右侧动力输出轴；所述行星架的左侧安装腔和中间安装腔布置在内齿圈中，并通过轴承与内齿圈转动连接；所述行星架的右侧动力输出轴为行星齿轮副的另一个动力输出端，其依次穿过内齿圈上的中心开口、小腿电磁离合器和环形壳体的右侧壁，并与主动轮的轮毂固定连接；所述的驱动电机安装在左侧安装腔内，驱动电机的输出轴伸入到中间安装腔内，并与太阳轮固定连接，多个所述的行星轮以太阳轮为中心周向布置在中间安装腔内，且与中间安装腔的两侧内壁转动连接，多个所述的行星轮分别与太阳轮相啮合；所述中间安装腔的外环壁上沿圆周方向开有若干个开口，行星轮部分伸出中间安装腔上的开口并与内齿圈上的内齿相啮合，实现动力的传递。

进一步的，所述的小腿电磁离合器和轮毂电磁离合器均为电磁失电制动器；所述小腿电磁离合器的外壳与环形壳体的右侧壁固定连接，小腿电磁离合器的制动摩擦盘与内齿圈固定连接；所述轮毂电磁离合器的外壳与环形壳体的右侧壁固定连接，轮毂电磁离合器的制动摩擦盘与主动轮的轮毂固定连接。

进一步的，所述的髋关节连接组件包括连接轴，所述的连接轴轴向水平布置，并与俯仰电机安装座转动连接；连接轴的一端与内侧大腿的顶端固定连接，连接轴的另一端与外侧大腿的顶端转动连接。

进一步的，所述的踝关节连接组件包括十字虎克铰关节和两根复位弹簧，所述足部的脚面上设置有一个安装座，十字虎克铰关节的其中一根销轴转动安装在安装座上；十字虎克铰关节的另一根销轴轴向水平设置，内侧小腿的底端与所述另一根销轴的内端转动连接，外侧小腿的底端与所述另一根销轴的外端转动连接；两根所述的复位弹簧分别布置在安装座的左右两侧，复位弹簧的一端连接在足部的脚面上，复位弹簧的另一端与十字虎克铰关节中处于水平方向的销轴连接，以实现十字虎克铰关节的自动复位。

进一步的，所述的轮腿机构上还设置有锁紧组件；所述的锁紧组件包括一个锁钩和一个锁扣，所述的锁扣安装在外侧大腿上，且靠近膝关节二的位置处，所述的锁钩安装在外侧小腿上，且靠近膝关节二的位置处，通过锁钩与锁扣的配合实现四连杆结构姿态的固定。

进一步的，所述的锁钩为具有弹性的刚性件，且端部垂直设置有插销；所述的锁扣内开有一个“M”型锁钩凹槽，所述锁钩凹槽的槽底沿着锁钩的移动方向凹槽的深度逐渐增加，并形成台阶状；通过锁钩端部的插销与锁钩凹槽的配合实现锁紧组件的锁合和解锁。

进一步的，所述的髋关节机构包括机身连接件、扭转电机、侧摆电机安装座、侧摆电机、俯仰电机安装座和俯仰电机，所述的机身连接件与机身固定连接，所述的扭转电机轴向竖直布置，扭转电机的外壳固定安装在机身连接件上，扭转电机的动力输出轴与机身连接件下方的侧摆电机安装座固定连接；所述的侧摆电机轴向水平布置，侧摆电机的外壳固定安装在侧摆电机安装座上，侧摆电机的动力输出轴与俯仰电机安装座固定连接；所述的俯仰电机轴向水平布置，俯仰电机的外壳固定安装在俯仰电机安装座上，俯仰电机的动力输出轴与内侧大腿的顶端固定连接；其中侧摆电机的轴线方向与俯仰电机（6）的轴线方向垂直布置。

一种轮腿机器人，所述的轮腿机器人包括机身和2N个轮腿复合结构，每个轮腿复合结构布置在机身的底部，并通过机身连接件与机身固定连接。

进一步的，所述的N取值为1。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本申请中的轮腿复合结构在膝关节复用驱动组件的驱动下可以在不同的地形和环境中实现三种形态的切换，即腿式结构下的单腿上下两杆并拢状态到单腿四杆张开状态的切换，以及单腿四杆张开状态到轮式状态的切换，多形态的设计可以适应机器人不同的作业需求，极大的提高了机器人的适应能力和运动效率。其中，单腿上下两杆并拢状态更加仿生，实现双足机器人形式，可以实现机器人以步式姿态的移动，提高越障能力；而单腿四杆张开状态姿态更加稳定；轮式状态在平缓的路面可以实现快速移动。

2、本申请的膝关节复用驱动组件在单个电机的驱动下，以及行星齿轮副与双电磁离合器的配合下，采用差动原理实现了轮式模式与腿式模式的自由切换，同时实现了腿式模式下的膝关节弯曲和轮式模式下主动轮的驱动，降低了电机的使用数量，减轻了轮腿复合结构的负载与体积，实现了多种模式间的高效运动。

3、本申请的轮腿复合结构在处于腿式结构下具有六个自由度，分别为髋关节处的扭转、侧摆与俯仰运动、膝关节处的俯仰运动以及踝关节处的俯仰运动与侧摆运动，以实现机器人的多姿态运动。其中，髋关节机构在三个驱动电机和两个安装座的配合下，实现了整根轮腿机构在腿式结构下的侧摆、扭转与俯仰运动；膝关节在膝关节复用驱动组件的驱动下可以实现小腿的俯仰运动；踝关节在踝关节连接组件的作用下可以实现脚部的俯仰与侧摆运动。

4、本申请中锁紧组件的设计保证了轮腿机构在轮式结构下前后轮之间的跨度（姿态的稳定性）和减小保持四连杆结构形态所输出的力矩，降低了能量损耗，提高了机器人的作业时间。同时，锁紧组件采用可变形的锁钩以及“M”型锁钩凹槽的设计，在小腿的摆动下以及在轮腿复合结构自身的重力作用下，锁钩依靠自身的弹性变形实现由锁钩凹槽插口的插入，实现自动锁合，再由锁钩凹槽的出口滑出，实现自动解锁。另外锁钩凹槽沿着锁钩的移动方向深度逐渐增加，并形成台阶状结构，可以防止锁钩在外侧小腿的带动下从原路返回，影响锁钩与锁扣的锁合。

5、本申请中的腿部结构采用两根并联设计的内腿单元和外腿单元，基于内腿单元和外腿单元所形成的四连杆结构的奇异特性，以及大腿限位挡销和小腿限位挡销的限位作用，在膝关节复用驱动组件的控制下，可以实现上下两杆并拢与四连杆张开状态的切换，以及四连杆张开状态与轮式状态的切换，其中腿部的构型为仿鸵鸟类的腿部构型。

6、本申请中的足式机器人在处于轮式模式下时，可以利用膝关节复用驱动组件控制左右两侧主动轮的旋转速度，实现差速转弯、前进等运动。同时为提高轮式支撑的稳定性，采用万向轮作为辅助轮，实现稳定支撑。此外利用锁紧组件的设计，在切换为轮式时锁紧组件锁定以辅助支撑机身重量，节约电机能耗，在切换成腿式机构时，膝关节控制锁紧组件解锁，实现腿部形态的变换。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。

图1为轮腿复合结构处于上下两杆并拢状态时的主视图。

图2为轮腿复合结构处于上下两杆并拢状态时的轴测图。

图3为轮腿复合结构处于上下两杆并拢状态时的侧视图。

图4为图3中A-A处的剖视图。

图5为轮腿复合结构处于四杆张开状态时的轴测图一。

图6为轮腿复合结构处于四杆张开状态时的轴测图二。

图7为轮腿复合结构处于四杆张开状态时的侧视图。

图8为轮腿复合结构处于轮式状态下的轴测图。

图9为轮腿复合结构处于轮式状态下的侧视图。

图10为锁紧组件的结构示意图；其中，（a）为图9中A处的局部放大图，（b）为锁扣的放大图。

图11为图2中B处的局部放大图。

图12为外腿单元的侧视图。

图13为图12中B-B处的剖视图。

图14为行星架的结构示意图。

图15为双轮腿机器人处于上下两杆并拢状态时的轴测图。

图16为双轮腿机器人处于四杆张开状态时的轴测图。

图17为双轮腿机器人处于轮式状态下的轴测图。

图18为轮腿复合结构由上下两杆并拢状态到四杆张开状态的切换过程；其中，（a）为轮腿复合结构处于上下两杆并拢的初始状态；（b）为轮腿复合结构处于上下两杆并拢状态并向左摆动的状态图；（c）为轮腿复合结构处于上下两杆并拢状态并共线时的状态图；（d）为轮腿复合结构切换成四杆张开状态的示意图。

附图标记说明：100-髋关节机构；200-轮腿机构；300-机身；1-机身连接件；2-扭转电机；3-侧摆电机安装座；3-1-横向连接板；3-2-竖向连接环；4-侧摆电机；5-俯仰电机安装座；5-1-横向安装板；5-2-竖向安装板；5-3-竖向安装环；6-俯仰电机；7-内腿单元；7-1-内侧大腿；7-2-内侧小腿；7-3-膝关节一；8-外腿单元；8-1-外侧大腿；8-1-1-环形壳体；8-2-外侧小腿；8-2-1-左侧连接环；8-2-2-右侧连接环；8-3-膝关节二；9-髋关节连接组件；9-1连接轴；9-2-连接座轴承；9-3-轴承挡圈；9-4-轴向端盖；9-5-腿部轴承；10-踝关节连接组件；10-1-十字虎克铰关节；10-2-复位弹簧；11-足部；11-1-安装座；12-膝关节复用驱动组件；12-1-驱动电机；12-1-1-电机外壳；12-1-2-电机线圈；12-1-3-电机动力输出轴；12-2-行星架；12-2-1-左侧安装腔；12-2-2-中间安装腔；12-2-3-右侧动力输出轴；12-3-太阳轮；12-4-行星轮；12-5-内齿圈；12-6-小腿电磁离合器；12-7-轮毂电磁离合器；12-9-环形安装腔一；12-10-环形安装腔二；13-主动轮；13-1-轮毂；14-辅助轮；15-大腿限位挡销；16-小腿限位挡销；17-锁紧组件；17-1-锁钩；17-2-锁扣；17-2-1-锁钩凹槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

参见图1，本实施例提供一种轮腿复合结构，其包括髋关节机构100和轮腿机构200，所述的髋关节机构100安装在机身300上，轮腿机构200安装在髋关节机构100上，髋关节机构100实现轮腿机构200与机身300的连接，且髋关节机构100可以实现轮腿机构200三个方向的自由度，分别为髋关节处的扭转、侧摆与俯仰运动；所述的轮腿机构200本身具有三个自由度，分别为膝关节的俯仰运动和踝关节处的俯仰运动与侧摆运动，故本实施例中的轮腿复合结构在处于腿式结构下共具有六个自由度，以实现机器人的多姿态运动；同时，本实施例中的轮腿复合结构可以实现轮式与腿式的切换，以适应不同环境下的作业，提高了机器人的前进速度和地形适应能力。

具体的，参见图2，所述的髋关节机构100包括机身连接件1、扭转电机2、侧摆电机安装座3、侧摆电机4、俯仰电机安装座5和俯仰电机6，所述的机身连接件1与机身300固定连接，扭转电机2的外壳固定安装在机身连接件1上，扭转电机2的动力输出轴从机身连接件1底板上的开口伸出，并与机身连接件1下方的侧摆电机安装座3固定连接，以实现侧摆电机安装座3的旋转运动；所述侧摆电机4的外壳固定安装在侧摆电机安装座3上，侧摆电机4的动力输出轴从侧摆电机安装座3侧板上的开口伸出，并与俯仰电机安装座5固定连接，以实现俯仰电机安装座5的旋转运动；所述俯仰电机6的外壳固定安装在俯仰电机安装座5上，俯仰电机6的动力输出轴与轮腿机构200的顶端固定连接，并驱动轮腿机构200的旋转运动。

优选地，为了保证三个驱动电机可以实现三个方向的自由度，参见图5，所述的侧摆电机安装座3包括一个横向连接板3-1和垂直连接在横向连接板3-1两端的两个竖向连接环3-2，所述的横向连接板3-1和竖向连接环3-2一体制成；所述的扭转电机2轴向竖直布置，扭转电机2的动力输出轴连接在横向连接板3-1上，故扭转电机2可以通过横向连接板3-1带动整个侧摆电机安装座3的旋转；

所述的俯仰电机安装座5包括一个横向安装板5-1、两个垂直布置在横向安装板5-1前后两侧的竖向安装板5-2和两个垂直布置在横向安装板5-1左右两侧的竖向安装环5-3；所述的竖向安装板5-2设置在横向安装板5-1的上方并处于两个竖向连接环3-2之间的位置处，所述的竖向安装环5-3设置在横向安装板5-1的下方，并通过螺钉与横向安装板5-1固定连接；所述的侧摆电机4轴向水平布置，侧摆电机4的外壳安装在侧摆电机安装座3的其中一个竖向连接环3-2上，侧摆电机4的动力输出轴穿过所连接的竖向连接环3-2的中心开口，并与俯仰电机安装座5的其中一个竖向安装板5-2固定连接，故侧摆电机4可以通过竖向安装板5-2带动整个俯仰电机安装座5做旋转运动；

所述的俯仰电机6轴向水平布置，俯仰电机6的外壳固定安装在俯仰电机安装座5的其中一个竖向安装环5-3上，俯仰电机6的动力输出轴穿过所连接的竖向安装环5-3的中心开口，并与处于两个竖向安装环5-3之间的轮腿机构200的顶端固定连接。

为了实现轮腿机构200髋关节处的三个自由度，如图1、图2和图5所示，本实施例在髋关节处纵向布置了三个驱动电机和纵向布置了两个安装座，三个驱动电机分别为轴向竖直布置的扭转电机2、轴向水平布置的侧摆电机4和轴向水平布置的俯仰电机6，其中侧摆电机4的轴线方向与俯仰电机6的轴线方向垂直布置，三个电机在侧摆电机安装座3以及俯仰电机安装座5的配合下，使得三个电机的动力输出端分别绕x轴、y轴和z轴旋转，进而实现整根轮腿机构200绕x轴、y轴和z轴做旋转运动，即实现了整根轮腿机构200在腿式结构下的侧摆、扭转与俯仰运动，增加腿部运动的自由度，使得机器人呈现更多的运动姿态。

参见图2至图9，所述的轮腿机构200包括内腿单元7、外腿单元8、髋关节连接组件9、踝关节连接组件10、足部11、膝关节复用驱动组件12、主动轮13、辅助轮14、大腿限位挡销15和小腿限位挡销16；所述的内腿单元7和外腿单元8并排布置在髋关节连接组件9与踝关节连接组件10之间，内腿单元7的顶端与髋关节连接组件9固定连接，外腿单元8的顶端与髋关节连接组件9转动连接，故可以实现内腿单元7和外腿单元8之间的相对转动；内腿单元7和外腿单元8的底端均与踝关节连接组件10转动连接，内腿单元7和外腿单元8通过髋关节连接组件9和踝关节连接组件10形成四连杆结构；所述的足部11与踝关节连接组件10连接，踝关节连接组件10可以实现足部11的两个自由度，分别为足部的俯仰与侧摆运动。

所述的内腿单元7包括串联在一起的内侧大腿7-1和内侧小腿7-2，内侧大腿7-1和内侧小腿7-2通过销轴铰连接，并形成膝关节一7-3；其中，内侧大腿7-1的顶端分别与俯仰电机6的动力输出轴和髋关节连接组件9固定连接，内侧小腿7-2的底端与踝关节连接组件10转动连接；所述的大腿限位挡销15安装在内侧大腿7-1的后端面上，所述的小腿限位挡销16通过安装座安装内侧大腿7-1的底端，并靠近内腿单元7的膝关节一7-3处；

所述的外腿单元8包括串联在一起的外侧大腿8-1和外侧小腿8-2，外侧大腿8-1和外侧小腿8-2通过膝关节复用驱动组件12转动连接，并形成膝关节二8-3；其中，外侧大腿8-1的顶端与髋关节连接组件9转动连接，外侧小腿8-2的底端与踝关节连接组件10转动连接；

所述的内侧大腿7-1、内侧小腿7-2、外侧大腿8-1和外侧小腿8-2形成四连杆结构，并在膝关节复用驱动组件12的驱动下实现由单腿两杆并拢状态到单腿四杆张开状态的切换，再由单腿四杆张开状态到轮式状态的切换；所述的主动轮13安装在膝关节复用驱动组件12上，由腿式结构切换成轮式结构时，主动轮13着地，并在膝关节复用驱动组件12的驱动下实现转动；所述的辅助轮14通过安装座安装内侧大腿7-1的底端，并靠近内腿单元7的膝关节一7-3处，在由腿式结构切换成轮式结构时，辅助轮14着地，并在主动轮13的带动下被动转动，其中，辅助轮14优选为万向轮。

需要说明的是，本实施例中的内侧大腿7-1与外侧大腿8-1的长度相同，内侧小腿7-2与外侧小腿8-2的长度相同，且内侧小腿7-2与外侧小腿8-2的长度小于内侧大腿7-1与外侧大腿8-1的长度，以保证四连杆结构的奇异变形；同时当轮腿复合结构处于腿式结构，且处于两杆并拢状态时，内侧大腿7-1和外侧大腿8-1形成单腿的整个大腿部分，内侧小腿7-2与外侧小腿8-2形成单腿的整个小腿部分，膝关节一7-3与膝关节二8-3形成单腿的膝关节，以实现足式机器人在移动过程中的步态运动。

为了保证轮腿机构200无论是在腿式结构下还是在轮式结构下，均可以实现机器人的稳定移动；本实施例中的单根轮腿采用四连杆结构，并在膝关节复用驱动组件12的驱动下实现三种形态的变形，即由单腿两杆并拢状态到单腿四杆张开状态的切换，再由单腿四杆张开状态到轮式状态的切换，以适应不同作业的需求，来保持轮腿机构200移动过程中的稳定性。所述轮腿机构200的具体切换过程如下：

首先设四连杆结构的四个铰接点分别为A、B、C和D（如图7所示），其中内侧大腿与外侧大腿的铰接点为A，外侧大腿与外侧小腿的铰接点为B，外侧小腿与内侧小腿的铰接点为C，内侧小腿与内侧大腿的铰接点为D；设外侧大腿与外侧小腿之间的夹角为α，内侧小腿与内侧大腿的之间的夹角为β。

当轮腿处于两杆并拢并向足跟方向弯折时（膝关节采用向足跟方向弯折，可以避免机器人在搬运货物时与腿部产生干涉），此时夹角α的夹角角度>180°，即外侧大腿与外侧小腿之间的夹角角度>180°，夹角β的夹角角度<180°，即内侧小腿与内侧大腿的之间的夹角角度<180°。由于内侧大腿7-1的顶端与俯仰电机6的驱动端连接，在俯仰电机6驱动端不动的情况下，内侧大腿7-1保持如图3中所示的向左偏摆一定角度的姿态（与外侧大腿8-1处于并拢的状态，故被外侧大腿8-1挡住，无法直接看到）；所述的膝关节复用驱动组件12驱动外侧小腿8-2以铰接点B为轴顺时针转动，在此过程中，外侧大腿8-1在大腿限位挡销15的限位下始终保持固定不动，并与内侧大腿7-1处于并拢状态；而外侧大腿与外侧小腿之间的夹角α的角度逐渐减小，由于外侧小腿8-2的底端与内侧小腿7-2的底端为铰连接，所以外侧小腿8-2的底端会带动内侧小腿7-2以铰接点D为轴顺时针转动，内侧小腿与内侧大腿的之间的夹角β的角度逐渐变大，在此过程中，外侧小腿8-2与内侧小腿7-2始终处于并拢状态，即整个内腿单元7和外腿单元8始终处于并拢状态。

当夹角α的角度和夹角β的角度均为180°时，此时内侧小腿7-2与小腿限位挡销16接触，由于小腿限位挡销16固定在内侧大腿7-1的底端，内侧大腿7-1在保持固定不动的情况下，小腿限位挡销16也保持固定不动；内侧小腿7-2在小腿限位挡销16的限位下，无法在外侧小腿8-2的带动下继续顺时针摆动，由于四连杆结构的奇异特性，故膝关节复用驱动组件12将反向驱动外侧大腿8-1以铰接点A为轴做逆时针的转动，外侧大腿与外侧小腿之间的夹角α的角度继续逐渐减小，并小于180°，同时外侧大腿8-1带动与其铰连接的外侧小腿8-2摆动，外侧小腿8-2带动与其铰连接的内侧小腿7-2摆动，内侧大腿7-1的姿态是始终保持固定不动的，内腿单元7和外腿单元8由并拢状态逐渐分开，并形成逐渐张开的四边形；在此过程中实现了单腿两杆并拢状态到单腿四杆张开状态。

当轮腿处于单腿四杆张开状态时，由于四连杆结构的特性，且内侧大腿7-1与外侧大腿8-1的长度相同，内侧小腿7-2与外侧小腿8-2的长度相同，使得内腿单元7和外腿单元8在变形过程中始终以铰接点AD的连线对称布置，且通过图7可以看出α=β<180°，保证了轮腿结构由腿式结构到轮式结构变形过程的稳定性。所述的膝关节复用驱动组件12驱动外侧小腿8-2以铰接点B为轴继续顺时针转动，外侧小腿8-2的底端摆向四连杆结构内，同时外侧小腿8-2带动与其铰连接的内侧小腿7-2向四连杆结构内摆动，使得外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C逐渐上移（相对与机身300而言）；同时，俯仰电机6顺时针驱动内侧大腿7-1转动一定角度，使得内侧大腿7-1向外偏摆的角度稍微大一些，进而使得外侧小腿8-2与内侧小腿7-2向上翻转的角度更大，轮腿机构200的足部11可以完全处于内侧大腿7-1和外侧大腿8-1之间，直至主动轮13与辅助轮14均着地，实现了单腿四杆张开状态到轮式状态的转换，进而完成了整个腿式结构到轮式结构的切换。

轮式结构切换到腿式结构的过程与上述过程相反，即膝关节复用驱动组件12反向驱动外侧小腿8-2，夹角α的夹角角度逐渐增加，四连杆结构发生反向的奇异变形，实现了轮式结构到单腿四杆张开状态的切换，膝关节复用驱动组件12继续反向驱动外侧小腿8-2，腿式结构再由单腿四杆张开状态逐渐过渡到两杆并拢的状态，实现了轮式结构到腿式结构的切换。

本实施例中，在轮腿由两杆并拢状态切换到单腿四杆张开状态过程中，实际上足部11通过踝关节连接组件10是始终与地面接触的，由于踝关节具有二自由度，通过轮腿结构的倾斜以及机身的上下移动实现机器人的稳定着地和稳定变形。在轮腿由单腿四杆张开状态到轮式状态的转换过程中，足部11逐渐抬起，而主动轮13与辅助轮14着地，实现机器人的支撑，由于主动轮13与辅助轮14分别处于两个膝关节处，故单根轮腿复合结构在处于轮式模式下具有两个着力点，对于双轮腿机器人来说具有更大的稳定性。

优选地，为了实现轮腿机构200在轮式结构下姿态的稳定性和减小保持四连杆结构形态所需的驱动力，降低了能量损耗，如图10所示，所述的轮腿机构200上还设置有锁紧组件17；所述的锁紧组件17包括一个锁钩17-1和一个锁扣17-2，所述的锁扣17-2安装在外侧大腿8-1上，且靠近膝关节二8-3的位置处，所述的锁钩17-1安装在外侧小腿8-2上，且靠近膝关节二8-3的位置处，在外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C上移的过程中，锁钩17-1插在锁扣17-2内实现锁合，此时内侧大腿7-1、内侧小腿7-2、外侧大腿8-1和外侧小腿8-2所形成的四连杆结构的形态不再发生改变，保证了轮腿机构200在轮式结构下姿态的稳定性；同时用于保持外侧小腿8-2姿态的膝关节复用驱动组件12无需继续输出动力，降低了能量的损耗，提高了机器人的作业时间。

本实施例中，为了实现锁紧组件17的自动锁合和自动解锁，所述的锁钩17-1为具有一定弹性的刚性件，且端部垂直设置有插销；所述的锁扣17-2内开有一个“M”型锁钩凹槽17-2-1，通过锁钩17-1端部的插销与锁钩凹槽17-2-1的配合实现锁紧组件17的自动锁合和自动解锁。具体过程如下：

锁合过程：当膝关节复用驱动组件12驱动外侧小腿8-2顺时针转动时，所述外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C上移，即足部11上移，此时锁钩17-1端部的插销从锁钩凹槽17-2-1左侧的插口插在锁钩凹槽17-2-1中，并沿着左侧的爬坡段上移，直至锁钩17-1端部的插销滑动至锁钩凹槽17-2-1左侧的坡顶处，膝关节复用驱动组件12不再输出驱动力并处于待机状态；外侧小腿8-2与内侧小腿7-2受重力作用下使得足部11下移，同时外侧小腿8-2向下摆动，并带动锁钩17-1端部的插销从锁钩凹槽17-2-1左侧的下坡段滑至锁钩凹槽17-2-1的坡底，即锁钩凹槽17-2-1的最底部，此时外侧小腿8-2通过锁钩17-1挂在锁扣17-2上，姿态不再发生改变，实现了锁紧组件17的自动锁合。

解锁过程：膝关节复用驱动组件12驱动外侧小腿8-2顺时针转动，所述外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C上移，即足部11上移，锁钩17-1端部的销轴沿着右侧的爬坡段上移，直至锁钩17-1端部的插销滑动至锁钩凹槽17-2-1右侧的坡顶处，膝关节复用驱动组件12不再输出驱动力并处于待机状态，外侧小腿8-2与内侧小腿7-2受重力作用下使得足部11下移，同时外侧小腿8-2向下摆动，并带动锁钩17-1端部的插销从锁钩凹槽17-2-1右侧的下坡段滑出锁钩凹槽17-2-1，实现了锁紧组件17的自动解锁。

在上述锁合与解锁过程中，锁钩17-1依靠自身的弹性变形实现由锁钩凹槽17-2-1左侧的插口插入到右侧的出口滑出。

本实施例中，在锁紧组件17自动锁合和自动解锁的过程中，为了防止锁钩17-1端部的插销从原路返回，所述锁钩凹槽17-2-1的槽底沿着锁钩17-1的移动方向开有下移的台阶，即锁钩凹槽17-2-1由左端的插口至右端的出口，凹槽的深度逐渐增加，并形成台阶状的槽底，其中台阶的端面对锁钩17-1端部的插销具有限位作用，可以防止锁钩17-1在外侧小腿8-2的带动下从原路返回。

参见图4，为了实现内腿单元7和外腿单元8顶端的转动连接，本实施例中，所述的髋关节连接组件9包括连接轴9-1、连接座轴承9-2、轴承挡圈9-3、轴向端盖9-4和腿部轴承9-5，所述的连接轴9-1同轴布置在两个竖向安装环5-3之间，连接轴9-1的一端与处于两个竖向安装环5-3之间的内侧大腿7-1的顶端固定连接，连接轴9-1的另一端穿过远离俯仰电机6的另一个竖向安装环5-3的中心开口并向外延伸，所述的连接轴9-1与所述的另一个竖向安装环5-3之间通过连接座轴承9-2转动连接，所述的轴承挡圈9-3套在连接轴9-1上，并将连接座轴承9-2压在连接轴9-1的轴肩上；所述外侧大腿8-1的顶端为环状结构，并通过腿部轴承9-5套在连接轴9-1向外延伸的一端；所述的轴向端盖9-4设置在连接轴9-1的端部，并通过螺钉固定安装在外侧大腿8-1的顶端，且所述的轴向端盖9-4将腿部轴承9-5压在连接轴9-1的轴肩上。

本实施例中，由于俯仰电机6的动力输出轴通过内侧大腿7-1的顶端与连接轴9-1固定连接，故俯仰电机6可以驱动内侧大腿7-1和连接轴9-1转动，而俯仰电机安装座5的其中一个竖向安装环5-3与俯仰电机6的外壳固定连接，俯仰电机安装座5通过另一个竖向安装环5-3与连接轴9-1转动连接，故俯仰电机6的驱动不会影响俯仰电机安装座5的姿态；同时由于外侧大腿8-1与连接轴9-1转动连接，故俯仰电机6的驱动也不会影响外侧大腿8-1的运动姿态，实现了内侧大腿7-1与外侧大腿8-1之间的转动连接。

参见图12和图13，为了降低腿部的负载和体积，本实施例采用一个驱动电机即可以实现膝关节二8-3的弯曲，又可以实现主动轮13的转动；所述的膝关节复用驱动组件12包括驱动电机12-1、行星齿轮副、小腿电磁离合器12-6、轮毂电磁离合器12-7和多个轴承；

所述外侧大腿8-1与外侧小腿8-2的连接处设置为一侧开口的环形壳体8-1-1，即外侧大腿8-1的底端布置有环形壳体8-1-1，外侧小腿8-2的顶端横向并排布置有两个连接环，分别为左侧连接环8-2-1和右侧连接环8-2-2，所述的环形壳体8-1-1布置在左侧连接环8-2-1和右侧连接环8-2-2之间的位置处，所述环形壳体8-1-1的右端与右侧连接环8-2-2通过轴承转动连接，所述的右侧连接环8-2-2插在主动轮13内，并与主动轮13的轮毂13-1通过两对推力轴承转动连接；所述环形壳体8-1-1的右端面、右侧连接环8-2-2和主动轮13的轮毂13-1之间形成一个环形安装腔一12-9，所述的轮毂电磁离合器12-7布置在环形安装腔一12-9内，并用于主动轮13的制动与释放；

所述的行星齿轮副通过一对轴承转动安装在环形壳体8-1-1内，并与环形壳体8-1-1的轴向内端面之间形成一个环形安装腔二12-10，所述的小腿电磁离合器12-6布置在环形安装腔二12-10内，并间接用于左侧连接环8-2-1的制动与释放；所述行星齿轮副的动力输入端与驱动电机12-1的输出轴连接，通过输出轴的旋转实现行星齿轮副的传动，所述行星齿轮副具有两个动力输出端，其中一个动力输出端穿过环形壳体8-1-1上的开口并与左侧连接环8-2-1固定连接，轮腿结构处于腿式结构下，且在小腿电磁离合器12-6和轮毂电磁离合器12-7的配合下，实现外侧小腿8-2的摆动；行星齿轮副的另一个动力输出端与主动轮13的轮毂13-1连接，轮腿结构处于轮式结构下，且在小腿电磁离合器12-6和轮毂电磁离合器12-7的配合下实现主动轮13的旋转。

需要说明的是，本实施例中为了实现外侧大腿8-1与外侧小腿8-2在膝关节二8-3处的连接与转动，并放置行星齿轮副、小腿电磁离合器12-6和轮毂电磁离合器12-7，所以在外侧大腿8-1的底端布置有环形壳体8-1-1，其中环形壳体8-1-1的右侧壁处开有一个通孔，右侧壁的内壁面且处于通孔的位置处同轴设置有一个环形安装座，用于轴承的安装，环形壳体8-1-1的右侧壁外同轴设置有一个支撑环，并与外侧小腿8-2顶端的右侧连接环8-2-2形成一个轴承支撑座，所述的轴承支撑座内布置有一个轴承，实现环形壳体8-1-1与右侧连接环8-2-2的转动连接；同时主动轮13的轮毂13-1部分插在支撑环内，与支撑环形成环形安装腔一12-9，实现轮毂电磁离合器12-7的安装。另外，为了实现右侧连接环8-2-2与主动轮13轮毂13-1的连接，所述右侧连接环8-2-2的外侧壁上同轴布置有一个安装环，所述主动轮13的轮毂13-1插在安装环内，并通过两对推力轴承实现转动连接。

优选地，为了保证行星齿轮副具有一个动力输入端和两个动力输出端，如图12所示，本实施例中的所述的行星齿轮副包括行星架12-2、太阳轮12-3、多个行星轮12-4和内齿圈12-5；

所述的内齿圈12-5为行星齿轮副的其中一个动力输出端，其通过一对轴承转动安装在环形壳体8-1-1内，并通过螺钉与左侧连接环8-2-1固定连接；

所述的行星架12-2包括轴向依次设置的左侧安装腔12-2-1、中间安装腔12-2-2和右侧动力输出轴12-2-3；所述行星架12-2的左侧安装腔12-2-1和中间安装腔12-2-2布置在内齿圈12-5中，并通过轴承与内齿圈12-5转动连接；所述行星架12-2的右侧动力输出轴12-2-3为行星齿轮副的另一个动力输出端，其依次穿过内齿圈12-5上的中心开口、小腿电磁离合器12-6和环形壳体8-1-1的右侧壁，并与主动轮13的轮毂13-1固定连接，其中右侧动力输出轴12-2-3为了保持平衡，通过环形壳体8-1-1上的环形安装座内的轴承与环形壳体8-1-1转动连接；所述的驱动电机12-1安装在左侧安装腔12-2-1内，驱动电机12-1的输出轴伸出左侧安装腔12-2-1并伸入到中间安装腔12-2-2和右侧动力输出轴12-2-3内，所述驱动电机12-1的输出轴与右侧动力输出轴12-2-3的内部通过轴承转动连接，以实现其端部的支撑；所述的太阳轮12-3套装在驱动电机12-1的输出轴上，并处于中间安装腔12-2-2内，多个所述的行星轮12-4以太阳轮12-3为中心周向布置在中间安装腔12-2-2内，且与中间安装腔12-2-2的两侧内壁转动连接，多个所述的行星轮12-4分别与太阳轮12-3相啮合；所述中间安装腔12-2-2的外环壁上沿圆周方向开有若干个开口，行星轮12-4部分伸出中间安装腔12-2-2上的开口并与内齿圈12-5上的内齿相啮合，实现动力的传递。

需要说明的是，本实施例中的轮腿复合结构处于腿式模式下，由于机器人需要实现步态的行走，故需要膝关节处的弯曲以及小腿的摆动，本实施例将内齿圈12-5作为行星齿轮副的其中一个动力输出端，并与外侧小腿8-2顶端的左侧连接环8-2-1固定连接，实现扭矩的传递，从而实现外侧小腿8-2的摆动；同时内齿圈12-5又作为行星架12-2的安装座使用，以保证行星架12-2安装的稳定性；另外内齿圈12-5还对外侧大腿8-1中的环形壳体8-1-1起到支撑作用，由于外侧大腿8-1与外侧小腿8-2仅通过右侧连接环8-2-2转动连接，导致外侧大腿8-1的支撑点较小，与外侧小腿8-2无法实现稳定连接，而内齿圈12-5与外侧小腿8-2顶端的左侧连接环8-2-1固定连接，故可以将内齿圈12-5看成外侧小腿8-2顶端连接处的一部分，将内齿圈12-5布置在环形壳体8-1-1内，并与环形壳体8-1-1通过轴承转动连接，增加了环形壳体8-1-1与外侧小腿8-2顶端连接处的支撑点，保证了外侧大腿8-1与外侧小腿8-2连接的稳定性；其中内齿圈12-5内径向设置有一个连接板，所述的连接板靠近内齿圈12-5的右侧端口，并与小腿电磁离合器12-6连接；同时内齿圈12-5正对中间安装腔12-2-2的内壁处设置有齿，并与行星轮相啮合，内壁的其余部分为光滑的面。

同时需要说明的是，为了增加行星齿轮副的动力输出端，故在行星架12-2的右侧布置一个右侧动力输出轴12-2-3，且右侧动力输出轴12-2-3与主动轮13的轮毂13-1固定连接，实现扭矩的传递。

优选地，所述的驱动电机12-1包括电机外壳12-1-1、电机线圈12-1-2和电机动力输出轴12-1-3，所述的电机外壳12-1-1套在电机动力输出轴12-1-3外，且电机线圈12-1-2布置在电机外壳12-1-1与电机动力输出轴12-1-3之间；所述电机外壳12-1-1与左侧安装腔12-2-1的内壁固定连接，电机动力输出轴12-1-3为驱动电机12-1的动力输出轴，其左端伸出电机外壳12-1-1并通过轴承与左侧安装腔12-2-1的内壁转动连接，电机动力输出轴12-1-3的右端通过轴承与右侧动力输出轴12-2-3转动连接，实现了电机动力输出轴12-1-3的平稳支撑。

优选地，所述的小腿电磁离合器12-6和轮毂电磁离合器12-7均为电磁失电制动器，通过对电磁失电制动器的通电与断电，实现外侧小腿8-2与主动轮13的分别制动与驱动；具体的，所述小腿电磁离合器12-6的外壳与环形壳体8-1-1的右侧壁固定连接，小腿电磁离合器12-6的制动摩擦盘与内齿圈12-5固定连接；当内齿圈12-5转动并将扭矩传递给外侧小腿8-2时，小腿电磁离合器12-6断电，小腿电磁离合器12-6内的电磁线圈产生的电磁力消失，衔铁摩擦盘在弹簧的作用下朝向制动摩擦盘移动，衔铁摩擦盘的摩擦面和制动摩擦盘的摩擦面发生接触，并产生摩擦阻力矩，形成对制动摩擦盘的制动，进而实现了对内齿圈12-5的制动；反之，小腿电磁离合器12-6通电，小腿电磁离合器12-6内的电磁线圈产生电磁力，并对衔铁摩擦盘产生吸合力，衔铁摩擦盘克服弹簧的弹力朝向电磁线圈侧移动，衔铁摩擦盘的摩擦面与制动摩擦盘的摩擦面分离，不再对制动摩擦盘产生制动，内齿圈12-5可以正常转动。

所述轮毂电磁离合器12-7的外壳与环形壳体8-1-1的右侧壁固定连接，轮毂电磁离合器12-7的制动摩擦盘与主动轮13的轮毂13-1固定连接；当主动轮13转动时，轮毂电磁离合器12-7断电，轮毂电磁离合器12-7内的电磁线圈产生的电磁力消失，衔铁摩擦盘在弹簧的作用下朝向制动摩擦盘移动，衔铁摩擦盘的摩擦面和制动摩擦盘的摩擦面发生接触，并产生摩擦阻力矩，形成对制动摩擦盘的制动，进而实现了对主动轮13的制动；反之，轮毂电磁离合器12-7通电，轮毂电磁离合器12-7内的电磁线圈产生电磁力，并对衔铁摩擦盘产生吸合力，衔铁摩擦盘克服弹簧的弹力朝向电磁线圈侧移动，衔铁摩擦盘的摩擦面与制动摩擦盘的摩擦面分离，不再对制动摩擦盘产生制动，主动轮13在行星架12-2的驱动下可以正常转动。

本实施例中，膝关节复用驱动组件12在单个电机的驱动下，以及行星齿轮副与双电磁离合器的配合下，采用差动原理实现了轮式模式与腿式模式的自由切换，同时实现了腿式模式下的膝关节弯曲和轮式模式下主动轮13的驱动，降低了电机的使用数量，减轻了轮腿复合结构的负载与体积，实现了多种模式间的高效运动。具体实现过程如下：

腿式模式下的膝关节弯曲：轮毂电磁离合器12-7断电，由于主动轮13与行星架12-2的右侧动力输出轴12-2-3固定连接，所以主动轮13和行星架12-2处于制动状态下，小腿电磁离合器12-6通电，并不会对内齿圈12-5产生制动，由于内齿圈12-5与环形壳体8-1-1通过轴承转动连接，所以内齿圈12-5可以实现旋转运动；所述驱动电机12-1的动力输出轴驱动太阳轮12-3转动，太阳轮12-3带动与其啮合的多个行星轮12-4自转，行星轮12-4带动与其啮合的内齿圈12-5转动，内齿圈12-5带动与其固定连接的外侧小腿8-2前后摆动，实现了腿式模式下的膝关节弯曲。

轮式模式下的主动轮转动：小腿电磁离合器12-6断电，由于内齿圈12-5与外侧小腿8-2固定连接，所以内齿圈12-5和外侧小腿8-2处于制动状态下，轮毂电磁离合器12-7通电，并不会对主动轮13与行星架12-2产生制动，由于行星架12-2与内齿圈12-5之间通过轴承转动连接，主动轮13的轮毂13-1与右侧连接环8-2-2之间通过轴承转动连接，所以行星架12-2和主动轮13可以实现旋转运动；所述驱动电机12-1的动力输出轴驱动太阳轮12-3转动，太阳轮12-3带动与其啮合的多个行星轮12-4公转，行星轮12-4带动与连接的行星架12-2转动，行星架12-2中的右侧动力输出轴12-2-3带动与其固定连接的轮毂13-1转动，轮毂13-1带动主动轮13，实现了轮式模式下的主动轮转动。

参见图11，为了使得足部11可以适应不平整的地面，小腿与足部11之间通过具有二自由度的踝关节连接组件10进行连接；所述的踝关节连接组件10包括十字虎克铰关节10-1和两根复位弹簧10-2，所述足部11的脚面上设置有一个安装座11-1，十字虎克铰关节10-1的其中一根销轴转动安装在安装座11-1上，并绕x轴进行旋转，使得足部11可以进行侧摆运动；十字虎克铰关节10-1的另一根销轴轴向水平设置，内侧小腿7-2的底端与所述另一根销轴的内端转动连接，外侧小腿8-2的底端与所述另一根销轴的外端转动连接，所述十字虎克铰关节10-1的另一根销轴可以绕z轴进行旋转，使得足部11可以进行俯仰运动；两根所述的复位弹簧10-2分别布置在安装座11-1的左右两侧，复位弹簧10-2的一端连接在足部11的脚面上，复位弹簧10-2的另一端与十字虎克铰关节10-1中处于z轴方向的销轴连接，以实现十字虎克铰关节10-1的自动复位，以实现足部11与地面的稳定支撑。

实施例2：

本实施例提供一种轮腿机器人，其包括机身300和2N个轮腿复合结构，所述的轮腿复合结构布置在机身300的底部，并通过机身连接件1与机身300固定连接。

本实施例中，所述的N为≥1的整数，当N取值为1时，轮腿机器人在切换成腿式机器人时，为双足机器人，具有双足机器人在移动及作业操作方面的较大优势；当N取值为2时，为四足机器人，具有更大稳定性，可以完成长时间站立支撑。

以下对本发明的轮腿复合结构的切换过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：

1、由两杆并拢状态到四杆张开状态：由图2所示状态至图6所示状态，当单轮腿处于两杆并拢状态时，此时α的夹角角度>180°，β的夹角角度<180°。内侧大腿7-1在俯仰电机6的驱动下向左偏摆一定角度并保持固定不动；所述膝关节复用驱动组件12中的轮毂电磁离合器12-7断电，主动轮13和行星架12-2处于制动状态下，小腿电磁离合器12-6通电，内齿圈12-5处于自由状态下；所述驱动电机12-1所输出的扭矩依次传递给太阳轮12-3、行星轮12-4和内齿圈12-5，再由内齿圈12-5带动外侧小腿8-2以铰接点B为轴顺时针转动；在此过程中，外侧大腿8-1在大腿限位挡销15的限位下始终保持固定不动，并与内侧大腿7-1处于并拢状态；而外侧大腿与外侧小腿之间的α的角度逐渐减小，外侧小腿8-2的底端带动内侧小腿7-2以铰接点D为轴顺时针转动，内侧小腿与内侧大腿的之间的夹角β的角度逐渐变大；当夹角α的角度和夹角β的角度均为180°时，此时外侧小腿8-2与小腿限位挡销16接触，外侧小腿8-2在小腿限位挡销16的限位下，无法在驱动电机12-1的驱动下继续顺时针摆动，故驱动电机12-1将反向驱动外侧大腿8-1以铰接点A为轴做逆时针的转动，外侧大腿8-1与内侧大腿7-1之间的夹角角度逐渐增加；外侧大腿与外侧小腿之间的夹角α的角度继续逐渐减小，并小于180°，外侧大腿8-1与外侧小腿8-2在驱动电机12-1的驱动下发生联动，外侧小腿8-2带动与其铰连接的内侧小腿7-2摆动，内侧大腿7-1的姿态是始终保持固定不动的，内腿单元7和外腿单元8由并拢状态逐渐分开，并形成逐渐张开的四边形，在此过程中实现了单腿两杆并拢状态到单腿四杆张开状态。

2、由四杆张开状态到轮式结构状态：由图6所示状态至图8所示状态，当轮腿处于单腿四杆张开状态时，所述膝关节复用驱动组件12中的轮毂电磁离合器12-7仍然断电，主动轮13和行星架12-2处于制动状态，小腿电磁离合器12-6通电，内齿圈12-5处于自由状态；所述驱动电机12-1所输出的扭矩依次传递给太阳轮12-3、行星轮12-4和内齿圈12-5，再由内齿圈12-5带动外侧小腿8-2以铰接点B为轴顺时针转动；同时，俯仰电机6顺时针驱动内侧大腿7-1转动一定角度，使得外侧大腿8-1与内侧大腿7-1之间的夹角角度增加，外侧小腿8-2的底端摆向四连杆结构内，同时外侧小腿8-2带动与其铰连接的内侧小腿7-2向四连杆结构内摆动，使得外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C逐渐上移，直至主动轮13与辅助轮14均着地，实现了单腿四杆张开状态到轮式状态的切换；

同时，外侧小腿8-2上的锁钩17-1插至锁钩凹槽17-2-1内左侧的坡顶处，膝关节复用驱动组件12不再输出驱动力并处于待机状态；外侧小腿8-2与内侧小腿7-2受重力作用下使得足部11下移，同时外侧小腿8-2向下摆动，并带动锁钩17-1滑至锁钩凹槽17-2-1的坡底，此时外侧小腿8-2通过锁钩17-1挂在锁扣17-2上，姿态不再发生改变，实现了轮式结构的定型。

3、多轮腿机器人在轮式模式下的行走状态：小腿电磁离合器12-6断电，内齿圈12-5和外侧小腿8-2处于制动状态，轮毂电磁离合器12-7通电，行星架12-2和主动轮13处于自由状态；所述驱动电机12-1所输出的扭矩依次传递给太阳轮12-3、行星轮12-4和行星架12-2，再由行星架12-2传递给主动轮13，通过主动轮13的旋转，带动多轮腿机器人的移动。

4、轮式结构状态切换至四杆张开状态：由图8所示状态至图6所示状态，当轮腿处于轮式模式下，膝关节复用驱动组件12中的轮毂电磁离合器12-7断电，主动轮13和行星架12-2处于制动状态，小腿电磁离合器12-6通电，内齿圈12-5处于自由状态；所述驱动电机12-1所输出的扭矩依次传递给太阳轮12-3、行星轮12-4和内齿圈12-5，再由内齿圈12-5带动外侧小腿8-2以铰接点B为轴顺时针转动；外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C上移，锁钩17-1端部的销轴上移，直至锁钩17-1端部的插销滑动至锁钩凹槽17-2-1右侧的坡顶处，膝关节复用驱动组件12不再输出驱动力并处于待机状态，外侧小腿8-2与内侧小腿7-2受重力作用下使得足部11下移，同时外侧小腿8-2向下摆动，并带动锁钩17-1端部的插销从锁钩凹槽17-2-1右侧的下坡段滑出锁钩凹槽17-2-1，实现了外侧小腿8-2与外侧大腿8-1的解锁；膝关节复用驱动组件12驱动外侧小腿8-2逆时针转动，外侧小腿8-2的底端向下摆动，同时外侧小腿8-2带动与其铰连接的内侧小腿7-2向下摆动，使得外侧小腿8-2与内侧小腿7-2的铰接点C逐渐下移，直至主动轮13与辅助轮14脱离地面，实现了轮式状态到单腿四杆张开状态的切换。

5、由四杆张开状态到两杆并拢状态：由图6所示状态至图2所示状态，当轮腿处于单腿四杆张开状态时，此时夹角α的夹角角度与夹角β的夹角角度均小于180°，膝关节复用驱动组件12中的轮毂电磁离合器12-7断电，主动轮13和行星架12-2处于制动状态下，小腿电磁离合器12-6通电，内齿圈12-5处于自由状态下；所述驱动电机12-1所输出的扭矩依次传递给太阳轮12-3、行星轮12-4和内齿圈12-5，再由内齿圈12-5带动外侧小腿8-2以铰接点B为轴逆时针转动，同时外侧大腿8-1与外侧小腿8-2之间发生联动，外侧小腿8-2带动内侧小腿7-2以铰接点D为轴顺时针转动，夹角α的夹角角度和夹角β的夹角角度均逐渐增加，外腿单元8逐渐向内腿单元7靠近，并产生并拢的趋势；当夹角α的夹角角度和夹角β的夹角角度均为180°时，内腿单元7和外腿单元8处于并拢状态，此时外侧大腿8-1在大腿限位挡销15的限位下无法在驱动电机12-1的驱动下继续逆时针摆动，故保持固定不动，与内侧大腿7-1处于并拢状态；而外侧小腿8-2在小腿限位挡销16的限位下以及驱动电机12-1的驱动下继续以铰接点B为轴逆时针转动，夹角α的夹角角度逐渐增加并大于180°，外侧小腿8-2带动内侧小腿7-2以铰接点D为轴逆时针转动，夹角β的夹角角度逐渐减小并小于180°，且外侧小腿8-2与内侧小腿7-2也始终处于并拢状态；单腿四杆张开状态逐渐过渡到两杆并拢的状态，形成足式机器人的腿式结构。

在上述描述过程中可以看出，在轮腿结构的切换过程中，仅通过膝关节复用驱动组件12中的驱动电机即可实现，减少电机的使用数量，减少腿部的负载和体积。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种轮腿复合结构，其特征在于：其包括连接在一起的髋关节机构（100）和轮腿机构（200）；

所述的轮腿机构（200）包括内腿单元（7）、外腿单元（8）、髋关节连接组件（9）、踝关节连接组件（10）、足部（11）、膝关节复用驱动组件（12）、主动轮（13）、辅助轮（14）、大腿限位挡销（15）和小腿限位挡销（16）；所述的内腿单元（7）和外腿单元（8）并排布置在髋关节连接组件（9）与踝关节连接组件（10）之间；所述的足部（11）与踝关节连接组件（10）连接；

所述的内腿单元（7）包括串联在一起的内侧大腿（7-1）和内侧小腿（7-2），内侧大腿（7-1）和内侧小腿（7-2）通过销轴铰连接，并形成膝关节一（7-3）；内侧大腿（7-1）的顶端分别与髋关节机构（100）和髋关节连接组件（9）固定连接，内侧小腿（7-2）的底端与踝关节连接组件（10）转动连接；所述的大腿限位挡销（15）安装在内侧大腿（7-1）的后端面上；所述的辅助轮（14）安装在膝关节一（7-3）处，小腿限位挡销（16）安装在辅助轮（14）上；

所述的外腿单元（8）包括串联在一起的外侧大腿（8-1）和外侧小腿（8-2），外侧大腿（8-1）和外侧小腿（8-2）通过膝关节复用驱动组件（12）转动连接，并形成膝关节二（8-3）；外侧大腿（8-1）的顶端与髋关节连接组件（9）转动连接，外侧小腿（8-2）的底端与踝关节连接组件（10）转动连接；所述的主动轮（13）安装在膝关节复用驱动组件（12）上；

所述的内侧大腿（7-1）、内侧小腿（7-2）、外侧大腿（8-1）和外侧小腿（8-2）形成四连杆结构，并在膝关节复用驱动组件（12）的驱动下实现由单腿上下两杆并拢状态到单腿四杆张开状态的切换，再由单腿四杆张开状态到轮式状态的切换。

2.根据权利要求1所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的膝关节复用驱动组件（12）包括驱动电机（12-1）、行星齿轮副、小腿电磁离合器（12-6）、轮毂电磁离合器（12-7）和多个轴承；

外侧大腿（8-1）的底端布置有环形壳体（8-1-1），外侧小腿（8-2）的顶端横向并排布置有左侧连接环（8-2-1）和右侧连接环（8-2-2），所述的环形壳体（8-1-1）布置在左侧连接环（8-2-1）和右侧连接环（8-2-2）之间，所述环形壳体（8-1-1）的右端与右侧连接环（8-2-2）转动连接，且右侧连接环（8-2-2）插在主动轮（13）内，并与主动轮（13）的轮毂（13-1）转动连接；所述环形壳体（8-1-1）的右端面、右侧连接环（8-2-2）和主动轮（13）的轮毂（13-1）之间形成一个环形安装腔一（12-9），所述的轮毂电磁离合器（12-7）布置在环形安装腔一（12-9）内，并用于主动轮（13）的制动与释放；

所述的行星齿轮副包括行星架（12-2）、太阳轮（12-3）、多个行星轮（12-4）和内齿圈（12-5）；所述的内齿圈（12-5）为行星齿轮副的其中一个动力输出端，内齿圈（12-5）转动安装在环形壳体（8-1-1）内，内齿圈（12-5）的左端面与左侧连接环（8-2-1）固定连接；内齿圈（12-5）的右端面与环形壳体（8-1-1）之间形成环形安装腔二（12-10），所述的小腿电磁离合器（12-6）布置在环形安装腔二（12-10）内，并通过内齿圈（12-5）用于左侧连接环（8-2-1）的制动与释放；

所述的行星架（12-2）包括轴向依次设置的左侧安装腔（12-2-1）、中间安装腔（12-2-2）和右侧动力输出轴（12-2-3）；所述行星架（12-2）的左侧安装腔（12-2-1）和中间安装腔（12-2-2）布置在内齿圈（12-5）中，并通过轴承与内齿圈（12-5）转动连接；所述行星架（12-2）的右侧动力输出轴（12-2-3）为行星齿轮副的另一个动力输出端，其依次穿过内齿圈（12-5）上的中心开口、小腿电磁离合器（12-6）和环形壳体（8-1-1）的右侧壁，并与主动轮（13）的轮毂（13-1）固定连接；所述的驱动电机（12-1）安装在左侧安装腔（12-2-1）内，驱动电机（12-1）的输出轴伸入到中间安装腔（12-2-2）内，并与太阳轮（12-3）固定连接，多个所述的行星轮（12-4）以太阳轮（12-3）为中心周向布置在中间安装腔（12-2-2）内，且与中间安装腔（12-2-2）的两侧内壁转动连接，多个所述的行星轮（12-4）分别与太阳轮（12-3）相啮合；所述中间安装腔（12-2-2）的外环壁上沿圆周方向开有若干个开口，行星轮（12-4）部分伸出中间安装腔（12-2-2）上的开口并与内齿圈（12-5）上的内齿相啮合，实现动力的传递。

3.根据权利要求2所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的小腿电磁离合器（12-6）和轮毂电磁离合器（12-7）均为电磁失电制动器；所述小腿电磁离合器（12-6）的外壳与环形壳体（8-1-1）的右侧壁固定连接，小腿电磁离合器（12-6）的制动摩擦盘与内齿圈（12-5）固定连接；所述轮毂电磁离合器（12-7）的外壳与环形壳体（8-1-1）的右侧壁固定连接，轮毂电磁离合器（12-7）的制动摩擦盘与主动轮（13）的轮毂（13-1）固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的髋关节连接组件（9）包括连接轴（9-1），所述的连接轴（9-1）轴向水平布置，并与俯仰电机安装座（5）转动连接；连接轴（9-1）的一端与内侧大腿（7-1）的顶端固定连接，连接轴（9-1）的另一端与外侧大腿（8-1）的顶端转动连接。

5.根据权利要求1所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的踝关节连接组件（10）包括十字虎克铰关节（10-1）和两根复位弹簧（10-2），所述足部（11）的脚面上设置有一个安装座（11-1），十字虎克铰关节（10-1）的其中一根销轴转动安装在安装座（11-1）上；十字虎克铰关节（10-1）的另一根销轴轴向水平设置，内侧小腿（7-2）的底端与所述另一根销轴的内端转动连接，外侧小腿（8-2）的底端与所述另一根销轴的外端转动连接；两根所述的复位弹簧（10-2）分别布置在安装座（11-1）的左右两侧，复位弹簧（10-2）的一端连接在足部（11）的脚面上，复位弹簧（10-2）的另一端与十字虎克铰关节（10-1）中处于水平方向的销轴连接，以实现十字虎克铰关节（10-1）的自动复位。

6.根据权利要求1所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的轮腿机构（200）上还设置有锁紧组件（17）；所述的锁紧组件（17）包括一个锁钩（17-1）和一个锁扣（17-2），所述的锁扣（17-2）安装在外侧大腿（8-1）上，且靠近膝关节二（8-3）的位置处，所述的锁钩（17-1）安装在外侧小腿（8-2）上，且靠近膝关节二（8-3）的位置处，通过锁钩（17-1）与锁扣（17-2）的配合实现四连杆结构姿态的固定。

7.根据权利要求6所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的锁钩（17-1）为具有弹性的刚性件，且端部垂直设置有插销；所述的锁扣（17-2）内开有一个“M”型锁钩凹槽（17-2-1），所述锁钩凹槽（17-2-1）的槽底沿着锁钩（17-1）的移动方向凹槽的深度逐渐增加，并形成台阶状；通过锁钩（17-1）端部的插销与锁钩凹槽（17-2-1）的配合实现锁紧组件（17）的锁合和解锁。

8.根据权利要求1所述的一种轮腿复合结构，其特征在于：所述的髋关节机构（100）包括机身连接件（1）、扭转电机（2）、侧摆电机安装座（3）、侧摆电机（4）、俯仰电机安装座（5）和俯仰电机（6），所述的机身连接件（1）与机身（300）固定连接，所述的扭转电机（2）轴向竖直布置，扭转电机（2）的外壳固定安装在机身连接件（1）上，扭转电机（2）的动力输出轴与机身连接件（1）下方的侧摆电机安装座（3）固定连接；所述的侧摆电机（4）轴向水平布置，侧摆电机（4）的外壳固定安装在侧摆电机安装座（3）上，侧摆电机（4）的动力输出轴与俯仰电机安装座（5）固定连接；所述的俯仰电机（6）轴向水平布置，俯仰电机（6）的外壳固定安装在俯仰电机安装座（5）上，俯仰电机（6）的动力输出轴与内侧大腿（7-1）的顶端固定连接；其中侧摆电机（4）的轴线方向与俯仰电机（6）的轴线方向垂直布置。

9.一种轮腿机器人，其特征在于：所述的轮腿机器人包括机身（300）和2N个如权利要求1~8中任一项所述的轮腿复合结构，每个轮腿复合结构布置在机身（300）的底部，并通过机身连接件（1）与机身（300）固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种轮腿机器人，其特征在于：所述的N取值为1。