CN117698871A - 基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法，包括：结构基本单元，若干个结构基本单元通过弹性索首尾依次串联构成半环形张拉整体结构，两个半环形张拉整体结构的一端通过驱动机构连接，另一端通过嵌合接口连接，由此构成环形张拉整体结构，驱动机构用于驱动环形张拉整体结构上弹性索的伸缩，从而通过嵌合接口的开闭实现变形。通过车轮形态与腿足形态的切换，使得机器人既拥有轮式机器人的快速移动能力，又拥有腿足式机器人的越障能力，进而形成多运动模态。

Description

基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统的具有单种运动模式的机器人只能使用一种方式进行移动，难以适用灾害救援等复杂多变的地形环境和多样作业任务需求。与单模态机器人相比，轮式、履带、腿足、飞行等多模态运动部件的组合使得机器人重量增加，结构复杂；并且多模态机器人通常抗冲击性较差，在运动过程中难免与周围环境发生碰撞，高速冲击可能会导致设备损坏。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法，通过环形张拉整体结构控制轮足变形，通过车轮形态与腿足形态的切换，使得机器人既拥有轮式机器人的快速移动能力，又拥有腿足式机器人的越障能力，进而形成多运动模态。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构，包括：结构基本单元；所述结构基本单元包括呈X形设置的第一支柱和第二支柱，第一支柱的首端和第二支柱的尾端通过弹性索连接，第一支柱的尾端和第二支柱的首端通过弹性索连接；

若干个结构基本单元通过弹性索首尾依次串联构成半环形张拉整体结构，两个半环形张拉整体结构的一端通过驱动机构连接，另一端通过嵌合接口连接，由此构成环形张拉整体结构，所述驱动机构用于驱动环形张拉整体结构上弹性索的伸缩，从而通过嵌合接口的开闭实现变形。

作为可选择的实施方式，所述第一支柱和第二支柱均为由四根压杆构成的矩形结构，第一支柱和第二支柱之间共采用四条弹性索连接。

作为可选择的实施方式，在环形张拉整体结构中包括处于环形内的内侧弹性索和环形外的外侧弹性索，且内侧弹性索和外侧弹性索的伸缩状态相反。

作为可选择的实施方式，控制内侧弹性索收缩，外侧弹性索伸张时，两个半环形张拉整体结构逐渐弯曲收拢，直至嵌合接口处闭合，由此形成车轮形态。

作为可选择的实施方式，控制内侧弹性索伸张，外侧弹性索收缩时，环形张拉整体结构弯曲程度降低，车轮嵌合接口处断连，由此切换为腿足形态。

作为可选择的实施方式，所述驱动机构包括第一驱动支柱、第二驱动支柱和设于两个驱动支柱上的弹性索电机，第一驱动支柱和第二驱动支柱呈X形设置，首端连接一个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元，尾端连接另一个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元，每个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元上的四条弹性索分别对应连接一个弹性索电机。

作为可选择的实施方式，第一驱动支柱和第二驱动支柱均为由四根压杆构成的矩形结构，在矩形结构长度方向上的压杆上均设两个弹性索电机，两个弹性索电机分别对应连接两个半环形张拉整体结构，且一个弹性索电机用于驱动内侧弹性索，一个弹性索电机用于驱动外侧弹性索。

第二方面，本发明提供一种机器人，包括：机器人本体和第一方面所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，可变形轮足结构设于机器人本体两侧。

作为可选择的实施方式，可变形轮足结构通过轮毂与机器人本体连接；

在车轮形态下，机器人本体内的驱动电机通过驱动轮毂的旋转从而带动可变形轮足结构的旋转，实现机器人滚动；

在腿轮形态下，通过驱动机构控制四足上弹性索的伸缩，从而机器人爬行运行。

第三方面，本发明提供一种机器人的工作方法，采用第二方面所述的机器人，包括：

控制内侧弹性索收缩，外侧弹性索伸张，两个半环形张拉整体结构逐渐弯曲收拢，直至嵌合接口处闭合，由此形成车轮形态，通过机器人本体内的驱动电机驱动轮毂带动车轮转动，实现机器人的滚动运行；

控制内侧弹性索伸张，外侧弹性索收缩，环形张拉整体结构弯曲程度降低，嵌合接口处断连，由此切换为腿足形态，通过控制腿足形态下的四足上的弹性索的伸缩，来控制腿足的变形和运动，实现机器人的爬行运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法，由若干个结构基本单元通过弹性索首尾依次串联构成半环形张拉整体结构，由两个半环形张拉整体结构构成环形张拉整体结构，通过驱动弹性索的伸缩，从而通过嵌合接口的开闭实现轮足结构的变形，整个结构受力均匀分布，具有轻量化、抗冲击、高稳定性等优点，增强机器人抵抗外界冲击的能力，保护机器人的稳定性和完整性，轻量化特点还可以降低机器人整体重量，提高机器人的运动灵活性和运动速度，使机器人具有良好的平衡性、适应性和受力分布特性。

本发明提出一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构、机器人及工作方法，通过环形张拉整体结构控制轮足变形，切换至车轮形态时，通过驱动车轮，轮式机器人与地面保持连续接触，具有稳定的运动性能，可以实现高速、低能耗的移动；切换至腿足形态时，腿足式机器人以其离散的点接触运动特性，在非结构化地形中展现出卓越的适应性；由此，通过车轮形态与腿足形态的切换，使得机器人既拥有轮式机器人的快速移动能力，又拥有腿足式机器人的越障能力，轮与腿复合结构具有高度的灵活性，可以根据不同工作场景变换不同工作姿态，进而形成多运动模态，在地形适应性、能耗、速度和负载能力等方面表现出色，同时兼具腿足式机器人在非结构复杂环境中优越的通过能力和轮式机器人在较平坦路面上快速行进的能力。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明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。

图1为本发明实施例1提供的结构基本单元示意图；

图2为本发明实施例1提供的车轮形态的正视图；

图3为本发明实施例1提供的车轮形态的等轴侧视图；

图4(a)-图4(b)为本发明实施例1提供的腿足形态的正视图和等轴侧视图；

图5(a)-图5(b)为本发明实施例2提供的车轮形态的机器人的正视图和等轴侧视图；

图6(a)-图6(b)为本发明实施例2提供的腿足形态的机器人的正视图和等轴侧视图；

其中，1、第一支柱，2、第二支柱，3、第一支柱的首端，4、第一支柱的尾端，5、第二支柱的首端，6、第二支柱的尾端，7、弹性索，7-1、内侧弹性索，7-2、外侧弹性索，8、弹性索电机，9、嵌合接口，10、结构基本单元，11、第一驱动支柱，12、第二驱动支柱。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“包含”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种基于张拉整体结构的可变形轮足结构，包括：结构基本单元10；所述结构基本单元10包括呈X形设置的第一支柱1和第二支柱2，第一支柱的首端2和第二支柱的尾端6通过弹性索7连接，第一支柱的尾端3和第二支柱的首端5通过弹性索7连接；

若干个结构基本单元10通过弹性索7首尾依次串联构成半环形张拉整体结构，两个半环形张拉整体结构的一端通过驱动机构连接，另一端通过嵌合接口9连接，由此构成环形张拉整体结构，所述驱动机构用于驱动环形张拉整体结构上弹性索7的伸缩，从而通过嵌合接口9的开闭实现变形。

在本实施例中，如图1所示，结构基本单元10的第一支柱1和第二支柱2均为由四根压杆构成的矩形结构，共采用八根压杆，第一支柱1和第二支柱2之间共采用四条弹性索7连接。

在本实施例中，n个结构基本单元通过弹性索首尾依次串联构成半环形张拉整体结构，由2n个结构基本单元构成环形张拉整体结构，在环形张拉整体结构中有处于环形内侧的弹性索和外侧的弹性索，在驱动时，内侧弹性索7-1和外侧弹性索7-2的伸缩状态相反，即内侧弹性索7-1收紧缩短时，外侧弹性索7-2伸张。

在本实施例中，结构基本单元串联时，弹性索是连续的串接各结构基本单元，由此能够通过驱动内外侧弹性索的伸缩来控制轮足结构的变形。

在本实施例中，驱动机构包括第一驱动支柱11、第二驱动支柱12和设于两个驱动支柱上的弹性索电机8，每个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元上的四条弹性索分别对应连接一个弹性索电机8，共设8个弹性索电机8，通过弹性索电机8驱动内外侧弹性索的伸缩。

作为可选择的一种实施方式，第一驱动支柱11和第二驱动支柱12呈X形设置，其首端连接一个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元，其尾端连接另一个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元。

作为可选择的一种实施方式，第一驱动支柱11和第二驱动支柱12均为由四根压杆构成的矩形结构，在矩形结构长度方向上的压杆上均设两个弹性索电机8，两个弹性索电机8分别对应连接两个半环形张拉整体结构，且两个弹性索电机8中一个弹性索电机8用于驱动内侧弹性索，一个弹性索电机8用于驱动外侧弹性索，如图3所示。

在本实施例中，所述嵌合接口9采用电磁铁接口进行嵌合。

在本实施例中，如图2-图3所示，当弹性索电机8控制内侧弹性索7-1收缩，外侧弹性索7-2伸张时，两个半环形张拉整体结构逐渐弯曲收拢，直至两端电磁铁接口处嵌合，由此形成车轮形态，车轮形态的机器人可通过驱动电机驱动轮毂带动车轮转动，实现机器人的滚动运行。

在本实施例中，如图4(a)-图4(b)所示，当弹性索电机8控制内侧弹性索7-1伸张，外侧弹性索7-2收缩时，环形张拉整体结构弯曲程度降低，车轮嵌合接口处断连，由此切换为腿足形态，腿足形态的机器人通过弹性索电机控制腿足结构前后左右四足上弹性索的伸缩，从而控制腿足的变形和运动，实现机器人的爬行运行。

在本实施例中，通过压杆上的8个弹性索电机可以控制腿足内外侧和前后侧的弹性索，弹性索电机改变弹性索的长度，切换环形张拉整体结构的形态，使得机器人在轮式机器人和足式机器人之间转换，也可以控制张拉整体腿足变形，使机器人四足分别进行各种动作，满足任务需求。

在本实施例中，环形张拉整体结构是由不连续的刚性支柱，通过连续的张拉柔性的弹性索连接构成的自支承、自应力的空间网格结构，结合刚性结构和柔性结构的优点，整体受力均匀分布，具有较高的冗余度和自平衡能力，能降低机器人整体重量，减缓外力冲击。

实施例2

本实施例提供一种机器人，包括机器人本体和设于机器人本体两侧的可变形轮足结构，可变形轮足结构采用实施例1中的基于张拉整体结构的可变形轮足结构。

在本实施例中，可变形轮足结构通过轮毂与机器人本体连接。

如图5(a)-图5(b)所示，在车轮形态下，机器人本体内的驱动电机通过驱动轮毂的旋转从而带动可变形轮足结构的旋转，实现机器人滚动，结构简单，易于控制，传动效率高。

如图6(a)-图6(b)所示，在腿轮形态下，通过可变形轮足结构上的弹性索电机控制前后左右四足上弹性索的伸缩，从而控制腿足的变形和运动，实现机器人的爬行运行；同时还可使机器人四足分别进行各种动作，满足任务需求。

作为可选择的一种实施方式，机器人本体内布置2个驱动电机，分别控制车轮形态的机器人左右轮的旋转。

作为可选择的一种实施方式，机器人本体内预留足够的空间可以增加额外的传感器，如摄像头、GPS或惯性测量单元，以执行定位和感知，在人工控制的基础上实现半自动或全自动操作。

实施例3

本实施例提供一种机器人的工作方法，采用实施例2所述的机器人，包括：

控制内侧弹性索收缩，外侧弹性索伸张，两个半环形张拉整体结构逐渐弯曲收拢，直至嵌合接口处闭合，由此形成车轮形态，通过机器人本体内的驱动电机驱动轮毂带动车轮转动，实现机器人的滚动运行；

控制内侧弹性索伸张，外侧弹性索收缩，环形张拉整体结构弯曲程度降低，嵌合接口处断连，由此切换为腿足形态，通过控制腿足形态下的四足上的弹性索的伸缩，来控制腿足的变形和运动，实现机器人的爬行运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，包括：结构基本单元；所述结构基本单元包括呈X形设置的第一支柱和第二支柱，第一支柱的首端和第二支柱的尾端通过弹性索连接，第一支柱的尾端和第二支柱的首端通过弹性索连接；

若干个结构基本单元通过弹性索首尾依次串联构成半环形张拉整体结构，两个半环形张拉整体结构的一端通过驱动机构连接，另一端通过嵌合接口连接，由此构成环形张拉整体结构，所述驱动机构用于驱动环形张拉整体结构上弹性索的伸缩，从而通过嵌合接口的开闭实现变形。

2.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，所述第一支柱和第二支柱均为由四根压杆构成的矩形结构，第一支柱和第二支柱之间共采用四条弹性索连接。

3.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，在环形张拉整体结构中包括处于环形内的内侧弹性索和环形外的外侧弹性索，且内侧弹性索和外侧弹性索的伸缩状态相反。

4.如权利要求3所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，控制内侧弹性索收缩，外侧弹性索伸张时，两个半环形张拉整体结构逐渐弯曲收拢，直至嵌合接口处闭合，由此形成车轮形态。

5.如权利要求3所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，控制内侧弹性索伸张，外侧弹性索收缩时，环形张拉整体结构弯曲程度降低，车轮嵌合接口处断连，由此切换为腿足形态。

6.如权利要求1所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，所述驱动机构包括第一驱动支柱、第二驱动支柱和设于两个驱动支柱上的弹性索电机，第一驱动支柱和第二驱动支柱呈X形设置，首端连接一个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元，尾端连接另一个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元，每个半环形张拉整体结构中位于端部的结构基本单元上的四条弹性索分别对应连接一个弹性索电机。

7.如权利要求3或6所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，其特征在于，第一驱动支柱和第二驱动支柱均为由四根压杆构成的矩形结构，在矩形结构长度方向上的压杆上均设两个弹性索电机，两个弹性索电机分别对应连接两个半环形张拉整体结构，且一个弹性索电机用于驱动内侧弹性索，一个弹性索电机用于驱动外侧弹性索。

8.一种机器人，包括机器人本体和权利要求1-7任一项所述的基于张拉整体结构的可变形轮足结构，可变形轮足结构设于机器人本体两侧。

9.如权利要求8所述的一种机器人，其特征在于，可变形轮足结构通过轮毂与机器人本体连接；

在车轮形态下，机器人本体内的驱动电机通过驱动轮毂的旋转从而带动可变形轮足结构的旋转，实现机器人滚动；

在腿轮形态下，通过驱动机构控制四足上弹性索的伸缩，从而机器人爬行运行。

10.一种机器人的工作方法，采用权利要求8-9任一项所述的机器人，包括：

控制内侧弹性索收缩，外侧弹性索伸张，两个半环形张拉整体结构逐渐弯曲收拢，直至嵌合接口处闭合，由此形成车轮形态，通过机器人本体内的驱动电机驱动轮毂带动车轮转动，实现机器人的滚动运行；

控制内侧弹性索伸张，外侧弹性索收缩，环形张拉整体结构弯曲程度降低，嵌合接口处断连，由此切换为腿足形态，通过控制腿足形态下的四足上的弹性索的伸缩，来控制腿足的变形和运动，实现机器人的爬行运行。