CN117922714A - 一种可双向展开的轮腿式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可双向展开的轮腿式机器人，涉及移动机器人领域，包括机器人机身、两个可变形轮腿结构以及传动结构，可变形轮腿结构对称布置在机器人机身的两侧；传动结构包括旋转驱动机构和直线驱动机构，直线驱动机构用于驱动可变形轮腿结构变形，使可变形轮腿结构展开为行走腿状态或收缩成圆形辊轮状，旋转驱动机构通过驱动轴驱动可变形轮腿结构旋转，以实现机器人的前进或后退。本发明中的新型可双向展开的轮腿式机器人，通过可变形轮腿结构和传动结构能够实现轮式形态和两种腿式形态共三种运动模式的切换，使机器人兼具轮式和腿式的优点，在复杂环境下执行任务时可根据地形的不同选择合适的运动模式，适应性好，灵活性高，越障能力强。

Description

一种可双向展开的轮腿式机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，具体涉及一种可双向展开的轮腿式机器人。

背景技术

随着科技的进步和机器人技术的发展，移动机器人在各种非结构化复杂环境中扮演越来越重要的角色，逐渐取代人类从事任务。然而，传统的轮式和腿式移动机器人在特定地形下具有一定优势，但无法胜任复杂和未知环境中的工作。因此，近年来，可变形轮腿式移动机器人引起了全球研究人员的广泛关注。

可变形轮腿式移动机器人通过可变结构实现机器人轮式和腿式形态的自由切换，从而在平坦地形上以轮式形态稳定移动，在崎岖地形上以腿式形态灵活行进。这种结合了传统轮式和腿式机器人优点的设计在抢险救灾、军事侦察、星球探索等领域具有广阔的应用前景。

为了改善可变形轮腿式移动机器人的越障性能和轮腿结构的变形能力，国内外的专家学者提出了多种不同的设计方案。然而，现有的可变形轮腿结构仍存在一些局限，如越障能力有限、变径低、结构复杂、控制策略困难等问题。为了提升可变形轮腿式移动机器人在非结构化环境下的越障性能和机动性，需要根据实际需求设计合适的构型方案。这样的设计方案能够使机器人在复杂未知环境中具备良好的运动能力，显著提高平稳性、适应性和越障能力等方面的性能。

总之，可变形轮腿式移动机器人在实现机器人多样化运动能力和应对复杂环境挑战方面具有巨大潜力。通过持续的研究和创新，可以进一步推动可变形轮腿式移动机器人在现实世界中的广泛应用。

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可双向展开的轮腿式机器人，可以在复杂地形下工作时具备良好的运动能力，相对于传统的移动机器人具有更好的平稳性、适应性和越障能力。

为此，本发明提出了一种可双向展开的轮腿式机器人，包括机器人机身、传动结构、以及对称布置在所述机器人机身两侧的两个可变形轮腿结构；所述传动结构包括旋转驱动机构和直线驱动机构，所述旋转驱动机构具有驱动轴；

所述可变形轮腿结构包括从内至外依次安装在所述驱动轴上的旋转滑块连接件、旋转滑块、固定支架和旋转支架，并且所述固定支架与所述驱动轴孔轴固定连接；所述可变形轮腿结构还包括若干圆弧腿、若干连杆组件和若干移动滑块；

所述旋转支架上具有若干径向延伸的支撑杆一，所述固定支架上具有若干径向延伸的支撑杆二；所述圆弧腿与对应的所述支撑杆一、所述移动滑块分别铰接，而所述移动滑块与对应的所述支撑杆二滑动连接；同时所述移动滑块通过连杆组件与所述旋转滑块连接；而所述旋转滑块与所述旋转滑块连接件通过第一滚动轴承转动连接；

其中，所述直线驱动机构用于驱动所述旋转滑块连接件轴向移动，使所述圆弧腿摆动并让所述可变形轮腿结构展开为行走腿状态或收缩成圆形辊轮状；所述旋转驱动机构通过所述驱动轴驱动所述固定支架、所述圆弧腿做旋转运动，以实现机器人的前进或后退。

作为本发明的一种优选技术方案，所述圆弧腿、所述连杆组件和所述移动滑块均设置有三个并且环形阵列分布。

作为本发明的一种优选技术方案，所述固定支架轴向内侧设有与其固定的连杆固定架，所述连杆组件包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第一连杆一端与所述移动滑块中部铰接，另一端与所述第二连杆的一端铰接，所述第二连杆另一端与所述连杆固定架铰接，所述第二连杆中间端与所述第三连杆一端铰接，所述第三连杆另一端与所述旋转滑块铰接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述圆弧腿上与所述移动滑块铰接的耳板一的设置周向位置不同于所述圆弧腿上与所述旋转支架铰接的耳板二。

作为本发明的一种优选技术方案，所述耳板一位于所述圆弧腿中部，使所述圆弧腿能朝两个方向摆动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述固定支架的支撑杆二上开有槽口，所述移动滑块上设有与所述槽口相配合的移动滑块连接销轴。

作为本发明的一种优选技术方案，所述旋转支架与所述固定支架通过推力轴承相连接，所述旋转滑块与所述驱动轴通过直线轴承相连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述旋转驱动机构包括驱动舵机、驱动舵机输出齿轮和传动齿轮；所述驱动舵机与所述驱动轴之间通过所述驱动舵机输出齿轮、所述传动齿轮传动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述直线驱动机构包括变形舵机、变形舵机输出齿轮和传动齿条；所述变形舵机输出齿轮固定在所述变形舵机输出端，所述传动齿条与所述变形舵机输出齿轮啮合，同时所述传动齿条与所述旋转滑块连接件固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述机器人机身包括一个机架底板、两个机架侧板、一个驱动舵机安装架、一个齿条安装架、两个第二滚动轴承和两个轴固定架。

本发明提供的可双向展开的轮腿式机器人，通过可变形轮腿结构和传动结构可以使机器人实现轮式和腿式两种运动模式的切换，使其在复杂地形下进行工作时具备良好的运动能力，具有平稳性好、适应性强和越障能力高的特点。仅通过控制三个驱动舵机即可实现机器人的行走和变形，质量更小，控制更为简单，能量利用率更高。

此外，本发明中的新型可双向展开的轮腿式机器人，通过可变形轮腿结构和传动结构能够实现轮式形态和两种腿式形态共三种运动模式的切换，使机器人兼具轮式和腿式的优点，在复杂环境下执行任务时可根据地形的不同选择合适的运动模式，适应性好，灵活性高，越障能力强。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本申请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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的可双向展开的轮腿式机器人轮式形态的结构示意图；

图2为本发明的可双向展开的轮腿式机器人腿式双向展开形态的结构示意图；

图3～图5为本发明的可双向展开的轮腿式机器人中可变形轮腿结构的结构示意图；

图6～图9为本发明的可双向展开的轮腿式机器人中传动结构的示意图；

图10为本发明的可双向展开的轮腿式机器人中轴系结构的示意图；

附图标记说明：

1、机器人机身；2、可变形轮腿结构；3、传动结构；11、机架底板；12、机架侧板；13、驱动舵机安装架；14、齿条安装架；15、机身连接件；16、第二滚动轴承；17、轴固定架；21、旋转支架；22、固定支架；23、连杆固定架；24、移动滑块；25、移动滑块连接件；26、移动滑块连接销轴；27、推力轴承；28、直线轴承；29、第一滚动轴承；210、旋转滑块；211、旋转滑块连接件；212、第一连杆；213、第二连杆；214、第三连杆；215、圆弧腿；31、驱动舵机；32、变形舵机；33、驱动舵机输出齿轮；34、变形舵机输出齿轮；35、传动齿轮；36、驱动轴；37、第三滚动轴承；38、传动齿条。

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申请。

如图1～图10所示，一种可双向展开的轮腿式机器人，包括机器人机身1、两个可变形轮腿结构2以及传动结构3；可变形轮腿结构2对称布置在机器人机身1的两侧；传动结构3一端与机器人机身1相连接，另一端与可变形轮腿结构2相连接；其中，传动结构3包括旋转驱动机构和直线驱动机构，直线驱动机构用于驱动可变形轮腿结构2变形，使可变形轮腿结构2展开为行走腿状态或收缩成圆形辊轮状，旋转驱动机构通过驱动轴36驱动可变形轮腿结构2旋转，以实现机器人的前进或后退。

具体地，如图1、图3、图4、图5所示，可变形轮腿结构2包括旋转滑块连接件211、旋转滑块210、连杆固定架23、固定支架22、旋转支架21从内至外依次安装在传动结构3的驱动轴36上；并且所述固定支架22与所述驱动轴36孔轴固定连接；固定支架22与连杆固定架23之间通过若干螺丝固定连接。

可变形轮腿结构2还包括若干圆弧腿215、若干连杆组件和若干移动滑块24；而所述圆弧腿215、所述连杆组件和所述移动滑块24均设置有三个并且环形阵列分布。其中，将圆弧腿215设置成三个，可以形成更大的展开半径，获得最大的越障能力。

所述旋转支架21上具有三个径向延伸的支撑杆一，所述固定支架22上具有三个径向延伸的支撑杆二；所述圆弧腿215与对应的所述支撑杆一、所述移动滑块24分别铰接，而所述移动滑块24与对应的所述支撑杆二滑动连接；同时所述移动滑块24通过连杆组件与所述旋转滑块210连接。

旋转滑块210通过直线轴承28与驱动轴36相连接，旋转滑块210可做周向旋转与轴向直线运动；而所述旋转滑块210与所述旋转滑块连接件211通过第一滚动轴承29转动连接；使旋转滑块连接件211可不随旋转滑块210转动。

具体地，旋转支架21通过推力轴承27与固定支架22相连接，可以自由旋转，固定支架22与驱动轴36孔轴固定连接，每个圆弧腿215与对应的移动滑块24、旋转支架21分别铰接；移动滑块24中部具有移动滑块连接件25。

连杆组件包括第一连杆212、第二连杆213和第三连杆214，第一连杆212一端与移动滑块连接件25铰接，第一连杆212另一端与第二连杆213的一端铰接，第二连杆213另一端与连杆固定架23铰接，第二连杆213中间端与第三连杆214一端铰接，第三连杆214另一端与旋转滑块210铰接。其中，将连杆组件设置成三连杆机构为最优解决方案，可以减小轮距，增大变形比，获得更好的将轴向运动转化为径向运动。

所述直线驱动机构用于驱动所述旋转滑块连接件211轴向移动，旋转滑块连接件211带动旋转滑块210在驱动轴36轴向移动，旋转滑块210再通过第三连杆214带动第一连杆212和第二连杆213转动，进而使对应的移动滑块24在固定支架22的径向导槽内滑动；使所述圆弧腿215摆动并让所述可变形轮腿结构2展开为行走腿状态或收缩成圆形辊轮状。

所述旋转驱动机构通过所述驱动轴36驱动与固定支架22直接或间接连接的连杆固定架23、圆弧腿215、旋转支架21、第三连杆214带动第一连杆212、第二连杆213、以及旋转滑块210同步转动，以实现机器人的前进或后退。

其中，固定支架22的支撑杆二上开有槽口，移动滑块连接销轴26在槽口的限制下带动移动滑块24做直线运动，使移动滑块24与固定支架22通过移动滑块连接销轴26滑动连接；旋转支架21可绕推力轴承27在一定范围内旋转；同时圆弧腿215上与移动滑块24铰接的耳板一的设置周向位置不同于圆弧腿215上与旋转支架21铰接的耳板二，从而实现轮腿机构展开与闭合。

此外，如图2、图4所示，所述圆弧腿215上与所述移动滑块24铰接的耳板一位于所述圆弧腿215中部，使所述圆弧腿215能朝两个方向摆动，以实现所述可变形轮腿结构2可以朝两个方向展开；移动滑块连接销轴26处于槽口中位时轮腿结构处于闭合状态，移动滑块连接销轴26处于槽口两端时，轮腿结构处于两种展开状态。

具体地，如图1、图6～图8所示，机器人机身1包括一个机架底板11、两个机架侧板12、一个驱动舵机安装架13、一个齿条安装架14、四个机身连接件15、两个第二滚动轴承16和两个轴固定架17，机架底板11、机架侧板12和机身连接件15之间通过若干螺丝固定连接，驱动舵机安装架13、齿条安装架14和轴固定架17分别通过若干螺丝与机架底板11相连接；其中，机架侧板12通过机身连接件15对称固定在机架底板11两侧，机架侧板12通过第二滚动轴承16与驱动轴36相连接，允许驱动轴36自由旋转。

如图6～图10所示，传动结构包括旋转驱动机构和直线驱动机构；其中，旋转驱动机构包括对称设置的两个驱动舵机31、两个驱动舵机输出齿轮33、两个传动齿轮35、两个驱动轴36、以及两个第三滚动轴承37；驱动舵机输出齿轮33固定在驱动舵机31的输出端，传动齿轮35与驱动轴36固定连接，驱动舵机31通过两个齿轮与驱动轴36相连接，驱动轴36的一端通过第三滚动轴承37与轴固定架17相连接，允许驱动轴36自由旋转，驱动轴36另一端与固定支架22孔轴固定连接，与其同步旋转，以实现机器人的前进或后退。

直线驱动机构包括一个变形舵机32、一个变形舵机输出齿轮34、两个传动齿条38；变形舵机输出齿轮34固定在变形舵机32输出端，传动齿条38安装在齿条安装架14滑槽内，并与变形舵机输出齿轮34相啮合；传动齿条38一端与旋转滑块连接件211通过若干螺丝固定连接；传动齿条38双向移动可带动旋转滑块210双向移动，从而实现可变形轮腿结构2的双向展开。

在一实施例中，可双向展开的轮腿式机器人的传动结构仅设置一根驱动轴36，对称布置的两个可变形轮腿结构2均与同一根驱动轴36连接，对应的驱动舵机31、驱动舵机输出齿轮33、传动齿轮35也仅设置一个，驱动轴36通过第三滚动轴承37与一对轴固定架17相连接；驱动舵机31通过驱动舵机输出齿轮33、传动齿轮35带动驱动轴36转动，同样能实现机器人的前进或后退。

在另一实施例中，可变形轮腿结构2中圆弧腿215、连杆组件和移动滑块24还可以设置成四到八个，对应的所述旋转支架21上具有四到八个径向延伸的支撑杆一，所述固定支架22上具有四到八个径向延伸的支撑杆二；通过增加圆弧腿215及相关部件的数量，可以提高展开状态下轮腿机构的稳定性。

需要说明的是，为了实现移动滑块24的径向移动，连杆组件还可以只是第一连杆212，所述第一连杆212一端与所述移动滑块连接件25铰接，第一连杆212另一端与旋转滑块210铰接。旋转滑块210通过若干第一连杆212带动对应的移动滑块24在固定支架22的径向导槽内滑动；使所述圆弧腿215摆动并让所述可变形轮腿结构2展开为行走腿状态或收缩成圆形辊轮状。

此外，直线驱动机构也可以直接使用电动推杆、气缸、油缸替换上述实施例中的舵机+齿轮齿条机构的结构，同样能够实现旋转滑块连接件211轴向移动。

下面结合附图简述本发明的可双向展开的轮腿式机器人的工作原理和工作过程。

腿式移动模式

首先通过程序控制变形舵机32工作，变形舵机32带动变形舵机输出齿轮34旋转，变形舵机输出齿轮34再带动一对传动齿条38在齿条安装架14内水平滑动。

然后，传动齿条38通过旋转滑块连接件211带动旋转滑块210在驱动轴36轴向移动，旋转滑块210再通过第三连杆214带动第一连杆212和第二连杆213转动，进而使对应的移动滑块24在固定支架22的径向导槽内滑动；由于圆弧腿215上与移动滑块24铰接的耳板一的设置周向位置不同于圆弧腿215上与旋转支架21铰接的耳板二，使旋转支架21绕驱动轴转动并带动圆弧腿215摆动一定角度，圆弧腿215的一端距离驱动轴中心线的距离增加，进而抬升整个机器人的高度，提高越障能力。

再然后，通过程序控制两个驱动舵机31工作，驱动舵机31通过驱动舵机输出齿轮33和传动齿轮35驱动驱动轴36旋转，由于固定支架22与驱动轴36固定连接，同时旋转滑块连接件211与旋转滑块210通过第一滚动轴承29转动连接；使得与固定支架22直接或间接连接的连杆固定架23、圆弧腿215、旋转支架21、第三连杆214带动第一连杆212、第二连杆213、以及旋转滑块210随驱动轴36同步转动，而旋转滑块连接件211不跟随旋转滑块210转动。

最后，展开状态下的轮腿结构随驱动轴36旋转实现机器人的前进或后退。

轮式移动模式

首先通过程序控制变形舵机32不工作，若干圆弧腿215均处于初始位置并且围成一个圆形辊轮状，同时旋转滑块连接件211、旋转滑块210、第三连杆214、第一连杆212和第二连杆213处于初始位置。

然后，通过程序控制两个驱动舵机31工作，驱动舵机31通过驱动舵机输出齿轮33和传动齿轮35驱动驱动轴36旋转，由于固定支架22与驱动轴36固定连接，同时旋转滑块连接件211与旋转滑块210通过第一滚动轴承29转动连接；使得与固定支架22直接或间接连接的连杆固定架23、圆弧腿215、旋转支架21、第三连杆214带动第一连杆212、第二连杆213、以及旋转滑块210随驱动轴36同步转动，而旋转滑块连接件211不跟随旋转滑块210转动；

最后，圆形辊轮状的轮腿结构随驱动轴36旋转实现机器人的前进或后退。

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

Claims (10)

1.一种可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，包括机器人机身(1)、传动结构(3)、以及对称布置在所述机器人机身(1)两侧的两个可变形轮腿结构(2)；所述传动结构(3)包括旋转驱动机构和直线驱动机构，所述旋转驱动机构具有驱动轴(36)；

所述可变形轮腿结构(2)包括从内至外依次安装在所述驱动轴(36)上的旋转滑块连接件(211)、旋转滑块(210)、固定支架(22)和旋转支架(21)，并且所述固定支架(22)与所述驱动轴(36)孔轴固定连接；所述可变形轮腿结构(2)还包括若干圆弧腿(215)、若干连杆组件和若干移动滑块(24)；

所述旋转支架(21)上具有若干径向延伸的支撑杆一，所述固定支架(22)上具有若干径向延伸的支撑杆二；所述圆弧腿(215)与对应的所述支撑杆一、所述移动滑块(24)分别铰接，而所述移动滑块(24)与对应的所述支撑杆二滑动连接；同时所述移动滑块(24)通过连杆组件与所述旋转滑块(210)连接；而所述旋转滑块(210)与所述旋转滑块连接件(211)通过第一滚动轴承(29)转动连接；

其中，所述直线驱动机构用于驱动所述旋转滑块连接件(211)轴向移动，使所述圆弧腿(215)摆动并让所述可变形轮腿结构(2)展开为行走腿状态或收缩成圆形辊轮状；所述旋转驱动机构通过所述驱动轴(36)驱动所述固定支架(22)、所述圆弧腿(215)做旋转运动，以实现机器人的前进或后退。

2.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述圆弧腿(215)、所述连杆组件和所述移动滑块(24)均设置有三个并且环形阵列分布。

3.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述固定支架(22)轴向内侧设有与其固定的连杆固定架(23)，所述连杆组件包括第一连杆(212)、第二连杆(213)和第三连杆(214)，所述第一连杆(212)一端与所述移动滑块(24)中部铰接，另一端与所述第二连杆(213)的一端铰接，所述第二连杆(213)另一端与所述连杆固定架(23)铰接，所述第二连杆(213)中间端与所述第三连杆(214)一端铰接，所述第三连杆(214)另一端与所述旋转滑块(210)铰接。

4.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述圆弧腿(215)上与所述移动滑块(24)铰接的耳板一的设置周向位置不同于所述圆弧腿(215)上与所述旋转支架(21)铰接的耳板二。

5.根据权利要求4所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述耳板一位于所述圆弧腿(215)中部，使所述圆弧腿(215)能朝两个方向摆动。

6.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述固定支架(22)的支撑杆二上开有槽口，所述移动滑块(24)上设有与所述槽口相配合的移动滑块连接销轴(26)。

7.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述旋转支架(21)与所述固定支架(22)通过推力轴承(27)相连接，所述旋转滑块(210)与所述驱动轴(36)通过直线轴承(28)相连接。

8.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述旋转驱动机构包括驱动舵机(31)、驱动舵机输出齿轮(33)和传动齿轮(35)；所述驱动舵机(31)与所述驱动轴(36)之间通过所述驱动舵机输出齿轮(33)、所述传动齿轮(35)传动。

9.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述直线驱动机构包括变形舵机(32)、变形舵机输出齿轮(34)和传动齿条(38)；所述变形舵机输出齿轮(34)固定在所述变形舵机(32)输出端，所述传动齿条(38)与所述变形舵机输出齿轮(34)啮合，同时所述传动齿条(38)与所述旋转滑块连接件(211)固定连接。

10.根据权利要求1所述的可双向展开的轮腿式机器人，其特征在于，所述机器人机身(1)包括一个机架底板(11)、两个机架侧板(12)、一个驱动舵机安装架(13)、一个齿条安装架(14)、两个第二滚动轴承(16)和两个轴固定架(17)。