CN1290678C - 变结构腿轮式探测机器人 - Google Patents

Abstract

一种变结构腿轮式探测机器人，采用可变形的平行六边形的车身，通过电机驱动可使车身变宽或变窄；采用腿轮变换的行驶机构，4条腿可以全部伸展开，成为足式步行探测机器人，4条腿也可以按照一定的方式折叠，变形为轮式探测车。将车身的变形、车身高低的变化以及腿和轮结构的转化结合起来，可具有多种不同的变形形式。本发明结合了可变形及可调节高低的车身、足式步行机构、轮式行驶机构的优点，对复杂特殊环境具有更好的适应性。

Description

变结构腿轮式探测机器人

技术领域

本发明涉及一种探测机器人，具体涉及一种根据需要可通过机构自由度(关节)的变化，实现功能和结构变化的探测机器人。

背景技术

探测车必须对复杂地形要有很好的适应性和通过性，即一定的越障能力、避障能力、爬坡越障能力、耐磨损能力和环境适应能力，还要具有稳定高速的行驶能力。现在世界上已经研制出来的探测车车身的形状在行进的过程中不会根据实际的地形地貌改变，因此在某些地形地貌条件下(如狭窄的环境)，探测车就不能通过，降低了对复杂特殊环境的适应性。目前已经开发的探测车的行驶机构主要有轮式、足式和履带式。其中大多数的探测车采用轮式结构，如Rocky7火星探测车，Sojourner探测车等，轮式探测车具有机械结构简单、运动速度快和控制容易的优点，但对复杂地貌的适应能力差；足式步行探测机器人具有很强的地面适应性，非常适合凸凹岩石环境，机动性较好，但是运动速度慢，控制比较复杂；履带式探测车由于容易被地表的颗粒物磨损，所以比较少应用。

发明内容

为了克服现有的轮式探测车对复杂地貌适应能力差，现有的足式步行探测机器人运动速度慢、控制比较复杂的不足，本发明提供一种变结构腿轮式探测机器人，该探测机器人可根据实际的地形地貌改变结构适应复杂的特殊环境，结合了可变形的车身、足式步行机构、轮式行驶机构的优点，实现优势互补。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种变结构腿轮式探测机器人，包括车身及行驶机构，所述的车身包括若干根杆，由这些杆依次顺序连接组成平行多边形结构，相邻杆之间均为活动连接，使平行多边形结构可以变宽或变窄；所述的行驶机构安装在车身上，该行驶机构为腿轮式的混合行驶机构，包括若干相互独立的腿轮，通过腿部折叠机构的伸展或折叠进行腿式和轮式的转变，实现变结构。

所述的车身可包括六根杆，组成可以变形的平行六边形结构。

可在平行六边形车身上装有4个相同且相互独立的腿轮式的混合的行驶机构，4条腿各具有3个关节，自上而下分别为髋关节、膝关节和踝转向关节。

所述的腿部折叠机构可为每条腿随与车身连接的髋关节的转动，使腿与车身平行并由锁定机构锁定在车身上。

当4条腿均伸展开来，按指定的步态，4条腿实现爬行或攀高，成为四足步行探测机器人；当4条腿折叠并锁定在车身上时，每条腿的足为电机驱动的轮子，实现行驶，成为轮式探测车。

还可在车身上安装附属设施，进行特殊环境下的操作。

本发明的有益效果是：

1、可通过改变车身的形状和车身的高低来适应复杂特殊环境

在探测车行进过程中，会遇到各种复杂特殊的地形地貌，如遇有类似于狭缝的地形时，现有的不可变形的探测车无法通过。而本发明的车身为可变形的平行六边形结构，可以根据地形地貌的需要将车身变宽或变窄，使之能通过狭缝。本发明对复杂特殊地形地貌环境有很好的适应性和通过性。本发明的车身的高低也可通过腿的折叠或伸展进行调节，当腿全部伸展时，既可作为步行探测机器人，也可在障碍很小或地面稍有不平时，仍然作为轮式探测车，用轮子行驶，使行进速度快。

2、便于运输和储存

由于运载或储存探测车的工具受到有效载荷舱几何尺寸的限制，因此应该尽量在运输过程中减少探测车的几何尺寸。本发明在运输探测车的过程中可以将探测车车身变窄，前后的四条腿分别向前、向后展开，使之成为瘦长形，减少体积，便于运输和存储。

3、当整个车身展开时，重心到各地面接触点的距离变大，增加了探测车行驶和行走的稳定性。

4、本发明兼有足式步行机构和轮式行驶机构的优点，实现了优势互补。

当在比较平坦的地面上行进时，将髋关节转动，使腿折叠并锁定在车身上，使之作为轮式探测车快速行驶，具有稳定高速的行驶能力。当腿轮结构全部伸展开，就成为足式步行探测机器人，具有比较好的视野，行进过程中，可更好地观察周围环境，还可以爬楼梯和攀高，适于穿越崎岖复杂的区域，机动性较好，在行驶过程中，四条腿之间不会发生行走交叉干涉，而且不会因为车身的变形引起整个探测车的行驶状态的改变。

5、通过车身的宽窄变化、车身高低的变化以及腿和轮结构的变换，可以有很多变形方式，获得不同变形构态。

通过车身的伸展、收缩或不变，结合腿向不同方向的折叠，改变自身的构态，以适应实际应用情况。

6、通过安装各种附加装置，进行特殊环境下的灵活可靠的操作

本发明可在车身上安装各种附加装置，以在特殊危险的环境下进行灵活可靠的操作，完成探测任务。

附图说明

图1是本发明变结构腿轮式探测机器人的结构简图。

图2A是本发明探测机器人车身和腿全部伸展开的变形简图

图2B是本发明探测机器人车身全伸展，腿全部内侧折叠的变形简图

图2C是本发明探测机器人车身不变，腿全部内侧折叠的变形简图

图2D是本发明探测机器人车身不变，腿全部向外折叠的变形简图

图2E是本发明探测机器人车身不变，腿全部向同方向折叠的变形简图

图2F是本发明探测机器人车身收缩，腿全部沿车身方向展开的变形简图

图3A是本发明足式探测机器人对角行走步态(一)示意图

图3B是本发明足式探测机器人对角行走步态(二)示意图

图3C是本发明足式探测机器人对角行走步态(三)示意图

图3D是本发明足式探测机器人对角行走步态(四)示意图

图3E是本发明足式探测机器人对角行走步态(五)示意图

图3F是本发明足式探测机器人对角行走步态(六)示意图

图3G是本发明足式探测机器人对角行走步态(七)示意图

图3H是本发明足式探测机器人对角行走步态(八)示意图

图3I是本发明足式探测机器人对角行走步态(九)示意图

图4A是本发明足式步行探测机器人攀高步态(一)示意图

图4B是本发明足式步行探测机器人攀高步态(二)示意图

图4C是本发明足式步行探测机器人攀高步态(三)示意图

图4D是本发明足式步行探测机器人攀高步态(四)示意图

图4E是本发明足式步行探测机器人攀高步态(五)示意图

图4F是本发明足式步行探测机器人攀高步态(六)示意图

图4G是本发明足式步行探测机器人攀高步态(七)示意图

图4H是本发明足式步行探测机器人攀高步态(八)示意图

图4I是本发明足式步行探测机器人攀高步态(九)示意图

图4J是本发明足式步行探测机器人攀高步态(十)示意图

图4K是本发明足式步行探测机器人攀高步态(十一)示意图

图中，1.腿  2.车身  3.关节  4.杆  5.杆  6.关节  7.杆  8.关节  9.杆  10.关节  11.杆  12.关节  13.杆  14.关节  15.大腿  16.小腿  17.轮  18.踝转向关节  19.髋关节  20.膝关节

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1所示为本发明变结构腿轮式探测机器人的一个实施例，该探测机器人包括车身及行驶机构，本实施例中，车身2为一可以变形的平行六边形结构，由六根杆组成，相对应的两对边的杆相互平行，各杆依次顺序通过铰链实现活动连接。其中杆7和与其对应的杆9长度相等。其余4根杆，即杆4、杆5、杆11、杆13长度相等。通过安装在关节3和关节12处的电机驱动改变关节处的角度值。关节3、12作为平行六边形结构实现变形的两支点，通过改变各杆连接点的角度，控制车身的结构，使车身2变宽或变窄。在车身变形的过程中，控制关节8、10、6、14处的角度相等，并且使关节3、12处的角度变化保持同步。

本实施例的行驶机构是在车身2上装有4条相同且相互独立的腿轮式的混合行驶机构，通过腿部折叠机构的伸展或折叠，进行腿式和轮式的转换，实现变结构。在探测机器人车身2的杆9和杆7的两端分别对称地安装4条腿1，保证4条腿向内折叠成为轮式探测车时不会发生干涉。每条腿的结构相同，都是自上而下由大腿15、小腿16、轮17组成。每条腿各具有三个关节，自上而下分别为车身杆与大腿15之间的髋关节19、大腿15与小腿16之间的膝关节20和小腿16与轮17之间的踝转向关节18。

当探测机器人的4条腿的腿部结构全部伸展开如图1所示，就成为四足步行机器人，可按指定步态实现爬行或攀高；当通过腿部的折叠机构，即每条腿1随与车身连接的髋关节19的转动，将大腿15折叠起，和车身2所在平面平行，由锁定机构锁定在车身2上，小腿16保持和车身2所在平面垂直，每条腿的足为电机驱动的轮子或履带，实现行驶，成为轮式探测车，可以在平坦的地面上快速行驶。

本发明探测机器人通过车身的宽窄变化、车身高低的变化以及腿和轮结构的变换，可以有很多的变形方式，获得不同的变形构态。如：图2A所示的车身和腿全部伸展开，图2B所示的车身全伸展，腿全部内侧折叠，图2C所示的车身不变，腿全部内侧折叠，图2D所示的车身不变，腿全部向外折叠，图2E所示的车身不变，腿全部向同方向折叠，图2F所示的车身收缩，腿全部沿车身方向展开，主要用于被运输和储存。

图3A至图3I这九幅图表示本发明探测机器人为足式步行机器人时，该探测机器人采用对角小跑步态的九种行走步态。

图4A至图4K这十一幅图表示本发明探测机器人为足式步行机器人的攀高图。其中图4A为准备攀高，图4B至图4J为该机器人从右前轮-左前轮-右后轮-左后轮逐渐攀上第一级直至图4K4条腿全部伸展开的完成过程。

本发明可在车身2上安装CCD摄像机及其它传感器和移动操作臂等附加装置，使之可在复杂危险的环境下进行灵活可靠的操作，完成探测任务。

Claims (7)

1、一种变结构腿轮式探测机器人，包括车身及行驶机构，其特征在于：所述的车身包括若干根杆，由这些杆依次顺序连接组成平行多边形结构，相邻杆之间均为活动连接，使平行多边形结构可以变宽或变窄；所述的行驶机构安装在车身上，该行驶机构为腿轮式的混合行驶机构，包括若干相互独立的腿轮，通过腿部折叠机构的伸展或折叠进行腿式和轮式的转变，实现变结构。

2、根据权利要求1所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：所述的车身包括六根杆，组成可以变形的平行六边形结构。

3、根据权利要求2所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：在所述的平行六边形结构实现变形的相对应的两个支点处，各装有一电机，驱动改变各杆连接点的角度。

4、根据权利要求1所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：所述的各杆依次顺序通过铰链实现活动连接。

5、根据权利要求2所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：在车身上装有4个相同且相互独立的腿轮式的混合行驶机构，4条腿各具有3个关节，自上而下分别为髋关节、膝关节和踝转向关节。

6、根据权利要求5所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：所述的腿部折叠机构为每条腿随与车身连接的髋关节的转动，使腿与车身平行并由锁定机构锁定在车身上。

7、根据权利要求6所述的变结构腿轮式探测机器人，其特征在于：当4条腿均伸展开来，按指定的步态，4条腿实现爬行或攀高，成为四足步行探测机器人；当4条腿折叠并锁定在车身上时，每条腿的足为电机驱动的轮子，实现行驶，成为轮式探测车。

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