CN208291367U - 轮腿机器人 - Google Patents

Abstract

一种轮腿机器人，包括机架、两个轮腿机构、两个扩展关节机构和第一驱动组件；机架包括机身和两根传动轴，两根传动轴分别设于机身的相对两侧；两个轮腿机构对称设置，两个轮腿机构分别通过两个扩展关节机构可转动安装在两根传动轴上；第一驱动组件固定在机架上，第一驱动组件用于驱动两个扩展关节机构分别绕两根传动轴转动；每个轮腿机构包括第二驱动组件、辐轮和腿部框架，第二驱动组件和辐轮安装在腿部框架上，第二驱动组件用于驱动辐轮转动。上述轮腿机器人不仅具有良好的机动性能，而且结构精简，控制方式简单，成本低廉，可以快速大量制造和部署。

Description

轮腿机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种轮腿机器人。

背景技术

机器人是当今机电一体化的代表成果，广泛地与电子技术、计算机工程以及人工智能等多领域科学紧密联系。在全国各个行业中，机器人的地位步步攀升，不仅在轻重工业、农业、服务业甚至在医疗行业中扮演着及其重要的角色，而且在安全搜救、空间勘察、侦察等危险环境有着不可替代的作用。其中，移动机器人在机器人领域较为广泛。

随着机械产业的蓬勃发展以及材料制造工艺的巨大进步，市场上涌现出一大批微型移动机器人产业。在移动机器人中，影响较为广泛的有轮式机器人和足式机器人，大批应用在勘察运输方面。轮式机器人速度快、效率高，在简单地形环境拥有极好的运动优势，但是越障、地形适应方面比较差。例如，体型较大的轮式(履带式)机器人，搭载较大型的勘察设备，一旦发生侧翻意外，不仅会损坏仪器，还会对工作开展造成不必要的麻烦，而且在狭窄环境下作用较小，同时适应地形和避障的能力差。而腿式机器人几乎可以适应各种复杂地形，有着良好的自由灵活度，但是在机动性方面不强，结构复杂，成本较高，还有平衡控制算法设计难度大。

实用新型内容

鉴于此，有必要提供一种在越障、地形适应方面比较好，且结构简单，性能稳定的轮腿机器人。

一种轮腿机器人，包括机架、两个轮腿机构、两个扩展关节机构和第一驱动组件；

所述机架包括机身和两根传动轴，两根所述传动轴分别设于所述机身的相对两侧；

两个所述轮腿机构对称设置，一个所述轮腿机构和一个所述扩展关节机构固定连接，另一个所述轮腿机构和另一个所述扩展关节机构固定连接，一个所述扩展关节机构可转动安装在一根所述传动轴上，另一个所述扩展关节机构可转动安装在另一根所述传动轴上；

所述第一驱动组件固定在所述机架上，所述第一驱动组件用于驱动两个所述扩展关节机构分别绕两根所述传动轴转动；

每个所述轮腿机构包括第二驱动组件、辐轮和腿部框架，所述第二驱动组件和所述辐轮安装在所述腿部框架上，所述第二驱动组件用于驱动所述辐轮转动。

在一个实施例中，所述第一驱动组件包括第一驱动电机和第一齿轮组，所述第一驱动电机和所述第一齿轮组连接，所述第一齿轮组和所述扩展关节机构连接，所述第一驱动电机通过驱动第一齿轮组从而控制两个所述扩展关节机构分别绕两根所述传动轴转动。

在一个实施例中，所述第一齿轮组包括呈直线依次排列且啮合的第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，以及固定设于所述第一驱动电机的转轴上的第五齿轮，所述第五齿轮和所述第二齿轮或第三齿轮啮合；

所述第一齿轮和一个所述扩展关节机构固定连接，所述第四齿轮和另一个所述扩展关节机构固定连接，所述第一齿轮和所述第四齿轮分别相对于两根所述传动轴可转动。

在一个实施例中，所述第一驱动电机为直流减速电机。

在一个实施例中，每个所述轮腿机构包括两个所述辐轮，两个所述辐轮分别设于所述腿部框架的两端，每个所述辐轮相对于所述腿部框架可转动。

在一个实施例中，所述第二驱动组件包括第二驱动电机和第二齿轮组，所述第二驱动电机和所述第二齿轮组连接，所述第二齿轮组和所述辐轮连接，所述第二驱动电机通过驱动所述第二齿轮组从而控制所述辐轮相对于所述腿部框架转动。

在一个实施例中，所述第二齿轮组包括第六齿轮、双层齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第十齿轮、第十一齿轮、第十二齿轮和第十三齿轮；

所述第六齿轮固定设于所述第二驱动电机的转轴上，所述双层齿轮的大齿轮和所述第六齿轮啮合，所述双层齿轮的小齿轮和所述第七齿轮啮合，所述第八齿轮和所述第七齿轮同轴固定设置，所述第九齿轮、所述第十齿轮、所述第十一齿轮、所述第十二齿轮和所述第十三齿轮呈直线依次排列且啮合，所述第八齿轮和所述第十一齿轮啮合，所述第九齿轮和所述第十三齿轮分别和一个所述辐轮同轴固定连接。

在一个实施例中，所述第二驱动电机为直流电机。

在一个实施例中，所述辐轮包括设于主轮毂上的六个柔性腿。

上述轮腿机器人，扩展关节机构通过转动安装在机身的两侧，左右对称，并且结合第一驱动电机辅以第一齿轮组可以驱动控制两侧轮腿机构扩展角度，实现机器人在横向平面上具有可变的腿伸展角度。两侧配备辐条轮状的腿，每侧轮腿机构由一个第二驱动电机辅以第二齿轮组驱动，可以提高机器人在崎岖表面和障碍的运动性能，并通过角度调节，可以适应机器人侧翻，穿行，越障等特殊情况。上述轮腿机器人不仅具有良好的机动性能，而且结构精简，控制方式简单，成本低廉，可以快速大量制造和部署，成群后可以覆盖一个大的工作领域。而且可以通过自由调节齿轮减速比以适应各种环境。

附图说明

图1为一实施方式的轮腿机器人的结构示意图；

图2为图1所示的轮腿机器人的部分结构示意；

图3为图1所示的轮腿机器人的前视图；

图4为一实施方式的轮腿机构的正视图；

图5为图4所示的轮腿机构的后视图；

图6为图4所示的轮腿机构的侧视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一实施方式的轮腿机器人100，包括机架10、两个轮腿机构20、两个扩展关节机构30和第一驱动组件40。

请同时参考图2，机架10包括机身12和两根传动轴14，两根传动轴14分别设于机身12的相对两侧。机架10可以采用3D打印，主要用来装载电池、微型传感器和控制板，接合两侧轮腿机构20。机架10的规格可按需求调整。

两个轮腿机构20对称设置，一个轮腿机构20和一个扩展关节机构30固定连接，另一个轮腿机构20和另一个扩展关节机构30固定连接，一个扩展关节机构20可转动安装在一根传动轴14上，另一个扩展关节机构20可转动安装在另一根传动轴14上。

请同时参考图2，每个轮腿机构20包括第二驱动组件22、辐轮24和腿部框架26，第二驱动组件22和辐轮24安装在腿部框架26上，第二驱动组件22用于驱动辐轮24转动。

第一驱动组件40固定在机架10上，第一驱动组件40用于驱动两个扩展关节机构20分别绕两根传动轴14转动。具体的，第一驱动组件40包括第一驱动电机42和第一齿轮组44。第一驱动电机42和第一齿轮组44连接，第一齿轮组44和扩展关节机构20连接，第一驱动电机42通过驱动第一齿轮组44从而控制两个扩展关节机构20分别绕两根传动轴14转动。

请同时参考图2，在一个实施例中，第一齿轮组44包括呈直线依次排列且啮合的第一齿轮442、第二齿轮444、第三齿轮446和第四齿轮448，以及固定设于第一驱动电机42的转轴上的第五齿轮443，第五齿轮443和第二齿轮444或第三齿轮446啮合。第一齿轮组44的齿轮通过传动轴安装在机架10。传动轴可采用轴径2mm的长直镀锌铁轴。可以理解，第一齿轮组44的齿轮组固定方式不限于图2中的方式，也可以根据实际情况进行调整。第一齿轮组44的齿轮的直径大小满足下述条件：齿轮直径＝(齿数+2)×0.5(单位mm)。第一齿轮组44的齿轮的大小，材质取决于制造工艺，可变。

第一齿轮442和一个扩展关节机构30固定连接，第四齿轮448和另一个扩展关节机构30固定连接，第一齿轮442和第四齿轮448分别相对于两根传动轴14可转动。

上述第一齿轮组44的第一齿轮442、第二齿轮444、第三齿轮446和第四齿轮448四个单层齿轮平行啮合，使两侧的轮腿机构20具有相同的扩展角度。

在一个实施例中，第一驱动电机40为直流减速电机，可以理解，在其他实施例中，第一驱动电机40也可以采用其他微型直流电机和减速组。具体的，第一驱动电机40为12V低速大扭矩N20减速电机，转速40转/分钟，堵转力矩12kg·cm，用来调整扩展角度。可按负载需求调整。

在一个实施例中，每个轮腿机构20包括两个辐轮24，两个辐轮24分别设于腿部框架26的两端，每个辐轮24相对于腿部框架26可转动。辐轮24通过传动轴安装在腿部框架26上。传动轴可采用轴径2mm的长直镀锌铁轴。可以理解，辐轮24的数量不限于两个，在其他实施例中，辐轮24的数量也可以根据实际情况进行调整。腿部框架26可以采用3D打印。

在一个实施例中，请同时参考图3和图4，第二驱动组件22包括第二驱动电机221和第二齿轮组。第二驱动电机221和第二齿轮组连接，第二齿轮组和辐轮24连接，第二驱动电机221通过驱动第二齿轮组从而控制辐轮24相对于腿部框架26转动。第二齿轮组通过传动轴与卡簧固接在腿部框架26上。传动轴可采用轴径2mm的长直镀锌铁轴。第二齿轮组包括第六齿轮222、双层齿轮223、第七齿轮224、第八齿轮225、第九齿轮226、第十齿轮227、第十一齿轮228、第十二齿轮229和第十三齿轮231。

第六齿轮222固定设于第二驱动电机221的转轴上，双层齿轮223的大齿轮和第六齿轮222啮合，双层齿轮223的小齿轮和第七齿轮224啮合，第八齿轮225和第七齿轮224同轴固定设置，第九齿轮226、第十齿轮227、第十一齿轮228、第十二齿轮229和第十三齿轮231呈直线依次排列且啮合，第八齿轮225和第十一齿轮228啮合，第九齿轮226和第十三齿轮231分别和一个辐轮24同轴固定连接。可以理解，第二齿轮组固定方式不限于图中所示的方式，也可以根据实际情况进行调整。第二齿轮组的齿轮的直径大小满足下述条件：齿轮直径＝(齿数+2)×0.5(单位mm)。第二齿轮组的齿轮的大小，材质取决于制造工艺，可变。

具体的，第二齿轮组是由孔径为2mm的单层、双层齿轮相互连接啮合成的减速齿轮组，可提高第二驱动电机221负载能力。通过辅以卡簧固定，减速比可按需求调整。在一个实施例中，机架10两侧的轮腿机构20的减速齿轮组的减速比可以随意调节，以适应需求的速度和负载。

具体的，如图4至图6所示，第二齿轮组为由固定设于电机主轴的六齿轮8-1A，双层齿轮3808-2B，第七齿轮48-2A，第八齿轮28-2A，余下第九齿轮226、第十齿轮227、第十一齿轮228、第十二齿轮229和第十三齿轮231组成，减速比为1:28.5。第九齿轮226、第十齿轮227、第十一齿轮228、第十二齿轮229和第十三齿轮231的作用仅为传动，齿轴固定方式不定。(齿轮的编码前两位为齿轮外齿的齿数，编码第三第四位为齿轮内齿的齿数，编码最后一位为齿轮的孔径尺寸，如：3808-2B即为外齿38，内齿8，孔径2mm，A为紧配，B为松配)，齿轮减速比可按需求变化。

在一个实施例中，第二驱动电机221为直流电机。如图2所示的螺丝固定孔孔径为2mm，电机盖与螺丝把第二驱动电机221固定。可以理解，第二驱动电机221也可以选用其他型号的微型电机。具体的，第二驱动电机221为嵌合在腿部框架26上的12V微型直流电机，通过第二齿轮组传动驱动辐轮24，电机转速和转矩可按负载需求调整。

在一个实施例中，辐轮24包括设于主轮毂上的六个柔性腿。辐轮24的轮径为6cm，相邻柔性腿辐条之间的间隙角为60°，这使辐轮24可以在障碍物上爬行。可以理解，辐轮24形状大小可调，并不仅限于图1中的结构设计。辐轮24的柔性腿数量并不限于六个。例如，辐轮24也可以为三辐轮，但是会使第二齿轮组的稳定性减弱。此外，柔性腿的数量越多会越接近于轮，稳定性提高了但是越障能力会降低。

上述轮腿机器人100整体部件材质除了3D耗材PLA或ABS，还可以更换成强度更高的碳纤维或亚克力材质。

上述轮腿机器人100，每侧轮腿机构20由一个第二驱动电机221辅以减速齿轮组即第二齿轮组驱动，第二齿轮组通过传动轴与卡簧固接在腿部框架26上，结构上不仅拥有足够的精简性，驱动轮腿机构20的独立电机可采用简单的差速控制实现前后左右等运动情景。扩展关节机构30通过刚性传动轴14旋转铰链接合在机身12的两侧，左右对称，并且结合一个直流减速电机即第一驱动电机42辅以平行齿轮组即第一齿轮组44驱动控制两侧轮腿机构20扩展角度，可以实现轮腿机器人100上下调整动作，可确保两侧轮腿机构20具有相同的扩展角度，扩展角度可以在往上60°，往下90°范围内变化，使得轮腿机器人100在上下颠倒的情况下继续沿着相同的方向运行，从而适应侧翻、越障等各种环境。上述轮腿机器人100以轻量化为目的，两侧装备六辐轮轮腿机构20以保障崎岖路面行驶能力和狭窄环境的行动力，以调节齿轮减速比调节负载大小。上述轮腿机器人100通过差速转向。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种轮腿机器人，其特征在于，包括机架、两个轮腿机构、两个扩展关节机构和第一驱动组件；

所述机架包括机身和两根传动轴，两根所述传动轴分别设于所述机身的相对两侧；

两个所述轮腿机构对称设置，一个所述轮腿机构和一个所述扩展关节机构固定连接，另一个所述轮腿机构和另一个所述扩展关节机构固定连接，一个所述扩展关节机构可转动安装在一根所述传动轴上，另一个所述扩展关节机构可转动安装在另一根所述传动轴上；

所述第一驱动组件固定在所述机架上，所述第一驱动组件用于驱动两个所述扩展关节机构分别绕两根所述传动轴转动；

每个所述轮腿机构包括第二驱动组件、辐轮和腿部框架，所述第二驱动组件和所述辐轮安装在所述腿部框架上，所述第二驱动组件用于驱动所述辐轮转动。

2.如权利要求1所述的轮腿机器人，其特征在于，所述第一驱动组件包括第一驱动电机和第一齿轮组，所述第一驱动电机和所述第一齿轮组连接，所述第一齿轮组和所述扩展关节机构连接，所述第一驱动电机通过驱动第一齿轮组从而控制两个所述扩展关节机构分别绕两根所述传动轴转动。

3.如权利要求2所述的轮腿机器人，其特征在于，所述第一齿轮组包括呈直线依次排列且啮合的第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮，以及固定设于所述第一驱动电机的转轴上的第五齿轮，所述第五齿轮和所述第二齿轮或第三齿轮啮合；

所述第一齿轮和一个所述扩展关节机构固定连接，所述第四齿轮和另一个所述扩展关节机构固定连接，所述第一齿轮和所述第四齿轮分别相对于两根所述传动轴可转动。

4.如权利要求2所述的轮腿机器人，其特征在于，所述第一驱动电机为直流减速电机。

5.如权利要求1所述的轮腿机器人，其特征在于，每个所述轮腿机构包括两个所述辐轮，两个所述辐轮分别设于所述腿部框架的两端，每个所述辐轮相对于所述腿部框架可转动。

6.如权利要求5所述的轮腿机器人，其特征在于，所述第二驱动组件包括第二驱动电机和第二齿轮组，所述第二驱动电机和所述第二齿轮组连接，所述第二齿轮组和所述辐轮连接，所述第二驱动电机通过驱动所述第二齿轮组从而控制所述辐轮相对于所述腿部框架转动。

7.如权利要求6所述的轮腿机器人，其特征在于，所述第二齿轮组包括第六齿轮、双层齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第十齿轮、第十一齿轮、第十二齿轮和第十三齿轮；

所述第六齿轮固定设于所述第二驱动电机的转轴上，所述双层齿轮的大齿轮和所述第六齿轮啮合，所述双层齿轮的小齿轮和所述第七齿轮啮合，所述第八齿轮和所述第七齿轮同轴固定设置，所述第九齿轮、所述第十齿轮、所述第十一齿轮、所述第十二齿轮和所述第十三齿轮呈直线依次排列且啮合，所述第八齿轮和所述第十一齿轮啮合，所述第九齿轮和所述第十三齿轮分别和一个所述辐轮同轴固定连接。

8.如权利要求6所述的轮腿机器人，其特征在于，所述第二驱动电机为直流电机。

9.如权利要求1所述的轮腿机器人，其特征在于，所述辐轮包括设于主轮毂上的六个柔性腿。